CN105162523B - 光学产生微波相位编码信号的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学产生微波相位编码信号的装置，该发明涉及微波技术领域及光通信技术领域，主要应用于脉冲压缩雷达中脉冲压缩信号的生成。利用双平行马赫‑曾德尔调制器的移频特性，将被编码信号调制的光波长和移频后的光波长耦合后通过光电探测器检测，即可以生成相位编码微波信号。通过该装置可以产生二进制、四进制或者多进制的相位编码微波信号，产生的相位编码微波信号频率可调范围大，具有极大的时宽带宽积，克服了传统电域生成相位编码微波信号方式受电子器件速率瓶颈和带宽的限制，对高频信号生成成本极高或者不能生成，且时宽带宽积受限，系统的可重构性和频率可调性差等缺点。

Description

光学产生微波相位编码信号的装置

技术领域

本发明涉及微波技术领域及光通信技术领域，尤其涉及一种光学产生微波相位编码信号的装置。

背景技术

随着雷达技术的迅猛发展，对雷达的作用距离、分辨能力和测量精度等的要求也越来越高。雷达的分辨理论表明：在保证一定信噪比并实现最佳处理的前提下，测距精度和距离分辨力主要取决于信号的频谱结构，它要求信号具有大的带宽；测速精度和速度分辨力取决于信号的时间结构，它要求信号具有大的时宽。因此，要使雷达系统作用距离远，又具有高的测距、测速精度和好的距离、速度分辨力，首先发射信号必须是大带宽、长脉冲的形式，即雷达信号应具有大的时宽带宽乘积。单载频矩形脉冲雷达信号的带宽是时宽的倒数，其时宽带宽积是一个常量(约为1)，大时宽和大带宽往往不可兼得。

脉冲压缩雷达通过发射宽脉冲以提高发射信号的平均功率，保证足够的最大作用距离，同时保证其测速精度和速度分辨力，而在接收时则采用相应的脉冲压缩法获得窄脉冲，以提高测距精度和距离分辨力，从而较好地解决了作用距离和分辨能力之间的矛盾。脉冲压缩技术产生的脉冲信号时宽带宽积可以远大于1，基于脉冲压缩技术的脉冲压缩雷达同时具有作用距离远、高测距、测速精度和好的距离、速度分辨力，成为了现代雷达的首选技术。具有大时宽带宽积的信号通常被称作脉冲压缩信号，相位编码或频率调制的微波信号是脉冲压缩雷达系统中最常用的脉冲压缩信号。

随着雷达技术的不断发展，现代雷达系统的工作频率也在向更高的频段不断发展，如Ka波段(27-40GHz)、U波段(40-60GHz)、V波段(60-80GHz)和W波段(80-100GHz)甚至更高(至300GHz)。传统的电域生成相位编码或频率调制的微波信号方式受电子器件速率瓶颈和带宽的限制，对于高频信号的生成成本极高或者不能生成，且时宽带宽积受限，系统的可重构性和频率可调性差，不能很好的满足实际需求。通过光学方法生成相位编码或频率调制的微波信号，可以克服电域生成方法的缺点，生成极高频率的信号的同时达到极大的时宽带宽积，且系统具有可重构性和频率可调性。

已经有很多研究成果涉及到通过微波光子方法生成相位编码微波信号。早期的基于空间光调制器的方法具有很高的灵活性和可重构性，但由于光在自由空间传输，系统十分复杂且损耗很高。为了克服这些缺点，出现了基于马赫曾德尔干涉仪和萨格纳克干涉仪的全光纤方案，但由于使用了干涉仪结构，会造成系统稳定性的下降。基于保偏光纤和偏振调制器的方案系统稳定，利用保偏光纤使经强度调制器调制的两个光边带偏振正交，再通过偏振调制器对两个正交的光边带进行相位调制，经光电探测器拍频检测后就可以生成相位编码信号，但是对于特定长度的保偏光纤，正交的两个光边带的波长间隔是固定的，这就使其频率不可调，限制了应用范围。通过使用保偏光纤布拉格光栅替代保偏光纤，可以实现相位编码信号的生成，且具有一定的频率可调范围，但其频率可调范围受到保偏光纤布拉格光栅带宽的限制。为了进一步提高频率可调范围，出现了基于级联偏振调制器和单个偏振调制器的方案，这些方案产生微波相位编码信号的频率可调范围只受到偏振调制器带宽的限制。以上方法均只能产生二进制相位编码信号，为了产生多进制相位编码信号，一种基于光电振荡器的任意波形生成系统被提出，该方法可以生成频率可调的二进制和四进制相位编码信号，但该方案的频率可调范围受到系统中使用的相移光纤布拉格光栅的限制，且由于系统频率调谐是通过改变光信号波长实现的，其长期工作稳定度受光源波长稳定度的限制。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的问题，本发明提出了一种光学产生微波相位编码信号的装置，利用该装置可以产生二进制、四进制或者多进制的相位编码微波信号，产生的相位编码微波信号的频率可调范围大，只受到双平行马赫-曾德尔调制器带宽的限制，且生成的相位编码信号具有极大的时宽带宽积。

本发明的技术解决方案是：光学产生微波相位编码信号的装置，其特征在于：所述的装置包括激光器、双平行马赫-曾德尔调制器、相位调制器、光分路器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、电分路器、电移相器、偏振合束器、起偏器以及光电探测器；激光器的输出端口与光分路器相连，经分光后上路输出光信号与双平行马赫-曾德尔调制器的输入端口相连，下路输出光信号与相位调制器的输入端口相连，输入微波信号与电分路器输入端相连，电分路器的一个输出端与双平行马赫-曾德尔调制器的一个射频输入端口相连，电分路器的另一个输出端与电移相器的输入端相连，电移相器的输出端与双平行马赫-曾德尔调制器的另一个射频输入端口相连，输入的编码信号与下路相位调制器的射频输入端口相连，双平行马赫-曾德尔调制器的输出端口通过第一偏振控制器与偏振合束器的一个输入端口相连，相位调制器的输出端口通过第二偏振控制器与偏振合束器的另一个输入端口相连，偏振合束器的输出端口通过第三偏振控制器与起偏器的输入端口相连，起偏器的输出端口与光电探测器的输入端相连。

上述双平行马赫-曾德尔调制器包括三个马赫-曾德尔调制器，其中一个马赫-曾德尔调制器作为主调制器，另外两个马赫-曾德尔调制器作为子调制器嵌在主调制器中。

上述子调制器具有相同的结构和性能。

上述子调制器具有独立的射频信号输入端口和偏置端口；另外还有一个主偏置端口，可用来调节两个子调制器的输出。

利用马赫-曾德尔调制器和相位调制器产生相位编码微波信号的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)从激光器发出的波长为λ的光波经过光分路器；上路注入到双平行马赫-曾德尔调制器中，下路注入到相位调制器；

2)频率为ω_s的微波信号经电分路器分成功率相同的两路，一路驱动双平行马赫-曾德尔调制器的上臂子调制器MZM-a，另一路经过电移相器移相π/2后驱动双平行马赫-曾德尔调制器的下臂子调制器MZM-b；

3)通过直流偏置电压使双平行马赫-曾德尔调制器的两个子调制器MZM-a和MZM-b都工作在最小偏置点，主调制器工作在正交偏置点。光信号经过双平行马赫-曾德尔调制器调制，实现了对入射光载波的移频。双平行马赫-曾德尔调制器的输出通过第一偏振控制器输入偏振合束器的一个输入端口，调节第一偏振控制器，使双平行马赫-曾德尔调制器输出的光信号的偏振态与偏振合束器的一个主轴对齐；

4)编码信号s(t)驱动下路的相位调制器并且通过第二偏振控制器调整其偏振态，并输入偏振合束器的另一个输入端口，使其偏振态与偏振合束器的另一个主轴对齐；

5)偏振合束器输出的两个偏振正交的光信号通过第三偏振控制器输入起偏器，通过调节第三偏振控制器使起偏器的偏振方向与偏振合束器的一个主轴成45°夹角。

6)起偏器输出的光信号通过光电探测器拍频得到频率为ω_s的相位编码信号，相位编码信号的进制数由输入编码信号s(t)的码型决定，当输入编码信号为N电平阶梯信号时，可以生成N进制相位编码信号。

附图说明

图1为本发明采用双平行马赫-曾德尔调制器和相位调制器光学生成相位编码微波信号的装置原理图；

图2为本发明中输入微波信号频率为10GHz时，双平行马赫-曾德尔调制器输出光信号的光谱图；

图3为本发明中相位调制器输出光信号的光谱图；

图4为本发明中输入微波信号频率为10GHz时，起偏器输出光信号的光谱图；

图5为本发明中输入微波信号频率为10GHz，编码信号为二进制方波时，生成的(a)二进制相位编码微波信号波形图，和(b)由该波形恢复出的相位信息(实线)和输入的编码信号(虚线)；

图6为本发明中输入微波信号频率为10GHz，编码信号为二进制方波时，(a)生成二进制相位编码信号的自相关，和(b)生成二进制相位编码信号与加入高斯白噪声的二进制相位编码信号的互相关；

图7为本发明中输入微波信号频率为10GHz，编码信号为四电平阶梯信号时，生成的(a)四进制相位编码微波信号波形图，和(b)由该波形恢复出的相位信息(实线)和输入的编码信号(虚线)；

图8为本发明中输入微波信号为频率10GHz，编码信号为四电平阶梯信号时，(a)生成四进制相位编码信号的自相关，和(b)生成四进制相位编码信号与加入高斯白噪声的四进制相位编码信号的互相关；

图9为本发明中输入微波信号频率为20GHz时，双平行马赫-曾德尔调制器输出光信号的光谱图；

图10为本发明中输入微波信号频率为20GHz时，起偏器输出光信号的光谱图；

图11为本发明中输入微波信号频率为20GHz，编码信号为二进制方波时，生成的(a)二进制相位编码微波信号波形图，和(b)由该波形恢复出的相位信息(实线)和输入的编码信号(虚线)；

图12为本发明中输入微波信号频率为20GHz，编码信号为二进制方波时，(a)生成二进制相位编码信号的自相关，和(b)生成二进制相位编码信号与加入高斯白噪声的二进制相位编码信号的互相关；

图13为本发明中输入微波信号频率为20GHz，编码信号为四电平阶梯信号时，生成的(a)四进制相位编码微波信号波形图，和(b)由该波形恢复出的相位信息(实线)和输入的编码信号(虚线)；

图14为本发明中输入微波信号频率为20GHz，编码信号为四电平阶梯信号时，(a)生成四进制相位编码信号的自相关，和(b)生成四进制相位编码信号与加入高斯白噪声的四进制相位编码信号的互相关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：

参见图1，本实施例中，装置包括：激光器1、光分路器2、电功分器3、电移相器4、双平行马赫-曾德尔调制器5、相位调制器6、第一偏振控制器7、第二偏振控制器8、偏振合束器9、第三偏振控制器10、起偏器11、光电探测器12、微波信号源13、任意波形发生器14。可调激光器1的输出端口与光分路器2相连，经分光后输出上路光信号与双平行马赫-曾德尔调制器5相连，下路光信号与相位调制器6相连。微波信号源13输出的微波信号与电分路器3的输入端相连，电分路器3的一个输出端与双平行马赫-曾德尔调制器5的一个射频输入端口相连，电分路器3的另一个输出端与电移相器4的输入端相连，电移相器4的输出端与双平行马赫-曾德尔调制器5的另一个射频输入口相连。任意波形发生器14输出的编码信号与相位调制器6的射频输入端口相连。双平行马赫-曾德尔调制器5和相位调制器6的输出端口分别与第一偏振控制器7和第二偏振控制器8的输入端口相连，第一偏振控制器7和第二偏振控制器8的输出端口分别和偏振合束器9的两个输入端口相连，偏振合束器9的输出经过第三偏振控制器10和起偏器11后经光电探测器12拍频，在输出端口得到相位编码信号。

本实例中，方法的具体实施步骤是：

步骤一、可调激光器产生工作波长λ为1549.4nm的连续光波，连续光波经光分路器后分别经过偏振控制器输入到半波电压为3.5V的双平行马赫-曾德尔调制器和半波电压为3V的相位调制器，微波信号源输出频率为ω_s的微波信号经电分路器后分成功率相等的两路，一路用于驱动双平行马赫-曾德尔调制器的上子调制器，另一路通过移相器移相π/2后驱动双平行马赫-曾德尔调制器的下子调制器；

步骤二、设置双平行马赫-曾德尔调制器的两个子调制器的偏置电压均为3.5V，主调制器的偏置电压为1.75V，双平行马赫-曾德尔调制器的输出为对入射光载波移频后的光信号；

步骤三、任意波形发生器输出的编码信号输入到相位调制器，对入射的光载波进行相位调制；

步骤四、将双平行马赫-曾德尔调制器和相位调制器的输出光信号分别通过第一和第二偏振控制器进行偏振控制，使得其偏振态分别和偏振合束器的两个主轴对齐；

步骤五、偏振合束器输出的光信号经过第三偏振控制器后输入到起偏器，通过调节第三偏振控制器使得起偏器的偏振方向与偏振合束器的一个主轴成45°夹角，在起偏器的输出端得到两个偏振方向光信号的和；

步骤六、起偏器输出的光信号经过光电探测器拍频后得到频率为ω_s的相位编码信号。

本发明的具体实施例一，微波信号源输出的微波信号频率为10GHz，驱动双平行马赫-曾德尔调制器，其输出光谱图参见图2，任意波形发生器产生500Mb/s的二进制方波信号驱动相位调制器，其输出光谱图参见图3。起偏器后的输出光信号主要包括双平行马赫-曾德尔调制器产生的负一阶边带和相位调制器产生的相位调制信号，光谱图参见图4，光电探测器得到10GHz的相位编码信号，利用希尔伯特变换恢复出相位信息并与原始的编码信号做对比，参见图5。任意信号发生器产生128比特的500Mb/s的二进制伪随机序列驱动相位调制器，生成10GHz的128位二进制相位编码信号，经过自相关运算，得到脉冲压缩信号的脉冲压缩比为138，峰值旁瓣比8.69dB。为了说明生成的相位编码信号对噪声的鲁棒性，对生成的相位编码信号加入高斯白噪声，使其信噪比为-10dB，对生成的二进制相位编码信号与加入高斯白噪声后的相位编码信号进行互相关运算，得到脉冲压缩信号的脉冲压缩比为132，峰值旁瓣比为8.44dB，参加图6。任意波形发生器产生四进制的阶梯信号驱动下路相位调制器，得到的四进制相位编码信号和恢复出的相位信息参见图7。任意波形发生器产生128比特的500Mb/s的四进制伪随机编码信号驱动相位调制器，生成10GHz的128位四进制相位编码信号，经过进行自相关运算，得到脉冲压缩信号的脉冲压缩比为111，峰值旁瓣比为7.95dB。同样对生成的编码信号加入高斯白噪声，使其信噪比为-10dB，对生成的四进制相位编码信号与加入高斯白噪声后的相位编码信号进行互相关运算，得到脉冲压缩信号的脉冲压缩比为113，峰值旁瓣比为7.80dB，参见图8。

本发明的具体实施例二，微波信号源输出的微波信号频率为20GHz，驱动双平行马赫-曾德尔调制器，其输出光谱图参见图9。任意波形发生器产生500Mb/s的二进制方波信号驱动相位调制器，起偏器后的输出光信号主要包括双平行马赫-曾德尔调制器产生的正一阶边带和相位调制器产生的相位调制信号，光谱图参见图10，光电探测器得到20GHz的二进制相位编码信号，利用希尔伯特变换恢复出相位信息并与原始的编码信号做对比，参见图11。任意信号发生器产生128比特的500Mb/s的二进制伪随机序列驱动相位调制器，生成20GHz的128位二进制相位编码信号，经过进行自相关运算，得到脉冲压缩信号的脉冲压缩比为138，峰值旁瓣比8.63dB。为了说明生成相位编码信号对噪声的鲁棒性，对生成的相位编码信号加入高斯白噪声，使其信噪比为-10dB，对生成的二进制相位编码信号与加入高斯白噪声后的相位编码信号进行互相关运算，得到脉冲压缩信号的脉冲压缩比为135，峰值旁瓣比为8.57dB，参加图12。任意波形发生器产生四进制的阶梯信号驱动下路相位调制器，得到的四进制相位编码信号和恢复出的相位信息参见图13。任意波形发生器产生128比特的500Mb/s的四进制伪随机编码信号驱动相位调制器，生成20GHz的128位四进制相位编码信号，经过自相关运算，得到脉冲压缩信号的脉冲压缩比为119，峰值旁瓣比为8.39dB。同样对生成的编码信号加入高斯白噪声，使其信噪比为-10dB，对生成的四进制相位编码信号与加入高斯白噪声后的相位编码信号进行互相关运算，得到脉冲压缩信号的脉冲压缩比为116，峰值旁瓣比为8.30dB，参见图14。

综上，本发明利用了双平行马赫-曾德尔调制器对光信号的移频特性、相位调制器的调相原理和光电探测原理实现了相位编码微波信号的生成。产生的相位编码微波信号频率可调范围大，具有极大的时宽带宽积，并且根据输入编码信号电平数的不同可以实现各种进制的相位编码信号的生成。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的较佳实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，调制器结构不限于集成的双平行马赫-曾德尔调制器，如果使用两个并联的马赫-曾德尔调制器加移相器的结构也能实现同集成的双平行马赫-曾德尔调制器相同的作用，用耦合器代替偏振合束器和起偏器也可以实现相同作用，频率不限于10GHz和20GHz，这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。

Claims (3)

1.光学产生微波相位编码信号的装置，包括激光器、光分路器、双平行马赫-曾德尔调制器、相位调制器、偏振控制器、偏振合束器、起偏器、光电探测器、电分路器、电移相器；所述光分路器设置在激光器的出射光路上，所述光分路器分别与双平行马赫-曾德尔调制器和相位调制器的输入端连接，其特征在于：所述双平行马赫-曾德尔调制器与相位调制器是并联的；所述双平行马赫-曾德尔调制器的输出端和相位调制器的输出端分别通过第一偏振控制器和第二偏振控制器与偏振合束器连接，所述偏振合束器通过第三偏振控制器与起偏器连接，所述起偏器与光电探测器连接；

所述双平行马赫-曾德尔调制器包括三个马赫-曾德尔调制器，其中一个马赫-曾德尔调制器作为主调制器，另外两个马赫-曾德尔调制器作为子调制器嵌在主调制器中，两个子调制器具有相同的结构和性能；所述双平行马赫-曾德尔调制器的下臂射频端口连接有对微波信号产生相移的电移相器，电移相器引入90°相移，所述电移相器的输入端与电分路器的一个输出端连接，所述电分路器的另一个输出端与双平行马赫-曾德尔调制器的上臂射频端口连接，所述电分路器的输入端输入微波信号，双平行马赫-曾德尔调制器的两个子调制器均工作在最小点，主调制器工作在正交点，双平行马赫-曾德尔调制器输出为抑制载波的单边带光信号；

所述相位调制器的射频输入端口输入编码信号，编码信号为二进制方波时，光电探测器输出二进制的相位编码微波信号；编码信号为四电平阶梯信号时，光电探测器输出四进制的相位编码微波信号；编码信号为其它多电平阶梯信号时，光电探测器输出相应的多进制的相位编码微波信号。

2.根据权利要求1所述的光学产生微波相位编码信号的装置，其特征在于：所述电移相器可以连接在双平行马赫曾德尔调制器的上臂射频端口与电分路器的一个输出端口之间或者下臂射频端口与电分路器的一个输出端口之间。

3.根据权利要求1所述的光学产生微波相位编码信号的装置，其特征在于：所述光分路器与双平行马赫-曾德尔调制器和相位调制器之间分别设置有偏振控制器，所述偏振控制器是两个，分别于相位调制器和双平行马赫-曾德尔调制器的输入端串联。