CN103439011A - 一种超宽频率范围的多频微波信号的光子瞬时频率测量装置 - Google Patents

Abstract

一种超宽频率范围的多频微波信号的光子瞬时频率测量装置，属于微波光子学技术领域，由激光器、耦合器、相位调制器、偏振控制器、高非线性光纤、环行器、第一双平行MZ调制器、第二双平行MZ调制器、强度调制器、微波耦合器、光电探测器和网络分析仪组成；利用高非线性光纤的受激布里渊散射效应对相位调制器输出的一阶上边带信号进行增强或减弱，打破相位调制器输出信号一阶上下边带的强度平衡，从而实现待测多频微波信号的瞬时频率测量。

Description

一种超宽频率范围的多频微波信号的光子瞬时频率测量装置

技术领域

本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应的超宽频率范围的多频微波信号的光子瞬时频率测量装置。

背景技术

瞬时频率测量是现代电子战中的一项关键技术，对敌方的侦查、干扰、对抗与信息俘获都需要首先侦知对方的电磁辐射信息。通过瞬时频率测量可以提供最初检测到的关于输入信号的威胁分类，可以快速的定位未知信号的频段，用以辅助查明敌方电子设备的类型，数量等重要信息，利于采取合理的攻击或应对措施。

传统的电子频率测量机制的性能由于电子瓶颈将不能满足未来战争的需要。利用新兴的微波光子技术，通过引入光子技术来实现微波系统中较难实现的信号处理功能，可以实现低损耗、小尺寸、轻重量、宽带宽、电磁干扰免疫的微波信号处理系统。

光子辅助的瞬时频率测量方法被认为是一种充满前景的解决方法，并应用于宽带的瞬时频率测量系统中。当前的微波光子频率测量手段在解决了电子瓶颈的同时，也面临着诸多挑战，微波光子的链路性能对测频能力的影响，特别是灵敏度、动态范围以及多频率测量等性能也有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于高非线性光纤的受激布里渊散射效应的高精度的超宽频率范围的多频微波信号的光子瞬时频率测量装置。

本发明所述的超宽频率范围的多频微波信号光子频率测量装置如图1所示，由激光器、耦合器、相位调制器、偏振控制器、高非线性光纤、环行器、第一双平行MZ调制器、第二双平行MZ调制器、强度调制器、微波耦合器、光电探测器和网络分析仪组成；利用高非线性光纤的受激布里渊散射效应对相位调制器输出的一阶上边带信号进行增强或减弱，打破相位调制器输出信号一阶上下边带的强度平衡，从而实现待测多频微波信号的瞬时频率测量。

激光器输出频率为f_c的光信号，耦合器按1：1将该光信号分成上、下两个支路，其中上支路的光信号在相位调制器中被网络分析仪输出的具有一定频带宽度的小幅微波信号调制，然后经偏振控制器送入到高非线性光纤中；下支路的光信号首先通过第一双平行MZ调制器，被频率为2f_B的微波信号调制（f_B为高非线性光纤的受激布里渊散射的频移量），通过调整第一双平行MZ调制器1的直流偏置电压，使其仅输出一阶上边带信号，该一阶上边带信号的频率为f_c+2f_B；此一阶上边带信号继续经第二双平行MZ调制器2调制，第二双平行MZ调制器2所加的微波信号是待测的多频微波信号，其频率分别为f_x1、f_x2、f_x2、…、f_xn，多频微波信号经微波耦合器耦合后加入到第二双平行MZ调制器2中；调整第二双平行MZ调制器1的直流偏置电压，使第二双平行MZ调制器2也仅输出一系列的一阶上边带信号，一系列一阶上边带信号的频率为f_c+2f_B+f_x1、f_c+2f_B+f_x2、f_c+2f_B+f_x3、…、f_c+2f_B+f_xn；这一系列的一阶上边带信号继续传播被强度调制器调制，强度调制器所施加的微波信号的频率为f_B，调整强度调制器的直流偏置电压，使其处于载波抑制的双边带输出状态，则调制后输出信号的频率为f_c+f_B+f_x1和f_c+3f_B+f_x1、f_c+f_B+f_x2和f_c+3f_B+f_x2、f_c+f_B+f_x3和f_c+3f_B+f_x3、…、f_c+f_B+f_xm和f_c+3f_B+f_xm，这些对儿频率间隔均为2f_B的载波抑制的双边带信号作为受激布里渊散射的泵浦信号经过环形器的端口1输入，从环形器的端口2送入高非线性光纤中，和偏振控制器输出的经相位调制器调制的信号在高非线性光纤中发生受激布里渊散射，然后通过环形器的端口2输入，从环形器的端口3输出被光电探测器探测后送入网络分析仪，从而完成对未知频率的测量。

网络分析仪输出一系列频率的信号经相位调制器调制，若采用小信号调制，则仅考虑输出信号的一阶边带，由于相位调制器输出的一阶上、下边带的信号强度相等，相位相反，如果相位调制后直接探测，将不会有微波信号被探测到。如果把相位调制的信号输入到高非线性光纤中，并在相反的方向引入泵浦信号，则有受激布里渊散射效应发生，相应频率的一阶上边带信号将被增强或减弱，由于此频率的一阶上、下边带的强度不相等，因此可以被探测到，并在网络分析仪上显示出该频率的微波信号。本发明就是基于这样的原理实现微波频率的多频瞬时测量。

当采用一个泵浦信号f_p时，这个泵浦信号会在f_p±f_B处分别产生增益和损耗，对应增益和损耗区的微波信号都将会被探测而在网络分析仪上显示出来，当对多个频率同时测量时，如果存在两个未知频率f_y1=f_y2-2f_B时，由f_y1引起的损耗区刚好与f_y2引起的增益区叠加在一起，使得f_y2这个信号不能被正确的测量，即采用一个泵浦信号时，该频率测量装置在进行多个频率成分同时测量时的频率测量范围为2f_B。本发明采用两个频率间隔为2f_B的泵浦信号f_p1和f_p2(其中f_p1=f_p2-2f_B)，两个泵浦信号相互作用后产生受激布里渊增益和损耗区对应的频率分别为f_p1-f_B和f_p2+f_B，此时频率测量范围为4f_B。

假设被测信号有两个频率信息f_x1、f_x2，激光器发出的光在上支路经相位调制器被网络分析仪输出的频率为f_m1、f_m2、f_m3、…f_mn的微波信号调制，其频谱如图2所示。在下支路，激光器发出的光首先经双平行MZ调制器1被频率为2f_B的微波信号调制，使第一双平行MZ调制器1工作在载波抑制的单边带工作状态，其输出仅为一阶上边带f_c+2f_B，见图3，然后频率为f_c+2f_B的信号继续经第二双平行MZ调制器2被频率为f_x1和f_x2的待测微波信号调制，第二双平行MZ调制器2工作在载波抑制的单边带工作状态，其输出仅为一阶上边带f_c+2f_B+f_x1，f_c+2f_B+f_x2，见图4，这两个一阶上边带继续经强度调制器被频率为f_B的信号调制，调整强度调制器的直流偏置电压，使其输出为载波抑制的双边带调制，输出频率为f_c+f_B+f_x1和f_c+3f_B+f_x1，f_c+f_B+f_x2和f_c+3f_B+f_x2两对的泵浦信号，见图5，这两对频率间隔分别为2f_B的信号将作为受激布里渊散射效应的泵浦信号，这些泵浦信号通过环形器的端口1输入，从环形器的端口2送入高非线性光纤中。在高非线性光纤中，相位调制器输出的信号经偏振控制器调整适当的偏振态之后和泵浦信号相互作用，发生受激布里渊散射效应，见图6。由于网络分析仪输出为一系列频率的微波信号经相位调制后，一阶上边带信号中必有比泵浦信号f_c+f_B+f_x1和f_c+f_B+f_x2频率分别低f_B的两个信号f_c+f_m1和f_c+f_m2，由于受激布里渊散射效应，这两个边带信号将被增强，从而使f_c-f_m1和f_c+f_m1这两个边带信号的强度不再相等，f_c-f_m2和f_c+f_m2这两个边带信号的强度也不再相等，因此频率为f_m1和f_m2的信号将在网络分析仪上被探测输出，由于f_c+f_m1与f_c+f_B+f_x1以及f_c+f_m2与f_c+f_B+f_x2的频率间隔均为f_B，所以f_m1=f_x1，f_m2=f_x2，即完成了对未知频率信号f_x1和f_x2的探测。在频率为f_c+f_m1和f_c+f_m2的信号被增强的同时，频率为f_c+f_m1+4f_B和f_c+f_m2+4f_B的一阶上边带信号被减弱，即在高频处有频率为f_x1+4f_B和f_x2+4f_B的信号可被网络分析仪探测输出，因此本发明提出的瞬时多个频率同时测量的装置的频率测量范围为4f_B，见图7。

当被测信号中有更多频率成分时，分析方法同上述类似。

本发明选用波长为1550nm的激光器作载波光源，相位调制器工作的光波长为1525nm～1605nm，带宽为38GHz；网络分析仪的频率范围为40M～40GHz；探测器探测带宽为40GHz；高非线性光纤的受激布里渊增益线宽为Γ_B=30MHz，布里渊频移量f_B=9.2GHz，长度为1000米，增益和损耗峰值为5dB。当有多个未知频率的信号通过微波耦合器加入到测试装置时，将在网络分析仪上测量出信号的频率，频率测量范围是36.8GHz。

本发明所述的器件的特点：

（1）利用高非线性光纤的受激布里渊散射效应处理相位调制信号的一阶上边带，实现多频微波信号的频率瞬时测量，频率测量的精度较高。

（2）采用频率间隔为受激布里渊频移量2倍的两个泵浦信号，使频率测量装置的频率测量范围为受激布里渊频移量的4倍，约为36.8GHz，大大增加频率测量范围。

（3）网络分析仪提供微波信号，经高非线性光纤处理的信号被探测后继续送回网络分析仪完成对待测频率信号的测量显示，仅采用网络分析仪一个测量仪器，便完成对微波信号频率的瞬时测量，降低了装置的成本。

附图说明

图1：微波光子频率瞬时测量装置的示意图；

图2：相位调制输出的频谱；

图3：第一双平行MZ调制器1输出的载波抑制的单边带信号；

图4：第二双平行MZ调制器2输出的载波抑制的单边带信号；

图5：频率间隔为2f_B的泵浦信号；

图6：受激布里渊散射效应的示意图；

图7：频率测量装置的频率范围；

图8：两个信号的频率测量输出。

具体实施方式

实施例1：

本实施例为两个待测频率信号的情况，假设其频率为f_x1=1GHz和f_x2=25GHz，选用SantecTSL-510可调激光器，设定波长为1550nm（对应频率为f_c=193.41THz）作为光载波；1×2单模光纤耦合器（型号为ZG-A201）将上下两个支路的分光比为1：1；相位调制器为Photline公司的MPZ-LN-40，其带宽为38GHz；网络分析仪的频率范围为40M～40GHz；光电探测器探测带宽为40GHz；高非线性光纤的布里渊增益线宽为Γ_B=30MHz，受激布里渊频移f_B=9.2GHz，长度为1000米，增益和损耗峰值为5dB；第一双平行MZ调制器1和第二双平行MZ调制器2为Photline公司的MXIQ-LN-40，其带宽均为20GHz；强度调制器为Photline公司的MXAN-LN-20，带宽为20GHz。第一双平行MZ调制器1和第二双平行MZ调制器2的子MZ调制器的直流偏压设置为7V，主MZ调制器的直流偏压设置为17V，使其工作在载波抑制的单边带输出状态，强度调制器的直流偏压为9V，能使该调制器输出为载波抑制的双边带调制，第一双平行MZ调制器1所加的频率为2f_B的信号由微波信号源提供，第二双平行调制MZ调制器2所加的信号为待测频率的微波信号，强度调制器所加的频率为f_B的信号由微波信号源提供。

按图1连接实验装置，激光器发出的1550nm的光作为载波，在下支路中，激光器发出的1550nm的光信号首先经第一双平行MZ调制器1被频率为18.4GHz的微波信号调制，将第一双平行MZ调制器1的子MZ调制器的直流偏压设置为7V，主MZ调制器的直流偏压设置为17V，其输出仅为一阶上边带f_c+18.4GHz，然后频率为f_c+18.4GHz的信号继续经第二双平行MZ调制器2被频率为f_x1和f_x2的待测微波信号调制，将第二双平行MZ调制器2的子MZ调制器的直流偏压设置为7V，主MZ调制器的直流偏压设置为17V，工作在载波抑制的单边带工作状态，其输出仅为一阶上边带f_c+18.4+f_x1和f_c+18.4+f_x2，然后频率为f_c+18.4+f_x1和f_c+18.4+f_x2的信号经强度调制器被频率为9.2GHz的信号调制，将调整强度调制器的直流偏置电压设置为9V，使其输出为载波抑制的双边带调制，输出频率为f_c+9.2+f_x1和f_c+27.6+f_x1，f_c+9.2+f_x2和f_c+27.6+f_x2的两对泵浦信号，这两个信号的频率间隔为18.4GHz，将作为受激布里渊散射效应的两个泵浦信号。

在上支路中，矢量网络分析仪以频率扫描的方式产生从40MHz到40GHz连续变化的射频信号，这一系列射频信号从矢量网络分析仪直接输出到相位调制中对光载波进行调制，相位调制器的输出通过偏振控制器后进入到高非线性光纤中。在网络分析仪输出的信号中，其中频率为1GHz和25GHz的两个信号经相位调制后的一阶上边带信号的频率比泵浦信号f_c+9.2+f_x1和f_c+9.2+f_x2的频率分别低9.2GHz，这两个边带信号将被增强，从而使1GHz和25GHz信号调制后的一阶上、下两个边带信号的强度不再相等，因此频率为1GHz和25GHz的信号将在网络分析仪上被探测输出，由于1GHz和25GHz的信号调制后的一阶上边带与其对应的泵浦信号f_c+9.2+f_x1和f_c+9.2+f_x2的频率间隔为9.2GHz，所以f_x1=1GHz，f_x2=25GHz，即完成了对未知频率信号f_x1和f_x2的探测，图8给出了频率为1GHz和25GHz的信号被探测输出，由于本发明所述的频率测量范围为36.8GHz，因此频率为37.8GHz的信号也将被探测输出。

Claims (3)

1.一种超宽频率范围的多频微波信号的光子瞬时频率测量装置，其特征在于：由激光器、耦合器、相位调制器、偏振控制器、高非线性光纤、环行器、第一双平行MZ调制器、第二双平行MZ调制器、强度调制器、微波耦合器、光电探测器和网络分析仪组成；高非线性光纤的受激布里渊散射的频移量为f_B；激光器输出频率为f_c的光信号，耦合器按1：1将该光信号分成上、下两个支路，其中上支路的光信号在相位调制器中被网络分析仪输出的具有一定频带宽度的小幅微波信号调制，然后经偏振控制器送入到高非线性光纤中；下支路的光信号首先通过第一双平行MZ调制器，被频率为2f_B的微波信号调制，通过调整第一双平行MZ调制器的直流偏置电压，使其仅输出一阶上边带信号，该一阶上边带信号的频率为f_c+2f_B；此一阶上边带信号继续经第二双平行MZ调制器调制，第二双平行MZ调制器所加的微波信号是待测的多频微波信号，其频率分别为f_x1、f_x2、f_x2、…、f_xn，多频微波信号经微波耦合器耦合后加入到第二双平行MZ调制器中；调整第二双平行MZ调制器1的直流偏置电压，使第二双平行MZ调制器也仅输出一系列频率为f_c+2f_B+f_x1、f_c+2f_B+f_x2、f_c+2f_B+f_x3、…、f_c+2f_B+f_xn的一阶上边带信号；这一系列的一阶上边带信号继续传播被强度调制器调制，强度调制器所施加的微波信号的频率为f_B，调整强度调制器的直流偏置电压，使其处于载波抑制的双边带输出状态，则调制后输出信号的频率为f_c+f_B+f_x1和f_c+3f_B+f_x1、f_c+f_B+f_x2和f_c+3f_B+f_x2、f_c+f_B+f_x3和f_c+3f_B+f_x3、…、f_c+f_B+f_xm和f_c+3f_B+f_xm，这些对儿频率间隔均为2f_B的载波抑制的双边带信号作为受激布里渊散射的泵浦信号经过环形器的端口1输入，从环形器的端口2送入高非线性光纤中，和偏振控制器输出的经相位调制器调制的信号在高非线性光纤中发生受激布里渊散射，然后通过环形器的端口2输入，从环形器的端口3输出被光电探测器探测后送入网络分析仪，从而完成对未知频率的测量。

2.如权利要求1所述的一种超宽频率范围的多频微波信号的光子瞬时频率测量装置，其特征在于：激光器的波长为1550nm，相位调制器工作的光波长为1525nm～1605nm，带宽为38GHz；网络分析仪的频率范围为40M～40GHz；探测器探测带宽为40GHz。

3.如权利要求1所述的一种超宽频率范围的多频微波信号的光子瞬时频率测量装置，其特征在于：高非线性光纤的受激布里渊增益线宽为Γ_B=30MHz，布里渊频移量f_B=9.2GHz，长度为1000米，增益和损耗峰值为5dB。

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