CN105406918B - 一种光子型多频相位编码信号产生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光子型多频相位编码信号产生装置及方法，属于微波毫米波信号产生技术领域。该多频相位编码信号产生装置，包括多频率成份光源模块、多频相位编码模块；多频相位编码模块包括偏振调制器、编码数据产生器、偏振分束器、双平行光电探测器；多频成份光源模块输出的具有n个频率成份的光源与偏振调制器的某个主轴方向调整为45度夹角；编码数据产生器产生“1，‑1”的具有正负极性的编码控制信号，并通过偏振调制器调制在多频成份光源模块输出的光源上。本发明结构简单，可以实现同时多频率的相位编码射频信号产生。
Description
技术领域
本发明涉及一种光子型多频相位编码信号产生装置及方法，属于微波毫米波信号产生技术领域。
背景技术
相位编码信号由于其良好的脉冲压缩能力，可以有效提高雷达等微波毫米系统的分辨率，因此在雷达等相关领域备受关注。传统的相位编码信号产生是在电域进行的，存在工作频率范围、时间-带宽积受限等缺陷。为了克服电子学方法的缺点，人们提出了光子型相位编码信号产生。光子型相位编码信号产生方案主要包括基于空间光子学和基于全光纤器件的方案。图1给出了一种基于空间调制器的光子型相位编码信号产生装置。单个超短光脉冲被送入到一个光脉冲整形器产生一个根据任意光脉冲序列，脉冲序列中的脉冲之间的时间间隔根据所需要产生的波形进行设计；将该任意光脉冲序列注入光电转换器中，实现光子型相位编码信号的产生。 (J. McKinney, D. Leaird, and A. Weiner, "Millimeter-wave arbitrary waveform generation with a direct space-to-timepulse shaper," Opt. Lett. 27, 1345 (2002)，“基于空-时脉冲整形的毫米波任意波形产生”，光学快报，27, 1345 (2002)) 。但是该种方案由于使用了空间光子器件，系统庞大、且损耗高。基于光纤器件的方案可以解决上述问题。图2显示了一种基于光纤器件的相位编码信号产生装置，单射频信号通过马赫曾德调制器调制在单波长光源上，通过将马赫曾德调制器偏置在最小传输点，产生载波抑制的双边带调制信号，作为一对不同波长的相干光载波；将此信号通过一个萨格纳克光纤干涉仪，该干涉仪由相位调制器，光纤布拉格光栅及隔离器构成，编码控制信号调制在相位调制器上。通过光纤布拉格光栅的正、反向的分别带通、带阻的波长选择作用，输出的光信号仅有一个边带调制有相位信息，通过光电探测器后生成带有相位编码的射频信号。此方案避免了复杂的空间光学部件，然而系统中光纤布拉格光栅为波长相关器件，限制了系统的工作频率范围(Z. Li, W. Li, H. Chi, X. Zhang,and J. Yao, "Photonic generation of phase-coded microwave signal with largefrequency tunability," IEEE Photon. Technol Lett. 23, 712 (2011)，“大范围可调谐相位编码信号的光子学产生”，IEEE光学工程快报，23, 712 (2011))。受益于光子器件的大带宽和低损耗，光子型相位编码信号产生具有高频、大带宽、无电磁干扰的优点。同时，产生的光信号可直接在光载射频（RoF: Radio over Fiber）系统中进行长距离传输，从而大幅增加雷达等微波毫米波系统的协同作用范围。
与此同时，多波段和多功能雷达的发展对同时多频率相位编码信号的产生提出了迫切需求，而现有的光子型相位编码产生装置难以实现同时多频率的相位编码信号产生。图3给出了一种基于上变频实现同时多频相位编码信号产生的装置（P. Ghelfi, F.Scotti, F. Laghezza, and A. Bogoni, "Phase coding of RF pulses in photonics-aided frequency-agile coherent radar systems," IEEE J. Quantum Electron. 48,1151 (2012), “光子辅助的频率捷变相干雷达系统中的射频脉冲相位编码，” IEEE 量子电子学期刊，48，1151（2012））。该方案首先在电域产生低频的相位编码信号，通过马赫曾德调制器将该低频相位编码信号调制到锁模激光器输出的多个光模式上，注入光电探测器中拍频，将在电域产生的低频相位编码信号上转换到多个中频，从而实现同时多频相位编码信号产生。该方案中的初始低频相位编码信号仍然是在电域产生的，带宽等参数仍受到电子瓶颈的限制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种光子型多频相位编码信号产生装置及方法，使用单个装置实现同时多个频率上的相位编码信号产生。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种光子型多频相位编码信号产生装置，包括多频率成份光源模块和多频相位编码模块，所述多频率成份光源模块，用于提供具有多频率成份的光源；所述多频相位编码模块，用于实现多频率相位编码；
所述多频相位编码模块包括偏振调制器、编码数据产生器、偏振分束器和双平行光电探测器，其中多频率成份光源模块的输出端和偏振调制器的光输入端相连，偏振调制器的光输出端与偏振分束器的输入端相连；偏振调制器的电输入端和编码数据产生器的输出端相连接；偏振分束器的两个输出端分别与双平行光电探测器的两个输入端相连。
一种光子型多频相位编码信号产生装置的多频相位编码信号产生方法，包括如下步骤：将多频成份光源模块输出的具有n个频率成份的光源与偏振调制器的某个主轴方向调整为45度夹角，n为任意自然数；编码数据产生器产生“1，-1”的具有正负极性的编码控制信号，并通过偏振调制器调制在多频成份光源模块输出的光源上，调制后的光信号经过偏振分束器，输出两路偏振正交的信号，分别注入双平行光电探测器的两个输入端，经过光电转换之后输出同时多频的“0，π”的相位编码信号。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明的多频相位编码过程无需对注入光源的各频率成份做单独操作，可以实现同时多个频率的相位编码。
2.本发明的多频相位编码过程对注入光源上调制的射频信号形式无局限性要求，可实现同时多个频率的相位编码。
3.本发明避免引入任何波长相关器件，使得系统的工作频率范围不受限。
附图说明
图1为基于空间光子学的光子型相位编码信号产生装置。
图2为基于光纤器件的光子型相位编码信号产生装置。
图3为基于上变频的光子型多频相位编码信号产生装置。
图4为本发明的光子型多频相位编码信号产生装置的结构框图。
图5为具体实施例1的注入的光频梳的光谱图。
图6 (a)为具体实施例1的同时产生的15GHz的相位编码信号的波形图；图6(b)为具体实施例1的同时产生的15GHz的相位编码信号的恢复相位；图6 (c)为具体实施例1的同时产生的30 GHz的相位编码信号的波形图；图6(d)为具体实施例1的同时产生的30 GHz的相位编码信号的恢复相位。
图7 (a)为具体实施例1的同时产生的15GHz的相位编码信号的自相关结果；图7(b)为具体实施例1的同时产生的15GHz的相位编码信号的自相关结果的主瓣细节图；图7(c)为具体实施例1的同时产生的30GHz的相位编码信号的自相关结果；图7(d)为具体实施例1的同时产生的30GHz的相位编码信号的自相关结果的主瓣细节图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
本发明的光子型多频相位编码信号产生装置的一种优选结构如图4所示，包括：多频率成份光源模块，偏振调制器、编码数据产生器、偏振分束器、平行光电探测器。
多频率成份光源模块的输出端和偏振调制器的光输入端相连，偏振调制器的光输出端与偏振分束器的输入端相连，偏振调制器的电输入端和编码数据产生器的输出端相连接；偏振分束器的两个输出端分别与平行光电探测器的两个输入端相连。
将多频成份光源模块输出的具有n个频率成份的光源与偏振调制器的某个主轴方向调整为45度夹角，n为自然数；编码数据产生器产生“1，-1”的具有正负极性的编码控制信号。
下面以两个具体实施例来进一步说明本发明光子型多频率相位编码信号产生装置时如何实现多频率相位编码的。
具体实施例1：
将具有n根梳齿，梳齿间隔为ω m 的光频梳作为光源注入偏振调制器，其偏振方向和偏振调制器的某个主轴成45度角；编码数据产生的“1，-1”的具有正负极性的编码控制信号通过偏振调制器的射频输入端口调制到光频梳上；经过平行光电探测器的光电转换后，可以得到在频率为k·ω m (1≤ k≤ n-1)处的“0”和“π”的二相相位编码信号产生，“0”和“π”的值由编码控制信号的“±”特性所决定。从而实现了同时的多频率相位编码信号产生。
具体实施例2：
将n路波长分别为λ n 的激光分别调制上频率为Ω n 的射频信号，调制偏置点为线性点。将这n路光合起来以后作为光源注入偏振调制器，其偏振方向和偏振调制器的某个主轴成45度角；编码数据产生的“1，-1”的具有正负极性的编码控制信号通过偏振调制器的射频输入端口调制到光频梳上；经过平行光电探测器的光电转换后，可以得到在频率为Ω n 处的“0”和“π”的二相相位编码信号产生，“0”和“π”的值由编码控制信号的“±”特性所决定。从而实现了同时的多频率相位编码信号产生。
理论说明如下：
光源输出的光场为E 0 (t),其偏振态与偏振调制器的某一主轴成45°角，编码数据产生器产生的编码控制数据用ɸ(t)表示，则偏振调制器输出的光信号为
(1)
其中，分别为偏振调制器的两个主轴方向上的光场，γ是相位调制系数，是两个偏振态上的相位差，j为数学中的虚数单位。
偏振分束器的两路输出与偏振调制器的某一主轴夹角分别为α和(α+π/2)，偏振分束器的两路输出信号分别表示为
(2)
(3)
其中，分别为偏振分束器的两路输出；
这两路输出的光信号分别注入平行探测器的两个输入端，设置=π/2，则平衡光电探测器输出的射频信号为：
(4)
编码控制信号ɸ(t)的值为1或-1，因此有
(5)
将(5)式子代入(4)式，因而有平衡光电探测器输出的射频信号为：
(6)
由此可见, ɸ(t)的值为1或-1时，将实现对由|E0(t)|2决定的射频信号的“0”或“π”的相位编码。因此，当注入的光源使得|E0(t)|2实现的是多个载频时，即可实现同时多频率的相位编码信号产生。
上述相位编码过程无需对注入光源E0(t)的各波长频率成份做单独操作，对注入光源的各频率成份无限制性要求，且系统中未引入波长相关的器件，因此保证了同时多频率的相位编码信号产生。
具体地，对于具体实施例1，光源为将具有n根梳齿，梳齿间隔为ω m 的光频梳，则此时注入的光源可表示为
(7)
其中为光频梳第一根梳齿的频率，为光频梳梳齿数目。
可以得到：
(8)
滤除基带信号，得到此时平衡探测器输出的射频信号为
(9)
同时实现了在频率为k·ω m (1≤ k≤ n-1)处的“0”和“π”的二相相位编码信号产生，“0”和“π”的值由编码控制信号的“±”特性所决定。
具体地，对于具体实施例2，将n路波长分别为λ n 的激光分别调制上频率为Ω n 的射频信号作为光源，调制偏置点为线性点。则此时注入的光源可表示为
(10)
可以得到：
(11)
滤除基带信号，得到此时平衡探测器输出的射频信号为
(12)
可以得到在频率为Ω n 处的“0”和“π”的二相相位编码信号产生，“0”和“π”的值由编码控制信号的“±”特性所决定。
图5给出了具体实施例1的注入的具有三根频率梳的光频梳，频率梳齿之间的间隔为15GHz。
同时产生的15GHz和30GHz的相位编码信号波形和相应的恢复相位如图6所示，此时编码控制信号为：16位格式 “1111 -111-1 1-1-11 1-11-1”、编码率5 Gbit/s；其中(a)和(b)分别为产生的15GHz的相位编码信号波形和恢复的相位，(c)和(d)分别为产生的30GHz的相位编码信号波形和恢复的相位。表明本发明的相位编码信号产生装置实现了同时多频的相位编码信号产生。
图7给出了同时产生的15 GHz和30 GHz的相位编码信号的自相关结果 ((a)和(b)对应15 GHz, (c)和(d)对应30 GHz，用以展示产生信号的脉冲压缩能力。可以看出，对于同时产生的15 GHz 和30 GHz的相位编码信号，峰值-旁瓣比分别为4.47 dB和5.04 dB, 主瓣的半高全宽分别为0.19 ns和0.2 ns, 从而得到压缩比约为16。表明本发明的相位编码信号产生装置实现的同时多频相位编码信号具有高性能的脉冲压缩能力。
综上，本发明提供的多频相位编码信号产生装置及方法，无需对注入光源的各频率成份做单独操作，使得系统的工作频率范围不受限，且对注入光源上调制的射频信号形式无局限性要求，可以实现同时多个频率的相位编码；避免引入任何波长相关器件，使得系统的工作频率范围不受限。这使得本发明可以广泛应用于雷达、电子战等多波段、多功能微波系统应用领域。
Claims (4)
1.一种光子型多频相位编码信号产生装置，包括多频率成份光信号源模块和多频相位编码模块，所述多频率成份光信号源模块，用于提供具有多频率成份的光信号；所述多频相位编码模块，用于实现多频率相位编码；
其特征还在于所述多频相位编码模块包括偏振调制器、编码数据产生器、偏振分束器和双平行光电探测器，其中多频率成份光信号源模块的输出端和偏振调制器的光输入端相连，偏振调制器的光输出端与偏振分束器的输入端相连；偏振调制器的电输入端和编码数据产生器的输出端相连接；偏振分束器的两个输出端分别与双平行光电探测器的两个输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种光子型多频相位编码信号产生装置的多频相位编码信号产生方法，其特征在于，将多频成份光信号源模块输出的具有n个频率成份的光信号与偏振调制器的某个主轴方向调整为45度夹角，n为任意自然数；编码数据产生器产生“1，-1”的具有正负极性的编码控制信号，并通过偏振调制器调制在多频成份光信号源模块输出的光信号上，调制后的光信号经过偏振分束器，输出两路偏振正交的信号，分别注入双平行光电探测器的两个输入端，经过光电转换之后输出同时多频的“0，π”的相位编码信号。
3.根据权利要求2所述的一种光子型多频相位编码信号产生装置的多频相位编码信号产生方法，其特征在于，所述多频成份光信号源模块输出的光信号为具有n根梳齿，梳齿间隔为ω m 的光频梳。
4.根据权利要求2所述的一种光子型多频相位编码信号产生装置的多频相位编码信号产生方法，其特征在于，所述多频成份光信号源模块输出的光信号为将n路波长分别为λ n ，且分别调制了频率为Ω n 的射频信号的激光进行耦合的输出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |