CN106840223B - 基于布里渊散射的宽带微波瞬时频谱测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于布里渊散射的宽带微波瞬时频谱测量装置，包括窄带光源、分光器、第一电光调制器、布里渊散射媒介、第二电光调制器、本地信号源、光环形器、光电探测器和数据采集模块。利用布里渊散射现象实现高分辨以及高工作带宽的瞬时频谱测量。本发明装置通过对布里渊增益信号的探测，可以获取宽带微波信号的瞬时频谱信息：频率和功率。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子信息，具体是一种基于布里渊散射的宽带微波瞬时频谱测量装置。
背景技术
随着信息速率的不断提升，高频段大带宽的电磁信号特性分析需求也在日益增加，而基于微波光子学的电磁特性分析技术由于光子学自身超宽带、稳定性好、高精度、抗干扰等优点，正逐渐成为侦测分析传输信号的有力工具之一，在民用通信、军事电子侦察、深空深海探测等领域都具备良好的应用前景。其中，频率测量作为电磁特性分析技术的重要内容，根据针对的信号测量特性大致可分为三种：
第一种是光域频谱测量，其成熟代表为基于衍射光栅实现的光谱分析仪，高频谱分辨率的光谱分析技术可以通过光学窄带效应实现[JM.Subias Domingo,J.Pelayo,F.Villuendas,C.D.Hears,E.Pellejer,“Very high resolution optical spectrometryby stimulated Brillouin scattering,”IEEE Photonic Tech.L.,vol.17,no.4,pp.855-857,2005]，测量精度可达0.08pm，但是该种测量装置仅适用于周期信号的幅度谱分析；
第二种是快速频率测量，利用光子学中色散不均一性、非线性效应等固有的频率/幅度转换机制，实现单/多音电磁信号频率的快速实时测量[J.Zhou,S.Fu,S.Aditya,P.P.Shum,C.Lin,“Instantaneous microwave frequency measurement using photonictechnique,”IEEE Photonic Tech.L.,vol.21,no.15,pp.1069-1071,2009]，主要应用在接收机前端实时获取通信载波频率，这种技术的特点是测量速度快，其测量周期往往在毫秒量级甚至更短，可以对非周期信号进行处理，然而其缺陷是无法适用于任意信号，尤其是频率啁啾的宽带信号；
第三种是时域啁啾测量，目的在于获取信号的瞬时频率和功率，从而有效评估信号质量，实现时域啁啾测量分为复频谱反傅里叶变换方法[A.Villafranca,J.Lasobras,R.Escorihuela,A.Rafael,G.Ignacio,“Time-resolved Chirp Measurements usingcomplex Spectrum analysis based on stimulated Brillouin Scattering,”OpticalFiber Communication Conference.Optical Society of America,2008]和时域的频率/幅度转换方法[S.Tammela,H.Ludvigsen,T.Kajava,M.Kaivola,“Time-resolvedfrequency chirp measurement using a silicon-wafer etalon,”IEEE PhotonicTech.L.,vol.9,no.4,pp.475-477,1997]，前者需要依赖精准的相位谱分析技术，系统复杂且无法适用于任意信号，而后者实现高性能的啁啾测量的关键则在于借助的光子学窄带效应和滤波器件。为了获得大带宽、高精度的电磁频率啁啾检测分析系统，光纤中的受激布里渊散射的窄带滤波特性被选中，将待测电磁信号经过电光调制加载到待测光信号中，通过对本地连续光信号的频率扫描，完成待测信号瞬时频谱特性的测量，其主要的优点在于布里渊增益峰的幅值和位置直接反映了相应频率分量在待测信号中的能量和时延，可以精确地分析出待测电磁信号的瞬时频谱。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于布里渊散射的宽带微波瞬时频谱测量装置，利用受激布里渊散射增益谱的窄带滤波特性作为测量机理，通过对布里渊增益信号的探测，可以获取宽带微波信号的瞬时频谱信息：频率和功率。
本发明的技术方案如下：
一种基于布里渊散射的宽带微波瞬时频谱测量装置，其特点在于，包括窄带光源、分光器、第一电光调制器、布里渊散射媒介、第二电光调制器、本地信号源、光环形器、光电探测器和数据采集模块。
沿所述的窄带光源输出的窄线宽的连续信号光方向是所述的分光器，该分光器将输入的窄线宽的连续信号光一分为二：一路信号光输入所述的第一电光调制器，在第一电光调制器中，被输入的待测宽带微波信号调制为探测光，再从所述的布里渊散射媒介的第一端口输入，另一路信号光输入所述的第二电光调制器，在第二电光调制器中，被所述的本地信号源输入的点频微波信号调制为泵浦光，经所述的环行器第一端口、第二端口进入所述的布里渊散射媒介的第二端口，在所述的布里渊散射媒介中，经历布里渊散射作用的探测光及其增益从所述的布里渊散射媒介的第二端口输出，经由所述的环行器的第二端口输入、第三端口输出，进入所述的光电探测器转换的电信号，被所述的数据采集模块接收。
所述的光电探测器为PIN管或APD管。
所述的数据采集模块为数据采集卡或示波器。
所述的窄带光源用于产生窄线宽的连续光。
所述的分光器用于将光信号分束，可采用但不限于光分路器或光耦合器。
所述的第一电光调制器将待测宽带微波信号加载到光信号上。
所述的布里渊散射媒介用于布里渊散射的发生，可以采用但不限于光纤。
所述的第二电光调制器通过所述的本地信号源，将光信号调制到可与所述的第一电光调制器的输出光信号发生布里渊散射的频段。
所述的本地信号源用于产生大带宽任意可调的点频信号。
所述的光环形器将经历了布里渊增益的探测光传输到所述的光电探测器。
基于以上技术特点，本发明具有以下优点：
1、本发明基于受激布里渊散射效应，有效提升了瞬时频谱测量的带宽和精度。
2、本发明系统利用布里渊散射的频率——幅度转换机制，将待测宽带微波信号的瞬时频谱信息反映在布里渊增益上，降低了系统的复杂度和对数据采集处理的需求。
附图说明
图1为本发明基于布里渊散射的宽带微波瞬时频谱测量装置实施例的框图。
图2为本发明基于布里渊散射的宽带微波瞬时频谱测量装置的以图1中的具体实施方式得到的待测信号瞬时频谱信息，(a)、待测微波信号；(b)、第一电光调制器输出端的光信号；(c)、第二电光调制器输出端的光信号；(d)、被增益的探测光信号。
图3为本发明的实验结果，其中(a)为待测宽带微波信号的时域波形；(b)为通过布里渊散射获得的瞬时频率变化数据；(c)为实验测得的频率随时间变化的趋势；(d)为频率测量误差。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明基于布里渊散射的宽带微波瞬时频谱测量装置的一个具体实施例。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不应限于下述的实施例。
图1为本发明基于布里渊散射的宽带微波瞬时频谱测量装置实施例的框图。由图可见，本发明基于布里渊散射的宽带微波瞬时频谱测量装置的基本构成包括：窄带光源1、分光器2、第一电光调制器3、布里渊作用光纤4、第二电光调制器5、本地信号源6、环行器7、光电探测器8和数据采集模块9。
上述各部件的连接关系如下：所述的窄带光源1产生的窄线宽连续光由所述的分光器2分光并分别由第一端口、第二端口输出；所述的第一电光调制器3将所述的分光器2第一端口输出的光信号被待测宽带微波信号调制形成探测光，该调制光信号进入所述的布里渊作用光纤4的第一端口；所述的第二电光调制器5通过所述的本地信号源6产生的点频信号，将所述的分光器2的第二端口输出的光信号调制到可以激发布里渊散射的频段形成泵浦光，进入所述的环行器7的第一端口，该环行器7的第二端口与所述的布里渊作用光纤4的第二端口连接；在该布里渊作用光纤4中产生的布里渊增益光信号从所述的环行器7的第三端口输出，被所述的光电探测器8转换为电信号并进入所述的数据采集模块9。
本发明实施例的工作原理如图2所示。所述的第一电光调制器3将待测宽带微波信号调制到光信号上形成探测光，该探测光进入布里渊作用光纤4，所述的第二电光调制器5通过本地信号源将光信号调制后作为泵浦光进入布里渊作用光纤4。对于泵浦-探测架构的布里渊散射系统，探测光获取的布里渊增益本质上是探测光信号经过布里渊增益谱滤波后的结果：
其中，ESout(t)和ES0(t)分别表示增益后和增益前的探测光信号，F-1[]表示反傅里叶变换，τp为声子寿命，ωL和ωB分别代表所述的本地信号源的输出频率和布里渊频移。
在单次测量中，若所述的本地信号源的输出频率为ωL，经过布里渊作用光纤后在t＝t0处提取到了探测光布里渊增益，则表明待测宽带微波信号在t＝t0处的瞬时频率为ωL-ωB。最终，通过调节所述的本地信号源的输出，即可测量得到待测宽带微波信号在任意指定频段内的瞬时频谱信息。
本发明装置的频域分辨率体现在单次测量中所测定出的瞬时频谱分量的频率准确度，由于所提取的布里渊增益是待测宽带微波信号经过特定中心频率的布里渊增益谱的滤波结果，因此该频域分辨率由布里渊增益谱的线宽决定，可以达到十兆赫兹量级；本发明装置的时域分辨率体现在单次测量中所测定出的瞬时频谱分量的位置准确度，该准确度由所提取探测光布里渊增益的时域宽度决定，即布里渊散射媒介中的声子寿命决定，可以达到数纳秒量级。综上所述，布里渊增益谱以及声子寿命为布里渊媒介的固有特性，因此本发明装置的频/时域分辨率由所述的布里渊媒介确定。
本发明装置的工作带宽取决于所述的第一电光调制器和所述的第二电光调制器的工作带宽。考虑到激发受激布里渊散射时，泵浦光与探测光的拍频需要在布里渊频移(对于光纤来说该频移约为10GHz)附近，因此在单边带调制时，将待测宽带微波信号通过所述的第一电光调制器调制为下边带上可以充分利用该电光调制器的工作带宽。
本装置通过本发明可广泛用于通信，雷达，深空、深海探测等需要宽带电磁特性探测的应用。
Claims (4)
1.一种基于布里渊散射的宽带微波瞬时频谱测量装置，其特征在于，包括窄带光源(1)、分光器(2)、第一电光调制器(3)、布里渊散射媒介(4)、第二电光调制器(5)、本地信号源(6)、光环形器(7)、光电探测器(8)、数据采集模块(9)，
沿所述的窄带光源(1)输出的窄线宽的连续信号光方向是所述的分光器(2)，该分光器(2)将输入的窄线宽的连续信号光一分为二：一路信号光输入所述的第一电光调制器(3)，在第一电光调制器(3)中，被输入的待测宽带微波信号调制为探测光，再从所述的布里渊散射媒介(4)的第一端口输入，另一路信号光输入所述的第二电光调制器(5)，在第二电光调制器(5)中，被所述的本地信号源(6)输入的点频微波信号调制为泵浦光，经所述的环行器(7)第一端口、第二端口进入所述的布里渊散射媒介(4)的第二端口，在所述的布里渊散射媒介(4)中，经历布里渊散射作用的探测光及其增益从所述的布里渊散射媒介(4)的第二端口输出，经由所述的环行器(7)的第二端口输入、第三端口输出，进入所述的光电探测器(8)转换的电信号，被所述的数据采集模块(9)接收。
2.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的宽带微波瞬时频谱测量装置，其特征在于，所述的布里渊散射媒介为光学光纤。
3.根据权利要求1所述的基于布里渊散射的宽带微波瞬时频谱测量装置，其特征在于，所述的光电探测器(8)为PIN管或APD管。
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于布里渊散射的宽带微波瞬时频谱测量装置，其特征在于，所述的数据采集模块(9)为数据采集卡或示波器。
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