CN103292918B - 相位变化测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种相位变化测量系统，其中偏移频率锁定单元将第一和第二飞秒光学频率梳单元的载波包络偏移频率锁定为参考微波信号的频率，第一重复频率锁定单元利用参考激光信号对第一飞秒光学频率梳单元的重复频率进行锁定，第二重复频率锁定单元利用待测微波信号对第二飞秒光学频率梳单元的重复频率进行锁定，第一拍频单元对来自第一和第二飞秒光学频率梳单元的激光信号进行拍频处理，并根据拍频信号对应的梳齿序号值，利用拍频信号的频率除以所述梳齿序号值，从而得到待测微波信号的相位变化值。由于拍频信号可以放大微波信号的相位变化，因此可以高精度地测量微波信号相位的微小变化。

Description

相位变化测量系统

技术领域

本发明涉及信号测量领域，尤其是涉及相位变化测量系统。

背景技术

微波频率源是现代微波系统中最重要的核心部件之一，有微波系统的“心脏”之称。在微波源的各项参数中，由于微波源的相位噪声决定了整个系统的相位噪声，因此相位噪声极其重要。随着技术的不断发展，各种微波设备对振荡信号的相位噪声要求越来越高。相位噪声是用来表征一个微波源的短期频率稳定度。信号的相位和相位变化是许多领域需要精密测量的参数，例如精密干涉测量、包括引论波探测、相对论验证实验、精密惯性系统传感器等。

通常对微波相位噪声的测量是通过采用频谱仪或者是相噪分析仪对微波相位噪声直接进行分析。它的基础是对信号的相位及其变化进行探测和分析。但频率仪制造技术的限制导致了频谱仪的平均噪声电平较高，测量的动态范围较小，以及分析带宽偏大、分析带宽精度不高等缺陷，因此限制了直接频谱测量法在相位噪声测量方面的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种相位变化测量系统，通过利用两个光学频率梳单元的拍频信号来测量微波信号的相位变化，由于拍频信号可以放大微波信号的相位变化，因此可以通过测量拍频信号的频率、以及该拍频信号频率在光学频率梳单元输出的激光信号中对应的梳齿序号值，从而可以高精度地测量微波信号相位的微小变化。

根据本发明的一个方面，提供一种相位变化测量系统，其中该系统包括第一飞秒光学频率梳单元、第二飞秒光学频率梳单元、参考微波单元、偏移频率锁定单元、参考激光单元、第一重复频率锁定单元、频率综合单元、第二重复频率锁定单元、第一拍频单元、测量单元，其中：

参考微波单元，用于向偏移频率锁定单元提供参考微波信号；

偏移频率锁定单元，用于分别将第一飞秒光学频率梳单元和第二飞秒光学频率梳单元的载波包络偏移频率锁定为参考微波信号的频率；

参考激光单元，用于向第一重复频率锁定单元提供参考激光信号；

第一重复频率锁定单元，用于利用参考激光信号对第一飞秒光学频率梳单元的重复频率进行锁定；

频率综合单元，用于接收待测微波信号，并将待测微波信号的频率变换到与第二飞秒光学频率梳单元的重复频率相同的频率上，并将经变换处理的待测微波信号发送给第二重复频率锁定单元；

第二重复频率锁定单元，用于利用经变换处理的待测微波信号对第二飞秒光学频率梳单元的重复频率进行锁定；

第一飞秒光学频率梳单元和第二飞秒光学频率梳单元，用于分别将输出的激光信号提供给第一拍频单元；

第一拍频单元，用于对来自第一飞秒光学频率梳单元和第二飞秒光学频率梳单元的激光信号进行拍频处理，并将得到的拍频结果提供给测量单元；

测量单元，用于从拍频结果中选择任一个第一波长所对应的拍频信号，确定拍频信号的频率值在第一飞秒光学频率梳单元输出的激光信号中对应的梳齿序号值，利用拍频信号的频率除以所述梳齿序号值，从而得到待测微波信号的相位变化值，其中第一波长同时包括在第一飞秒光学频率梳单元和第二飞秒光学频率梳单元输出的激光信号中。

本发明通过将第一飞秒光学频率梳单元和第二飞秒光学频率梳单元的载波包络偏移频率锁定为参考微波信号的频率，利用参考激光信号对第一飞秒光学频率梳单元的重复频率进行锁定，利用待测微波信号对第二飞秒光学频率梳单元的重复频率进行锁定，对来自第一飞秒光学频率梳单元和第二飞秒光学频率梳单元的激光信号进行拍频处理，并从拍频结果中选择任一个第一波长所对应的拍频信号，确定拍频信号的频率值在第一飞秒光学频率梳单元输出的激光信号中对应的梳齿序号值，利用拍频信号的频率除以所述梳齿序号值，从而得到待测微波信号的相位变化值，其中第一波长同时包括在第一飞秒光学频率梳单元和第二飞秒光学频率梳单元输出的激光信号中。由于拍频信号可以放大微波信号的相位变化，因此可以通过测量拍频信号的频率、以及该拍频信号频率在光学频率梳单元输出的激光信号中对应的梳齿序号值，从而可以高精度地测量微波信号相位的微小变化。

附图说明

图1为本发明相位变化测量系统一个实施例的示意图。

图2为本发明相位变化测量系统另一实施例的示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。

图1为本发明相位变化测量系统一个实施例的示意图。如图1所示，相位变化测量系统包括第一飞秒光学频率梳单元1、第二飞秒光学频率梳单元2、参考微波单元3、偏移频率锁定单元4、参考激光单元5、第一重复频率锁定单元6、频率综合单元7、第二重复频率锁定单元8、第一拍频单元9、测量单元10，其中：

参考微波单元3，用于向偏移频率锁定单元4提供参考微波信号。

偏移频率锁定单元4，用于分别将第一飞秒光学频率梳单元1和第二飞秒光学频率梳单元2的载波包络偏移频率锁定为参考微波信号的频率。

参考激光单元5，用于向第一重复频率锁定单元6提供参考激光信号。

第一重复频率锁定单元6，用于利用参考激光信号对第一飞秒光学频率梳单元1的重复频率进行锁定。

由于参考激光单元输出的参考激光信号具有良好的稳定性，通过利用参考激光信号对第一飞秒光学频率梳单元的重复频率进行锁定，从而第一飞秒光学频率梳单元输出的激光信号也就具有与参考激光单元同等的稳定度。

频率综合单元7，用于接收待测微波信号，并将待测微波信号的频率变换到与第二飞秒光学频率梳单元2的重复频率相同的频率上，并将经变换处理的待测微波信号发送给第二重复频率锁定单元8。

由于待测微波信号的频率可能距第二飞秒光学频率梳单元2的重复频率较远，这不利于拍频的实现，因此需要将待测微波信号的频率变换到与第二飞秒光学频率梳单元2的重复频率相同的频率上，此时得到的就是一个在第二飞秒光学频率梳单元2的重复频率附近抖动的微波信号。

第二重复频率锁定单元8，用于利用经变换处理的待测微波信号对第二飞秒光学频率梳单元2的重复频率进行锁定。

第一飞秒光学频率梳单元1和第二飞秒光学频率梳单元2，用于分别将输出的激光信号提供给第一拍频单元9。

第一拍频单元9，用于对来自第一飞秒光学频率梳单元1和第二飞秒光学频率梳单元2的激光信号进行拍频处理，并将得到的拍频结果提供给测量单元10。

测量单元10，用于从拍频结果中选择任一个第一波长所对应的拍频信号，确定拍频信号的频率值在第一飞秒光学频率梳单元1输出的激光信号中对应的梳齿序号值，利用拍频信号的频率除以所述梳齿序号值，从而得到待测微波信号的相位变化值，其中第一波长同时包括在第一飞秒光学频率梳单元1和第二飞秒光学频率梳单元2输出的激光信号中。

基于本发明上述实施例提供的相位变化测量系统，通过将第一飞秒光学频率梳单元和第二飞秒光学频率梳单元的载波包络偏移频率锁定为参考微波信号的频率，利用参考激光信号对第一飞秒光学频率梳单元的重复频率进行锁定，利用待测微波信号对第二飞秒光学频率梳单元的重复频率进行锁定，对来自第一飞秒光学频率梳单元和第二飞秒光学频率梳单元的激光信号进行拍频处理，并从拍频结果中选择任一个第一波长所对应的拍频信号，确定拍频信号的频率值在第一飞秒光学频率梳单元输出的激光信号中对应的梳齿序号值，利用拍频信号的频率除以所述梳齿序号值，从而得到待测微波信号的相位变化值，其中第一波长同时包括在第一飞秒光学频率梳单元和第二飞秒光学频率梳单元输出的激光信号中。由于拍频信号可以放大微波信号的相位变化，因此可以通过测量拍频信号的频率、以及该拍频信号频率在光学频率梳单元输出的激光信号中对应的梳齿序号值，从而可以高精度地测量微波信号相位的微小变化。

飞秒光学频率梳技术是近年来发展起来的一种将光学频率与微波频率标准相位连接起来的技术。在时间域中，飞秒光学频率梳单元输出一系列等间隔的超短脉冲，脉冲宽度为几飞秒到几十飞秒，重复频率f_r为几百MHz到几GHz；在频率域内，飞秒光学频率梳单元输出的光谱是由一系列规则等间隔的连续波光谱线组成的光梳，每个梳齿之间的间隔精确地等于飞秒光学频率梳单元的脉冲重复频率。其中光梳的第n条梳齿的频率f_n为：

f_n＝nf_r+f₀

其中，f₀是所有梳齿共有的载波包络偏移频率。载波包络偏移频率f₀和重复频率f_r被都处于微波频率。

下面以一个具体示例对本实施例进行说明。

参考激光单元为波长为1550nm的超稳光纤激光器，第一飞秒光学频率梳单元和第二飞秒光学频率梳单元为重复频率为250MHz的掺杂铒Er的飞秒光纤频率梳，参考微波单元为频率是10MHz的氢钟参考微波频率源。为了确保能够实现拍频，两个飞秒光学频率梳单元的频谱覆盖范围均不低于一个倍频程。

偏移频率锁定单元探测第一飞秒光学频率梳单元的载波包络偏移频率f₀₁，并将第一飞秒光学频率梳单元的载波包络偏移频率f₀₁与参考微波单元提供的参考微波信号的频率进行混频，得到第一混频结果，并将第一混频结果发送给第一飞秒光学频率梳单元。

第一飞秒光学频率梳单元根据第一混频结果调整第一飞秒光学频率梳单元中光纤激光器泵浦光的电流，以将第一飞秒光学频率梳单元的载波包络偏移频率f₀₁锁定为参考微波信号的频率，即f₀₁＝10MHz。

偏移频率锁定单元同时还探测第二飞秒光学频率梳单元的载波包络偏移频率f₀₂，并将第二飞秒光学频率梳单元的载波包络偏移频率f₀₂与参考微波单元提供的参考微波信号的频率进行混频，得到第二混频结果，并将第二混频结果发送给第二飞秒光学频率梳单元。

第二飞秒光学频率梳单元根据第二混频结果调整第二飞秒光学频率梳单元中光纤激光器泵浦光的电流，以将第二飞秒光学频率梳单元的载波包络偏移频率f₀₂锁定为参考微波信号的频率，即f₀₂＝f₀₁＝10MHz。

此外，第一重复频率锁定单元将第一飞秒光学频率梳单元输出的激光信号与参考激光单元输出的激光信号进行拍频，并在拍频结果中选择任一个波长所对应的拍频信号，其中该波长包括在第一飞秒光学频率梳单元和参考激光单元输出的激光信号中。第一重复频率锁定单元同时探测第一飞秒光学频率梳单元的重复频率，将得到的拍频信号与第一飞秒光学频率梳单元的重复频率进行混频，并利用混频结果控制第一飞秒光学频率梳单元中光纤激光器的腔长，从而将第一飞秒光学频率梳单元的重复频率锁定在250MHz，即f_r1＝250MHz。此时第一飞秒光学频率梳单元的载波包络偏移频率f₀₁和重复频率f_r1均已完成锁定。

同时，将待测的微波信号通过频率综合单元进行变换处理，形成在250MHz附近的待测量微波信号。由于待测信号是一个非稳定信号，因此通过频率综合单元处理后所获得的微波信号是一个在250MHz附近抖动的微波信号。

第二重复频率锁定单元探测第二飞秒光学频率梳单元的重复频率，将经变换处理的待测微波信号的频率与第二飞秒光学频率梳单元的重复频率进行混频。第二飞秒光学频率梳单元根据混频结果控制第二飞秒光学频率梳单元中光纤激光器的腔长，从而将第二飞秒光学频率梳单元的重复频率f_r2进行锁定。此时，第二飞秒光学频率梳单元的重复频率f_r2＝250MHz+f_p。由于频率可以表示为频率相位随时间的变化，因此f_p可直接反应测微波信号的相位φ(t)随时间的变化情况，即：

$f_p=\frac{\∂\mathrm{\φ}\left(t\right)}{\∂t}$

第一拍频单元对来自第一飞秒光学频率梳单元和第二飞秒光学频率梳单元的激光信号进行拍频处理。在拍频结果中选择任一个波长所对应的拍频信号，其中该波长同时包括在第一飞秒光学频率梳单元和第二飞秒光学频率梳单元输出的激光信号中。

此时，第一飞秒光学频率梳单元输出的激光信号中参与拍频的梳齿频率为：

f_n1＝nf_r1+f₀₁

第二飞秒光学频率梳单元输出的激光信号中参与拍频的梳齿频率为：

f_n2＝nf_r2+f₀₂＝n(f_r1+f_p)+f₀₁

则相应的拍频信号的频率f_b为：

$f_b=f_{n2}-f_{n1}=({\mathrm{nf}}_{r2}+f_{02})-({\mathrm{nf}}_{r1}+f_{01})=n\frac{\∂\mathrm{\φ}\left(t\right)}{\∂t}$

这里，由于f_n处于光学频率波段，而处于微波频率波段，因此n是一个很大的数值，其数量级可达到10⁶。由此可以看到，拍频信号可以将微波信号的频率相位变化进行放大。通过f_b和n就可以精确地获得微波信号的频率相位变化。

其中通过波长计进行测量f_b的光学频率，此后除以第一飞秒光学频率梳单元的重复频率f_r1，取计算结果中的整数部分即可获得n。

根据本发明另一具体实施例，测量单元10还用于对待测微波信号的相位变化值进行积分运算，以得到待测微波信号的相位值。即：

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=\∫\left(\frac{f_b}{n}\right)\mathrm{dt}$

图2为本发明相位变化测量系统另一实施例的示意图。与图1所示实施例相比，在图2所示实施例中，偏移频率锁定单元4具体包括第一光电探测单元401、第一混频单元402，其中：

第一光电探测单元401，用于探测第一飞秒光学频率梳单元1的载波包络偏移频率，探测第二飞秒光学频率梳单元2的载波包络偏移频率。

第一混频单元402，用于将第一飞秒光学频率梳单元1的载波包络偏移频率与参考微波单元3提供的参考微波信号的频率进行混频，得到第一混频结果，并将第一混频结果发送给第一飞秒光学频率梳单元1；将第二飞秒光学频率梳单元2的载波包络偏移频率与参考微波单元3提供的参考微波信号的频率进行混频，得到第二混频结果，并将第二混频结果发送给第二飞秒光学频率梳单元2。

第一飞秒光学频率梳单元1还用于根据第一混频结果调整第一飞秒光学频率梳单元1中光纤激光器泵浦光的电流，以将第一飞秒光学频率梳单元1的载波包络偏移频率锁定为参考微波信号的频率。

第二飞秒光学频率梳单元2还用于根据第二混频结果调整第二飞秒光学频率梳单元2中光纤激光器泵浦光的电流，以将第二飞秒光学频率梳单元2的载波包络偏移频率锁定为参考微波信号的频率。

根据本发明另一具体实施例，第一重复频率锁定单元6具体包括第二拍频单元601、第二光电探测单元602、第二混频单元603，其中：

第二拍频单元601，用于将第一飞秒光学频率梳单元1输出的激光信号与参考激光单元5输出的激光信号进行拍频，并在拍频结果中选择任一个第二波长所对应的拍频信号，并将拍频信号发送给第二混频单元603，其中第二波长包括在第一飞秒光学频率梳单元1和参考激光单元5输出的激光信号中。

第二光电探测单元602，用于探测第一飞秒光学频率梳单元1的重复频率。

第二混频单元603，用于将拍频信号与第一飞秒光学频率梳单元1的重复频率进行混频，并将混频结果发送给第一飞秒光学频率梳单元1。

第一飞秒光学频率梳单元1还用于根据混频结果控制第一飞秒光学频率梳单元1中光纤激光器的腔长，从而对第一飞秒光学频率梳单元1的重复频率进行锁定。

根据本发明另一具体实施例，第二重复频率锁定单元8具体包括第三光电探测单元801、第三混频单元802，其中：

第三光电探测单元801，用于探测第二飞秒光学频率梳单元2的重复频率。

第三混频单元802，用于将经变换处理的待测微波信号的频率与第二飞秒光学频率梳单元2的重复频率进行混频，并将混频结果发送给第二飞秒光学频率梳单元2。

第二飞秒光学频率梳单元2还用于根据混频结果控制第二飞秒光学频率梳单元2中光纤激光器的腔长，从而对第二飞秒光学频率梳单元2的重复频率进行锁定。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (5)

1.一种相位变化测量系统，其特征在于，该系统包括第一飞秒光学频率梳单元、第二飞秒光学频率梳单元、参考微波单元、偏移频率锁定单元、参考激光单元、第一重复频率锁定单元、频率综合单元、第二重复频率锁定单元、第一拍频单元、测量单元，其中：

参考微波单元，用于向偏移频率锁定单元提供参考微波信号；

偏移频率锁定单元，用于分别将第一飞秒光学频率梳单元和第二飞秒光学频率梳单元的载波包络偏移频率锁定为参考微波信号的频率；

参考激光单元，用于向第一重复频率锁定单元提供参考激光信号；

第一重复频率锁定单元，用于利用参考激光信号对第一飞秒光学频率梳单元的重复频率进行锁定；

频率综合单元，用于接收待测微波信号，并将待测微波信号的频率变换到与第二飞秒光学频率梳单元的重复频率相同的频率上，并将经变换处理的待测微波信号发送给第二重复频率锁定单元；

第二重复频率锁定单元，用于利用经变换处理的待测微波信号对第二飞秒光学频率梳单元的重复频率进行锁定；

第一飞秒光学频率梳单元和第二飞秒光学频率梳单元，用于分别将输出的激光信号提供给第一拍频单元；

第一拍频单元，用于对来自第一飞秒光学频率梳单元和第二飞秒光学频率梳单元的激光信号进行拍频处理，并将得到的拍频结果提供给测量单元；

测量单元，用于从拍频结果中选择任一个第一波长所对应的拍频信号，确定拍频信号的频率值在第一飞秒光学频率梳单元输出的激光信号中对应的梳齿序号值，利用拍频信号的频率除以所述梳齿序号值，从而得到待测微波信号的相位变化值，其中第一波长同时包括在第一飞秒光学频率梳单元和第二飞秒光学频率梳单元输出的激光信号中。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

测量单元还用于对所述待测微波信号的相位变化值进行积分运算，以得到待测微波信号的相位值。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，

偏移频率锁定单元具体包括第一光电探测单元、第一混频单元，其中：

第一光电探测单元，用于探测第一飞秒光学频率梳单元的载波包络偏移频率，探测第二飞秒光学频率梳单元的载波包络偏移频率；

第一混频单元，用于将第一飞秒光学频率梳单元的载波包络偏移频率与参考微波单元提供的参考微波信号的频率进行混频，得到第一混频结果，并将第一混频结果发送给第一飞秒光学频率梳单元；将第二飞秒光学频率梳单元的载波包络偏移频率与参考微波单元提供的参考微波信号的频率进行混频，得到第二混频结果，并将第二混频结果发送给第二飞秒光学频率梳单元；

第一飞秒光学频率梳单元还用于根据第一混频结果调整第一飞秒光学频率梳单元中光纤激光器泵浦光的电流，以将第一飞秒光学频率梳单元的载波包络偏移频率锁定为参考微波信号的频率；

第二飞秒光学频率梳单元还用于根据第二混频结果调整第二飞秒光学频率梳单元中光纤激光器泵浦光的电流，以将第二飞秒光学频率梳单元的载波包络偏移频率锁定为参考微波信号的频率。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，

第一重复频率锁定单元具体包括第二拍频单元、第二光电探测单元、第二混频单元，其中：

第二拍频单元，用于将第一飞秒光学频率梳单元输出的激光信号与参考激光单元输出的激光信号进行拍频，并在拍频结果中选择任一个第二波长所对应的拍频信号，并将拍频信号发送给第二混频单元，其中第二波长包括在第一飞秒光学频率梳单元和参考激光单元输出的激光信号中；

第二光电探测单元，用于探测第一飞秒光学频率梳单元的重复频率；

第二混频单元，用于将拍频信号与第一飞秒光学频率梳单元的重复频率进行混频，并将混频结果发送给第一飞秒光学频率梳单元；

第一飞秒光学频率梳单元还用于根据混频结果控制第一飞秒光学频率梳单元中光纤激光器的腔长，从而对第一飞秒光学频率梳单元的重复频率进行锁定。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，

第二重复频率锁定单元具体包括第三光电探测单元、第三混频单元，其中：

第三光电探测单元，用于探测第二飞秒光学频率梳单元的重复频率；

第三混频单元，用于将经变换处理的待测微波信号的频率与第二飞秒光学频率梳单元的重复频率进行混频，并将混频结果发送给第二飞秒光学频率梳单元；

第二飞秒光学频率梳单元还用于根据混频结果控制第二飞秒光学频率梳单元中光纤激光器的腔长，从而对第二飞秒光学频率梳单元的重复频率进行锁定。