CN106253980B - 一种超快射频频谱测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全光傅里叶变换及时域放大的超快射频频谱测量方法及系统，方法为：将超短光脉冲经色散充分展宽得到其时域光谱；待测射频信号通过强度调制加载到时域光谱上；被调制后的时域光谱通过色散压缩，实现时域傅里叶反变换；时域上携带了待测信号频谱信息的光信号通过时域透镜放大技术进行时域拉伸；将所得光信号转换为电信号，后经定标、校准得到精确的频谱信息。系统包括第一超短脉冲光源，第一色散补偿光纤，MZ强度调制器，第一单模光纤，时域透镜放大系统，光电探测器和实时示波器。本发明能在保证高频谱分辨率的同时实现超快的射频频谱测量，测量帧速率可达100MHz，在动态频谱监测以及瞬态频谱捕捉等应用场景具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及射频频谱分析技术领域，特别涉及射频频谱的超快测量方法及系统。
背景技术
射频频谱分析技术在无线通信、雷达系统、射电天文学等诸多领域都有着广泛的应用。目前，关于射频频谱分析技术的研究主要朝着高分辨率、高带宽以及高测量速率三个方向发展。传统的基于电子学的射频频谱分析技术可以做到超高的频谱分辨率，但是由于电子瓶颈的存在，其难以做到超大带宽和超快的测量速率。近年来，随着微波光子学的迅速发展，基于光子辅助的射频分析方法得到了广泛的研究。借助于光学的大带宽和高速率，基于光子辅助的射频频谱分析可以突破传统电子学方法所存在的技术瓶颈，从而实现超大的测量带宽。目前，已有很多基于微波光子学的射频频谱测量方案相继被提出，其中，较为典型的方案主要分为三类。第一类是通过光学功率监测来进行频率测量。在这类方案中，待测射频信号被调制到光信号上，通过一定的光学技术手段建立待测频率与输出光功率之间的一一对应关系，最后通过测量输出光功率的大小来反推出待测射频信号的频率。这类方案可以实现较高的频谱分辨率以及较大的测量带宽(Bui L.A.et al.Instantaneousfrequency measurement system using optical mixing in highly nonlinearfiber.Optics Express，2009，vol.17,no.25,22983-22991)。但是由于待测频率与输出光功率之间的一一映射关系，使得其只适用于测量单一频率的射频信号，因此也无法对快速变化的频谱进行实时测量。第二类是基于光学分信道的方案，其中较为典型的方法是用待测射频信号调制单色光信号得到对应于射频频率的光学边带，再通过光学滤波滤出所有的边带并测量其强度从而得出待测信号的频谱。由于光学滤波器带宽的局限，这种方法难以实现较高的频谱分辨率。而这类方案中的另一种方法则很好地解决了这一问题，其具体做法是利用色散将超短脉冲展宽得到其时域光谱，待测射频信号通过强度调制加载到时域光谱上，再通过光学滤波的方法对调制后的光信号实现时域采样从而恢复出待测信号的波形，最后通过数字信号处理得到待测信号频谱(Wang C.and J.Yao.Ultrahigh-resolutionphotonic-assisted microwave frequency identification based on temporalchannelization.Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactions on,2013,vol.61,no.12,4275-4282)。这种方法以较低的光学滤波带宽要求实现了大测量范围以及高频谱分辨率，但是由于最后数字信号处理环节的存在，其测量速率存在较大的局限性，无法实现实时的频谱测量，因此不适用于频谱快速变化的应用场景。第三类是基于超短脉冲时域傅里叶变换的方案，超短脉冲经过正色散光纤展宽实现傅里叶变换，得到其时域光谱，待测射频信号通过强度调制加载到时域光谱上，再通过一段负色散光纤实现反傅里叶变换将调制后的时域光谱转换到时域上，所得输出信号的时域波形即对应于待测信号的频谱(待测信号的每一个频率分量对应于一个超短脉冲)，最后通过自相干的方法测出输出信号的时域波形即可得到待测信号的频谱(R.E.Saperstein et al.Demonstration of amicrowave spectrum analyzer based on time-domain optical processing infiber.Optics Letters,2004,vol.29,no.5,501-503)。这种方案为了保证高的分辨率需要使用几皮秒甚至飞秒量级的超短脉冲，其输出信号的带宽远远超出了探测器的探测能力，因此需要用到自相干的方法来测量输出信号的波形，这大大降低了其测量速率，使其不适用于需要超快测量的应用场景。通过对现有技术的分析，可以发现当前的射频频谱测量技术难以在保证高分辨率的同时实现超快的测量速率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出能在保证高分辨率的同时实现超快测量的所谓实时射频频谱测量的方法和系统，以实现对快速变化频谱的实时高精度监测。
为解决上述技术问题，本发明首先提出一种频谱分辨率高并且可以实时测量快速变化频谱的射频频谱测量方法，包括以下步骤：
A、第一路超短光脉冲经色散Φ1充分展宽以实现时域傅里叶变换，得到其时域光谱；
B、待测射频信号通过强度调制加载到所述时域光谱上；
C、被调制后的时域光谱通过色散Φ2压缩实现时域傅里叶反变换，得到时域携带待测射频信号频谱信息的超快光信号；
D、时域携带待测射频信号频谱信息的超快光信号通过时域透镜成像系统进行时域拉伸得到其低速的“像”；
E、将所得低速光信号转变为电信号后经校准、定标得到待测射频信号的频谱。
步骤D分解为如下步骤：
D1、时域携带待测射频信号频谱信息的超快光信号经过一定的色散作用进行发散，色散大小Φin为时域透镜成像系统的“物距”；
D2、对发散后的光信号加载时间上的二次相位实现时域透镜功能，所述时域透镜的“焦距”为Φf；
D3、携带时间二次相位的光信号通过一定的光纤色散作用使之压缩得到步骤D所述超快光信号的低速的“像”，色散大小Φout为时域透镜成像系统的“像距”；
其中，步骤A中的色散量Φ1与步骤C中的色散量Φ2需精确匹配，即Φ1＝-Φ2。
其中，步骤D2中加载二次相位也即实现时域透镜功能得方法主要有相位调制器和光学非线性过程两种。
其中，步骤D中所述时域透镜成像系统的“物距”Φin、“焦距”Φf、“像距”Φout之间根据加载二次相位的方式需满足一定的成像关系。
本发明同时提出了一种超快射频频谱测量系统，包括第一脉冲光源，第一色散补偿光纤，MZ强度调制器，第一单模光纤，时域透镜放大系统，光电探测器，实时示波器；
所述第一脉冲光源，用于产生脉宽小于1ps的超短脉冲序列；
所述第一色散补偿光纤，用于将超短脉冲充分展开以实现时域傅里叶变换；
所述MZ强度调制器，用于将待测射频信号加载到光信号上；
所述第一单模光纤，用于对调制后的光信号进行色散压缩，实现反傅里叶变换；
所述时域透镜放大系统，用于对超快光信号进行时域拉伸以适合于光探测器直接探测；
所述光电探测器，用于将输出的光信号转换为电信号；
所述实时示波器，用于对光电探测器输出的电信号进行采样和模数转换得到数字信号，并实时显示；
所述时域透镜放大系统包括第二单模光纤，第二脉冲光源，第三单模光纤，WDM耦合器，高非线性光纤，光滤波器，第二色散补偿光纤。
所述第二单模光纤，用于对输入光信号进行色散作用，形成探测光；
所述第二脉冲光源，用于产生超短脉冲序列作为初始泵浦脉冲，脉冲重复频率与第一脉冲光源同步；
所述第三单模光纤，用于对初始泵浦脉冲进行色散作用，使其携带二次相位，形成泵浦脉冲；
所述WDM耦合器，用于将探测光和泵浦光耦合到一起；
所述高非线性光纤，用于为探测光和泵浦光之间的非线性参量混频过程提供非线性介质；
所述光滤波器，用于将非线性参量混频过程中产生的闲频光滤出；
所述第二色散补偿光纤，用于压缩闲频光，得到输入光信号的“像”。
其中，所述第一色散补偿光纤和第一单模光纤的色散量大小相等；
其中，所述时域透镜放大系统采用非线性四波混频过程来实现时域透镜功能；时域透镜的“焦距”为第三单模光纤的色散量Φp的一半，即Φf＝Φp/2，其与第二单模光纤的色散量Φin以及第二色散补偿光纤的色散量Φoul需满足成像关系：时域透镜放大系统的“放大倍数”须足够大，使得其输出信号能够被光电探测器准确测量。
其中，所述第一脉冲光源与第二脉冲光源由同一宽谱脉冲激光器进行滤波产生。
其中，所述第一单模光纤和第二单模光纤可以合并在一起；
其中，所述光探测器为一般商用光探测器，所述实时示波器为实时连续采集模式。
本发明通过光纤中的时域光信号处理过程将射频信号的频率信息映射为超短光脉冲的时间位置信息，超短光脉冲精细的时间尺度保证了对待测信号较高的频谱分辨率；而通过时域透镜放大技术对超快光信号进行时域拉伸，使得光探测器能够直接对其进行探测并送入实时示波器实时显示，从而保证了超快的测量速度，整个系统的测量帧速率可达100MHz。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明；但本发明的超快射频频谱测量方法及装置不局限于实施例。
图1为本发明具体实施的超快射频频谱测量系统结构示意图。
图2(a)为待测信号直接进行傅里叶变换得到的频谱图。
图2(b)为待测信号通过本发明的测量装置得到的仿真测量结果。
具体实施方式
本发明的超快射频频谱测量方法采用如图1所示的超快射频频谱测量系统来具体实施，该装置包括第一脉冲光源1，第一色散补偿光纤2，MZ强度调制器3，第一单模光纤4，时域透镜放大系统，光电探测器12，实时示波器13；其中，时域透镜放大系统包括第二单模光纤5，第二脉冲光源6，第三单模光纤7，WDM耦合器8，高非线性光纤9，光滤波器10，第二色散补偿光纤11。
本发明具体实施的超快射频频谱测量方法具体包括如下步骤：
1)第一脉冲光源采用锁模光纤激光器产生脉宽为1ps左右、脉冲重复频率为100MHz的超短脉冲序列，单个脉冲时域波形表示为A0(τ)，光谱表示为U0(ω)，由光纤中光脉冲线性传输方程可以得到经过第一色散补偿光纤后，输出光信号的频域表达式为U1(ω)＝U0(ω)exp(iΦ1ω2/2)，其中Φ1为第一色散补偿光纤的群速度色散大小。
2)经过第一色散补偿光纤展宽的光信号输入强度调制器，待测射频信号f(τ)通过强度调制加载到光信号上，被调制后的光信号可表示为
其中Vπ为强度调制器的半波电压，Vbias为强度调制器的直流偏置电压，这里将其设置为Vbias＝Vπ。在f(τ)＜＜Vπ的条件下，可将式(1)中的余弦项展开并忽略三阶以上项得到因此调制后光信号的光谱可表示为
其中F(ω)为待测射频信号的傅里叶变换。
3)被调制后的光信号经过第一单模光纤(色散量与第一色散补偿光纤大小相等)后被映射回时域，由光纤中光脉冲的线性传输方程得到输出信号光谱为由于Φ1＝-Φ2＝Φ0，则其时域表达式可写为
为计算方便，考虑待测射频信号为单一频率信号，即f(τ)＝a cos(ω0t)，则上式可简化为
从式(4)可以看出待测射频信号的频率被转换为输出光脉冲的时间位置，转换关系为τ＝Φ0ω0，因此只需测得输出光脉冲的时间位置即可计算出待测射频信号的频率，但是由于输出光脉冲时间尺度为ps量级，无法直接用光电探测器准确探测，因此需要进一步通过时域透镜放大技术进行时间尺度的拉伸。
4)由光纤中光脉冲的线性传输方程可以得到光信号A3(τ)经过第二单模光纤后频域表达式为U4(ω)＝U3(ω)exp(iΦinω2/2)，其中，Φin为第二单模光纤的群速度色散大小。
5)第二光脉冲源产生的超短高斯脉冲(T0为脉冲半宽度)经过第三单模光纤后得到Ap(τ)，将其写为幅度项乘以相位项的形式为Ap(τ)＝|Ap(τ)|exp[iφp(τ)]。通过计算光纤中光脉冲的线性传输方程容易得到其中，Φp为第三单模光纤的群速度色散。
6)WDM耦合器将光信号A4(τ)与Ap(τ)一起耦合到高非线性光纤中，通过简并四波混频过程产生闲频光场A5(τ),根据四波混频过程幅度与相位关系可以得到忽略泵浦脉宽引入的时间窗口限制，即认为|Ap(τ)|≡1，则输出闲频光场可写为
7)滤波器滤出闲频光并通过第二色散补偿光纤后得到输出信号光谱为其中，Φf＝Φp/2为时域透镜的焦距色散。通过傅里叶变换得到输出信号的时域表达式为
当满足成像条件时，式(6)可化简为
记则式(7)可进一步写为
将式(4)中A3(τ)的表达式代入可以得到
其光强表达式为
其中I0为第一脉冲光源产生的超短脉冲光强。从上式可以看到，射频信号的频率转换成了光脉冲的时间位置信息，转换关系为τ＝MΦ0ω0，且由于输出脉冲相比于初始光脉冲I0在时间尺度上被拉伸了M倍，因此只要M足够大，则输出脉冲可以用光电探测器直接探测。
8)用光电探测器将输出光信号转换为电信号并采用实时示波器实时显示射频信号的频谱信息。
图2(a)、2(b)分别给出了待测信号直接进行傅里叶变换得到的频谱图和通过本发明的测量装置得到的仿真测量结果。从图中可以看出，本发明的一种超快射频频谱测量方法及装置可以准确地对射频信号的频谱进行超快测量，测量帧速率达到了100MHz。
以上具体实施例仅用来进一步说明本发明的一种超快射频频谱测量方法及装置，本发明并不局限于实施例。应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种超快射频频谱测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、第一路超短光脉冲经色散Φ1充分展宽以实现时域傅里叶变换，得到其时域光谱；
B、待测射频信号通过强度调制加载到所述时域光谱上；
C、被调制后的时域光谱通过色散Φ2压缩实现时域反傅里叶变换，得到时域携带待测射频信号频谱信息的超快光信号；
D、时域携带待测射频信号频谱信息的超快光信号通过时域透镜成像系统进行时域拉伸得到其低速的“像”；
E、将所得低速光信号转变为电信号后经校准、定标恢复出待测射频信号的频谱；
其中步骤D具体包括如下步骤：
D1、时域携带待测射频信号频谱信息的超快光信号经过一定的色散作用进行发散，色散大小Φin为时域透镜成像系统的“物距”；
D2、对发散后的光信号加载时间上的二次相位调制实现时域透镜功能，所述时域透镜的“焦距”为Φf；
D3、携带时间二次相位的光信号通过一定的色散作用使之压缩得到步骤D所述超快光信号的低速的“像”，色散大小Φout为时域透镜成像系统的“像距”。
2.根据权利要求1所述的超快射频频谱测量方法，其特征在于：所述步骤A中的色散量Φ1与步骤C中的色散量Φ2精确匹配，即Φ1＝-Φ2。
3.根据权利要求1所述的超快射频频谱测量方法，其特征在于：所述步骤D2中加载二次相位，也即实现时域透镜功能的方法选用相位调制器和光学非线性过程两种。
4.根据权利要求1所述的超快射频频谱测量方法，其特征在于：所述步骤D中的时域透镜成像系统，其“物距”Φin、“焦距”Φf、“像距”Φout之间根据加载二次相位的方式需满足一定的成像关系。
5.一种超快射频频谱测量系统，其特征在于：包括第一脉冲光源，第一色散补偿光纤，MZ强度调制器，第一单模光纤，时域透镜放大系统，光电探测器，实时示波器；
所述第一脉冲光源，用于产生脉宽小于1ps的超短脉冲序列；
所述第一色散补偿光纤，用于将超短脉冲充分展开以实现时域傅里叶变换；
所述MZ强度调制器，用于将待测射频信号加载到光信号上；
所述第一单模光纤，用于对调制后的光信号进行色散压缩，实现傅里叶反变换；
所述时域透镜放大系统，用于对超快光信号进行时域拉伸以适合于光电探测器直接探测；
所述光电探测器，用于将输出的光信号强度包络转换为电信号；
所述实时示波器，用于对光电探测器输出的电信号进行采样和模数转换得到数字信号，并实时显示；
其中，所述时域透镜放大系统包括第二单模光纤，第二脉冲光源，第三单模光纤，WDM耦合器，高非线性光纤，光滤波器，第二色散补偿光纤；
所述第二单模光纤，用于对输入光信号进行色散作用，形成探测光；
所述第二脉冲光源，用于产生超短脉冲序列作为初始泵浦脉冲，脉冲重复频率与第一脉冲光源同步；
所述第三单模光纤，用于对初始泵浦脉冲进行色散作用，使其携带二次相位，形成泵浦脉冲；
所述WDM耦合器，用于将探测光和泵浦光耦合到一起；
所述高非线性光纤，用于为探测光和泵浦光之间的非线性参量混频过程提供非线性介质；
所述光滤波器，用于将非线性参量混频过程中产生的闲频光滤出；
所述第二色散补偿光纤，用于压缩闲频光，得到输入光信号的“放大像”。
6.根据权利要求5所述的超快射频频谱测量系统，其特征在于：所述第一色散补偿光纤和第一单模光纤的色散量大小相等。
7.根据权利要求5所述的超快射频频谱测量系统，其特征在于：所述时域透镜放大系统通过非线性四波混频过程来实现时域透镜功能；时域透镜的“焦距”为第三单模光纤的色散量Φp的一半，即Φf＝Φp/2，其与第二单模光纤的色散量Φin以及第二色散补偿光纤的色散量Φout满足成像关系：时域透镜放大系统的“放大倍数”足够大，使得其输出信号在光探测器带宽范围内，从而被准确测量。
8.根据权利要求5所述的超快射频频谱测量系统，其特征在于：所述第一脉冲光源与第二脉冲光源由同一宽谱脉冲激光器进行滤波产生。
9.根据权利要求5所述的超快射频频谱测量系统，其特征在于：所述第一单模光纤和第二单模光纤合并在一起。
10.根据权利要求5所述的超快射频频谱测量系统，其特征在于：所述光电探测器为一般商用光探测器，所述实时示波器为实时连续采集模式。
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