CN107765086A - 一种同时测量多个微波信号频率的装置及方法 - Google Patents

一种同时测量多个微波信号频率的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同时测量多个微波信号频率的装置及方法，通过调制器及滤波器获得包括待测微波信号频率的上边带光信号，并发送给色散位移光纤，当色散位移光纤两端输入的激光信号频率差为布里渊频移时，对应的单频激光器输出激光信号的部分能量转移到上边带光信号上；数据处理器测出不加待测微波信号时低频光电探测器的输出电流以及加入待测微波信号时低频光电探测器的输出电流，并比较电流大小，若加入待测微波信号时低频光电探测器的输出电流变大，则待测微波信号中包含对应频率的微波信号，若不变或变小，则不包含对应频率的微波信号。本发明不仅可瞬时测量多个微波频率，而且测量频率范围宽，测量分辨率高达0.1GHz。

Description

一种同时测量多个微波信号频率的装置及方法
技术领域
本发明涉及微波频率测量技术领域，具体涉及一种同时测量多个微波信号频率的装置及方法。
背景技术
目前，光辅助法微波频率测量因大带宽、抗电磁干扰、低损耗和小体积而成为研究热点。常见的频率-微波功率映射型和频率-光功率映射型适用于测量仅包含单个频率的微波信号。但在各种不同频率交错存在的复杂电磁环境下，需要同时测量多个微波信号的频率。已有的光辅助法同时测量多个微波频率有频率-空间映射型、频率-时域映射型，其测量精度低于1GHz。
近几年，瞬时微波频率测量相关文献有数十篇，然而基本上是瞬时测量单个微波频率的。文献[1-5]提出了同时测量多个微波频率的方案。文献[1]采用不同长度的波导延时线在1-16GHz实现了分辨率1GHz的多个微波频率的同时测量；文献[2]采用自由空间衍射光栅在100GHz实现了分辨率1GHz的多个微波频率的同时测量；文献[3]采用相移光纤光栅阵列在2-18GHz实现了分辨率2GHz的多个微波频率的同时测量；文献[4]采用法布里-珀罗校准具在1-23GHz实现了分辨率2GHz的多个微波频率的同时测量；文献[5]应用高色散系数的啁啾光纤光栅将微波信号调制而生成的正负一阶光边带的频率间隔转换为光功率时域分布上的变化，分析光功率的时域分布情况得到待测的一个或多个微波信号频率，该方案测量误差达1.6GHz。
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发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种同时测量多个微波信号频率的装置及方法；通过载波抑制双边带调制器及高通滤波器获得包括待测微波信号频率的上边带光信号，并发送给色散位移光纤，当色散位移光纤两端输入的激光信号频率差为布里渊频移时，则两束激光在色散位移光纤中发生布里渊散射，使得对应的单频激光器输出的激光信号的部分能量转移到上边带光信号上；数据处理器预先测出不加待测微波信号时各个低频光电探测器的输出电流并与加入待测微波信号时的各个低频光电探测器的输出电流分别进行比较，若加入待测微波信号时低频光电探测器的输出电流变大，则待测微波信号中包含对应频率的微波信号，若不变或变小，则不包含对应频率的微波信号。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种同时测量多个微波信号频率的装置，包括若干单频激光器、一载波抑制双边带调制器、一高通滤波器、一光隔离器、一分路器、若干色散位移光纤、若干光环形器、若干低频光电探测器及一数据处理器，所述色散位移光纤、光环形器和低频光电探测器的个数相同，所述单频激光器的个数比所述色散位移光纤、光环形器和低频光电探测器的个数多一个；所述单频激光器的输出端与所述载波抑制双边带调制器的光输入端光连接，待测微波信号与所述载波抑制双边带调制器的微波输入端电连接，所述载波抑制双边带调制器的输出端与所述高通滤波器的输入端光连接，所述高通滤波器的输出端与所述光隔离器的输入端光连接，所述光隔离器的输出端与所述分路器的输入端光连接，所述分路器的输出端与每个色散位移光纤的一端分别光连接，每个色散位移光纤的另一端与一个光环形器的b口光连接，一个光环形器的a口与一个单频激光器的输出端光连接，一个光环形器的c口与一个低频光电探测器的输入端光连接，每个低频光电探测器的输出端分别与数据处理器的输入端电连接，所述数据处理器对接收的不加待测微波信号时的低频光电探测器的输出电流与接收的加入待测微波信号时的低频光电探测器的输出电流进行比较后输出待测微波信号包含的微波信号频率。
一种同时测量多个微波信号频率的方法，基于上述一种同时测量多个微波信号频率的装置，载波抑制双边带调制器接收第N+1单频激光器产生的频率为fc的激光信号，同时接收含多个频率分量的待测微波信号，并根据接收的微波信号输出载波抑制双边带调制光信号；载波抑制双边带调制光信号经高通滤波器后输出频率为fc加上待测微波信号频率的上边带光信号；上边带光信号经光隔离器后输出给分路器均分为N路，分别送入第一色散位移光纤到第N色散位移光纤；第一单频激光器到第N单频激光器以0.1GHz的频率步进输出激光，且第一单频激光器到第N单频激光器输出的激光频率fs比第N+1单频激光器输出的激光频率fc高，第一单频激光器到第N单频激光器将输出的单频激光信号分别送入第一光环形器到第N光环形器的端口a，各路激光信号从光环形器的端口b输出给第一色散位移光纤到第N色散位移光纤；当由色散位移光纤两端输入的激光信号频率差为布里渊频移fb时，两束激光在色散位移光纤中发生布里渊散射，使得对应的单频激光器输出的激光信号的部分能量转移到频率为fc加上待测微波信号频率的上边带激光信号上；频率为fc加上待测微波信号频率的上边带激光信号从第一光环形器到第N光环形器的端口c输出，送往第一低频光电探测器到第N低频光电探测器；数据处理器预先测出不加待测微波信号时各个低频光电探测器的输出电流并与加入待测微波信号时的各个低频光电探测器的输出电流分别进行比较，若加入待测微波信号时低频光电探测器的输出电流变大，则待测微波信号中包含频率为fs-fc-fb的微波信号，若不变或变小，则不包含频率为fs-fc-fb的微波信号；其中N≥1。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种同时测量多个微波信号频率的装置及方法，不仅可瞬时测量多个微波频率，而且测量频率范围宽(仅受载波抑制双边带调制器的带宽限制)，测量分辨率较已有方案提高十倍，达到0.1GHz，频率测量精度可达±0.05GHz。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种同时测量多个微波信号频率的装置及方法不局限于实施例。
附图说明
图1为本发明一种同时测量多个微波信号频率的装置图；
图2为本发明实施例的装置图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案做进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1所示，一种同时测量多个微波信号频率的装置，包括N+1(N≥1)个单频激光器1、一载波抑制双边带调制器2、一高通滤波器3、一光隔离器4、一分路器5、N条色散位移光纤6、N个光环形器7、N个低频光电探测器8及一数据处理器9；所述单频激光器1的输出端与所述载波抑制双边带调制器2的光输入端光连接，待测微波信号与所述载波抑制双边带调制器2的微波输入端电连接，所述载波抑制双边带调制器2的输出端与所述高通滤波器3的输入端光连接，所述高通滤波器3的输出端与所述光隔离器4的输入端光连接，所述光隔离器4的输出端与所述分路器5的输入端光连接，所述分路器5的输出端与每个色散位移光纤6的一端分别光连接，每个色散位移光纤6的另一端与一个光环形器7的b口光连接，一个光环形器7的a口与一个单频激光器1的输出端光连接，一个光环形器7的c口与一个低频光电探测器8的输入端光连接，每个低频光电探测器8的输出端分别与数据处理器9的输入端电连接，所述数据处理器9对接收的不加待测微波信号时的低频光电探测器8的输出电流与接收的加入待测微波信号时的低频光电探测器8的输出电流进行比较后输出待测微波信号包含的微波信号频率。
同时，可令第N+1单频激光器1产生频率为193548.4GHz(波长为1550nm)的激光信号，并送入载波抑制双边带调制模块的光输入口，同时，待测微波信号(包含一个或多个频率)送入载波抑制双边带调制模块的微波输入口，载波抑制双边带调制模块输出载波抑制双边带调制光信号(包括上边带光信号和下边带光信号，上边带光信号频率为光载波频率193548.4GHz加上待测微波信号频率，下边带光信号频率为光载波频率193548.4GHz减去待测微波信号频率)；载波抑制双边带调制光信号经高通滤波器3后输出上边带光信号，其频率为光载波频率193548.4GHz加上待测微波信号频率；上边带光信号经光隔离器4送入分路器5，分路器5将上边带光信号均分为N路，分别送入第一色散位移光纤6到第N色散位移光纤6。
可令第一单频激光器1输出的激光频率为193559.4GHz(波长为1949.9118nm)，第二单频激光器1输出的激光频率为193559.5GHz(波长为1949.9110nm)，如此类推，第一单频激光器1到第N单频激光器1的输出激光频率以0.1GHz步进。第一单频激光器1到第N单频激光器1的单频激光分别送入第一光环形器7到第N光环形器7的端口a，各路激光从光环形器7的端口b输出。
第一色散位移光纤6左端输入的激光频率为193548.4GHz加上待测微波信号频率，第一色散位移光纤6右端输入的激光频率为193559.4GHz，若第一色散位移光纤6两端输入激光频率差为布里渊频移(布里渊频移一般为10.8GHz)，则两束激光在第一色散位移光纤6中发生布里渊散射，导致频率为193559.4GHz激光的部分能量转移到频率为193548.4GHz加上待测微波信号频率的激光上，增大频率为193548.4GHz加上待测微波信号频率激光的光功率。频率为193548.4GHz加上待测微波信号频率的激光从光环形器7端口c输出，送往第一低频光电探测器8。比较加入和不加入待测微波信号两种情况下的第一低频光电探测器8的输出电流，若加入待测微波信号第一低频光电探测器8的输出电流变大，则待测微波信号中包含0.2GHz(193559.4GHz-193548.4GHz-10.8GHz)微波信号，若不变或变小，则不含0.2GHz微波信号。
同理，若第二低频光电探测器8输出电流变大，则待测微波信号中包含0.3GHz微波信号，若不变或变小，则不含0.3GHz微波信号。
依次类推，若第N低频光电探测器8输出电流变大，则待测微波信号中包含(0.1N+0.1)GHz微波信号，若不变或变小，则不含(0.1N+0.1)GHz微波信号。
第一低频光电探测器8到第N低频光电探测器8的输出电流均发送给数据处理器9，数据处理器预先测出不加待测微波信号时的低频光电探测器8的输出电流，与加入待测微波信号时的低频光电探测器8的输出电流做比较，只需同时判断第一低频光电探测器8到第N低频光电探测器8的输出电流，若某个或某几个低频光电探测器8的输出电流变大，则可判定待测微波信号包含的一个或多个微波信号频率。
本发明不仅可瞬时测量多个微波频率，而且测量频率范围宽(仅受调制器的带宽限制)、测量分辨率高达0.1GHz，频率测量精度可达±0.05GHz。如下将通过实验进行说明。
参见图2所示，本实施例中，实验所包含的仪器有：四通道连续激光源(LD0、LD1、LD2、LD3)、一台直流电源(VD)、两个偏振控制器(PC1和PC2)、一台微波叠加器(+)、两台40GHz微波源(RF1和RF2)、一台光调制器(MZM)、一台高通滤波器(Wave shaper)、一台光隔离器(ISO1)、一台一分三光耦合器(OC1，即分路器)、三条5km色散位移光纤(DSF1、DSF2、DSF3)、三个光环形器(CIR1、CIR2、CIR3)及三个低频光电探测器(PD1、PD2、PD3)。
实验时，设置微波源RF1输出频率10GHz，功率1mw；设置微波源RF2输出频率10.1GHz，功率1mw；调节直流电源的输出电压，即调节MZM的偏置电压，使MZM工作在载波抑制双边带调制状态；将Wave shaper截止波长设为1550nm，滤波输出波长短的上边带光信号(频率高的)。
实验过程包括：
(1)设置LD0输出激光波长1550nm(频率193548.4GHz)，设置相应的输出功率，确保色散位移光纤左端输入光功率达0.1mw；设置LD1输出激光波长1549.8333nm(频率193569.2GHz)，功率10mw；设置LD2输出激光波长1549.8325nm(频率193569.3GHz)，功率10mw；设置LD3输出激光波长1549.8317nm(频率193569.4GHz)，功率10mw；
(2)先关闭两路微波源的功率输出，测量PD1、PD2、PD3的输出电流；
(3)打开两路微波源的功率输出，测量PD1、PD2、PD3的输出电流；
(4)比较PD1、PD2、PD3的两种输出电流，PD1输出电流变大表示被测微波信号中包含频率为：193569.2-193548.4-10.8＝10GHz；PD2输出电流变大表示被测微波信号中包含频率为：193569.3-193548.4-10.8＝10.1GHz；PD3输出电流不变表示被测微波信号中不包含10.3GHz。
通过如上实验可以看出，本发明不仅可瞬时测量多个微波频率，而且测量频率范围宽(仅受调制器的带宽限制)、测量分辨率高达0.1GHz，频率测量精度可达±0.05GHz。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种同时测量多个微波信号频率的装置，其特征在于，包括若干单频激光器、一载波抑制双边带调制器、一高通滤波器、一光隔离器、一分路器、若干色散位移光纤、若干光环形器、若干低频光电探测器及一数据处理器，所述色散位移光纤、光环形器和低频光电探测器的个数相同，所述单频激光器的个数比所述色散位移光纤、光环形器和低频光电探测器的个数多一个；所述单频激光器的输出端与所述载波抑制双边带调制器的光输入端光连接，待测微波信号与所述载波抑制双边带调制器的微波输入端电连接，所述载波抑制双边带调制器的输出端与所述高通滤波器的输入端光连接，所述高通滤波器的输出端与所述光隔离器的输入端光连接，所述光隔离器的输出端与所述分路器的输入端光连接，所述分路器的输出端与每个色散位移光纤的一端分别光连接，每个色散位移光纤的另一端与一个光环形器的b口光连接，一个光环形器的a口与一个单频激光器的输出端光连接，一个光环形器的c口与一个低频光电探测器的输入端光连接，每个低频光电探测器的输出端分别与数据处理器的输入端电连接，所述数据处理器对接收的不加待测微波信号时的低频光电探测器的输出电流与接收的加入待测微波信号时的低频光电探测器的输出电流进行比较后输出待测微波信号包含的微波信号频率。
2.一种同时测量多个微波信号频率的方法，其特征在于：载波抑制双边带调制器接收第N+1单频激光器产生的频率为fc的激光信号，同时接收含多个频率分量的待测微波信号，并根据接收的微波信号输出载波抑制双边带调制光信号；载波抑制双边带调制光信号经高通滤波器后输出频率为fc加上待测微波信号频率的上边带光信号；上边带光信号经光隔离器后输出给分路器均分为N路，分别送入第一色散位移光纤到第N色散位移光纤；第一单频激光器到第N单频激光器以0.1GHz的频率步进输出激光，且第一单频激光器到第N单频激光器输出的激光频率fs比第N+1单频激光器输出的激光频率fc高，第一单频激光器到第N单频激光器将输出的单频激光信号分别送入第一光环形器到第N光环形器的端口a，各路激光信号从光环形器的端口b输出给第一色散位移光纤到第N色散位移光纤；当由色散位移光纤两端输入的激光信号频率差为布里渊频移fb时，两束激光在色散位移光纤中发生布里渊散射，使得对应的单频激光器激输出的激光信号的部分能量转移到频率为fc加上待测微波信号频率的上边带激光信号上；频率为fc加上待测微波信号频率的上边带激光信号从第一光环形器到第N光环形器的端口c输出，送往第一低频光电探测器到第N低频光电探测器；数据处理器预先测出不加待测微波信号时各个低频光电探测器的输出电流并与加入待测微波信号时的各个低频光电探测器的输出电流分别进行比较，若加入待测微波信号时低频光电探测器的输出电流变大，则待测微波信号中包含频率为fs-fc-fb的微波信号，若不变或变小，则不包含频率为fs-fc-fb的微波信号；其中N≥1。
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