CN104614585B - 基于受激布里渊效应的多频率高精度微波光子测频方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于受激布里渊效应的多频率高精度微波光子测频方案。它包括单波长激光器(101)、双驱动马赫曾德尔调制器(102)、马赫曾德尔调制器(103)、光隔离器(105)、色散位移光纤(106)、光环形器(107)、光电探测器(108)、电处理单元(109)、参考微波源(104)。与其他微波光子测频方案相比，本方案分别利用布里渊效应中的两次映射关系：动态频率‑功率映射、频率‑相位映射，通过将多频率的瞬时测量与单频率误差测量相结合，实现了多频率高精度微波光子测频。可应用于电子对抗和微波检测领域。

Description

基于受激布里渊效应的多频率高精度微波光子测频方案

技术领域

本发明涉及微波检测技术领域，尤其是一种基于受激布里渊效应的多频率高精度频率测量。适用于解决对高频带多频率的未知微波信号进行精确测量。

背景技术

在现代电子对抗和微波检测领域中，微波频率检测技术是一项关键的技术，通过瞬时频率测量可以快速的定位未知信号的频段，从而辅助查明敌方电子设备信息，利于我方战略部署。由于电子瓶颈的限制，传统的电子测频很难实现宽频率的测量，且具有体积大、功耗高、易受电磁干扰等缺点。近年随着微波光子技术的发展，微波光子频率测量技术以其测量范围大、体积小、功耗低、抗电磁干扰等优点，逐渐成为研究的热点。

目前的微波光子测频技术主要分为三类：频率-功率映射、频率-空间映射、频率-时域映射。其中基于频率-功率映射的微波光子测量方案是将频率信息映射到线性的幅度比较函数上，实现频率与功率的一一对应，由于该方案数字信号处理简单、成本低，已经成为微波光子频率测量的主流技术。至今已经实现了的测频范围大于20GHz和测量分辨率小于200MHz的微波频率测量。

上述三种方案都只能针对单频率微波信号进行测量，其测量精度远小于与电子测频技术的精度。因此，基于受激布里渊效应的微波光子信号测频技术被提出，该方案实现了对多频率信号的测量，但是必须通过高成本地分析整个系统的微波传输函数来获得未知微波信号的频率值。为了克服已有方案的缺点，本发明提出了一种基于受激布里渊效应的高精度多频率微波测量方案。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种基于受激布里渊效应的多频率高精度微波光子测频方案，该方案结构简单，适合于多频率、高精度测量。通过调节该结构中不同参数值下受激布里渊效应的作用方式，将该测量方案分为多频率瞬时粗度测量和单频率逐步高精度测量两个步骤，实现了对探测信号的多频率高精度测量。

本发明的目的是基于如下分析和方案提出和实现的：

一种基于受激布里渊效应的多频率高精度微波光子测频方案，其特征在于：在包括单波长激光器(101)、双驱动马赫曾德尔调制器(102)、马赫曾德尔调制器(103)、光隔离器(105)、色散位移光纤(106)、光环形器(107)、光电探测器(108)、电处理单元(109)、参考微波源(104)的测频系统中，测频过程分为多频率瞬时粗度测量和单频率逐步精度测量(或误差测量)两步骤，分别利用受激布里渊效应中的不同现象来实现动态频率-功率映射和频率-相移映射,其具体过程为：

步骤1)多频率瞬时粗度测量：将未知探测信号加载在马赫曾德尔调制器上进行抑制载波的双边带调制，并作为受激布里渊效应中的泵浦光；将从零频开始以固定频率步长(f＝1/2△v_B,其中△v_B为受激布里渊增益谱全宽)移动的微波信号104(1)(nf,n＝1,2,3…)加载在双驱动马赫曾德尔调制器上进行不平衡双边带的调制(受激布里渊效应中的信号光)，形成移动的光频率梳来感应由受激布里渊效应产生的增益、损耗谱，通过检测输出信号光的功率变化情况，可以同时测得多频率未知探测信号的频率值(f_初次测量)；

步骤2)单频率逐步精度测量：未知探测信号经电处理单元后产生双边带信号作为泵浦光，一个已知的固定低频微波信号104(2)产生的单边带信号作为信号光；电处理单元(109)包括电混频器和电滤波器两个部分，将未知探测信号分别与步骤一中测得的频率值减去ν_B的参考频率信号进行混频，然后通过电滤波器将频率位于ν_B-1/4Δν_B(fv1)～ν_B+1/4Δν_B(fv2)[Hz]的频率分量(f_探测信号-f_初次测量+ν_B)滤出，其中ν_B为受激布里渊频移；检测信号光的相移量来分步地测量出未知探测信号中每个频率分量的误差值；

通过以上步骤实现精度<1MHz的多频率微波信号测量。

通过本发明的方法，在动态的频率-功率映射中，通过以固定频率步长(f＝1/2△v_B)移动的微波信号(nf,n＝1,2,3…)调制在双驱动马赫曾德尔调制器上形成动态的光频率梳，通过检测每步输出信号的功率值来感应探测信号的频率；在频率-相移映射中，通过步骤一中反馈的频率测量结果作用于泵浦光，通过检测已知信号的相移量大小来获得探测信号的精确频率。在多频率瞬时粗度测量过程中，将探测信号加载在马赫曾德尔调制器上进行抑制载波的双边带调制，并作为受激布里渊效应中的泵浦光。将从零频开始以固定频率步长(f＝1/2△v_B)移动的微波信号(nf,n＝1,2,3…)加载在双驱动马赫曾德尔调制器上进行不平衡双边带的调制(受激布里渊效应中的信号光)，形成移动的光频率梳来感应由受激布里渊效应产生的增益、损耗谱。当光频率梳位于增益、损耗谱中，边带的相位和幅度都会发生改变，则相应输出信号光的功率也发生变化。此时，可以根据实际情况采取以下两种方式来进行功率-频率映射：

1)对检测的信号光功率值序列进行量化(“1”:大于等于参考功率值，“0”：小于参考功率值)获得数字化功率值序列。数字化功率值为“0”，则对应的nf+ν_B频率值就是未知探测信号各频率分量所属的频带。

2)对检测的信号光功率值序列进行校验，相邻两步的功率值变化量之和为一常数，然后根据前一步[nf]与后一步[(n+1)f]功率的比值以及相应n值的值，获得未知探测信号各频率分量所属的频率。

以上两种方式，都通过检测输出信号光的功率变化情况，可以同时测得多频率未知探测信号的频率值。其中方式(1)中只能测得信号频带，误差约为几十兆赫兹，方式(2)测量精度更高，但数字处理更加复杂。方式(1)可用于与步骤二结合使用来实现高精度的多频率测量，方式(2)可用于本发明步骤一单独使用时进行高精度的多频率测量。

在单频率逐步精度(误差)测量过程中，将未知探测信号经电处理模块处理得到频率为|f_探测信号-f_初始测量+ν_B|或|f_探测信号-nf|的微波信号，加载在马赫曾德尔调制器上，作为受激布里渊效应的泵浦光；将一已知的低频(f_s)微波信号输入到双驱动马赫曾德尔调制器上，调节其偏置电压实现单边带调制，作为受激布里渊效应的信号光。此时产生受激布里渊效应的增益谱和损耗谱在信号光的载波处重叠，在该区域内检测的信号光的相移量与泵浦光的频率成正比，因此通过检测已知的低频(f_s)微波信号的相移量，可以获得|f_探测信号(n)-nf|的频率值。结合步骤一、二，可以获得探测信号中各个频率的精确值；

采用本发明相比由频率-功率映射来实现的微波光子频率测量方案，在本发明的步骤一中也采用了频率-功率映射的原理，但本发明是通过移动的光频率梳实现了动态的频率-功率映射。通过对检测到的功率值序列进行数字信号处理，实现了对多频率探测信号的频率瞬时检测。同时本发明的步骤二中提出了频率-相位映射的原理，经电处理单元后将探测信号与步骤一中相应测得的信号频率差(即频率误差值)转换为已知低频微波信号(f_s)的相移量。本发明成本低、测量精度高，可应用于高频带多频率微波检测以及电子对抗中。

附图说明：

图1为本发明提供的基于受激布里渊效应的微波频率测量装置的结构示意图；

图2为本发明装置中的频率测量方案；

图3为本发明提供的频率测量方案的原理图：(a)多频率瞬时粗度测量原理：(a-1)装置参数设置,(a-2)单个频率梳对应的频带范围,(a-3)多频率测量过程中基于受激布里渊效应的频率-功率-量化功率的转换；(b)单频率逐步精度测量原理：(b-1)装置参数设置,(b-2)单个频率误差测量过程中基于受激布里渊效应的频率-相位的转换；

图4为本发明提供的频率测量方案中步骤一的实验结果图：(a)和(b)光谱图，(c)单个频率梳的频率-功率映射图(单频率信号作为未知探测信号)；

图5为本发明提供的频率测量方案中步骤二的实验结果图：(a)检测的微波信号波形(双频率信号作为未知探测信号，不同相移量)，(b)频率-相位映射图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明方案由单波长激光器(101)、双驱动马赫曾德尔调制器(102)、马赫曾德尔调制器(103)、光隔离器(105)、色散位移光纤(106)、光环形器(107)、光电探测器(108)、电处理单元(109)、参考微波源(104)构成。未知探测信号(110)加载在马赫曾德尔调制器(103)产生抑制载波的双边带，作为受激布里渊效应的泵浦光；在信号光和泵浦光的作用下，受激布里渊效应在色散位移光纤(106)中产生。通过调节双驱动马赫曾德尔调制器(102)、参考微波源(104)以及泵浦光的波长位置，分别利用布里渊效应中的两次映射关系：频率-功率映射、频率-相位映射，实现了多频率的瞬时测量和单频率误差测量；

图2为本发明装置的测量方案：在图1测量装置中，本发明提供的测量方案分为两步骤：1)多频率瞬时粗度测量；2)单频率逐步误差测量；按照图中方式，调节双驱动马赫曾德尔调制器(102)、参考微波源(104)和电处理单元(109)，分别测量光电探测器(108)输出的功率值(步骤一)和相移量(步骤二)，经数字信号处理后可以实现多频率瞬时测量和单频率逐步误差测量。其中，步骤一可实现精度为<40MHz的多频率微波信号的瞬时测量，步骤二是根据步骤一的测量结果(nf)，进行误差测量，可将频率测量精度提高到小于<1MHz；

图3为本发明的原理图：(a)步骤一中受激布里渊效应下的动态频率-功率映射原理；此时，如图(a-1)中未知探测信号产生的双边带信号作为泵浦光，由零频开始以固定频率步长(f＝1/2n△v_B,n＝1,2,3…)移动的微波信号104(1)产生的不平衡双边带信号作为信号光，此时信号光构成了一个移动的光频率梳。当光频率梳移动到由泵浦光产生的受激布里渊效应的损耗、增益谱中，信号光的两边带的相位、幅度关系将发生变化，则由探测器108输出信号的功率值也将相应地变化。当参考微波源(104)完成一次频率扫频以后，实现了参考微波源频率-功率的数字映射(如图a-3)，同时由于参考微波源频率与泵浦光频率带存在的一一对应关系(如图a-2)，此时通过量化测得的功率值序列，则可以确定未知探测信号的所处频带，或者通过计算相邻光频率梳的功率比值，则可以进一步地确定未知探测信号的频率。

(b)步骤二中受激布里渊效应下的相位-功率映射原理；此时，如图(b-1)未知探测信号经电处理单元后产生双边带信号作为泵浦光，一个已知的固定低频微波信号104(2)产生的单边带信号作为信号光。电处理单元(109)包括电混频器和电滤波器两个部分，将未知探测信号分别与步骤一中量化功率为零的参考频率信号(nf)进行混频，然后通过电滤波器将频率位于ν_B-1/4Δν_B(fv1)～ν_B+1/4Δν_B(fv2)[Hz]的频率分量(f_探测信号-nf)滤出，其中ν_B为受激布里渊频移。在该条件下，由双泵浦产生的布里渊损耗谱和增益谱作用于信号光的载波上且部分叠加，经光电探测后输出信号的相移量和频率成正比关系,如图(b-2)。因此，可以分步地测量出未知探测信号中每个频率分量的误差值。结合步骤一、二则可以实现精度<1MHz的多频率微波信号测量。

图4为本发明测量步骤一中的实验结果图：(a)为单频率未知探测信号作用下产生的抑制载波的双边带信号的光谱图；(b)为参考微波源频率为11.015GHz时，双驱动马赫曾德尔调制输出的不平衡双边带信号的光谱图；(c)为图b中频率梳对应的未知探测信号的频率带(频率-功率的映射),此时实验中Δν_B≈40MHz，ν_B≈10.015GHz，n＝50；此外，图b的频率-功率映射的曲线是垂直对称的，则相邻两个光频率梳的功率值比较函数是线性的，可用于频率-功率的映射方式(2)中的频率测量。

图5为本发明测量步骤二中的实验结果图:(a)为实验测得的两个频率的未知信号分步作用下已知微波信号的波形图,通过与已知信号比较，该两频率信号(i.e.,～10.011and～10.019GHz)作用下产生±45°的相移量；(b)为受激布里渊效应作用下的频率-相移量的映射关系；

由以上实验结果中可以观察到本发明在步骤一、二中，分别实现频率-功率和频率-相移量的映射。通过向两个不同维度的映射，实现了多频率微波信号的高精度测量。此外，在步骤一中相邻两个频率梳检测到的信号功率具有互补对称性(即幅度比较函数具有线性特性)，因此可以利用该特性对测量得到的功率值序列进行数字信号处理，可以实现精确地多频率瞬时测量。

Claims (3)

1.一种基于受激布里渊效应的多频率高精度微波光子测频方法，其特征在于：在包括单波长激光器（101）、双驱动马赫曾德尔调制器（102）、马赫曾德尔调制器（103）、光隔离器(105)、色散位移光纤(106)、光环形器(107)、光电探测器（108）、电处理单元（109）、参考微波源（104）的测频系统中，测频过程分为多频率瞬时粗度测量和单频率逐步精度测量两步骤，分别利用受激布里渊效应中的不同现象来实现动态的频率-功率映射和频率-相移映射,其具体过程为：

步骤1）多频率瞬时粗度测量：将未知探测信号f _探测信号加载在马赫曾德尔调制器（103）上进行抑制载波的双边带调制，并作为受激布里渊效应中的泵浦光；将从零频开始以固定频率步长f=1/2△v_B移动的微波信号nf加载在双驱动马赫曾德尔调制器（102）上，进行不平衡双边带调制，形成移动的光频率梳来感应由受激布里渊效应泵浦光产生的增益、损耗谱，通过检测移动的光频率梳信号的输出功率变化情况，同时测得未知探测信号f _探测信号的频率值f _初次测量；△v_B为受激布里渊增益谱全宽, n=1,2,3…；

步骤2）单频率逐步精度测量：未知探测信号f _探测信号经电处理单元（109）后加载在马赫曾德尔调制器（103）上产生双边带信号作为泵浦光，一个已知的固定低频微波信号加载在双驱动马赫曾德尔调制器（102）上产生单边带信号；电处理单元(109)包括电混频器和电滤波器两个部分，将未知探测信号f _探测信号分别与步骤1）中测得的f _初次测量减去ν_B的参考频率信号进行混频，然后通过电滤波器将频率位于ν_B-1/4Δν_B至ν_B+1/4Δν_B的频率分量f _x =f _探测信号-f _初次测量+ν_B滤出，其中ν_B为受激布里渊频移；检测输出信号光的相移量来分步地测量出未知探测信号f _探测信号中每个频率分量的误差值；

通过以上步骤实现精度<1MHz的多频率微波信号测量。

2.根据权利要求1所述之基于受激布里渊效应的多频率高精度微波光子测频方法，其特征在于，所述多频率瞬时粗度测量和单频率逐步精度测量两步骤可独立或联合用于频率测量。

3.根据权利要求1所述之基于受激布里渊效应的多频率高精度微波光子测频方法，其特征在于色散位移光纤(106)可为任意可发生布里渊效应的媒介。