CN109298239A - 面向微波频谱测量的光子欠采样系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向微波频谱测量的光子欠采样系统及方法，所述系统包括：窄线宽光源、光脉冲产生单元、光采样单元、光电探测单元、模数转换单元和信号处理单元；其中光脉冲产生单元，用于使用频率为Δf的射频源对窄线宽光源生成的光载波进行模拟调制，产生重复频率为Δf的光脉冲串，其光谱是梳齿间隔为Δf的光学频率梳；光采样单元利用所述光脉冲串对经由微波信号输入端口输入的微波频谱信号进行光采样，使得该微波频谱信号被上转换到光学频率梳上，再分别经过光电探测单元、模数转换单元和信号处理单元得到待测微波频谱的测量信息。本发明利用远小于奈奎斯特速率的光脉冲串对宽带微波信号进行光采样，不会受到高速电子器件的带宽限制。

Description

面向微波频谱测量的光子欠采样系统及方法

技术领域

本发明涉及微波频谱测量技术领域，尤其涉及一种面向微波频谱测量的光子欠采样系统及方法。

背景技术

近年来，随着无线通信业务量的迅猛增长和军事防务需求的不断升级，以及其它微波应用领域的逐渐开拓(物联网、医疗传感、新能源等)，使得当前电磁频谱空间的利用情况越来越复杂。为了提升低频段资源的利用效率，有效合理的开发利用高频段资源，各种应用场景对宽带微波频谱检测提出了更高、更多样的要求，主要包括，更大的检测带宽，更高的检测效率，更高的分辨率，更大的动态范围，更优异的费效比，更广泛的通用性等。

当前基于电子器件的微波频谱检测系统已经相当成熟，但主要受到电子器件带宽的限制，尤其是ADC采样率，对宽带微波频谱的检测能力非常有限。与电子器件不同，在光频段，光学和光子学器件具有超大带宽、超快时间响应、低损耗、低噪声和超快的信号处理(采样抖动可以达到<10fs，高的带间频率转换效率等)和抗电磁干扰等优势，因而通过微波技术与光子技术的交叉融合，将微波信号上变频到光频段，通过光域的高速采样和电域的低速采样相结合的方式，可以显著降低宽带微波信号从模拟域到数字域转换过程中的带宽需求，进而突破传统电子器件的固有瓶颈，实现宽带微波频谱的检测。

目前基于光子的微波频谱检测技术有多种类型，其中比较有代表性的是光子基压缩采样技术。该技术一般采用由高速数字编码调控的光脉冲串实施宽带微波信号的光采样，再利用远低于奈奎斯特速率的电采样器实施电采样，然后对电采样信号进行数字信号处理以还原原始的宽带微波频谱。由于宽带微波频谱具有典型的稀疏特征，所以即使原始宽带微波信号在光电采样过程中被压缩到电采样带宽内而发生混叠，但通过合适的重建算法，可以实现原始信号的频谱重建。尽管该技术可以显著减小系统的分析带宽和数据量，但仍然需要大于或等于奈奎斯特速率的数字编码序列对光的采样波形进行电光调控，以实现高速的随机或伪随机光采样，这就对光采样前端的电域编码和脉冲发生器提出了很高的要求。因而，高速数字编码序列及其调控光脉冲串的产生成为这种光子基压缩采样技术的主要瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的至少一部分技术问题，提供了一种面向微波频谱测量的光子欠采样系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明第一方面，提供了一种面向微波频谱测量的光子欠采样系统，所述系统包括：

窄线宽光源，用于生成光载波；

光脉冲产生单元，用于使用频率为Δf的射频源对光载波进行模拟调制，产生重复频率为Δf的光脉冲串，其光谱是梳齿间隔为Δf的光学频率梳；

光采样单元，利用所述光脉冲串对经由微波信号输入端口输入的微波频谱信号进行光采样，使得该微波频谱信号被上转换到光学频率梳上；

光电探测单元，用于将所述光采样单元生成的光采样信号进行下变换到电域；

模数转换单元，用于对所述光电探测单元生成的下转换信号进行模数转换处理；

信号处理单元，用于基于模数转换处理后的信号得到待测微波频谱的测量信息。

在本发明所述的面向微波频谱测量的光子欠采样系统中，可选地，所述信号处理单元包括：

信道估计子单元，用于对采样链路导致的采样信号频谱幅度和相位失真进行校正；

采样脉冲参数存储子单元，用于存储光频梳频谱的幅度和相位参数，用以构建观测矩阵；

频谱重建子单元，用于根据观测矩阵和信道估计补偿校正后的观测值矢量所构建的欠定方程组，进行近似求解，实现原始信号的频谱重建。

在本发明所述的面向微波频谱测量的光子欠采样系统中，可选地，所述光采样单元为电光强度调制器，所述光电探测单元为零差相干探测器，所述系统还包括：

光功分器，其输入端与所述窄线宽光源连接，用于将光载波分成两路输出，其中第一路信号输入所述光脉冲产生单元生成光脉冲串，第二路信号输出给所述零差相干探测器作为本振光；

所述零差相干探测器用于将电光强度调制器生成的光采样信号与本振光进行混合和光电相干下变换到电域。

在本发明所述的面向微波频谱测量的光子欠采样系统中，可选地，所述系统包括n组光功分器、光脉冲产生单元、电光强度调制器、零差相干探测器和模数转换单元，n为多频率光载波的频率数量；

所述系统还包括：

总光功分器，其输入端与所述窄线宽光源连接，用于将光载波分成单频率的多通道光载波，并分别输送给一组光功分器、光脉冲产生单元、电光强度调制器、零差相干探测器和模数转换单元进行处理后汇总至所述信号处理单元。

在本发明所述的面向微波频谱测量的光子欠采样系统中，可选地，所述窄线宽光源为窄线宽激光器阵列，用于输出多频率光载波；所述光采样单元为电光强度调制器；所述零差相干探测器和模数转换单元均为n个，n为通道数量；

所述系统还包括：

光功分器，其输入端与所述窄线宽激光器阵列连接，用于将所述多频率光载波分成两路输出，其中第一路的多频率光载波共同通过所述光脉冲产生单元和电光强度调制器进行调制，第二路多频率光载波输出作为本振光；

第一光滤波器，其输入端与电光强度调制器的输出端连接，用于将电光强度调制器调制后的多频率光载波滤出到n个信道中；

第二光滤波器，其输入端与光功分器的输出端连接，用于将第二路多频率光载波滤出到n个信道中；

每个所述零差相干探测器的输入端与所述第一光滤波器和第二光滤波器连接，用于处理一个信道的光载波信号，进行混合和相干光电下变换；多通道下变换信号经过模数转换单元的模数转换，成为数字信号。

在本发明所述的面向微波频谱测量的光子欠采样系统中，可选地，所述光电探测单元为零差相干探测器或者非相干光电探测器。

在本发明所述的面向微波频谱测量的光子欠采样系统中，可选地，所述光脉冲产生单元包括：

射频源，用于产生频率为Δf的射频信号；

电功分器，其输入端与所述射频源连接，用于将待测射频信号分成两路输出；

第一电放大器，其输入端与电功分器的第一路输出端连接，用于对第一路微波信号进行放大；

电相移器，其输入端与电功分器的第二路输出端连接，用于对第二路微波信号进行相位移动；

第二电放大器，其输入端与电相移器的输出端连接，用于对相位移动后的第二路微波信号进行放大；

相位调制器，其输入端与窄线宽光源的输出端连接，且通过放大后的第一路微波信号进行相位调制；

强度调制器，其输入端与相位调制器的输出端连接，且通过放大后的第二路微波信号进行强度调制输出频率为Δf的光脉冲串。

在本发明所述的面向微波频谱测量的光子欠采样系统中，可选地，所述零差相干探测器包括：

90°混合器，其用于将电光强度调制器生成的光采样信号与本振光进行混合；

第一光电平衡探测器，与所述90°混合器连接，用于输出下变换信号的同相成分；

第二光电平衡探测器，与所述90°混合器连接，用于输出下变换信号的正交相成分。

本发明还提供了一种面向微波频谱测量的光子欠采样方法，所述方法包括：

产生光载波；

使用频率为Δf的射频源对光载波进行模拟调制，产生重复频率为Δf的光脉冲串，其光谱是梳齿间隔为Δf的光学频率梳；

利用所述光脉冲串对经由微波信号输入端口输入的微波频谱信号进行光采样，使得该微波频谱信号被上转换到光学频率梳上；

将所述光采样单元生成的光采样信号进行下变换到电域；

对所述光电探测单元生成的下转换信号进行模数转换处理；

基于模数转换处理后的信号得到待测微波频谱的测量信息。

在本发明所述的面向微波频谱测量的光子欠采样方法中，可选地，所述基于模数转换处理后的信号得到待测微波频谱的测量信息，包括：

对采样链路导致的采样信号频谱幅度和相位失真进行校正；

存储光频梳频谱的幅度和相位参数，用以构建观测矩阵；

根据观测矩阵和信道估计补偿校正后的观测值矢量所构建的欠定方程组，进行近似求解，实现原始信号的频谱重建。

实施本发明的面向微波频谱测量的光子欠采样系统和方法，具有以下有益效果：本发明利用远小于奈奎斯特速率的光脉冲串对宽带微波信号进行光采样，该光脉冲串的产生只需要利用单频微波源调制级联的相位和强度调制器即可实现，而不需要采用任何高速编码的数字序列进行光脉冲调控，因此不会受到高速电子器件的带宽限制。

附图说明

图1为根据本发明实施例一的面向微波频谱测量的光子欠采样系统的模块框图；

图2为根据本发明的实施例一的面向微波频谱测量的光子欠采样系统中光脉冲产生单元的模块框图；

图3为根据本发明的实施例一的面向微波频谱测量的光子欠采样系统中信号处理单元的模块框图；

图4为根据本发明实施例二的面向微波频谱测量的光子欠采样系统的结构框图；

图5为根据本发明实施例二的面向微波频谱测量的光子欠采样系统中光脉冲产生单元的结构框图；

图6为根据本发明实施例二的面向微波频谱测量的光子欠采样系统中零差相干探测的结构框图；

图7为基于级联相位调制器和强度调制器电光调制产生的光学频率梳光谱；

图8a-图8d为利用具有宽带频谱分布的多带微波信号的频谱重建性仿真测试结果，其中图8a为原始信号的频谱，图8b为光电转换信号的频谱，图8c为重构信号的频谱，图8d为7.52GHz载频信号与其重构信号之间的频谱功率和相位差别；

图9为根据本发明实施例三的面向微波频谱测量的光子欠采样系统的结构框图；

图10为根据本发明实施例四的面向微波频谱测量的光子欠采样系统的结构框图；

图11为根据本发明实施例五的面向微波频谱测量的光子欠采样系统的结构框图；

图12为根据本发明优选实施例面向微波频谱测量的光子欠采样方法流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例一

请参阅图1，为根据本发明实施例一的面向微波频谱测量的光子欠采样系统的模块框图。如图1所示，本发明实施例一提供的面向微波频谱测量的光子欠采样系统至少包括：

窄线宽光源100，用于生成光载波。该窄线宽光源100所产生的光载波线宽优选为100kHz量级或更小。

光脉冲产生单元200，用于使用频率为Δf的射频源对光载波进行模拟调制，产生重复频率为Δf的光脉冲串，其光谱是梳齿间隔为Δf的光学频率梳。光脉冲产生单元200的输入端与窄线宽光源100连接，窄线宽光源100产生的光载波进入到光脉冲产生单元200，必要时可以在窄线宽光源100与光脉冲产生单元200之间接入光学偏振控制器、光功率放大器、光滤波器等补充器件。

光采样单元300，利用所述光脉冲串对经由微波信号输入端口1输入的微波频谱信号进行光采样，使得该微波频谱信号被上转换到光学频率梳上。必要时，可以在光脉冲产生单元200与光采样单元300之间接入光偏振控制器、光功率放大器和光滤波器等补充器件。

光电探测单元400，用于将光采样单元300生成的光采样信号进行下变换到电域。

模数转换单元500，用于对所述光电探测单元400生成的下转换信号进行模数转换处理。必要时，在光电探测单元400与模数转换单元500之间可以接入必要的信号预处理单元，包括电滤波器、电放大器、电混合器等补充器件。对于模数转换单元500，一般在其与光电探测单元400之间会加入电低通滤波器，该滤波器的截止频率一般要小于光电探测器的带宽，因此模数转换单元500的带宽要大于该电低通滤波器截止频率，以防止混叠。模数转换单元500的采样率一般与其检测带宽是相匹配的，往往是带宽的2.5倍以上。

信号处理单元600，用于基于模数转换处理后的信号得到待测微波频谱的测量信息，并通过结果输出端口2输出。在信号处理单元600中，数字信号经过信道校正、频谱重建等数字信号处理，将输出待测微波频谱的测量信息。信号处理单元600一般信号的重建算法采用L_p范数优化方式，其中0<p<0.5。

上述各个单元可以独立进行控制，也可以通过管理和控制单元700进行控制。例如，上述系统还包括管理和控制单元700，分别对各个单元实施辅助管理和控制。管理与控制单元700主要用来控制窄线宽光源100的稳定输出，光脉冲产生单元200和光采样单元300的偏置点和相位，光电探测单元400的增益控制，以及信号处理单元500的自动参数设定等。管理与控制单元700发送和接收的都是低速模拟控制信号，比如串口信号或USB信号。系统数据库与参数存储目录800的作用是存储各个单元的参数值，用以让系统能够自动按照这些参数进行良好运行。管理与控制单元700对各个单元的主要参数进行检测、比对和控制，比对信息的来源就是参数存储目录。

请参阅图2，为根据本发明的实施例一的面向微波频谱测量的光子欠采样系统中光脉冲产生单元的模块框图。如图2所示，在本发明的优选实施方式中，其中光脉冲产生单元200至少包括：射频源201和电光调制单元202。窄线宽光源100产生的光载波经由光载波输入端口3输入，在电光调制单元202中被频率为Δf的射频源201模拟调制。该模拟调制过程可以产生光脉冲串，光脉冲串的光谱分布是梳齿频率间隔为Δf的光学频率梳(如图2中的插图所示)，其产生过程不需要任何编码序列的调控，比如伪随机码(PRBS)等。为了产生可靠的光脉冲串，在射频源201与电光调制单元202之间可以按需要接入电放大器203、电功率分配器204、电相移器、直流偏置控制器等器件，在电光调制单元202与光脉冲输出端口4之间可以按需要连接光滤波器等光脉冲幅度和相位模拟调控器件，以及其它必要的补充器件，包括光功率分配器、光电探测器等。光脉冲产生单元200中还需要配备其它辅助和控制单元205，包括温度控制器、偏压控制器、功率监测器等。

请参阅图3，为根据本发明的实施例一的面向微波频谱测量的光子欠采样系统中信号处理单元的模块框图。如图3所示，在本发明的优选实施方式中，信号处理单元600包括：

信道估计子单元601，用于对采样链路导致的采样信号频谱幅度和相位失真进行校正。该单元可以采用现有的常见的信道估计方法，主要方式是由发送端发送一个宽带信号，经过信道传输之后被检测端检测，信道估计子单元601对检测信号和发送端原始信号之间的幅度和相位畸变进行估计，从而得到信道的传输函数，该函数可以用来矫正信道畸变。

采样脉冲参数存储子单元602，用于存储光频梳频谱的幅度和相位参数，用以构建观测矩阵。光频梳频谱的幅度和相位参数一般通过(但不限于)光电下变换的电矢量网络分析的方式获得。观测矩阵可以使用后续的公式(5)和(6)构建。

频谱重建子单元603，用于根据观测矩阵和信道估计补偿校正后的观测值矢量所构建的欠定方程组，进行近似求解，实现原始信号的频谱重建。

模数转换的数字信号从数字信号输入端口6输入，经过信道估计子单元601的信道校正和频谱重建子单元603的频谱重建等处理环节，可以实现由欠采样信号到原始信号的高精度频谱重建。其中信道估计子单元601中存储有信道估计程序及其数据库，用以实施对采样链路导致的采样信号频谱幅度和相位失真进行校正。采样脉冲参数存储子单元602设有存储目录，用以存储光频梳频谱的幅度和相位参数，用以构建观测矩阵。频谱重建子单元603利用配套的优化算法，根据观测矩阵和信道估计补偿校正后的观测值矢量所构建的欠定方程组，进行近似求解，实现原始信号的频谱重建。其它必要的配套程序用以辅助主程序进行其它必要的数字信号处理，包括但不限于数字滤波、数字下变频、光功率抖动校正等。信号处理结果通过结果输出端口2输出。

在本发明中，由于模拟调制产生的光脉冲的重复频率Δf可以远小于待测微波频谱的覆盖范围，也即光采样率远小于待测微波频谱的奈奎斯特速率(Nyquist rate)，而其光谱覆盖范围又略大于待测微波频谱的覆盖范围，保证了所有微波频谱范围内的频率成分都被压缩到光学频率梳的中心几个梳齿附近，所以该光脉冲串对微波频谱的光采样是欠采样过程。尽管在欠采样过程中，微波频谱的部分信息由于欠采样而发生混叠，但采用适当的光电检测和配套算法，可以从混叠的频谱信息中重建出原始信号。

本发明的系统架构可以是单通道的，也可以是多通道的。多通道架构每一通道的器件基本构成和连接关系与单通道架构相同，或者在采用多通道架构时，不同通道之间可以有共用器件的情况。系统架构的典型实施例如下。

实施例二

该实施例二的系统构成与实施例一基本相同，区别在于，采用单通道相干检测架构。

请参阅图4，为根据本发明实施例二的面向微波频谱测量的光子欠采样系统的结构框图。其中光采样单元可以采用电光强度调制器301实现，光电探测单元可以采用零差相干探测器401实现，窄线宽光源可以采用窄线宽激光器实现。该第二实施例的系统还包括：

光功分器901，其输入端与所述窄线宽激光器101连接，用于将光载波分成两路输出，其中第一路信号输入光脉冲产生单元200生成光脉冲串，第二路信号输出给零差相干探测器401作为本振光。

如图4所示的系统中，窄线宽激光器101作为窄线宽光源产生单频窄线宽光载波，该光载波经过光功分器901分成两路，一路经由光脉冲产生单元200的模拟调制，生成光脉冲串；另一路光载波输出给作为光电探测单元的零差相干探测器401，作为本振光(LO)。一般在光脉冲产生单元200和电光强度调制器与它们相连接的前一单元的连接链路上，会加入必要的光功率放大器、光偏振控制器和光滤波器等辅助器件。光脉冲串在作为光采样单元的电光强度调制器301上被微波信号输入端口1输入的微波频谱信号调制，被调制的光脉冲信号输出给零差相干探测器401，与本振光进行混合和光电相干下变换。下变换的信号经过模数转换单元500的模数转换变成数字信号，该数字信号输出给信号处理单元600进行数字信号处理。利用信号处理单元600中配套的信道校正和频谱重建等算法，可以重建原始输入信号的频谱。

优选地，电光强度调制器301的偏置点一般位于正交偏置点或Null偏置点，待测信号功率要求是位于调制器的线性调制区内，一般是强度调制器半波电压的五分之一左右。

在本发明的其它实施方式中，还可以由电光相位调制器进行光采样，单个的光电探测器进行非相干的光电直接探测。

典型的光脉冲产生单元200的架构如图5所示，其电光调制单元202主要由相位调制器206和强度调制器207构成。该电光调制单元202所包含的相位调制器206和强度调制器数量207以及连接方式依据所产生的光梳齿数量和质量需求的不同而有所变化。一般典型的电光调制单元202包含有串联的一个或多个相位调制器206，以及一个强度调制器207，它们的串联方式可以是任意的。以图5的架构为例，窄线宽光载波首先通过光载波输入端口3输入给相位调制器206，经由频率为Δf的射频源207的模拟调制产生初级光学频率梳。该初级光学频率梳输出给强度调制器207，经由频率为Δf的射频源的模拟调制，可以产生光频谱分布平坦的次级光学频率梳。该次级光学频率梳经由光脉冲输出端口4输出给光采样单元，次级光学频率梳的时域波形就是用以进行光采样的光脉冲。射频源201与相位调制器206和强度调制器207之间连接有电功分器208、电放大器203和电相移器209。电功分器208其输入端与射频源201连接，用于将待测射频信号分成两路输出。其中一个电放大器203的输入端与电功分器的第一路输出端连接，用于对第一路微波信号进行放大。电相移器209的输入端与电功分器208的第二路输出端连接，用于对第二路微波信号进行相位移动。另一个电放大器203的输入端与电相移器209的输出端连接，用于对相位移动后的第二路微波信号进行放大。相位调制器206的输入端与窄线宽光源100的输出端连接，且通过放大后的第一路微波信号进行相位调制。强度调制器207的输入端与相位调制器206的输出端连接，且通过放大后的第二路微波信号进行强度调制输出频率为Δf的光脉冲串。为了产生平坦的光频梳，一般要设定相位调制器206的射频驱动功率足够大，具体数值依赖于所需光频梳梳齿数量。强度调制器207的驱动功率适当即可，依据实际所需的光频梳具体要求而定。强度调制器207的偏置点一般放在正交偏置点上。虽然在本实施例中电功分器为2个输出端口，但当有级联两个以上相位调制器和强度调制器的方式时，此时的电功分器可以是多的端口输出。

在参数设置上，光脉冲产生单元200的参数设置可以尽可能满足光频梳中心频率两侧的光梳齿幅度和相位是非中心对称的，以有利于零差相干探测的输出信号具有正负边带不对称的下变换频谱信息，使得该信息能够提供相比于单个边带探测时两倍的测量值数量。当然，对于中心对称的光频梳，零差相干探测也是可以实现其基本功能的，只是测量值数量减半。

典型的零差相干探测器401如图6所示，能够对光采样信号进行零差相干探测，包含有90°混合器411以及与之相连的两个光电平衡探测器412。90°混合器411用于将电光强度调制器生成的光采样信号与本振光进行混合。两个光电平衡探测器412的输出信号分别是下变换信号的同相成分(cos)和正交相成分(sin)。相干接收过程中，光本振功率要大于信号功率，一般要达到20dB以上。但如果光频梳满足一定特征，也可以采用单个光电探测器进行直接探测，无特别参数要求，只要光功率满足系统检测需求就好。无论是光相干探测方式还是直接探测方式，探测器的带宽要尽可能大，优选大于光脉冲重复频率的3倍。

对于模数转换单元500，一般在其与光电探测器之间会加入电低通滤波器，该滤波器的截止频率一般要小于光电探测器的带宽，因此模数转换器的带宽要大于该电低通滤波器截止频率，以防止混叠。模数转换器的采样率一般与其检测带宽是相匹配的，往往是带宽的2.5倍以上。

下面结合实施例二对本发明的基本原理进行分析。

微波信号的光采样过程的时域形式可以表示为

y(t)＝p(t)×{x(t)+n(t)} (1)

其中x(t)和y(t)是光采样前后的宽带微波信号，n(t)是信号噪声，p(t)是光学频率梳的时域波形。当光脉冲产生单元采用一个相位调制器和强度调制器串联的结构，并且强度调制器偏置在正交点时，p(t)可以表示为

其中β₀和β₁是相位和强度调制器的调制因子,是相位调制器与强度调制器间调制信号的相位差。ω₀为光载波频率，Δω为2π*Δf，t为时间。光学频率梳的频谱特征可以通过设置β₀和β₁和来进行调控，本发明可以通过简单调控上述三个参数，产生频谱上中心对称的光学频率梳，也可以产生中心非对称的光学频率梳。中心对称的光学频率梳可以采用光电直接探测方式实现信号的光电下转换，如图1中光采样单元300到光电探测单元400之间的实线连接。中心非对称的光学频率梳可以采用零差相干探测的光电下转换，如图1中光采样单元300到光电探测单元400之间的实线连接，以及窄线宽光源100到光电探测单元400之间的虚线连接，该虚线连接表示在零差相干探测时成立，此时窄线宽光源100输出给光电探测单元400一路光载波，作为光学本地振荡器实施相干探测。

以零差相干检测为例，上述时域采样信号经过光电探测单元400的零差相干检测，被下变频到电域。假设光链路和光电转换过程的频率响应是理想的矩形函数，下变频信号的频谱表示为

其中Y是下变换信号的频谱，是光学频率梳频谱与信号频谱的卷积。A_LO为本振光幅度，A_S为信号光幅度，X(f_i)为实信号频谱中频率为f_i的幅度非零的频率成分，X(f_i)^*为实信号频谱中频率为f_i的幅度非零的频率成分的共轭成分，f_i为实信号频谱中幅度非零的第i个频率。S_k是归一化的OFC第k^th条梳齿线，表示为其中P_n和I_m分别是通过相位和强度调制产生的调制光谱的第n和第m条梳齿线，并且满足m∈[-M,M]，k∈[-K,K]，n＝k-m，K＝N+M，N≥M，I,K,N,M∈N。光频梳的所有S_k构成一个频率集S。在公式(3)中，A_LO和A_S是LO的幅度和光学频率梳的第0梳齿的幅度。显然，由公式(3)可知，下变频信号的功率被放大了A_LO/A_S倍，因此通过适当地设置LO和信号的功率，能够显著提升弱信号的检测能力。对于宽带微波信号x(t)中的某个频率成分X(f+jΔω)和对称成分X(jΔf-f)，其测量值可以表示为：

其中，k＝l-j，L＝K+J，L and J∈N，K≥J，j∈[-J,J]，l∈[-L,L]。根据公式(4)可知，x(t)的频谱分布中属于集合的那些频率成分将发生混叠，需要合适的算法来重建原始频率值。由于采用了零差相干检测，所以可以同时提取检测带宽内的所有正负频谱信息，因而可以将测量值的数量加倍，从而在测量值数量需求一定的情况下比直接检测降低一倍的分析带宽。

根据公式(4)，可以将属于集合的频率成分表示为矩阵形式Y＝AX+N，即

其中A是2L×2J维的Toeplitz矩阵，X是2J维向量，Y和N是2L维向量。利用公式(5)和对称成分的矩阵形式，容易构建一个联合方程，该联合方程相比于方程(5)，测量值数量提升了1倍。对于欠采样系统，下变频信号将通过低通滤波器(LPF)进行滤波，LPF的截止频率远低于奈奎斯特速率，以降低对电采样率的要求。假设LPF的频率响应是理想的矩形函数，则滤波后的下变换信号的矩阵表示为：

其中，A退化为2L'×2J维矩阵，有L'＜＜L，L'＜＜J，k和l∈[-L'，L'-1]。尽管公式(6)及其联合方程是欠定的，无法直接求解，但由于宽带微波信号在频域的显著稀疏特性，通过合适的优化算法可以从该欠定方程中求解出局域最优的近似稀疏解。

利用数值方法对本发明的可行性进行了验证，其中采用基于L_p(0<p<0.5)范数的优化算法对欠定方程组进行了求解，可以得到精确的欠采样频谱重建。目前在压缩采样重建算法中，一般采用L₀范数的近似方式，即L₁范数求解，主要包括基追踪方法/正交匹配追踪方法等。但对于本发明的检测方式，最优的重建算法是基于L_p范数的优化算法，其中0<p<0.5。目前本发明所采用的算法是利用基于L_p范数穷举+硬阈值判定相结合的方式，可以得到良好的频谱重建效果。以第一种典型的实施例系统架构为例，窄线宽激光器输出的光功率、频率和线宽分别设置为16dBm，193.1THz和100kHz。在光脉冲发生器中，用1GHz的射频源级联调制相位调制器和强度调制器，强度调制器偏置在正交点，调制因子分别为β₀＝7.25π和β₁＝0.3π。产生的OFC如图7所示，其重频间隔为1GHz，平坦的光频梳范围覆盖了从-23^th到+23^th的47条相干梳齿，平坦度小于5dB。生成的OFC直接用于采样宽带微波信号，在仿真实验中没有进行进一步地频谱优化。

利用具有宽带频谱分布的多带微波信号对该技术方案的频谱重建性能进行了仿真测试。如图8a所示，多带微波信号的频谱范围为0-20GHz，由载波频率和带宽分别为7.52GHz(100MHz)，10.25GHz(50MHz)，19.7GHz(30MHz)的三个带限信号和高斯白噪声组成。该信号的信噪比(SNR)为61dB。在相干探测器的输入端口处，Lo与采样信号中OFC的第0阶梳齿线之间的幅度比为25dB。零差相干检测后的下变频信号的频谱如图8b所示。光电探测器的带宽设置为2.5GHz。下变频后的信号随后经过低通滤波，LFP的截止频率为2GHz，电采样器的采样率为4GSa/s。相对于奈奎斯特速率(40GHz)，此时的欠采样压缩比为10。系统的频率分辨率设置为1.22MHz。根据公式(6)可知，对于属于集合的任何频率成分，在-2GHz到+2GHz的频谱范围内具有至多8个测量值。

图8c和8d为重建结果。如图8c所示，三个带限信号的频谱都得以重建，存在三个来源于重建误差的伪频点略高于零值判定阈值T，但不影响主要待测信号的频谱分辨。三个宽带信号频率成分的重建值的功率和相位偏差如图8d所示，可见原始信号中所有非零的频率成分都得到了比较准确的重建，误差偏移很小。更精确的频谱重建性能分析由相对重建误差Er给出，其最大值＜0.004。相对重建误差Er表示为||X-Xr||2/||X||2，其中X_r是X的重构近似值。系统的探测限(以信噪比为衡量标准)和无杂散动态范围(SFDR)分别是6dB和59dB(99dB·Hz^2/3)。

此外，在上面针对本发明的可行性分析中，仅是针对单通道架构的，并且对光脉冲未进行进一步的优化。而实际上，本发明具有进一步的提升潜力，包括通过采用多通道架构进一步降低分析带宽，通过光域的频谱处理优化光脉冲串的幅相特性，为了满足更大检测带宽可以进一步扩展OFC的光谱覆盖范围等等。

实施例三

该实施例三的系统构成与实施例二基本相同，区别在于，采用多通道相干检测架构。

请参阅图9，为根据本发明实施例三的面向微波频谱测量的光子欠采样系统的结构框图。其中窄线宽光源采用窄线宽激光器阵列102实现，用于输出多频率光载波；光采样单元采用电光强度调制器301实现。零差相干探测器401和模数转换单元500均为n个，n为多频率光载波的频率数量。

该实施例三的系统还包括：

光功分器901，其输入端与窄线宽激光器阵列301连接，用于将所述多频率光载波分成两路输出，其中第一路的多频率光载波共同通过光脉冲产生单元200和电光强度调制器301进行调制，第二路多频率光载波输出作为本振光。

两个光滤波器903，其中第一个光滤波器903的输入端与电光强度调制器的输出端连接，用于将电光强度调制器调制后的多频率光载波滤出到n个信道中。第二个光滤波器903的输入端与光功分器的输出端连接，用于将第二路多频率光载波滤出到n个信道中。

每个零差相干探测器401的输入端均连接至上述两个光滤波器903，用于处理一个信道的光载波信号，进行混合和相干光电下变换；多通道下变换信号经过模数转换单元500的模数转换，成为数字信号。

图9的架构与单通道的主要不同之处在于，采用多个不同频率的窄线宽光载波，并结合波分复用技术，实现多个单通道并行的微波频谱光子欠采样。在实施例三中，每个单通道的基本架构与实施例二中的单通道相同，主要不同点包括两个部分，光源和光滤波器。多通道方案采用窄线宽激光器阵列41，包含有多个不同频率的窄线宽激光器，可以输出多个不同频率的光载波，即前述多频率光载波。该多频率光载波输出给光功分器901，分成两路，一路经光脉冲产生单元200和电光强度调制器301的过程与实施例二相同，即多个不同频率的光载波共用一套光脉冲产生单元301和光采样单元；经电光强度调制器301加载了微波信号的多频光脉冲输入给光滤波器903，光滤波器将不同频率的光载波滤出到n个信道中，不同信道的光载波信号与另一路经过另一光滤波器903滤出的n个不同频率本振光在相应通道的零差相干探测器上混合和相干光电下变换。多通道下变换信号分别经过各自模数转换单元500的模数转换，成为数字信号。所有信道的数字信号汇聚到信号处理单元600进行数字信号处理，以实现原始微波频谱重建。重建结果从结果输出端口2输出。

实施例四

该实施例四为另一种多通道相干检测架构。

请参阅图10，为根据本发明实施例四的面向微波频谱测量的光子欠采样系统的结构框图。该系统包括n组光功分器901、光脉冲产生单元200、电光强度调制器301、零差相干探测器401和模数转换单元500，n为通道数量。窄线宽光源可以采用窄线宽激光器101实现。

该实施例四的系统还包括：

总光功分器902，其输入端与窄线宽激光器101连接，用于将光载波分成单频率的多通道光载波，并分别输送给一组功分器901、光脉冲产生单元200、电光强度调制器301、零差相干探测器401和模数转换单元500进行处理后汇总至信号处理单元600。

本实施例与实施例三的区别在于未采用波分复用技术，而采用基于单个窄线宽激光器101的单频率光载波的多个具有相同结构的单通道并行的架构。仅在多通道完成模数转换后，多通道的数字信号才汇聚到信号处理单元600进行数字信号处理，以实现原始微波频谱重建。在此之前，除了共用光源，没有其它的共用部分。此外，在参数设置上，各个通道的光采样单元的设置是完全相同，但各个通道的光脉冲产生单元的参数设置是各自不同的，其参数设置需要满足每个通道产生的光学频率梳的频率集向量S不相关或弱相关。

实施例五

该实施例五的系统构成与实施例二基本相同，区别在于，采用单通道直接检测架构。

请参阅图11，为根据本发明实施例五的面向微波频谱测量的光子欠采样系统的结构框图。其中光电探测单元为光电探测器402。如图11所示，与单通道相干检测架构的主要区别在于取消了本振光和零差相干探测器，直接用单个光电探测器402对光采样信号进行光电下变换，其它单元和连接与单通道相干检测架构相同。此外，光脉冲产生单元的参数设置需要满足其所产生的光学频率梳中心频率两侧光梳齿的幅度和相位必须是相对于中心频率对称的，这一点与相干检测不同。

实施例六

基于同样的发明构思，本申请提供了面向微波频谱测量的光子欠采样方法。请参阅图12，为根据本发明优选实施例面向微波频谱测量的光子欠采样方法流程图。该方法可以基于前述各个实施例的面向微波频谱测量的光子欠采样系统实现。如图12所示，该实施例提供的方法包括：

步骤S1：产生光载波。

步骤S2：使用频率为Δf的射频源对光载波进行模拟调制，产生重复频率为Δf的光脉冲串，其光谱是梳齿间隔为Δf的光学频率梳。

步骤S3：利用所述光脉冲串对经由微波信号输入端口输入的微波频谱信号进行光采样，使得该微波频谱信号被上转换到光学频率梳上。

步骤S4：将所述光采样单元生成的光采样信号进行下变换到电域。

步骤S5：对所述光电探测单元生成的下转换信号进行模数转换处理。

步骤S6：基于模数转换处理后的信号得到待测微波频谱的测量信息。

该方法同样可以采用前述系统的各个实施例来实现，可以是单通道的，也可以是多通道的。

综上所述，本专利为了进一步减少光子采样技术对宽带电子器件的要求，提升光子采样系统的检测能力，提出了一种基于无数字编码序列调控的光子欠采样技术方案。本发明具有以下几方面特点：

1)利用远小于奈奎斯特速率的光脉冲串对宽带微波信号进行光采样。该光脉冲串的产生只需要利用单频微波源调制级联的相位和强度调制器即可实现，而不需要采用任何高速编码的数字序列进行光脉冲调控，因此不会受到高速电子器件的带宽限制。

2)本方案中的光脉冲串的光谱特性易于针对不同场景的需求在光域进行参数优化，包括频谱覆盖宽度，频谱幅相调控等，并且优化过程不受限于高速电子器件的带宽。

3)与现有技术中所采用的光电直接检测不同，本发明既可以采用直接检测，也可以采用相干检测。并且在采用零差相干检测时，可以同时提取光电转换频谱中的正负频带信息，提供倍增的观测值数量，进而在一定测量值数量需求的情况下降低系统的分析带宽。此外，零差检测由于是相干检测，相比于直接检测，能够显著提高弱信号的分辨率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种面向微波频谱测量的光子欠采样系统，其特征在于，所述系统包括：

窄线宽光源，用于生成光载波；

光脉冲产生单元，用于使用频率为Δf的射频源对光载波进行模拟调制，产生重复频率为Δf的光脉冲串，其光谱是梳齿间隔为Δf的光学频率梳；

光采样单元，利用所述光脉冲串对经由微波信号输入端口输入的微波频谱信号进行光采样，使得该微波频谱信号被上转换到光学频率梳上；

光电探测单元，用于将所述光采样单元生成的光采样信号进行下变换到电域；

模数转换单元，用于对所述光电探测单元生成的下转换信号进行模数转换处理；

信号处理单元，用于基于模数转换处理后的信号得到待测微波频谱的测量信息。

2.根据权利要求1所述的面向微波频谱测量的光子欠采样系统，其特征在于，所述信号处理单元包括：

信道估计子单元，用于对采样链路导致的采样信号频谱幅度和相位失真进行校正；

采样脉冲参数存储子单元，用于存储光频梳频谱的幅度和相位参数，用以构建观测矩阵；

频谱重建子单元，用于根据观测矩阵和信道估计补偿校正后的观测值矢量所构建的欠定方程组，进行近似求解，实现原始信号的频谱重建。

3.根据权利要求1所述的面向微波频谱测量的光子欠采样系统，其特征在于，所述光采样单元为电光强度调制器，所述光电探测单元为零差相干探测器，所述系统还包括：

光功分器，其输入端与所述窄线宽光源连接，用于将光载波分成两路输出，其中第一路信号输入所述光脉冲产生单元生成光脉冲串，第二路信号输出给所述零差相干探测器作为本振光；

所述零差相干探测器用于将电光强度调制器生成的光采样信号与本振光进行混合和光电相干下变换到电域。

4.根据权利要求3所述的面向微波频谱测量的光子欠采样系统，其特征在于，所述系统包括n组光功分器、光脉冲产生单元、电光强度调制器、零差相干探测器和模数转换单元，n为通道数量；

所述系统还包括：

总光功分器，其输入端与所述窄线宽光源连接，用于将光载波分成单频率的多通道光载波，并分别输送给一组光功分器、光脉冲产生单元、电光强度调制器、零差相干探测器和模数转换单元进行处理后汇总至所述信号处理单元。

5.根据权利要求3所述的面向微波频谱测量的光子欠采样系统，其特征在于，所述窄线宽光源为窄线宽激光器阵列，用于输出多频率光载波；所述光采样单元为电光强度调制器；所述零差相干探测器和模数转换单元均为n个，n为多频率光载波的频率数量；

所述系统还包括：

光功分器，其输入端与所述窄线宽激光器阵列连接，用于将所述多频率光载波分成两路输出，其中第一路的多频率光载波共同通过所述光脉冲产生单元和电光强度调制器进行调制，第二路多频率光载波输出作为本振光；

第一光滤波器，其输入端与电光强度调制器的输出端连接，用于将电光强度调制器调制后的多频率光载波滤出到n个信道中；

第二光滤波器，其输入端与光功分器的输出端连接，用于将第二路多频率光载波滤出到n个信道中；

每个所述零差相干探测器的输入端与所述第一光滤波器和第二光滤波器连接，用于处理一个信道的光载波信号，进行混合和相干光电下变换；多通道下变换信号经过模数转换单元的模数转换，成为数字信号。

6.根据权利要求1所述的面向微波频谱测量的光子欠采样系统，其特征在于，所述光电探测单元为零差相干探测器或者非相干光电探测器。

7.根据权利要求1所述的面向微波频谱测量的光子欠采样系统，其特征在于：所述光脉冲产生单元包括：

射频源，用于产生频率为Δf的射频信号；

电功分器，其输入端与所述射频源连接，用于将待测射频信号分成两路输出；

第一电放大器，其输入端与电功分器的第一路输出端连接，用于对第一路微波信号进行放大；

电相移器，其输入端与电功分器的第二路输出端连接，用于对第二路微波信号进行相位移动；

第二电放大器，其输入端与电相移器的输出端连接，用于对相位移动后的第二路微波信号进行放大；

相位调制器，其输入端与窄线宽光源的输出端连接，且通过放大后的第一路微波信号进行相位调制；

强度调制器，其输入端与相位调制器的输出端连接，且通过放大后的第二路微波信号进行强度调制输出频率为Δf的光脉冲串。

8.根据权利要求3所述的面向微波频谱测量的光子欠采样系统，所述零差相干探测器包括：

90°混合器，其用于将电光强度调制器生成的光采样信号与本振光进行混合；

第一光电平衡探测器，与所述90°混合器连接，用于输出下变换信号的同相成分；

第二光电平衡探测器，与所述90°混合器连接，用于输出下变换信号的正交相成分。

9.一种面向微波频谱测量的光子欠采样方法，其特征在于，所述方法包括：

产生光载波；

使用频率为Δf的射频源对光载波进行模拟调制，产生重复频率为Δf的光脉冲串，其光谱是梳齿间隔为Δf的光学频率梳；

利用所述光脉冲串对经由微波信号输入端口输入的微波频谱信号进行光采样，使得该微波频谱信号被上转换到光学频率梳上；

将所述光采样单元生成的光采样信号进行下变换到电域；

对所述光电探测单元生成的下转换信号进行模数转换处理；

基于模数转换处理后的信号得到待测微波频谱的测量信息。

10.根据权利要求9所述的面向微波频谱测量的光子欠采样系统，其特征在于，所述基于模数转换处理后的信号得到待测微波频谱的测量信息，包括：

对采样链路导致的采样信号频谱幅度和相位失真进行校正；

存储光频梳频谱的幅度和相位参数，用以构建观测矩阵；

根据观测矩阵和信道估计补偿校正后的观测值矢量所构建的欠定方程组，进行近似求解，实现原始信号的频谱重建。