CN105467376A - 大调谐范围线性调频信号产生方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种大调谐范围线性调频信号产生方法及其装置，大信号调制模式下，利用电光调制器对可调谐光源输出的光载波和射频本振输出的射频信号进行电光调制，得到双波长光信号，调制光信号经过波长分离和偏振复用模块产生偏振正交的双波长光信号，偏振正交双波长光信号作为光载波，输入偏振调制器，与抛物线波形激励信号进行电光调制；经探测器拍频产生线性调频信号，调节可调谐光源输出波长和射频本振输出频率对产生的线性调频信号进行载频调谐，本方案产生的线性调频信号具有稳定性好、载频高、调谐范围大、波形可重构等优势，应用前景十分广泛。

Description

大调谐范围线性调频信号产生方法及其装置

技术领域

本发明属于微波光子信号产生技术领域，具体涉及一种载频具有大调谐范围的线性调频信号的产生方法及其装置。

背景技术

线性调频信号是最为常用的雷达信号形式之一，它具有大的时宽带宽积，可以同时提高雷达距离和速度两方面的测量精度和分辨力，另一方面，线性调频信号具有优良的脉冲压缩特性，可以同时提高雷达的作用距离和测量精度。随着技术的不断发展，对雷达设备的功能要求越来越高，尤其在军事斗争领域，急需提高雷达抗电子干扰、反隐身、抗低空突防、抗反辐射导弹等“四抗”能力，因此雷达信号的载频需要具有更高的频率和更好的频率调谐性能，以避开常用频段干扰以及常规电子战干扰。高载频、大调谐范围线性调频信号的产生是新一代高性能雷达的基础和关键技术之一，具有广泛的应用前景。

融合了微波技术和光子技术优势的微波光子技术在微波毫米波信号的产生、传输和处理等方面得到了广泛应用。利用微波光子技术产生雷达信号，可以克服“电子瓶颈”对信号带宽和载频的限制，为雷达系统提供高载频、大调谐范围、高性能的信号源，从而赋予雷达更加蓬勃的生命力，并有望改变雷达体制。

利用微波光子技术产生线性调频信号受到了国内外科研机构的广泛研究，其中基于抛物线波形电光相位调制的方法具有载频高、可重构性好的优点。1)H.J.Song,K.H.Oh,N.Shimizu,etal.“Generationoffrequency-modulatedsub-terahertzsignalusingmicrowavephotonictechnique”,OpticsExpress,vol.18,no.15,pp.15936-15941,2010和2)P.Ghelfi,F.Scotti,F.Laghezza,etal.“PhaseCodingofRFPulsesinPhotonics-AidedFrequency-AgileCoherentRadarSystems”,IEEEJournalofquantumelectronics,vol.48,no.9,pp.1151-1157,2012中，日本和意大利分别利用相位调制的方法产生了载频为350GHz的啁啾信号和载频在10/40GHz之间进行捷变的线性调频信号。3)H.Chi,J.Yao,“PhotonicGenerationofPhase-CodedMillimeter-WaveSignalUsingaPolarizationModulator”,IEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters,vol.18,no.5,pp.371-373,2008和4)Z.Li,M.Li,H.Chi,etal,“PhotonicGenerationofPhase-CodedMillimeter-WaveSignalWithLargeFrequencyTunabilityUsingaPolarizationMaintainingFiberBraggGrating”,IEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters,vol.21,no.12,pp.694-696,2011中，加拿大先后利用偏振保持光纤的偏振旋转特性和偏振保持光纤布拉格光栅的偏振选择特性，产生偏振正交的双波长光信号，然后输入偏振调制器进行同步调制，产生线性调频信号。

然而，上述方案存在一定的局限性。1)和2)方案中需要分别滤出不同波长的光信号，然后对其中一路进行调制处理，系统是分离结构的，输出信号稳定性很差；3)和4)克服了系统稳定性问题，但偏振选择器件具有波长依赖性，因此产生信号的载频调谐性能十分受限。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明目的是提供一种载频具有大调谐范围的线性调频信号产生方法及其装置，波长可调谐激光器输出光信号作为光载波输入双平行马赫曾德尔调制器，双平行马赫曾德尔调制器的一个射频调制端口(子MZM-1)接射频本振输出信号，另一个射频调制端口(子MZM-2)无输入信号，调整子MZM-1的直流偏置电压使其位于最大传输点，工作方式为奇数阶边带抑制调制，输出光载波和正负2阶光边带，调整子MZM-2和主MZM直流偏置电压，抑制子MZM-1的光载波，得到双波长光信号(正负2阶光边带)，双波长光信号经光环行器和偏振分束器分为两路，分别按顺时针和逆时针进入萨格纳克环，其中逆时针方向的光信号被光隔离器隔离掉；顺时针方向光信号经过光纤布拉格光栅，根据光纤布拉格光栅的窄带反射和宽谱透射特性，双波长光信号被分离开，如负2阶光边带被反射，正2阶光边带透射过去；调整光纤布拉格光栅后面的偏振控制器改变正2阶光边带的偏振态，在萨格纳克环输出端，双波长光信号偏振正交耦合起来；调整光环行器后面的偏振控制器使双波长光信号的偏振态分别对准偏振调制器的两个主轴；将抛物线波形激励信号加载到偏振调制器上与双波长光信号进行电光调制；设置检偏器检偏角与偏振调制器主轴夹角为45°，经探测器拍频得到载频为双波长光信号频率间隔的线性调频信号；光纤布拉格光栅的透射谱和反射谱固定，通过调节可调谐光源输出波长和射频本振源输出频率，使双平行马赫增德尔调制器输出的一个光边带位于反射峰内，另一个边带位于透射谱内，即可实现输出线性调频信号的载频调谐，输出信号具有高载频、大调谐范围的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种大调谐范围线性调频信号产生装置，包括波长可调谐激光器、射频本振源、双平行马赫曾德尔调制器、光环行器、偏振分束器、光纤布拉格光栅、偏振控制器A、偏振控制器B、光隔离器、偏振调制器、检偏器、探测器；波长可调谐激光器、射频本振源同双平行马赫曾德尔调制器相连接；双平行马赫曾德尔调制器输出、光环行器、偏振控制器A、偏振调制器依次连接，偏振调制器受激励信号调制，并与检偏器相连接，检偏器与探测器相连接；光环行器还与偏振分束器的输入端相连接，偏振分束器的一个输出端与光纤布拉格光栅、偏振控制器B、光隔离器的输入端依次相连接，光隔离器输出端与偏振分束器的另一个输出端相连接；

所述的波长可调谐激光器输出光信号作为光载波输入双平行马赫曾德尔调制器，双平行马赫曾德尔调制器由两个子调制器(子MZM-1和子MZM-2)和一个主调制器(主MZM)构成，只有子MZM-1受本振信号调制，当子MZM-1为最大偏置点时，双平行马赫曾德尔调制器调制输出光信号包络E₁(t)为公式(1)所示：

$\begin{array}{c}{E}_1\left(t\right)\∝\exp \left({\mathrm{j\ω}}_{c}t\right)\{cos\left(mcos\mathrm{\ω}t\right)\exp \left(j\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)+{\mathrm{cos\θ}}_1\exp (-j\frac{\mathrm{\θ}}{2})\}\\ \∝\exp \left({\mathrm{j\ω}}_{c}t\right)\[J_0\left(m\right)\exp \left(j\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)+{\mathrm{cos\θ}}_1\exp (-j\frac{\mathrm{\θ}}{2})\]-2J_2\left(m\right)cos\left(2\mathrm{\ω}t\right)+L\}\end{array}---\left(1\right)$

式中，ω_c为输入光载波频率，m为子MZM-1调制系数，ω为输入射频本振频率，θ为主MZM直流偏置相位，θ₁为子MZM-2直流偏置相位，J₀()为0阶一类贝塞尔函数、J₂()为2阶一类贝塞尔函数，t为时间；

通过调整θ和θ₁，可将任意调制系数情况下光载波完全抑制掉，得到正负2阶光边带，正负2阶光边带作为双波长光信号经光环行器输入萨格纳克环结构，分为偏振态相互正交的两部分，其逆时针方向的光信号(偏振方向沿x轴)被光隔离器隔离掉，顺时针方向的光信号(偏振方向沿y轴)经光纤布拉格光栅反射透射作用后，负2阶信号被反射回去，正2阶信号透射过去，调节偏振控制器B将正2阶光信号偏振方向旋为x轴，经光隔离器后输入偏振分束器另一个端口(x轴端口)，在萨格纳克环输出端，得到偏振态相互正交的双波长光信号，萨格纳克环输出信号为公式(2)所示：

式中，x和y轴方向分别表示偏振分束器的两个偏振方向；

调节偏振控制器A使偏振正交双波长光信号的偏振方向对准偏振调制器的偏振轴，偏振调制器受激励信号驱动，其输出调制信号为公式(3)所示：

式中，β为偏振调制器调制系数，s(t)为激励信号振幅归一化后波形表达式；

调整检偏器检偏角与偏振调制器偏振轴夹角为45°，探测器输出电信号i(t)为公式(4)所示：

$i\left(t\right)\∝J_2^2\left(m\right)cos\[4\mathrm{\ω}t+2\mathrm{\β}s\left(t\right)\]---\left(4\right)$

因此，最终输出信号载频为射频本振频率的4倍，信号形式由激励信号波形s(t)决定，信号具有高的载频、大的调谐范围和好的可重构性。

一种大调谐范围线性调频信号产生方法，包括如下步骤：

步骤1：在大信号调制模式下，利用电光调制器对可调谐光源输出的光载波和射频本振源输出的射频信号进行电光调制；

步骤2：调制光信号经过波长分离和偏振复用模块产生偏振正交的双波长光信号；

步骤3：偏振正交双波长光信号作为光载波，输入偏振调制器，与抛物线波形激励信号进行电光调制；

步骤4：经探测器拍频产生线性调频信号；

步骤5：调节可调谐光源输出波长和射频本振源输出频率对产生的线性调频信号进行载频调谐。

所述的萨格纳克环由偏振分束器、光纤布拉格光栅、偏振控制器、光隔离器构成，用光纤布拉格光栅的透射反射特性和偏振分束器的偏振选择特性，在萨格纳克环中实现双波长光信号的分离和偏振正交耦合。

所述的激励波形电光调制处理利用偏振调制器的调制特性，实现双波长光信号的同步处理，提高系统稳定性；调整光源输出波长和射频本振输出频率，可以对线性调频信号进行载频调谐；线性调频信号载频为射频本振的四倍，具有高的频率和大的调谐范围；通过改变偏振调制器激励信号波形，可以灵活改变输出信号形式，具有很好的可重构性。

本发明的有益效果是：

该方案中，双波长光信号是同步传输和调制处理的，系统具有很好的稳定性；通过改变偏振调制器的激励信号波形，可以灵活改变输出信号形式，系统具有很好的可重构性；输出信号的最小载频为光纤布拉格光栅的反射峰带宽，最大载频为双平行马赫增德尔调制器带宽的四倍，且在该范围内可以任意调谐，实现10GHz至160GHz的大调谐范围；最后，输出信号载频由激光器波长和射频本振频率决定，调谐灵活可控。

附图说明

图1为本发明的大调谐范围线性调频信号产生装置结构示意图。

图2为本发明中光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱。

图3为萨格纳克环输出端偏振态相互正交的双波长光信号。

图4为激励信号波形s(t)为非归零脉冲，产生的相位编码信号；(a)载频13GHz相位编码信号；(b)对应的相位恢复波形；(c)载频30GHz相位编码信号；(d)对应的相位恢复波形。

图5为激励信号s(t)为抛物线波形时，产生的载频40GHz线性调频信号仿真结果。(a)与40GHz本振下变频后时域波形图；(b)与40GHz本振下变频后瞬时频率；(c)自相关函数。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，一种大调谐范围线性调频信号产生装置，包括波长可调谐激光器(1)、射频本振源(2)、双平行马赫曾德尔调制器(3)、光环行器(4)、偏振分束器(5)、光纤布拉格光栅(6)、偏振控制器B(7)、偏振控制器A(9)、光隔离器(8)、偏振调制器(10)、检偏器(11)、探测器(12)，波长可调谐激光器(1)、射频本振源(2)同双平行马赫曾德尔调制器(3)相连接；双平行马赫曾德尔调制器(3)受射频本振源(2)输出信号调制，双平行马赫曾德尔调制器(3)输出、光环行器(4)、偏振控制器A(9)、偏振调制器(10)依次连接，偏振调制器(10)受激励信号的调制，并与检偏器(11)相连接，检偏器(11)与探测器(12)相连接；光环行器(4)与偏振分束器(5)的输入端相连接，偏振分束器(5)的一个输出端与光纤布拉格光栅(6)、偏振控制器B(7)、光隔离器(8)的输入端依次相连接，光隔离器(8)输出端与偏振分束器(5)的另一个输出端相连接；

所述的波长可调谐激光器(1)输出光信号作为光载波输入双平行马赫曾德尔调制器(3)，双平行马赫曾德尔调制器(3)由两个子调制器(子MZM-1和子MZM-2)和一个主调制器(主MZM)构成，只有子MZM-1受本振信号调制，当子MZM-1为最大偏置点时，双平行马赫曾德尔调制器(3)调制输出光信号包络E₁(t)为公式(1)所示：

$\begin{array}{c}{E}_1\left(t\right)\∝\exp \left({\mathrm{j\ω}}_{c}t\right)\{cos\left(mcos\mathrm{\ω}t\right)\exp \left(j\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)+{\mathrm{cos\θ}}_1\exp (-j\frac{\mathrm{\θ}}{2})\}\\ \∝\exp \left({\mathrm{j\ω}}_{c}t\right)\[J_0\left(m\right)\exp \left(j\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)+{\mathrm{cos\θ}}_1\exp (-j\frac{\mathrm{\θ}}{2})\]-2J_2\left(m\right)cos\left(2\mathrm{\ω}t\right)+L\}\end{array}---\left(1\right)$

其中，ω_c为输入光载波频率，m为子MZM-1调制系数，ω为输入射频本振频率，θ为主MZM直流偏置相位，θ₁为子MZM-2直流偏置相位，J₀()为0阶一类贝塞尔函数、J₂()为2阶一类贝塞尔函数，t为时间；

通过调整θ和θ₁，可将任意调制系数情况下光载波完全抑制掉，得到正负2阶光边带，正负2阶光边带作为双波长光信号经光环行器(4)输入萨格纳克环结构，分为偏振态相互正交的两部分，其逆时针方向的光信号(偏振方向沿x轴)被光隔离器(8)隔离掉，顺时针方向的光信号(偏振方向沿y轴)经光纤布拉格光栅(6)反射透射作用后，负2阶信号被反射回去，正2阶信号透射过去，调节偏振控制器(7)将正2阶光信号偏振方向旋为x轴，经光隔离器(8)后输入偏振分束器(5)另一个端口(x轴端口)，在萨格纳克环输出端，得到偏振态相互正交的双波长光信号，萨格纳克环输出信号为公式(2)所示：

式中，x和y轴方向分别表示偏振分束器的两个偏振方向。光纤布拉格光栅(6)的反射透射谱如图2所示，射频本振输出频率5GHz、功率20.3dBm，激光器输出波长1551.185nm、功率16dBm时，萨格纳克环输出双波长光信号如图3所示；

调节偏振控制器A(9)使偏振正交双波长光信号偏振方向对准偏振调制器(10)的偏振轴，偏振调制器(10)受激励信号调制，其输出调制信号为公式(3)所示：

式中，β为偏振调制器调制系数，s(t)为激励信号振幅归一化后波形表达式；

调整检偏器(11)检偏角与偏振调制器偏振轴夹角为45°，探测器(12)输出电信号i(t)为公式(4)所示：

$i\left(t\right)\∝J_2^2\left(m\right)cos\[4\mathrm{\ω}t+2\mathrm{\β}s\left(t\right)\]---\left(4\right)$

因此，最终输出信号载频为射频本振频率的4倍，信号形式由激励信号波形决定，信号具有高的载频、大的调谐范围和好的可重构性。

一种大调谐范围线性调频信号产生方法，包括如下步骤：

步骤1：在大信号调制模式下，利用电光调制器对可调谐光源输出的光载波和射频本振源输出的射频信号进行电光调制；

步骤2：调制光信号经过波长分离和偏振复用模块产生偏振正交的双波长光信号；

步骤3：偏振正交双波长光信号作为光载波，输入偏振调制器，与抛物线波形激励信号进行电光调制；

步骤4：经探测器拍频产生线性调频信号；

步骤5：调节可调谐光源输出波长和射频本振源输出频率对产生的线性调频信号进行载频调谐。

所述的偏振正交双波长光信号由偏振分束器、光纤布拉格光栅、偏振控制器、光隔离器构建的萨格纳克环产生，用光纤布拉格光栅的透射反射特性和偏振分束器的偏振选择特性，在萨格纳克环中实现双波长光信号的分离和偏振正交耦合。

所述的激励信号电光调制过程利用偏振调制器的调制特性，实现双波长光信号的同步处理，提高系统稳定性；调整光源输出波长和射频本振输出频率，可以对线性调频信号进行载频调谐；线性调频信号载频为射频本振的四倍，具有高的频率和大的调谐范围；通过改变偏振调制器激励信号波形，可以灵活改变输出信号形式，具有很好的可重构性。

为了验证本发明的调谐性能和可重构性能，结合实验和仿真分别产生了四倍频相位编码和线性调频信号。

射频本振为3.25GHz、光源波长1551.156nm以及射频本振为7.5GHz、光源波长1551.224nm，s(t)为码型“10101100”、速率2.5Gbps非归零码，经过上述过程，产生的四倍频相位编码信号分别如下：

图4(a)为射频本振3.25GHz、光源波长1551.156nm时输出的载频13GHz、编码速率2.5Gbps的相位编码信号；

图4(b)为对应的相位恢复波形，相位跳变为160°左右；

图4(c)为射频本振7.5GHz、光源波长1551.224nm时输出的载频30GHz、编码速率2.5Gbps的相位编码信号；

图4(d)为对应的相位恢复波形，相位跳变为170°左右。

射频本振为10GHz、光源波长1551.264nm、s(t)为持续时间51.2ns抛物线波形，经过上述过程，产生载频40GHz的线性调频信号，为便于观察，在输出端对信号进行了40GHz下变频处理，仿真输出结果如下：

图5(a)为下变频后带宽600MHz、时宽51.2ns的线性调频信号时域波形；

图5(b)为下变频后信号的瞬时频率；

图5(c)为线性调频信号脉冲压缩结果。

图4和图5表明该装置可以产生相位编码、线性调频等波形信号，具有很好的可重构性；同时，产生信号的载频可以在10GHz左右至160GHz范围内任意调谐，具有大的调谐范围。

Claims (4)

1.一种大调谐范围线性调频信号产生装置，包括波长可调谐激光器(1)、射频本振源(2)、双平行马赫曾德尔调制器(3)、光环行器(4)、偏振分束器(5)、光纤布拉格光栅(6)、偏振控制器B(7)、偏振控制器A(9)、光隔离器(8)、偏振调制器(10)、检偏器(11)、探测器(12)，其特征在于，波长可调谐激光器(1)、射频本振源(2)同双平行马赫曾德尔调制器(3)相连接；双平行马赫曾德尔调制器(3)受射频本振源(2)输出信号调制，双平行马赫曾德尔调制器(3)输出、光环行器(4)、偏振控制器A(9)、偏振调制器(10)依次连接，偏振调制器(10)受激励信号的调制，并与检偏器(11)相连接，检偏器(11)与探测器(12)相连接；光环行器(4)还与偏振分束器(5)的输入端相连接，偏振分束器(5)的一个输出端与光纤布拉格光栅(6)、偏振控制器B(7)、光隔离器(8)的输入端依次相连接，光隔离器(8)输出端与偏振分束器(5)的另一个输出端相连接，构成萨格纳克环结构；

所述的波长可调谐激光器(1)输出光信号作为光载波输入双平行马赫曾德尔调制器(3)，双平行马赫曾德尔调制器(3)由两个子调制器(子MZM-1和子MZM-2)和一个主调制器(主MZM)构成，只有子MZM-1受本振信号调制，当子MZM-1为最大偏置点时，双平行马赫曾德尔调制器(3)调制输出光信号包络E₁(t)为公式(1)所示：

$\begin{array}{c}{E}_1\left(t\right)\∝\exp \left({\mathrm{j\ω}}_{c}t\right)\{\cos \left(m\cos \mathrm{\ω}t\right)\exp \left(j\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)+{\mathrm{cos\θ}}_1\exp (-j\frac{\mathrm{\θ}}{2})\}\\ \∝\exp \left({\mathrm{j\ω}}_{c}t\right)\{\[J_0\left(m\right)\exp \left(j\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)+{\mathrm{cos\θ}}_1\exp (-j\frac{\mathrm{\θ}}{2})\]-2J_2\left(m\right)\cos \left(2\mathrm{\ω}t\right)+L\}\end{array}---\left(1\right)$

式中，ω_c为输入光载波频率，m为子MZM-1调制系数，ω为输入射频本振频率，θ为主MZM直流偏置相位，θ₁为子MZM-2直流偏置相位，J₀()为0阶一类贝塞尔函数、J₂()为2阶一类贝塞尔函数，t为时间；

通过调整θ和θ₁，可将任意调制系数情况下光载波完全抑制掉，得到正负2阶光边带，正负2阶光边带作为双波长光信号经光环行器(4)输入萨格纳克环结构，分为偏振态相互正交的两部分，其逆时针方向的光信号(偏振方向沿x轴)被光隔离器(8)隔离掉，顺时针方向的光信号(偏振方向沿y轴)经光纤布拉格光栅(6)反射透射作用后，负2阶信号被反射回去，正2阶信号透射过去，调节偏振控制器B(7)将正2阶光信号偏振方向旋为x轴，经光隔离器(8)后输入偏振分束器(5)另一个端口(x轴端口)，在萨格纳克环输出端，得到偏振态相互正交的双波长光信号，萨格纳克环输出信号为公式(2)所示：

式中，x和y轴方向分别表示偏振分束器的两个偏振轴方向；

调节偏振控制器A(9)使偏振正交双波长光信号偏振方向对准偏振调制器(10)的偏振轴，偏振调制器(10)受激励信号驱动，其输出调制信号为公式(3)所示：

式中，β为偏振调制器调制系数,s(t)为激励信号振幅归一化后波形表达式；

调整检偏器(11)检偏角与偏振调制器偏振轴夹角为45°，探测器(12)输出电信号i(t)为公式(4)所示：

$i\left(t\right)\∝J_2^2\left(m\right)cos\[4\mathrm{\ω}t+2\mathrm{\β}s\left(t\right)\]---\left(4\right)$

因此，最终输出信号载频为射频本振频率的4倍，信号形式由激励信号波形s(t)决定，信号具有高的载频、大的调谐范围和好的可重构性。

2.一种大调谐范围线性调频信号产生方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在大信号调制模式下，利用电光调制器对可调谐光源输出的光载波和射频本振源输出的射频信号进行电光调制；

步骤2：调制光信号经过波长分离和偏振复用模块产生偏振正交的双波长光信号；

步骤3：偏振正交双波长光信号作为光载波，输入偏振调制器，与抛物线波形激励信号进行电光调制；

步骤4：经探测器拍频产生线性调频信号；

步骤5：调节可调谐光源输出波长和射频本振源输出频率对产生的线性调频信号进行载频调谐。

3.根据权利要求2所述的偏振正交双波长光信号产生方法，其特征在于，所述的萨格纳克环由偏振分束器、光纤布拉格光栅、偏振控制器、光隔离器构成，用光纤布拉格光栅的透射反射特性和偏振分束器的偏振选择特性，在萨格纳克环中实现双波长光信号的分离和偏振正交耦合。

4.根据权利要求2所述的一种大调谐范围线性调频信号产生方法，其特征在于，所述的电光相位调制过程利用偏振调制器的调制特性，实现双波长光信号的同步处理，提高系统稳定性；调整光源输出波长和射频本振输出频率，可以对线性调频信号进行载频调谐；线性调频信号载频为射频本振的四倍，具有高的频率和大的调谐范围；通过改变偏振调制器激励信号波形，可以灵活改变输出信号形式，具有很好的可重构性。