CN108418629A - 一种基于双光频梳的宽带微波测量装置 - Google Patents

一种基于双光频梳的宽带微波测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双光频梳的宽带微波测量装置。连续激光经耦合器分成两支路，并产生相应光频梳，两路光信号再经耦合器合路后，进入波分复用器分路；通过对波分复用器输出端各个波长通道分别进行光电探测、带通滤波，最后对各个窄带拍频信号进行低速模数转换和后处理；综合分析各个波长通道即可在宽带范围内实现高精度的微波频率测量。该发明基于光子学技术，极大提高了频率测量范围，同时通过控制光频梳间的频差和带通滤波器，将信号转化为中频，简化了宽带电处理、保障了测量精度，并有效避免了信号拍频噪声；可以在宽频段范围内实现兆赫兹(MHz)量级的高精度微波信号频率测量。

Description

一种基于双光频梳的宽带微波测量装置
技术领域
本发明涉及微波光子学、光电子技术、光学频率梳、微波检测，尤其是光子学微波测量技术。
背景技术
微波光子学技术集合了微波通信技术和光电子技术各自的优势，具有传输容量大、传输损耗低、抗电磁干扰等诸多优良特性，是近年来的研究热点。光频梳作为微波光子学技术中不可或缺的重要光源，在微波光子滤波器、全光信号处理、微波信号测量等诸多领域都有重要应用(Millot G,Pitois S,Yan M,et al.Frequency-agile dual-combspectroscopy[J].Nature Photonics,2016,10(1):27.)。
实时微波频率测量在现代军事和民用电子系统的微波信号处理中都具有十分重要的作用，但基于传统电子技术的频率扫描式传统测频方案(Gale P M,McMillan M,Gagnon A.Apparatus for measuring the frequency of microwave signals:U.S.Patent 4,859,934[P].1989-8-22.)越来越无法满足现代通信和雷达等系统大频率范围内测量的需要。而随着光子学技术的不断发展，基于光子技术的微波频率测量方案(ZouX,Lu B,Pan W,et al.Photonics for microwave measurements[J].Laser&PhotonicsReviews,2016,10(5):711-734.)不仅能够实现宽带、实时微波频率测量，同时还具有损耗低、抗电磁干扰等优良特性。目前，基于光子技术的频率测量方案主要有两种：基于波分复用器等信道器的频段分割(Winnall S T,Lindsay A C,Austin M W,et al.A microwavechannelizer and spectroscope based on an integrated optical Bragg-gratingFabry-Perot and integrated hybrid Fresnel lens system[J].IEEE transactions onmicrowave theory and techniques,2006,54(2):868-872.)和基于微波功率或光功率检测的测量方案(Chi H,Zou X,Yao J.An approach to the measurement of microwavefrequency based on optical power monitoring[J].IEEE photonics technologyletters,2008,20(14):1249-1251.)；频段分割法一般采用波分复用器、相移光栅阵列等信道器将大频率范围分割为多个窄频率范围，再在窄频带范围内进行观测分析，但受到信道滤波带宽(一般在GHz以上)等因素的限制，一般只能大致确定微波频率所处的波段，而不能实现精确到MHz的微波频率测量；功率检测法可以基于色散效应、微波延时线等结构来实现，该方案一般可以实现高精度的频率测量且成本相对低廉，但是测量范围很小，测量结果容易受到微波功率等因素的干扰。
发明内容
本发明拟解决的问题是，依托光子学技术在测量微波信号中的宽频段优势，克服基于信道器的频率分割方案无法实现高精度频率测量的不足，提供一种基于双光频梳的宽带高精度频率测量装置，精度可以达到MHz量级。
本发明的目的还在于为以上方法的实施提供核心装置。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
基于双光频梳的宽带高精度频率测量装置，包括连续光源、光频梳产生器、电光调制器、波分复用器、光电探测器、带通滤波器、模数转换器。其特征在于：连续光源输出光载波，经过第一耦合器分成两支路；上支路经过第一光频梳产生器，产生第一光频梳；待测的微波信号进入电光调制器对第一光频梳进行调制，生成调制信号；下支路经过第二光频梳产生器，产生第二光频梳；两路光信号再经耦合器合路后，进入第二波分复用器分路；在波分复用器对应的各个输出端，对应通道信号首先进入光电探测器产生拍频信号；再经过固定中心频率和带宽的带通滤波器，选通窄带范围内的拍频信号，以波分多通道形式实现对待测宽频带范围的频谱分割；最后对应窄带拍频信号在每一个波长通道中经过低速或高速模数转换器，可以实现对应窄带范围内的高精度频率测量，综合波分复用器的所有输出端口，实现宽带高精度的频率测量。
上述装置的具体参数和设置如下：所述连续光源输出的光载波频率为fc；所述上支路光频梳产生器产生第一光频梳的光频梳间隔(即两相邻频率分量之间的间隔)为f1；所述待测的微波信号的频率为fm；所述待测微波信号的频率范围为fBL～fBH，即满足fBL＜fm＜fBH；所述下支路光频梳产生器产生第二光频梳的光频梳间隔为f2，满足f2＝f1+Δf，且相对于第一光频梳频移fs；所述波分复用器为多通道密集波分复用器，典型通道数可为16、32、或64通道；所述带通滤波器中心频率为fs-fBL-Δf/2，滤波带宽为Δf。
采用本发明的测量装置以及测量方法，在于测量过程中通过控制波分复用器、光频梳产生器以及带通滤波器，将宽频段范围连续分割为多个窄频带范围，利用低速或高速模数转换器和后处理进行分析，从而在宽频段范围内实现高精度的微波信号频率测量。
在实际的执行过程中，其过程如下：连续光源输出光载波，经过耦合器分成两支路，分别经过两个光频梳产生器，产生基于第一光频梳的调制信号和第二光频梳，耦合进入波分复用器，由于波分复用器的频谱分割特性，可以调节使得在波分复用器的每一个通道中，都包含有第一光频梳的第一谱线及其边带和第二光频梳的第二谱线，两根谱线的频率之差为fs+kΔf，其中k为波分复用器通道编号，满足k＝1,2,···,N(N为波分复用器总通道数)；通道k的输出端，经过光电探测器后，第二光频梳会和第一光频梳及其调制边带拍频，带通滤波器的滤波带宽为Δf，选通fs-fBL-Δf～fs-fBL频率范围内的拍频信号，则对应得到调制信号fBL+kΔf～fBL+(k+1)Δf范围内的拍频信号，当NΔf＝fBH-fBL时，恰好将fBL:fBH的宽频带待测范围分割为N个带宽为Δf的窄带范围；再利用模数转换器对对应波长通道的窄带范围信号进行采样分析和后处理，综合分析，即可实现宽带高精度的微波信号频率测量。
需要指出的是，所述带通滤波器的滤波带宽设置为数百MHz量级，用于信道化分割和初分辨；第一光频梳和第二光频梳的光频梳间隔之差fs＝f1-f2，优选设置在中频频段，使得经过光电探测器得到的拍频信号位于中频频段。
优选的，所述光频梳产生器用于产生光频梳，可以采用单个调制器、级联调制器、循环频移装置等构成。
优选的，所述带通滤波器，具体设置中心频率为特定中频，滤波带宽为两光频梳频率间隔之差，以选通窄带范围内的拍频信号，实现对待测宽频带范围的频谱分割。
优选的，所述电光调制器可以是相位调制器和强度调制器，具体用于根据待测微波信号的频率对所述光频梳进行调制，以供后续处理和高精度测量。
附图说明：
图1.本发明方法的系统框图。
图2.第一光频梳和第二光频梳的频谱示意图。
图3.波分复用器各通道输出端的频谱和处理示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的进一步的描述。显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。
请参见图1，是本发明实施例的系统框图。本发明的装置包括连续激光光源1，第一光耦合器2，第二光耦合器6，第一光频梳产生器3，电光调制器4，第二光频梳产生器5、波分复用器7、光电探测器8、带通滤波器9、模数转换器10构成。
连续光源1具体用于生成连续的光信号。
第一光耦合器2、第二光耦合器6具体用于对光信号进行耦合，在本实施例中为3dB耦合器。
第一光频梳产生器3、第二光频梳产生器5，具体用于生成高质量的光频梳，可以采用单个调制器、级联调制器、循环频移装置等构成。
电光调制器4可以是相位调制器和强度调制器，具体用于根据待测微波信号的频率对所述光频梳进行调制，以供后续处理和测量。
波分复用器7为密集型多通道波分复用器，具体用于按照光频梳的频段，以波分多通道形式将对应频段内的光信号从相应通道输出。光电探测器8，用于光信号拍频；带通滤波器9，具体用于选通窄带范围内的拍频信号，实现对待测宽频带范围的频谱分割；模数转换器10，具体用于对窄频带范围内的拍频信号进行高速采样和高精度的频谱分析。
连续光源1输出光载波，经过耦合器2分成两支路；上支路经过光频梳产生器3产生第一光频梳；待测的微波信号进入电光调制器4对第一光频梳进行调制；下支路经过光频梳产生器5，产生第二光频梳；两路光信号再经光耦合器6合路，进入波分复用器7分路；在波分复用器对应的各个输出端，对应通道信号首先进入光电探测器8，产生拍频信号；对应拍频信号再经过带通滤波器9，选通窄带范围内的拍频信号，实现对待测宽频带范围的频谱分割；最后经过模数转换器10，可以实现对应窄带范围内的频率测量，综合分析波分复用器的所有输出端口，可以实现宽带、高精度的频率测量。
请参见图2，是本发明实施例中第一光频梳和第二光频梳的频谱示意图。图中实线为实际输出线，虚线为标识线；所述连续光源1输出的光载波频率为fc；所述上支路光频梳产生器3用于产生第一光频梳，其频率间隔为f1；所述下支路光频梳产生器5用于产生第二光频梳，其频率间隔为f2，满足f2＝f1+Δf，且相对于第一光频梳频移fs。
请参见图3，是本发明实施例中波分复用器各通道输出端的频谱和处理示意图。所述波分复用器7为多通道密集波分复用器，典型通道数可为16、32、或64通道；被调制的第一光频梳与第二光频梳经过光耦合器6进入波分复用器7，在本实例中，在波分复用器的每一个通道中，都包含有第一光频梳的第一谱线及其边带和第二光频梳的第二谱线，两根谱线的频率之差为fs+kΔf，k＝1,2,···,N，N为波分复用器通道数；在通道k的输出端，对应通道信号经过光电探测器8后，第二光频梳会和第一光频梳及其调制边带拍频产生宽带拍频信号；带通滤波器9的滤波带宽为Δf，选通fs-fBL-Δf～fs-fBL频率范围内的拍频信号，拍频信号进入带通滤波器9则对应得到调制信号fBL+kΔf:fBL+(k+1)Δf范围内的拍频信号；接下来，对应窄带范围内的拍频信号进入模数转换器10进行频谱分析；当NΔf＝fBH-fBL时，恰好将fBL:fBH的宽频带待测范围分割为N个带宽为Δf的窄带范围；综合分析波分复用器的所有输出端口，可以实现宽带高精度的频率测量。
本实施例的具体参数举例如下：
所述连续光源输出的光载波设置在1550nm窗口；所述上支路第一光频梳设置为32根谱线，频率间隔为50GHz；所述下支路第二光频梳设置为32根谱线，频率间隔为50.5GHz，满足50.5GHz＝50+0.5GHz，且相对于第一光频梳频移12GHz；所述待测微波信号频率范围为2～18GHz；所述波分复用器设置为32通道；所述带通滤波器中心频率设置为9.75GHz，带宽设置为0.5GHz；本实施例的具体参数设置均满足前述参数关系。
在该参数设置下，波分复用器7的每个输出通道都包含有第一光频梳的第一谱线及其边带和第二光频梳的第二谱线，两根谱线的频率之差为12+0.5(k-1)GHz，其中k为波分复用器通道编号(k＝1,2,···,32)；在通道k的输出端，对应通道信号经过光电探测器8后，第二光频梳的第二谱线会和第一光频梳的第一谱线及其调制边带拍频产生宽带拍频信号；宽带拍频信号进入固定中心频率和带宽的带通滤波器9，则对应得到调制信号1.5+0.5k～2+0.5kGHz范围内的窄带拍频信号；本实例的参数设置恰好将2～18GHz的宽带测量范围分割为32个0.5GHz的窄带范围，即信道化分割带宽为一个单元0.5GHz。
设待测微波信号频率为5.235GHz。由于k＝7时，即在波分复用器通道7的输出信号，经光电探测器8和带通滤波器9后，会得到调制信号5～5.5GHz范围内的窄带拍频信号；因此综合分析各个通道可以得到，有效的窄带拍频信号从波分复用器的通道7输出，得到的窄带拍频信号再进入低速或高速模数转换器进行频谱分析，进而可以实现宽带、MHz量级的高精度频率测量。
综合以上陈述，本发明具有如下特点：1).损耗低，抗电磁干扰能力强；2).基于光子学技术，极大提高了频率测量范围；3).克服了传统基于信道器的微波频率测量方案精度不足的缺点，实现了MHz量级的高精度频率测量；4).通过将拍频信号控制在中频频段，简化了电处理，有效避免了噪声影响。
以上所陈述的仅仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方法和核心装置实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色也应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种基于双光频梳的宽带微波测量装置，该装置包括连续光源、光频梳产生器、电光调制器、波分复用器、光电探测器、带通滤波器、模数转换器；其特征在于：连续光源输出光载波，经过第一耦合器分成两支路；上支路经过第一光频梳产生器，产生第一光频梳；待测的微波信号进入电光调制器后对第一光频梳进行调制，生成调制信号；下支路经过第二光频梳产生器，产生第二光频梳；第一光频梳和第二光频梳经第二耦合器合路后，进入波分复用器分路；在波分复用器的各个输出端，对应通道信号首先进入光电探测器产生拍频信号；再经过固定中心频率和带宽的带通滤波器，选通窄带范围内的拍频信号；最后对应窄带拍频信号在每一个波长通道中经过模数转换器。
2.如权利要求1所述的双光频梳宽带微波测量装置，其特征在于，微波信号的频率测量过程如下：在波分复用器的每一个通道中，都包含有第一光频梳的第一谱线及第一边带和第二光频梳的第二谱线；输出信号经过光电探测器后，第二光频梳的第二谱线与第一光频梳的第一谱线及其调制边带拍频产生拍频信号；拍频信号进入带通滤波器后，通过设置带通滤波器的中心频率和带宽，选通对应窄带范围内的拍频信号，进行频率分割；接下来，对应窄带拍频信号进入模数转换器进行频谱分析。
3.如权利要求1或2所述的双光频梳宽带微波测量装置，其特征在于：测量过程中通过控制波分复用器、第一光频梳产生器、第二光频梳产生器以及带通滤波器，将宽频带范围连续分割为多个窄频带范围，且转化为中频信号。
4.如权利要求1所属的双光频梳宽带微波测量装置，其特征在于：第一谱线与第二谱线的频率不同。
5.如权利要求1所属的双光频梳宽带微波测量装置，其特征在于：第一光频梳产生器以及第二光频梳产生器采用单个电光调制器或级联电光调制器或循环频移装置中的一种构成。
6.如权利要求1所属的双光频梳宽带微波测量装置，其特征在于：电光调制器是相位调制器或强度调制器。
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