CN104009812B - 一种基于快速激光扫描的微波信号测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波光子学技术领域，特别涉及一种基于快速激光扫描的微波信号测量方法，该测量系统利用光扫描作为本地振荡，构建时域串行的多个接收信道，对待测微波信号进行平衡探测和解调，能够在微秒量级的时间内，进行宽带的微波信号测量和分析。在进行串行信道化接收时，已调制的待测信号与扫频源在光电探测器上进行拍频处理，当接收带宽与扫频间隔相等时，与扫频频率间的频差小于δf的已调制待测微波信号，在与扫频源拍频后可在对应信道被检测到；本发明所采用的串行信道化接收体制在结构上有很大优势，仅需一个低速率检测器件即可实现各个信道的信号接收，该串行信道化接收系统可以达到很高的测量速度。

Description

一种基于快速激光扫描的微波信号测量方法

技术领域

本发明属于微波光子学技术领域，特别涉及一种基于快速激光扫描的微波信号测量方法，具体说是利用激光扫描结构构建时域串行的多个接收信道，适用于宽带微波信号的实时测量。

背景技术

在现代化电子战及雷达应用中，快速有效地获取短时突发信号的频率信息是微波信号处理的基本目标之一。目前微波多频信号的测量主要是基于信道化接收、频率扫描等方案。其中，前者通常是基于频带分割的思想，具有多个窄子带的滤波器组是实现其频谱分割的基本器件，如利用衍射光栅、法布里-珀罗标准具或波导光栅等作为滤波器件来构建多个并行的信道，再对每个信道进行功率检测或傅里叶变换从而实现对微波信号的测量。但是这种并行接收的测量方案受到固有的插入损耗和失真的影响，且测量精度受限于滤波器特性。另外一类并行信道化方案是利用一些周期性响应的器件来等效实现滤波效果，如基于两个不同频率间隔的光频梳或两个不同自由光谱范围的法布里-珀罗标准具来实现对频谱的分割，进而对微波信号进行测量。但是这类方案需要精确对准，并且需要多个光电探测器或复用器件，导致结构相对复杂。另一方面，频率扫描的方案也被用来对多频信号进行测量，如利用电调谐的光纤布拉格光栅，以及基于布里渊散射效应的扫描测量等。但是这类方案的测频精度和扫频速率比较受限，无法完全满足电子战的需要。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于快速激光扫描的微波信号测量方法，其特征在于利用激光扫描结构建立串行信道化机制，进而实现对宽带微波信号的测量，包括如下步骤：

1)首先建立基于快速激光扫描的串行信道化机制，由激光扫描频率源结构和 串行信道化接收装置两部分组成。系统分为扫频源支路和微波调制支路，激光源经分束器分成两路，一路作为扫频源的泵浦光源，另一路利用马赫曾德调制器将待测微波信号调制到光上；两支路信号耦合后进入一个窄带低速的平衡光电探测器进行平衡探测，最后进行低速电采样和后续数字处理。而由于激光扫描频率源中不同频率的信号会在不同时间窗口内存在，那么利用扫描信号作为下变频的本振时，就可以在接收端同时实现频域和时域的信道化分割，从而实现时域串行的信道化机制；

2)激光扫描频率源作为系统的下变频光本振，具有如下的时频特性：在一个完整的扫描周期N·δt时间内，扫频频率由f_c步变到f_c+(N-1)·δf，扫频频率间隔为δf，扫频时间间隔为δt，已调制的待测信号与作为下变频光本振的激光扫描频率源在平衡光电探测器上进行拍频处理，当二者的频率差小于接收带宽，其拍频结果将会在对应信道内被检测到，之后设计相应的数字域频率识别算法来恢复待测微波频率；

3)在接收带宽的选择和设置上，为了消除在计算待测频率时的模糊度，确定某拍频频率f_k，第k个信道的拍频结果是来自于(f_c+f_x)-(f_c+(k-1)·δf)还是(f_c+(k-1)·δf)-(f_c+f_x)，就要求接收带宽不小于扫频间隔；而δf为最佳接收带宽，因为此时的待测频率识别算法是最简单的，并且对检测器件的速率要求较低，其中f_x表示待测微波频率；当接收带宽等于扫频源的最小频率间隔δf时，对于某个待测信号f_x，其与扫频信号的拍频结果将会在两个相邻信道内被检测到；并且记为f₁和f₂两信道的拍频结果关于接收带宽δf互补，即f₁+f₂＝δf；而两相邻的第(k-1)信道和第k信道的拍频结果与待测信号的关系为：

f₁＝f_x-(k-1)·δf (1)

f₂＝k·δf-f_x (2)

只要相邻两信道的拍频结果满足关系f₁+f₂＝δf，说明二者对应的是同一个待测频率，那么由(1)式或(2)式均可求得待测频率f_x；因此，根据拍频结果及对应信道扫频频率，可计算出待测微波频率；

4)在获取相位信息时，对于某个待测频率f_x，其频率值已经获知，记作：

那么只需进行式(4)所示的计算，滤去高频分量，仅保留直流附近的分量，即可得到微波信号的相位信息：

因此，当待测微波信号的相位上携带了信息时，通过相干检测和上述解调方法对其进行测量和恢复，也就是说，所述的基于快速扫频源的相干检测系统能够实现对微波信号的矢量测量和分析。

本发明的有益效果是本发明所采用的串行信道化接收体制在结构上有很大优势，仅需一个低速率检测器件即可实现各个信道的信号接收，而不必像传统的并行信道化接收那样需要滤波器组来分离频谱，或需要多个检测器件在各个信道上同时工作。得益于扫频源高速的频率步变速度，该串行信道化接收系统可以达到很高的测量速度

附图说明

图1为基于激光扫描频率源的微波测量方案系统结构图。

图2.(a)扫频源的时频特性示意图；(b)调制的待测微波信号；(c)各信道接收到的拍频结果；(d)经频率识别算法恢复的待测频率。其中斜线区域表示接收带宽为δf时各信道的时频范围。

图3.基于光开关和循环移频的激光扫描频率源。

图4.I/Q调制器结构图。

图5.实验获得的扫频源的时频特性。黑色实线为扫频频率。

图6.三个信道内接收到的拍频结果。

图7.经过数字算法处理后恢复的待测微波信号频率。

图8.(a)二进制相位调制的微波信号；(b)解调出的相位信息。

图9.多路测量系统。

图10.四路测量系统时频信道图。

具体实施方式

本发明提出一种基于快速激光扫描的微波信号测量方法，下面结合附图予以说明。

首先建立如图1所示的基于激光扫描源的微波测量方案系统结构图；该图为基于快速激光扫描的微波信号测量的串行信道化接收装置；可分为扫频源支路和调制支路(马赫曾德调制器支路)；激光源经分束器分成两路，一路作为扫频源的泵浦光源，另一路利用马赫曾德调制器将待测微波信号调制到光上(如图2(b)所示)；两支路信号耦合后进入一个窄带低速的平衡光电探测器进行平衡探测，最后进行低速电采样和后续数字处理。激光扫描频率源作为系统的下变频光本振，具有如下的时频特性(如图2(a)所示)：在一个完整的扫描周期N·δt时间内，扫频频率由f_c步变到f_c+(N-1)·δf，扫频频率间隔为δf，扫频时间间隔为δt。由于扫频源中不同频率的信号会在不同时间窗口内存在，那么利用扫描信号作为下变频的本振时，就可以在接收端同时实现频域和时域的信道化分割，从而实现时域串行的信道化机制。已调制的待测信号与作为光本振的扫频源在平衡光电探测器上进行拍频处理，当二者的频率差小于接收带宽，其拍频结果将会在对应信道内被检测到(如图2(c)所示)。此后，通过分析各个信道接收到的拍频结果，可以计算出待测微波信号所包含的频率(如图2(d)所示)。

激光扫描源是基于光开关和循环移频实现的：激光源发出的连续光经光开关后变成周期性的脉冲光，设置光开关接通时间与光在环路中传输一周的时长(记为δt)相等。一个单频振荡信号(即δf)经由I/Q调制器调制到光源上，调节偏压使其工作在抑制载波的单边带调制状态。则随着该调制信号在环路中传输，它的频率将以δf为步长、每隔δt时间段向高频(或低频)移频，即每个扫频频率的持续时间是δt。在环路中，光放大器来补偿环路损耗，带通滤波器来调节和控制该扫频源的扫频范围(如图3所示)。所用I/Q调制器由两个马赫曾德调制器和移相器构成(如图4所示)，为使其工作在抑制载波的单边带移频状态，两个马赫-曾德调制器的偏压均需设置在V_π，且两路的相移应为π/2。这样I/Q调制器的输出为：

E_out∝E_in[sin(βcos wt)-jsin(βsin wt)]

$\∝\mathrm{Ein}\·\left[\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{m-1}{J}_{2m+1}\left(\mathrm{\β}\right)\exp \left(j(2m+1)\mathrm{wt}\right)\right]---\left(5\right)$

这里β＝π/V_π，w＝2π·δf表示单频振荡信号的角频率。当m＝0时，J₁(β)exp(jwt)为输出结果的主要分量，此时就是抑制载波的单边带调制状态。

在接收带宽的选择和设置上，为了消除在计算待测频率时的模糊度，确定某拍频频率f_k(第k个信道的拍频结果)是来自于(f_c+f_x)-(f_c+(k-1)·δf)还是(f_c+(k-1)·δf)-(f_c+f_x)(f_x表示待测微波频率)，就要求接收带宽不小于扫频间隔；而δf为最佳接收带宽，因为此时的待测频率识别算法是最简单的，并且对检测器件的速率要求较低。我们为每个信道引入一个参考频率来描述激光源与该信道扫频频率之间的频差，则第k个信道的参考频率可记为(k-1)·δf。对某一个待测频率来说，它将会与两个相邻的扫频频率产生可被检测到的拍频结果(记为f₁和f₂)，也即在两个相邻信道被检测到，且两信道的拍频结果关于接收带宽δf互补，即f₁+f₂＝δf。而两相邻的第(k-1)信道和第k信道的拍频结果与待测信号的关系为：

f₁＝f_x-(k-1)·δf (1)

f₂＝k·δf-f_x (2)

只要相邻两信道的拍频结果满足关系f₁+f₂＝δf，说明二者对应的是同一个待测频率，那么由(1)式或(2)式均可求得待测频率f_x。因此，根据拍频结果及对应信道参考频率，可计算出待测微波频率(如图2(c)(d)所示)。

在获取相位信息时，对于某个待测频率f_x，其频率值已经获知，记作：

那么只需进行式(4)所示的计算，滤去高频分量，仅保留直流附近的分量，即可得到微波信号的相位信息：

因此，当待测微波信号的相位上携带了信息时，通过相干检测和上述解调方法，本发明可以对其进行测量和恢复。也就是说，基于快速扫频源的相干检测系 统能够实现对微波信号的矢量测量和分析。

实例中所用激光源频率为192.12THz，扫频源频率间隔为2GHz，因此第k个信道的参考频率为2·(k-1)GHz，同时接收带宽也设置为2GHz，低于该频率的拍频结果被接收到，而其他的拍频分量则被滤除。扫频源环路长度为500ns，因此实例中测量精度相应的为2MHz。图5所示为实验获得的扫频源的时频特性效果，黑色实线为扫频频率，从横轴可发现每个频率的持续时间为500ns，扫频周期为5μs。该扫频源包含10个频率，说明该多频测量系统共有10个信道在5μs的周期内串行存在，因此本系统能够对0GHz-20GHz范围内的微波信号进行测量和分析，且速率为200kHz。

实例中对包含了2.4、2.8、3.7、4.5GHz四个频率的微波信号进行了测量。在第2信道的0.4、0.8、1.7GHz，第3信道的0.3、0.5、1.2、1.5GHz，第4信道的1.5GHz处接收到拍频信号，这与上文的分析及预测结果是一致的。图6给出了各信道接收到的拍频信号，图7为经过识别算法恢复出的微波信号频率。

对于一个中心频率为9GHz的微波信号，对其进行二进制相位调制，调制后的信号如图8(a)所示。图8(b)给出了解调恢复的相位信息。说明该测量系统对信号的相位信息具有测量和恢复的能力。

在此基础上，构建多路测量系统，如图9所示。采用多波长源作为光源，具有M个波长，波长间隔大于Nδf，将多波长耦合进测试系统，一部分用于做步进移频，另一部分做微波信号的调制，同时对不同波长路进行顺序时延，使得相邻波长时延为δt。图9中利用了多个光纤光栅实现波长的时延调整，每个光纤光栅反射一路波长，不同光栅之间用光纤延迟线相连，每段光纤延迟为δt。两部分经过耦合器的两个输出端，并且都连接一个波分解复用器用于把多路信号分离，两个复用器的相同波长输出端口进入到一个平衡探测器的两端，实现一路信号的扫描测量。这样就可以同时实现多路信号的测量。图10给出了实现四路测量系统的时频图，每一个编号代表了一路测量系统，通过这样的系统可以避免单路系统的测量缺陷，实现大带宽无时间缝隙的测量。

综上，该测量系统利用光扫描作为本地振荡，构建时域串行的多个接收信道，对待测微波信号进行平衡探测和解调，能够在微秒量级的时间内，进行宽带的微波信号测量和分析。

Claims (2)

1.一种基于快速激光扫描的微波信号测量方法，其特征在于利用激光扫描结构建立串行信道化机制，进而实现对宽带微波信号的测量，包括如下步骤：

1)首先建立基于快速激光扫描的串行信道化机制，由激光扫描频率源结构和串行信道化接收装置两部分组成；系统分为扫频源支路和微波调制支路，激光源经分束器分成两路，一路作为扫频源的泵浦光源，另一路利用马赫曾德调制器将待测微波信号调制到光上；两支路信号耦合后进入一个窄带低速的平衡光电探测器进行平衡探测，最后进行低速电采样和后续数字处理，而由于激光扫描频率源中不同频率的信号会在不同时间窗口内存在，那么利用扫描信号作为下变频的本振时，就可以在接收端同时实现频域和时域的信道化分割，从而实现时域串行的信道化机制；

2)激光扫描频率源作为系统的下变频光本振，具有如下的时频特性：在一个完整的扫描周期N·δt时间内，扫频频率由f_c步变到f_c+(N-1)·δf，扫频频率间隔为δf，扫频时间间隔为δt，已调制的待测信号与作为下变频光本振的激光扫描频率源在平衡光电探测器上进行拍频处理，当二者的频率差小于接收带宽，其拍频结果将会在对应信道内被检测到，之后设计相应的数字域频率识别算法来恢复待测微波频率；

3)在接收带宽的选择和设置上，为了消除在计算待测频率时的模糊度，确定某拍频频率f_k，第k个信道的拍频结果是来自于(f_c+f_x)-(f_c+(k-1)·δf)还是(f_c+(k-1)·δf)-(f_c+f_x)，就要求接收带宽不小于扫频间隔；而δf为最佳接收带宽，因为此时的待测频率识别算法是最简单的，并且对检测器件的速率要求较低，其中f_x表示待测微波频率；当接收带宽等于扫频源的最小频率间隔δf时，对于某个待测信号f_x，其与扫频信号的拍频结果将会在两个相邻信道内被检测到；并且记为f₁和f₂两信道的拍频结果关于接收带宽δf互补，即f₁+f₂＝δf；而两相邻的第(k-1)信道和第k信道的拍频结果与待测信号的关系为：

f₁＝f_x-(k-1)·δf (1)

f₂＝k·δf-f_x (2)

只要相邻两信道的拍频结果满足关系f₁+f₂＝δf，说明二者对应的是同一个待测频率，那么由(1)式或(2)式均可求得待测频率f_x；因此，根据拍频结果及对应信道扫频频率，可计算出待测微波频率；

4)在获取相位信息时，对于某个待测频率f_x，其频率值已经获知，记作：

那么只需进行式(4)所示的计算，滤去高频分量，仅保留直流附近的分量，即可得到微波信号的相位信息：

因此，当待测微波信号的相位上携带了信息时，通过相干检测对其进行测量和恢复，实现对微波信号的矢量测量和分析。

2.根据权利要求1所述一种基于快速激光扫描的微波信号测量方法，其特征在于，所述拍频处理是利用频率步变的扫频源作为本振光源，已调制到光上的待测信号与不同本振频率在接收端发生拍频，并控制接收带宽使其等于扫频源的最小频率间隔，从而可以构建时域串行的多个接收信道。