CN102590668B - 一种基于光子技术的微波信号类型和频率检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光子技术的微波信号类型和频率检测方法及装置。脉冲型或者连续型微波信号经电光调制器加载到两个具有不同波长连续激光信号上，然后分成时延支路和参考支路。在时延支路中，在两个光信号之间引入相对时延，进行光学混频，而后利用光滤波器选取斯托克斯光或者反斯托克斯光进行光电探测；在参考支路中，两个光信号直接进行光学混频，而后选取斯托克斯光或者反斯托克斯光进行光电探测。两支路的输出经电路模块处理后，分别获得对应于信号类型的标识码、对应于载波频率的比值函数，从而同时检测出信号类型、载波频率。本发明旨在以光子技术实现微波信号类型、载波频率的同时检测，大为提高了检测的瞬时带宽和灵活性。

Description

一种基于光子技术的微波信号类型和频率检测方法及装置

技术领域

本发明涉及微波接收与检测、微波光子学、光子技术等领域，尤其是光子技术型微波检测与分析技术。

背景技术

微波信号参数的检测和分析，诸如频率(或载波频率)、幅度、信号类型、调制制式、到达方向等参数的检测和分析，是电子战、雷达、民用通信等领域中不可或缺的关键技术。随着微波频段和带宽的不断扩展和微波信号密度的日益增大，以大瞬时带宽、宽覆盖范围、强抗电磁干扰性能为特征的检测和分析方法和装置亟待解决。因而，以光子技术实施微波信号检测和分析逐渐被提上日程，它们在解决宽带瞬时性能、覆盖范围、电磁干扰等问题方面有着显著优势。

目前，基于光子技术的微波频率检测成为了关注的焦点，但是它们集中在连续型微波信号的频率测量上(比如：H.Chi，X.Zou，and J.Yao，“An approach to the measurement of microwave frequency based onoptical power monitoring，”IEEE Photonics Technology Letters，vol.20，no.14，pp.1249-1251，2008；L.A.Bui，M.D.Pelusi，T.D.Vo，N.Sarkhosh，H.Emami，B.J.Eggleton，and A.Mitchell，“Instantaneousfrequency measurement system using optical mixing in highly nonlinearfiber，”Optics Express，vol.17，no.25，pp.22983-22991，2009.)、或者是不区分信号类型(连续型、脉冲型)实施频率检测(X.Zou，S.Pan，andJ.P.Yao，“Instantaneous microwave frequency measurement withimproved measurement range and resolution based on simultaneous phasemodulation and intensity modulation，”Journal of Lightwave Technology，vol.27，no.23，pp.5314-5320，2009)。然而，同时对信号类型、频率进行检测可以获取更多的参数信息，在科研和实践应用中更为人们所期待。类似的需求在基于电子技术的方案中(J.B.Y.Tsui and G.H.Schrick，“Instantaneous frequency(IFM)receiver with capability to seprate cwand pulsed signals，”US patent：4194206，1980)已有初步的体现，但它不具备光子技术型方案所拥有的大瞬时带宽、宽覆盖范围、强抗电磁干扰性能等优势。

为基于光子技术同时实现连续型、脉冲型微波信号类型及频率的检测，本发明公布了一种新颖方法及装置。

发明内容

鉴于以上陈述的已有方案在微波参数同时检测、或者检测带宽上的不足，本发明旨在提供一种具有大瞬时带宽的光子技术型检测方法及装置，同时实施信号类型、载波频率的检测。

本发明的目的通过如下手段来实现。

一种基于光子技术的微波信号类型和频率检测方法，同时检测出待测微波信号的类型和频率，其特征在于，待测的连续型或脉冲型微波信号加载到两个不同波长的连续激光信号上，然后分成含有相对时延的时延支路和不含相对时延的参考支路；在所述的时延支路，先在两个光信号之间引入相对时延，经光学混频后，选取斯托克斯光或者反斯托克斯光进行探测；在所述的参考支路，两个光信号直接进行光学混频，选取斯托克斯光或者反斯托克斯光进行探测；然后时延支路、参考支路的输出经光电转换后进行电路处理，得到标识信号类型和表征载波频率的两个输出。

本发明的目的还在于，为上述方法提供一种予以实现的装置。该装置包含：两个连续激光光源、加载待测微波信号的电光调制器，电光调制器的出口光路上设置含有相对时延的时延支路和不含相对时延的参考支路；在时延支路上设置有时延元件、掺铒光纤放大器、光学混频元件、光滤波器、低速光探测器；在参考支路上设置有掺铒光纤放大器、光学混频元件、光滤波器、低速光探测器；时延支路和参考支路的输出与类型分辨及频率测量的电路模块相连。在电路处理模块中，提取两支路中直流分量进行除法运算，获得载波频率值；提取交流分量，作为连续型、连续型信号的标识，从而实现了信号类型、载波频率的同时检测。

实际执行过程为：在小信号调制下，待测微波信号经电光调制器对两个激光光信号(角频率分别为ω₁和ω₂)进行外调制，然后经光耦合器分成两路。在时延支路中，时延元件在两个光信号之间引入相对时延差τ，被掺铒光纤放大器放大，并在光学混频元件中实施光学混频，生成角频率分别为(2ω₁-ω₂)、(2ω₂-ω₁)的斯托克斯光和反斯托克斯光；利用光滤波器选取斯托克斯光或者反斯托克斯光，然后进行低速光电探测。在参考支路中，两个光信号直接被掺铒光纤放大器放大，并在光学混频元件中实施光学混频，生成角频率分别为(2ω₁-ω₂)、(2ω₂-ω₁)的斯托克斯光和反斯托克斯光，其中之一被光滤波器选取出来进行低速光电探测。此时，混频支路和参考支路的输出信号(I_M和I_R)可表示为：

I_M(t)∝1+β²[f(t)]²+2β²[f(t)f(t+τ)]    (1)

I_R(t)∝1+3β²[f(t)]²                     (2)

其中f(t)，f(t+τ)为待测微波信号和对应的时延信号，β为调制深度。根据公式(1)和(2)，下面依次分析连续型微波信号、脉冲型微波信号两种情况。

当微波信号为连续型时，可以表示为f(t)＝cos(Ω₀t)，从而(1)和(2)式可进一步推导为：

I_M(t)∝1+β²[0.5+cos(Ω₀τ)]   (3)

I_R(t)∝1+1.5β²                (4)

其中Ω₀＝2πf₀为待测微波信号的角频率，f₀为待测的载波频率。这里，高频分量在低速探测器中被抑制，仅保留直流分量。

当微波信号为脉冲型时，将其用傅里叶级数的形式表示为： $f\left(t\right)=\cos \left({\mathrm{\Ω}}_{0}t\right)\×\underset{k=0}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k\cos \left(\mathrm{k\Ωt}\right),$ (1)和(2)式可进一步推导为：

$I_M\left(t\right)\∝1+0.25{\mathrm{\β}}^2(2A_0^2+\underset{k=1}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k^2)[1+2\cos \left({\mathrm{\Ω}}_0\mathrm{\τ}\right)]$ (5)

$+{\mathrm{\β}}^2\underset{k=1}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left[B_k\cos (\mathrm{k\Ωt}+{\mathrm{\α}}_k)\right]$

$I_R\left(t\right)\∝1+0.75{\mathrm{\β}}^2(2A_0^2+\underset{k=1}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k^2)---\left(6\right)$

其中Ω为脉冲信号的重复角频率，B_k和α_k分别表示各阶低频交流分量的幅度和相位。在电子战、雷达、通信等应用场合中，重复频率一般在KHz～数十MHz之间，因而同GHz以上的微波频率相比，含有重复角频率Ω的项为低频交流分量，能够被低速光探测转换；此外，重复角频率较小也使得(5)式近似成立。

基于上述(3)～(6)式，电路模块的处理功能如下：一方面，提取参考支路的直流分量作为标定和参考信号；另一方面，将混频支路的直流分量和低频交流分量分离开来，然后进行除法运算。

在连续型微波信号情况下，得到比值函数：

F＝[1+2cos(Ω₀τ)]/3    (7)

$T=\frac{0}{1.5{\mathrm{\β}}^2}=0---\left(8\right)$

因而，基于F的值可以计算出载波频率f₀＝Ω₀/(2π)，基于低电平或者“0”电平的T可以判断信号类型为连续型。

在脉冲型微波信号情况下，同样可以得到比值函数：

F＝[1+2cos(Ω₀τ)]/3    (9)

$T=\frac{\underset{k=1}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left[B_k\cos (\mathrm{k\Ωt}+{\mathrm{\α}}_k)\right]}{0.75(2A_0^2+\underset{k=1}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k^2)}>0---\left(10\right)$

因而，同样基于F的值可以计算出载波频率f₀＝Ω₀/(2π)，基于高电平或者“1”电平的T可以判断信号类型为脉冲型。

经过上述设计后，本发明具有如下优点：在光域上实现了连续型、脉冲型微波信号的类型、载波频率的同时检测，既扩大了参数检测范围，又提高了瞬时带宽、覆盖范围，大为提高了检测带宽和灵活性。

附图说明：

图1.本发明方法的系统框图。

图2.光学混频元件中混频示意图。

图3.类型分辨及频率测量电路模块的三种实现方式：(a)方式一；(b)方式二；(c)方式三。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。

如图1所示，实现本发明方法的装置由两个连续激光光源10和11，两个光耦合器20和21，电光调制器30，时延元件40，两个掺铒光纤放大器50和51，两个光学混频元件60和61，两个光滤波器70和71，两个低速光探测器80和81，类型分辨及频率测量电路模块90构成。

在光耦合器20的作用下，激光光源10和11的输出光信号(对应角频率分别为ω₁和ω₂)一同进入电光调制器30。在小信号强度调制下，两个被调制后的光信号可表示为：和

然后在光耦合器21的作用下分成时延支路和参考支路。在时延支路中，利用时延元件40(可以采用啁啾光纤光栅或光纤光栅串或者光纤)在两个光信号之间引入相对时延τ，因而得到 $\mathrm{expj}\left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)\×\sqrt{1+\mathrm{\βf}\left(t\right)}$ 和 $\mathrm{expj}\left[{\mathrm{\ω}}_2(t+\mathrm{\τ})\right]\×\sqrt{1+\mathrm{\βf}(t+\mathrm{\τ})},$ 被掺铒光纤放大器50放大后在光学混频元件60(可以采用高非线性光纤或半导体光放大器)进行光学混频，其原理为四波混频。如图2所示，生成角频率分别为(2ω₁-ω₂)、(2ω₂-ω₁)的斯托克斯光和反斯托克斯光。采用光滤波器70选取斯托克斯光(2ω₁-ω₂)或者反斯托克斯光(2ω₂-ω₁)，然后在低速光探测器80中被转换成电信号：

I_M(t)∝1+β²[f(t)]²+2β²[f(t)f(t+τ)]    (11)

其中f(t)，f(t+τ)为待测微波信号和对应的时延信号；β为调制深度，由微波信号的幅度和电光调制器的半波电压共同决定。在参考支路中，两个光信号直接被掺铒光纤放大器51放大后，在光学混频元件61实施光学混频，并采用光滤波器71选取斯托克斯光(2ω₁-ω₂)或者反斯托克斯光(2ω₂-ω₁)，而后注入到低速光探测器81中。由于两光信号之间无相对时延，因而低速光探测器81输出的电信号为

I_R(t)∝1+3β²[f(t)]²    (12)

光探测器80和81的输出同时注入到电路模块90中，进行直流、低频交流分离、差分运算和除法运算。

电路模块90的实现方式有三种，分别见图3(a)、3(b)、3(c)。在方式一中，如图3(a)，光探测器81的输出信号通过电感元件901：直流分量通过，交流分量被滤除。光探测器80的输出信号分成两部分，一部分通过电容910，保留交流分量，另一部分与电容910的输出在差分运算元件920中进行差分运算，保留直流分量；然后电感901输出的直流分量与差分运算元件920输出的直流分量在除法运算元件930中进行除法运算，消除了微波幅度的影响(这里体现为调制深度的约去)，得到与载波频率相关的比值函数；同时，电感901输出的一部分与电容910输出的一部分在931中进行除法运算，也消除了微波幅度的影响，得到与信号类型相关的高电平或低电平(“0”或“1”)。在方式二中，如图3(b)，光探测器81的输出信号通过电感元件902，直流分量通过，交流分量被滤除。光探测器80的输出信号分成两部分，一部分通过电感911，保留直流分量，另一部分与电容911的输出在921中进行差分运算，保留交流分量；然后电感902输出的直流分量与电感911输出的部分直流分量在932中进行除法运算，得到与载波频率相关的比值函数；同时，电感902输出的一部分与差分运算921的输出在933中进行除法运算，得到与信号类型相关的高电平或低电平(“0”或“1”)。在方式三中，如图3(c)，光探测器81的输出信号分成两部分，一部分通过电容903后与另一部分在922中进行差分运算，直流分量通过，交流分量被滤除。光探测器80的输出信号分成两部分，一部分通过电容912，保留低频交流分量，另一部分与电容912的输出在923中进行差分运算，保留直流分量；然后差分运算922输出的直流分量与差分运算923输出的直流分量在934中进行除法运算，得到与载波频率相关的比值函数；同时，差分运算922输出的一部分与电容912输出的一部分在935中进行除法运算，得到与信号类型相关的高电平或低电平(“0”或“1”)。因而，在电路模块90的输出端，同时获得表征载波频率的比值函数和标识信号类型的高低电平。

基于上述具体方式，下面分别针对连续型和脉冲型微波信号展开检测分析。

当微波信号为连续型时，可以表示为f(t)＝cos(Ω₀t)。根据公式(11)，混频支路中光探测器80的输出表示为

I_M(t)∝1+β²[0.5+cos(Ω₀τ)]    (13)

其中Ω₀＝2πf₀为待测微波信号的角频率，f₀为待测的载波频率。根据公式(12)，参考支路中光探测器81的输出表示为

I_R(t)∝1+1.5β²    (14)

这里，高频分量在低速光探测器80和81中被抑制，仅保留直流分量。

当微波信号为脉冲型时，将其用傅里叶级数的形式表示为：根据公式(11)，混频支路中光探测器80的输出表示为：

$I_M\left(t\right)\∝1+0.25{\mathrm{\β}}^2(2A_0^2+\underset{k=1}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k^2)[1+2\cos \left({\mathrm{\Ω}}_0\mathrm{\τ}\right)]$ (15)

$+{\mathrm{\β}}^2\underset{k=1}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left[B_k\cos (\mathrm{k\Ωt}+{\mathrm{\α}}_k)\right]$

其中Ω为脉冲信号的重复角频率，B_k和α_k分别表示各阶低频交流分量的幅度和相位。根据公式(12)，参考支路中光探测器81的输出表示为

$I_R\left(t\right)\∝1+0.75{\mathrm{\β}}^2(2A_0^2+\underset{k=1}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k^2)---\left(16\right)$

这里需要说明的是：在电子战、雷达、通信等应用场合中，脉冲微波信号的重复频率一般在KHz数十MHz之间，因而同GHz以上的微波频率相比，含有重复角频率Ω的项为低频交流分量，能够被低速光探测80和81转换，而含有微波角频率Ω₀的项为高频交流分量则被低速光探测80和81阻止。

结合(13)～(16)式、电路模块90的三种实现方式之一(见图3)，可以得到下列结果。在连续型微波信号情况下，电路模块90输出的两个比值函数为：

$F=\frac{{\mathrm{\β}}^2[0.5+\cos \left({\mathrm{\Ω}}_0\mathrm{\τ}\right)]}{1.5{\mathrm{\β}}^2}=[1+2\cos \left({\mathrm{\Ω}}_0\mathrm{\τ}\right)]1/3---\left(17\right)$

$T=\frac{0}{1.5{\mathrm{\β}}^2}=0---\left(18\right)$

因而，载波频率f₀＝Ω₀/(2π)可以从F计算得到，连续型信号类型标识为低电平或者“0”电平的T。在脉冲型微波信号情况下，此时电路模块90输出的两个比值函数为：

$F=\frac{0.25{\mathrm{\β}}^2(2A_0^2+\underset{k=1}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k^2)[1+2\cos \left({\mathrm{\Ω}}_0\mathrm{\τ}\right)]}{0.75{\mathrm{\β}}^2(2A_0^2+\underset{k=1}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k^2)}=[1+2\cos \left({\mathrm{\Ω}}_0\mathrm{\τ}\right)]1/3---\left(19\right)$

$T=\frac{{\mathrm{\β}}^2\underset{k=1}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\left[B_k\cos (\mathrm{k\Ωt}+{\mathrm{\α}}_k)\right]}^2}{0.75{\mathrm{\β}}^2(2A_0^2+\underset{k=1}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k^2)}=\frac{\underset{k=1}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left[B_k\cos (\mathrm{k\Ωt}+{\mathrm{\α}}_k)\right]}{0.75(2A_0^2+\underset{k=1}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_k^2)}>0---\left(20\right)$

同样载波频率f₀＝Ω₀/(2π)可以从F计算得到，脉冲型信号类型标识为高电平或者“1”电平的T。因而，简而言之，载波频率(无论是连续型、还是脉冲型微波信号)都是通过低速光探测器输出的直流分量来获得，而信号类型的则是通过判别混频支路输出中有无低频交流分量来识别。另外，由于上述原理中的高频处理均在光域上完成，因而信号类型和频率检测范围可以同时覆盖到100GHz及以上。

综合以上陈述，本发明具有如下特征。1).采用光子技术，能够同时对微波信号类型(连续型或脉冲型)、频率进行检测；2).涉及的高频时延及混频都是在光域中进行的，提供了大瞬时带宽、宽覆盖范围和强抗电磁干扰能力；3).选用混频生成的斯托克斯光或反斯托克斯光、以及在电路模块中一直选用直流分量(无论是针对连续型还是脉冲型信号)来计算载波频率，减少了干扰因素。

以上所陈述的仅仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方法和核心装置实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色也应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种基于光子技术的微波信号类型和频率检测方法，同时检测出待测微波信号的类型和载波频率，其特征在于，待测微波信号可为脉冲型微波信号或连续型微波信号；所述的待测微波信号加载到两个不同波长的连续激光信号上，然后分成含有相对时延的时延支路和不含相对时延的参考支路；在所述的时延支路，先在两个光信号之间引入相对时延，经光学混频后，选取斯托克斯光或者反斯托克斯光进行探测；在所述的参考支路，两个光信号直接进行光学混频，选取斯托克斯光或者反斯托克斯光进行探测；然后所述的时延支路、参考支路的输出经光电转换后进行电路处理，得到标识信号类型和表征载波频率的两个输出；在所述的时延支路、参考支路中利用光滤波器完成斯托克光和反斯托克斯光的选取，然后以低速光探测器实施光电转换：对应于连续型微波信号获得直流分量输出；对应于脉冲型微波信号获得直流分量和低频交流分量输出。

2.根据权利要求1所述之一种基于光子技术的微波信号类型和频率检测方法，其特征在于，在所述低速光探测器之后的电路处理中：无论是连续型还是脉冲型微波信号，直流分量被提取出来做除法运算，鉴别出与频率相关的相位，获得载波频率值；低频交流分量被提取出来做除法运算，获得信号类型的标识：连续型信号时为低电平或者“0”，脉冲型信号时为高电平或者“1”。

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