CN109302251B - 一种基于等幅值等间隔多波长光源的卫星频谱感知方法及系统 - Google Patents

一种基于等幅值等间隔多波长光源的卫星频谱感知方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种基于等幅值等间隔多波长光源的卫星频谱感知方法及系统，基于等幅值等间隔多波长的卫星频谱感知方法将光子技术引入到卫星导航电域的频谱感知技术中，采用等幅值、等间隔、多频率波长作为光源，在每个光波长上均实现一个微波频率信道感知，同时结合I/Q解调技术，以实现射频信号的高精度感知和处理，本发明在一个光路上完成并行多通道微波频率感知，极大地降低了系统的体积和复杂度，适用于卫星导航系统中对于星上系统模块的体积、重量和功耗的严格要求，突破传统电域感知器件对导航系统附近频段损耗的限制，解决卫星导航系统超宽带多信号感知处理的问题。

Description

一种基于等幅值等间隔多波长光源的卫星频谱感知方法及 系统
技术领域
本发明涉及卫星导航系统抗干扰与兼容互操作领域，由于太空工作环境非常严酷，卫星导航系统对体积和重量有严格的限制等原因，特别涉及一种基于等幅值等间隔多波长光源的并行通道卫星感知方法及系统。
背景技术
全球卫星导航系统(GNSS)是各国为了军事或民用目的，而发展的一套使用卫星提供位置与时间的系统，由于卫星导航在国家安全和经济与社会发展中有着不可或缺的重要作用，所以世界各主要大国都竞相发展独立自主的卫星导航系统。
因为全球卫星导航系统信号有低功率，覆盖面广的特点，卫星仅能以十瓦特的能量在超过地球表面20,000km的范围传送每种信号，这些能量被分散在比地球更大的区域，造成接受的信号能量明显少于一毫微瓦特的数量级，比接收机内噪声产生的能量还低，导致GNSS系统对复杂环境具有较强的易感染性。在提供精确导航服务的同时，如何提供复杂环境感知能力，避免干扰和欺骗，提高卫星导航系统整体的稳健性，已成为亟待解决的问题。卫星导航系统在避免干扰和欺骗上提出的主要技术手段，在空间段主要是点波束天线增强，在地面终端包括数字调零天线等技术，提高了系统的适应性和鲁棒性，但这些技术不能根据复杂环境的变化，动态地进行相应性能配置的切换，智能化能力尚显不足。
从国际电报联盟(ITU)给出的频谱划分可见，当前的卫星导航频率空间已经非常拥挤，四大卫星导航系统有的频段部分重叠，有的完全重叠，除了GLONASS的频段没有明显重叠之外，其它三个系统有的频段部分重叠，有的完全重叠，因此，卫星导航信号相互之间的干扰不可避免。虽然新的导航信号设计体制提供了缓解卫星导航信号互干扰的方法，但从长远看不能从根本解决卫星导航信号兼容性问题。
以认知无线电、认知雷达为代表的认知技术的出现为卫星导航系统解决上述问题提供了新的思路。一方面使传统的卫星导航系统具有了环境感知能力，系统在突发干扰来到时可以进行有效躲避，具有很强的抗干扰性。另一方面旨在变革传统卫星导航系统的固定频谱资源的应用模式，导航用户(包括主用户、次用户)通过该技术提高了频谱利用率。无论是用于抗干扰还是提高兼容性，对周围频谱环境感知、寻找可用频谱空穴是所有后续工作的基础。
与此同时，随着现代空间信息网络技术的不断发展，频谱资源的使用日趋频繁，频谱资源的紧缺是限制现代卫星服务应用持续发展的瓶颈。现代卫星信息网络的频谱环境复杂性远甚地面通信网。传统的频谱管理方式是选择固定的频段进行通信，这就要求保证此频段在地球的所有位置都相对干净。且由于卫星和地面手持终端的功率限制，不能使用过高的传输频率。当前主流的LEO系统及支持手持终端的GEO系统，用户链路频段主要集中在200MHz-2GHz之间，这一频段同对也是地面设备使用密集的频率空间。而且多个卫星系统集中在这个频段内就必须保证相互之间的干扰比较小。因此，频谱利用的混乱和无线电环境的复杂对新的卫星网络频谱管理方案提出了要求。
目前针对频谱资源优化的研究都是基于认知无线电在电域上进行的，但是面对未来宽带高频信号，由于相关高频电子器件的带宽和速率的限制，电域上的处理技术就显得有些力不从心。在光域上实现全波段资源可重构优化在国际上仍处于空白，目前还没有相关文献涉及到该领域的研究，光域上的频谱资源优化研究将有效的克服因“电子瓶颈”所带来的不足，更加高速度、低成本地实现频谱的感知及优化。
基于电域的频谱感知技术由于受到高频电路响应时间的“电子瓶颈”的限制，在对这些宽带信号的频谱进行感知时必然会产生延时，从而直接影响到卫星导航系统的传输速率；其次，基于电域的频谱感知技术在处理如此宽带宽、高频率的信号时，需要具有匹配各种频带的高灵敏度接收机等一系列极高频电器件，这无疑在大大增加了难度与成本的同时增加了频谱感知模块的体积与重量，而卫星系统中对于星上模块的体积、重量和功耗极度敏感。因此，寻求一种新的技术来取代电域中的频谱感知技术从而实现高带宽、高集成的频谱感知及优化就显得极为迫切。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于等幅值等间隔多波长光源的卫星频谱感知方法及系统，本发明将光子技术引入到卫星导航电域的频谱感知技术中，提出采用等幅值、等间隔、多频率波长作为光源，在每个光波长上均实现一个微波频率信道感知，同时结合I/Q解调技术，以实现射频信号的高精度感知和处理，本专利方法可在一个光路上完成并行多通道微波频率感知，极大地降低了系统的体积和复杂度，适用于卫星导航系统中对于星上系统模块的体积、重量和功耗的严格要求。在导航卫星上系统模块的体积、重量和功耗受限的条件下，采用光子辅助的卫星频谱感知方法在光域上对微波信号进行包括滤波或者下变频在内的处理，突破传统电域感知器件对导航系统附近频段损耗的限制，解决卫星导航系统超宽带多信号感知处理的问题。
本发明解决的技术方案为：一种基于等幅值等间隔多波长光源的卫星频谱感知方法，如图10所示，步骤如下：
(1)构建相位调制器与强度调制器的级联模型和偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，根据相位调制器与强度调制器的级联模型和偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，得出实现平坦等幅值等间隔多频率模型，光信号进入实现平坦等幅值等间隔多频率模型，依次进行偏振调制、强度调制、相位调制，使输入光信号的频谱被周期性展开，最后进行强度调制，得到等幅值、等间隔的多频率光载波信号；
(2)将微波信号调制到步骤(1)得到的等幅值、等间隔的多频率光载波信号上；
(3)进行I/Q解调，实现对步骤(2)调制后的信号进行幅度和相位的线性解调，从而在一个光路上完成并行多通道微波频率高精度感知。
步骤(1)构建相位调制器与强度调制器的级联模型，具体如下：
相位调制器与强度调制器的级联模型，包括：依次连接的第一相位调制器PM1、第二强度调制器PM2、第一强度调制器IM1、第二强度调制器IM2，还包括：与PM1连接的第一微波移相器PS1、与PM2连接的第二微波移相器PS2，与IM1连接的第三微波移相器，与IM2连接的PS4移相器，CW光分别经过两个相位调制器PM和两个强度调制器IM；经过相位调制器，将时域信号的波形映射到频域上，经过强度调制器实现对脉冲的顶部平坦。
步骤(1)构建偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，具体如下：
偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，包括：依次连接的第一偏振控制器PC1、偏振调制器PolM、第二偏振控制器PC2、检偏器Pol；直流光通过第一偏振控制器PC1，进入偏振调制器PolM，将该光信号通过第二个偏振控制器PC2输入到一个检偏器Pol中，通过检偏器，实现偏振调制后的光信号由偏振调制到强度调制的转换，最终在光谱上生成有平坦的光谱波长。
步骤(1)根据相位调制器与强度调制器的级联模型和偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，得出实现平坦等幅值等间隔多频率模型，具体如下：
根据相位调制器和偏振调制器级联对光谱的影响，将偏振调制器与相位调制器将偏振调制器作为一个整体，得出实现平坦等幅值、等间隔、多频率模型，该模型包括：依次连接的第一偏振控制器PC1、偏振调制器PolM、第二偏振控制器PC2、检偏器Pol、第三偏振控制器PC3、第一强度调制器PM1和第一相位控制器IM1；还包括：与第一强度调制器连接的第一微波移相器PS1，与第一相位调制器链接的第二微波移相器PS2；
光信号通过第一个偏振控制器进入到偏振调制器PolM，偏振调制器通过射频RF信号调制，输出光通过第二个偏振控制器，在通过检偏器Pol时，检偏器使信号由偏振调制转化为强度调制，检偏器的输出光通过第三个偏振控制器输入到相位调制器PM中，使输入光的频谱被周期性的展开，从而形成等间隔的多频率，相位调制器的输出信号输入到强度调制器中，对产生的多频率进行整形，得到等幅值、等间隔的多频率光信号。
步骤(2)将微波信号调制到步骤(1)得到的等幅值、等间隔的多频率光载波信号上，具体如下：
通过外置的电光调制器将微波信号调制到光载波信号上，选用马赫一曾德尔调制器MZM进行调制。
马赫一曾德尔调制器MZM是由一个铌酸锂的衬底和共面型相位调制器组成，在调制器中，两个分支的相位调制和基材的电光特性有关，每一个分支的相位变化转为输出光功率的相位变化，假设Y型分支具有理想的3dB特性，则输出光信号为：
Figure GDA0001922459210000051
式中，Φ1和Φ2分别为上、下两臂所引入的光信号总相移；
Figure GDA0001922459210000052
和
Figure GDA0001922459210000053
分别为两条臂引入的固定相移；Eout(t)表示输出光信号相位，Ein表示输入光信号相位，输出光信号功率为：
Figure GDA0001922459210000054
式中，Iout表示输出光信号功率，Iin表示输入光信号功率；
故MZM的强度传输响应函数为：
Figure GDA0001922459210000055
步骤(3)通过基于同一连续光源的载波光谱和本振光谱的信号正交解调模型进行I/Q解调，实现对步骤(2)调制后的信号进行幅度和相位的线性解调，从而在一个光路上完成并行多通道微波频率高精度感知，具体如下：
先进行相干接收，即在接收端通过光电探测器将步骤(2)调制后的信号接收下来，接收到的光载波信号首先通过一个光耦合器与一个相干本振信号进行相干耦合，然后光耦合器的两个输出端与平衡探测器连接，将相干耦合后的光信号送入平衡探测器进行探测；
经过探测以后的电信号没有直流分量，通过相干接收抑制共模噪声，同时转换后的光电流强度与信号光幅度和本振光幅度成正比，通过增加本振光的光功率来提高接收端的中频信号的强度，实现对更低功率的信号光的检测；在相干接收的基础上，通过使用90°光混合耦合器以及两套平衡探测器，实现对光载信号的完全解调，本振光和信号光都输入到90°光混合耦合器中，得到理想的光耦合器的输出光场；通过I/Q解调的方式，在数字域对信号进行灵活的处理，实现对幅度调制和相位调制的信号进行线性解调。
相干接收时，根据本振信号与接收信号载波的频率是否相同，将相干接收分为零差检测和外差检测两种接收方式。
零差检测的本振光频率与信号光频率相同，通过光电转换后光载信号会直接转换到基带上，但是这种检测方式要求本振光与信号光相位锁定，同时该方式对平衡探测器的平衡度也有着很高的要求。
外差检测的本振光频率与信号光频率不同，通过光电转换后光载信号会首先下变频到中频上，此时需要对中频信号进行二次基带解调。
一种基于等幅值等间隔多波长光源的卫星频谱感知系统，包括：光载波信号获得模块、调制模块和线性解调模块；
光载波信号获得模块，构建相位调制器与强度调制器的级联模型和偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，根据相位调制器与强度调制器的级联模型和偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，得出实现平坦等幅值等间隔多频率模型，光信号进入实现平坦等幅值等间隔多频率模型，依次进行偏振调制、强度调制、相位调制，使输入光信号的频谱被周期性展开，最后进行强度调制，得到等幅值、等间隔的多频率光载波信号；
调制模块，将微波信号调制到步骤(1)得到的等幅值、等间隔的多频率光载波信号上；
线性解调模块，进行I/Q解调，实现对步骤(2)调制后的信号进行幅度和相位的线性解调，从而在一个光路上完成并行多通道微波频率高精度感知。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明由于采用光子技术进行卫星导航电域的频谱感知，将等幅值、等间隔、多频率波长作为光源，结合I/Q解调技术，在一个光路上完成并行多通道微波频率高精度感知和处理，可极大降低系统的体积和复杂度，适用于卫星导航系统。
(2)本发明基于相位调制器、强度调制器与偏振调制器的级联模式，构建混合调制器级联模式输出光谱信号模型，对产生的多频率进行整形，得到等幅值、等间隔的多频率光信号。通过相干接收与IQ正交解调进行多通道并行感知处理。
(3)本发明基于相位调制器、强度调制器与偏振调制器的级联模式，构建混合调制器级联模式输出光谱信号模型，主要分为基于相位调制器与强度调制器的级联模式与偏振调制器与检偏器输出光谱的模式两种进行分析。
(4)本发明基于相干接收与IQ正交解调进行多通道并行感知处理，在相干接收系统中，接收到的光载信号首先通过一个光耦合器与一个相干本振信号进行相干耦合。然后光耦合器的两个输出端与平衡探测器连接，将相干耦合后的光信号送入平衡探测器进行探测。经过平衡探测器的光电转换后，得到I路和Q路下变频到中频的电信号。
(5)本发明基于相位调制器与强度调制器的级联模式，依次连接PM1、PM2、IM1、IM2。CW光分别经过两个相位调制器(PM)和两个强度调制器(IM)。经过相位调制器，将时域信号的波形映射到频域上，经过强度调制器实现对脉冲的顶部平坦。
(6)本发明通过偏振调制器与检偏器输出光谱的模型依次连接PC1、PoMI、PC2、检偏器Pol。直流光通过PC1，进入(PolM)，将该光信号通过PC2输入到检偏器Pol中，实现偏振调制后的光信号由偏振调制到强度调制的转换，最终在光谱上生成有平坦的光谱波长。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图2为本发明的相位调制器和强度调制器的级联模式；
图3为本发明的偏振调制器级联模式；
图4为本发明的混合调制器级联模式；
图5为本发明的MZM传输特性；
图6为本发明的抑制载波单边带调制原理图；
图7为本发明的相干接收原理图；
图8为本发明的IQ正交检测原理图；
图9为本发明的方法验证输出信号的频谱图；
图10为本发明的方法流程图。
具体实施方式
本发明一种基于等幅值等间隔多波长光源的卫星频谱感知方法及系统，基于等幅值等间隔多波长的卫星频谱感知方法将光子技术引入到卫星导航电域的频谱感知技术中，采用等幅值、等间隔、多频率波长作为光源，在每个光波长上均实现一个微波频率信道感知，同时结合I/Q解调技术，以实现射频信号的高精度感知和处理，本发明在一个光路上完成并行多通道微波频率感知，极大地降低了系统的体积和复杂度，适用于卫星导航系统中对于星上系统模块的体积、重量和功耗的严格要求，突破传统电域感知器件对导航系统附近频段损耗的限制，解决卫星导航系统超宽带多信号感知处理的问题。
本发明解决了目前针对频谱资源优化的研究都是基于认知无线电在电域上进行的，但是面对未来宽带高频信号，由于相关高频电子器件的带宽和速率的限制，电域上的处理技术就显得有些力不从心的问题。在光域上实现全波段资源可重构优化在国际上仍处于空白，目前还没有相关文献涉及到该领域的研究，光域上的频谱资源优化研究将有效的克服因“电子瓶颈”所带来的不足，更加高速度、低成本地实现频谱的感知及优化。
基于电域的频谱感知技术由于受到高频电路响应时间的“电子瓶颈”的限制，在对这些宽带信号的频谱进行感知时必然会产生延时，从而直接影响到卫星导航系统的传输速率；其次，基于电域的频谱感知技术在处理如此宽带宽、高频率的信号时，需要具有匹配各种频带的高灵敏度接收机等一系列极高频电器件，这无疑在大大增加了难度与成本的同时增加了频谱感知模块的体积与重量，而卫星系统中对于星上模块的体积、重量和功耗极度敏感。因此，寻求一种新的技术来取代电域中的频谱感知技术从而实现高带宽、高集成的频谱感知及优化就显得极为迫切。
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于等幅值等间隔多波长光源的卫星频谱感知方法。如图1所示，本发明由等幅值、等间隔、多频率波长光源与多通道I/Q正交解调组成。其中，等幅值、等间隔、多频率波长光源采用基于相位调制器、强度调制器与偏振调制器的混合级联模式，构建混合调制器级联模式输出光谱信号模型，通过对产生的多频率进行整形，得到等幅值、等间隔的多频率光信号。
基于相位调制器和强度调制器的级联模式如图2所示，图2中CWL为连续波长激光器，PS为微波移相器，PM为相位调制器，IM为强度调制器，MS为正弦波发生器。依次连接PM1、PM2、IM1、IM2，还包括与PM1连接的S1与PM2连接的PS2，与IM1连接的PS3与IM2连接的PS4移相器。CW光分别经过两个相位调制器(PM)和两个强度调制器(IM)。经过相位调制器，将时域信号的波形映射到频域上，经过强度调制器实现对脉冲的顶部平坦。
式(2)可以利用贝塞尔函数展开，展开后可以表示为：
Figure GDA0001922459210000101
该式进一步简化为：
Figure GDA0001922459210000102
由此公式可以清楚的看出，由正弦射频信号驱动的相位调制器能够产生多波长光信号。当级联多个相位调制器时可以得到：
Figure GDA0001922459210000103
RN＝R1+R2+…+Rn，因此n个相位调制器级联的效果可以视为单个相位调制器，但是相位调制系数增大了，因此可以产生更多的光边带，解决单个射频输入幅度不够大的问题。但是只是级联多个相位调制器，不能产生平坦的光子载波，因此需要一个级联强度调制器，通过调节强度调制器的直流偏置和射频调制系数使得产生的光子载波平坦。生成的多载波表达式如下所示：
Figure GDA0001922459210000104
基于偏振调制器的级联模式如图3所示，直流光通过第一偏振控制器PC1，进入偏振调制器(PolM)，将该光信号通过第二个偏振控制器(PC2)输入到一个检偏器(Pol)中，通过检偏器，可以实现偏振调制后的光信号由偏振调制到强度调制的转换，最终在光谱上生成有平坦的光谱波长。经过偏振分束器的光信号可以表达为式(3)。由于直流电源稳定性的差异会造成实验结果的恶化，所以一般采用通过控制PC2来控制在偏振调制器的两臂上引入的固定相位差
Figure GDA0001922459210000111
加上相位差
Figure GDA0001922459210000112
后的表达式为：
Figure GDA0001922459210000113
将该光信号通过第二个偏振控制器(PC2)输入到一个检偏器(Pol)中，通过检偏器，可以实现偏振调制后的光信号由偏振调制到强度调制的转换，转换后的光场强表达式可以表示为：
Figure GDA0001922459210000114
其中，θ1为偏振调制器(PolM)一个轴与检偏器主轴的夹角，θ1可以通过控制后面的偏振控制器(PC2)来改变其大小。
根据贝塞尔公式，可以将式(10)展开为下式：
Figure GDA0001922459210000115
Jk(·)为贝塞尔展开式的第k项系数；
将式(13)输出光强的载波、±1阶项和±2阶项的表达式：
Figure GDA0001922459210000116
Figure GDA0001922459210000117
Figure GDA0001922459210000118
令
J0(β1)＝J2(β1)
(18)
|J0(A)[cosα1+sinα1exp(jφ1)]|＝|J1(A)[cosα1_sinα1exp(jφ1)]| (19)
即
Figure GDA0001922459210000119
即可使得一阶分量和二阶分量、载波分量幅度相等，若令
Figure GDA0001922459210000121
可以得到下式：
Figure GDA0001922459210000122
当式(14)与式(19)同时满足时，便可得到下式：
|Eo0|＝|Eo1|＝|Eo-1|＝|Eo2|＝|Eo-2| (23)
式(23)即为输出光信号的载波项、±1阶项和±2阶项功率相等的表达式，光谱上则表现为有平坦的光谱波长出现。
基于相位调制器、强度调制器与偏振调制器的混合级联模式如图4所示，图中PC1、PC2、PC3为偏振控制器，PolM为偏振调制器，RF为射频信号发生器，PS为移相器，Pol为检偏器，PM为相位调制器，IM为强度调制器
由于射频信号对光载波的两个垂直偏振态进行了相位相反的相位调制，并引入一个相位差，其输出可以由下式表示
Figure GDA0001922459210000123
式中Ex1、Ex2为两个正交轴上的光场强分量，
Figure GDA0001922459210000124
为输入偏振光两个正交轴之间的相位差，ω0为光载波的频率，ωw为射频调制信号的频率，α1＝πVp/Vπ为调制系数，Vp为正弦调制信号的幅度，Vπ为偏振调制器的半波电压。
当偏振调制器输出的已调制光信号经过第二个偏振控制器(PC2)通过检偏器(Pol)时，检偏器会使信号发生由偏振调制向强度调制的转化，检偏器的输出表达式为：
Figure GDA0001922459210000125
式中，θ为检偏器的主轴与输入偏振光的一个轴之间的夹角。
将检偏器输出的光信号经过第三个偏振控制器(PC3)和相位调制器(PM1)，并由经过一定相移后的射频(RF)信号进行相位调制，相位调制的公式为：
Eout＝Einexp(jαcosω0t) (26)
其中Ein为输入光载波信号，ω0为正弦信号的频率，β＝πV/Vπ为调制系数，V为正弦信号的幅度，Vπ为相位调制器的半波电压。
由式(26)可知，经过相位调制器后的输出为：
Eo2＝Eo1exp(jα2cosω0t) (27)
式中α2为相位调制器的调制系数，将式(27)进行贝塞尔展开，可以得到下式：
Figure GDA0001922459210000131
式中Jn(·)为贝塞尔展开式的第n项系数，由式(28)可以看出，最终表达式中有四个可调参数
Figure GDA0001922459210000132
通过合理控制这四个参数便可以得到平坦等幅值、等间隔、多频率。
MZM调制器是由一个铌酸锂的衬底和共面型相位调制器组成。在这种调制器中，两个分支的相位调制和基材的电光特性有关，每一个分支的相位变化转为输出光功率的相位变化。假设Y型分支具有理想的3dB特性，则输出光信号为：
Figure GDA0001922459210000133
式中：
Figure GDA0001922459210000134
Figure GDA0001922459210000135
Φ1和Φ2为上下两臂所引入的光信号总相移；
Figure GDA0001922459210000136
和
Figure GDA0001922459210000137
为两条臂引入的固定相移；ΔΦ1和ΔΦ2表示两条臂上分别由射频电信号V1(t)和V2(t)引起的相位变化；Vπ为相位调制器产生相位为π时的电压，假设两个臂的Vπ相同。
输出光信号功率为：
Figure GDA0001922459210000141
故MZM的强度传输响应函数为：
Figure GDA0001922459210000142
为了得到所需的调制方式，MZM一般会加载直流偏置到两条臂上。直流偏置同样可以改变调制器内光波导部分的折射率,从而在两条臂上分别引入额外的固定相移。为了表示方便,将这部分额外的固定相移包含在
Figure GDA0001922459210000143
和
Figure GDA0001922459210000144
两个量中，并设
Figure GDA0001922459210000145
Figure GDA0001922459210000146
表示在加载直流偏置但不加载任何射频信号的条件下两条臂之间的固定相移差。式(31)可写为：
Figure GDA0001922459210000147
在两臂分别加载两个独立调制信号V1(t)和V2(t)的情况下，为强度传输函数的通用表达式.
MZM传输曲线如图5所示。MZM典型的强度传输响应相对于电压值表现为升余弦函数特性,并且
Figure GDA0001922459210000148
决定了MZM的调制区域，
Figure GDA0001922459210000149
又由直流偏置电压决定，因此设置不同的直流偏置点,信号处于不同的调制区域。方案为了抑制MZM的非线性现象，通过调节信号的峰值电压和MZM的直流偏置电压，使加载的信号落在MZM功率传输函数的正交位置，即-Vπ/2处，并控制调制深度在一定的范围内，使得MZM工作在线性度高的区域，实现非线性效应的抑制。
抑制载波单边带调制原理如图6所示。从分布式反馈(DFB)激光器产生的连续波(CW)分成两路，每一路输入到双驱MZM调制器中。产生的连续波表示为:
Figure GDA00019224592100001410
其中，P表示CW的平均功率，ωc＝2πfc为光载波的中心频率。射频驱动信号为:
V(t)＝VRFsinωRFt·S(t) (34)
其中VRF为射频信号的幅度，ωRF为射频信号频率，S(t)表示要传输的基带信号。两个MZM都偏置在最大输出工作点，两个调制器相位偏移为45°。每一个MZM由两个互补信号驱动，上下两支路MZM的输出光信号表示为:
Figure GDA0001922459210000151
Figure GDA0001922459210000152
其中β＝πVRF/Vπ为调制因子，β′＝πVRFS(t)/Vπ＝βS(t).基于贝塞尔展开，方程(35)与方程(36)可表示为:
Figure GDA0001922459210000153
Figure GDA0001922459210000154
其中Jn(n＝0,1,2,....)为第一类贝塞尔函数的n阶项，我们可以通过优化β来获得最佳性能。当β取π/2时，两个输入信号可表示为:
Figure GDA0001922459210000155
Figure GDA0001922459210000156
输出信号可表示为:
Figure GDA0001922459210000157
相干接收的原理如图7所示。单模光纤的传输模式是基模HE11模，接收机接收到的信号光可由下式表示：
Figure GDA0001922459210000161
式中Ar,ωr和φr分别是信号光的幅度、频率和相位。而本振光的光场可由下式表达：
Elo＝Aloexp(jωlot) (43)
其中Alo,ωlo和φlo分别是本振光的幅度、频率和相位。通过偏振控制器保证信号光和本振光偏振态相同。本振光和信号光都输入到3dB 180°光耦合器中，那么耦合器的输出光场可以表达为：
Figure GDA0001922459210000162
由公式(41)我们可以得到耦合器的输出光场分别为：
Figure GDA0001922459210000163
平衡探测器的上下两臂的光电流信号可以表示为：
Figure GDA0001922459210000164
那么经过平衡探测器的光电转换后，我们可以得到下变频到中频或者基带的电信号为：
Figure GDA0001922459210000165
从上式我们可以看到经过平衡探测以后的电信号没有直流分量，因此通过相干接收可以抑制共模噪声。同时转换后的光电流强度与信号光幅度和本振光幅度成正比，因此可以通过增加本振光的光功率来提高接收端的中频信号的强度，从而实现对更低功率的信号光的检测，因此相干接收具有更高的灵敏度。
IQ正交检测的原理如图8所示。信号光和本振光的表达式如公式40和41所示。本振光和信号光都输入到90°光混合耦合器中，理想的光耦合器的输出光场为：
Figure GDA0001922459210000171
我们可以得到光混合耦合器的输出光场为：
Figure GDA0001922459210000172
那么经过平衡探测器的光电转换后，我们可以得到I路和Q路下变频到中频的电信号为：
Figure GDA0001922459210000173
然后将两路信号分别进行数字化，然后在数字域上将两路信号进行处理，首先将两路信号整合成复数形式：
Figure GDA0001922459210000174
接着通过提取相位角的方式对相位信息进行严格线性解调：
L＝Im[ln[i(t)]] (52)
通过I/Q解调的方式，可以在数字域对信号进行灵活的处理，实现对幅度调制和相位调制的信号进行线性解调。
一种基于等幅值等间隔多波长光源的卫星频谱感知系统，包括：光载波信号获得模块、调制模块和线性解调模块；
光载波信号获得模块，构建相位调制器与强度调制器的级联模型和偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，根据相位调制器与强度调制器的级联模型和偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，得出实现平坦等幅值等间隔多频率模型，光信号进入实现平坦等幅值等间隔多频率模型，依次进行偏振调制、强度调制、相位调制，使输入光信号的频谱被周期性展开，最后进行强度调制，得到等幅值、等间隔的多频率光载波信号；
调制模块，将微波信号调制到步骤(1)得到的等幅值、等间隔的多频率光载波信号上；
线性解调模块，进行I/Q解调，实现对步骤(2)调制后的信号进行幅度和相位的线性解调，从而在一个光路上完成并行多通道微波频率高精度感知。
优选实施例如下：
一个连续光(优选中心波长为1550.83nm，优选线宽小于1kHz，输出光功率为15dBm)通过马赫曾德尔调制器调制上一个优选频率为17GHz的正弦信号(fc＝17GHz)。然后通过可编程光滤波器来分开两个频率间隔34GHz的边带，为后面调制提供相干的种子光。然后每个种子光注入两个级联相位调制器上。相位调制器上分别调制上优选频率为39.5GHz或者40GHz的射频信号。如图9所示，验证了基于等幅值等间隔多波长光源的卫星频谱感知方法的相干下变频和I/Q解调，实现了优选的7信道，500MHz信道间隔，优选频率覆盖范围3.75GHz到7.25GHz的信道化接收机，测频精度高达125kHz，并且可以实现对多个频点信号的测量。
本发明由于采用光子技术进行卫星导航电域的频谱感知，将等幅值、等间隔、多频率波长作为光源，结合I/Q解调技术，在一个光路上完成并行多通道微波频率高精度感知和处理，可极大降低系统的体积和复杂度，适用于卫星导航系统。
本发明基于相位调制器、强度调制器与偏振调制器的级联模式，构建混合调制器级联模式输出光谱信号模型，主要分为基于相位调制器与强度调制器的级联模式与偏振调制器与检偏器输出光谱的模式两种进行分析。
基于相干接收与IQ正交解调进行多通道并行感知处理，在相干接收系统中，接收到的光载信号首先通过一个光耦合器与一个相干本振信号进行相干耦合。然后光耦合器的两个输出端与平衡探测器连接，将相干耦合后的光信号送入平衡探测器进行探测。经过平衡探测器的光电转换后，得到I路和Q路下变频到中频的电信号。
本发明基于相位调制器与强度调制器的级联模式，依次连接PM1、PM2、IM1、IM2。CW光分别经过两个相位调制器(PM)和两个强度调制器(IM)。经过相位调制器，将时域信号的波形映射到频域上，经过强度调制器实现对脉冲的顶部平坦。通过偏振调制器与检偏器输出光谱的模型依次连接PC1、PoMI、PC2、检偏器Pol。直流光通过PC1，进入(PolM)，将该光信号通过PC2输入到检偏器Pol中，实现偏振调制后的光信号由偏振调制到强度调制的转换，最终在光谱上生成有平坦的光谱波长。
基于相位调制器、强度调制器与偏振调制器的级联模式，构建混合调制器级联模式输出光谱信号模型，对产生的多频率进行整形，得到等幅值、等间隔的多频率光信号。通过相干接收与IQ正交解调进行多通道并行感知处理。

Claims (2)

1.一种基于等幅值等间隔多波长光源的卫星频谱感知方法，其特征在于步骤如下：
(1)构建相位调制器与强度调制器的级联模型和偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，根据相位调制器与强度调制器的级联模型和偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，得出实现平坦等幅值等间隔多频率模型，光信号进入实现平坦等幅值等间隔多频率模型，依次进行偏振调制、强度调制、相位调制，使输入光信号的频谱被周期性展开，最后进行强度调制，得到等幅值、等间隔的多频率光载波信号；
构建相位调制器与强度调制器的级联模型，具体如下：
相位调制器与强度调制器的级联模型，包括：依次连接的第一相位调制器PM1、第二强度调制器PM2、第一强度调制器IM1、第二强度调制器IM2，还包括：与PM1连接的第一微波移相器PS1、与PM2连接的第二微波移相器PS2，与IM1连接的第三微波移相器，与IM2连接的PS4移相器，CW光分别经过两个相位调制器PM和两个强度调制器IM；经过相位调制器，将时域信号的波形映射到频域上，经过强度调制器实现对脉冲的顶部平坦；
构建偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，具体如下：
偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，包括：依次连接的第一偏振控制器PC1、偏振调制器PolM、第二偏振控制器PC2、检偏器Pol；直流光通过第一偏振控制器PC1，进入偏振调制器PolM，将该光信号通过第二个偏振控制器PC2输入到一个检偏器Pol中，通过检偏器，实现偏振调制后的光信号由偏振调制到强度调制的转换，最终在光谱上生成有平坦的光谱波长；
根据相位调制器与强度调制器的级联模型和偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，得出实现平坦等幅值等间隔多频率模型，具体如下：
根据相位调制器和偏振调制器级联对光谱的影响，将偏振调制器与相位调制器将偏振调制器作为一个整体，得出实现平坦等幅值、等间隔、多频率模型，该模型包括：依次连接的第一偏振控制器PC1、偏振调制器PolM、第二偏振控制器PC2、检偏器Pol、第三偏振控制器PC3、第一强度调制器PM1和第一相位控制器IM1；还包括：与第一强度调制器连接的第一微波移相器PS1，与第一相位调制器连接的第二微波移相器PS2；
光信号通过第一个偏振控制器进入到偏振调制器PolM，偏振调制器通过射频RF信号调制，输出光通过第二个偏振控制器，在通过检偏器Pol时，检偏器使信号由偏振调制转化为强度调制，检偏器的输出光通过第三个偏振控制器输入到相位调制器PM中，使输入光的频谱被周期性的展开，从而形成等间隔的多频率，相位调制器的输出信号输入到强度调制器中，对产生的多频率进行整形，得到等幅值、等间隔的多频率光信号；
(2)将微波信号调制到步骤(1)得到的等幅值、等间隔的多频率光载波信号上，具体如下：
通过外置的电光调制器将微波信号调制到光载波信号上，选用马赫一曾德尔调制器MZM进行调制；
马赫一曾德尔调制器MZM是由一个铌酸锂的衬底和共面型相位调制器组成，在调制器中，两个分支的相位调制和基材的电光特性有关，每一个分支的相位变化转为输出光功率的相位变化，假设Y型分支具有理想的3dB特性，则输出光信号为：
Figure FDA0003119662400000021
式中，Φ1和Φ2分别为上、下两臂所引入的光信号总相移；Eout表示输出光信号，Ein表示输入光信号，输出光信号功率为：
Figure FDA0003119662400000022
式中，Iout表示输出光信号功率，Iin表示输入光信号功率；
故MZM的强度传输响应函数为：
Figure FDA0003119662400000031
(3)进行I/Q解调，实现对步骤(2)调制后的信号进行幅度和相位的线性解调，从而在一个光路上完成并行多通道微波频率高精度感知，具体如下：
先进行相干接收，即在接收端通过光电探测器将步骤(2)调制后的信号接收下来，接收到的光载波信号首先通过一个光耦合器与一个相干本振信号进行相干耦合，然后光耦合器的两个输出端与平衡探测器连接，将相干耦合后的光信号送入平衡探测器进行探测；
经过探测以后的电信号没有直流分量，通过相干接收抑制共模噪声，同时转换后的光电流强度与信号光幅度和本振光幅度成正比，通过增加本振光的光功率来提高接收端的中频信号的强度，实现对更低功率的信号光的检测；在相干接收的基础上，通过使用90°光混合耦合器以及两套平衡探测器，实现对光载信号的完全解调，本振光和信号光都输入到90°光混合耦合器中，得到理想的光耦合器的输出光场；通过I/Q解调的方式，在数字域对信号进行灵活的处理，实现对幅度调制和相位调制的信号进行线性解调；
相干接收时，根据本振信号与接收信号载波的频率是否相同，将相干接收分为零差检测和外差检测两种接收方式；
零差检测的本振光频率与信号光频率相同，通过光电转换后光载信号会直接转换到基带上，这种检测方式要求本振光与信号光相位锁定；
外差检测的本振光频率与信号光频率不同，通过光电转换后光载信号会首先下变频到中频上，此时需要对中频信号进行二次基带解调。
2.一种基于等幅值等间隔多波长光源的卫星频谱感知系统，其特征在于包括：光载波信号获得模块、调制模块和线性解调模块；
光载波信号获得模块，构建相位调制器与强度调制器的级联模型和偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，根据相位调制器与强度调制器的级联模型和偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，得出实现平坦等幅值等间隔多频率模型，光信号进入实现平坦等幅值等间隔多频率模型，依次进行偏振调制、强度调制、相位调制，使输入光信号的频谱被周期性展开，最后进行强度调制，得到等幅值、等间隔的多频率光载波信号；
构建相位调制器与强度调制器的级联模型，具体如下：
相位调制器与强度调制器的级联模型，包括：依次连接的第一相位调制器PM1、第二强度调制器PM2、第一强度调制器IM1、第二强度调制器IM2，还包括：与PM1连接的第一微波移相器PS1、与PM2连接的第二微波移相器PS2，与IM1连接的第三微波移相器，与IM2连接的PS4移相器，CW光分别经过两个相位调制器PM和两个强度调制器IM；经过相位调制器，将时域信号的波形映射到频域上，经过强度调制器实现对脉冲的顶部平坦；
构建偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，具体如下：
偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，包括：依次连接的第一偏振控制器PC1、偏振调制器PolM、第二偏振控制器PC2、检偏器Pol；直流光通过第一偏振控制器PC1，进入偏振调制器PolM，将该光信号通过第二个偏振控制器PC2输入到一个检偏器Pol中，通过检偏器，实现偏振调制后的光信号由偏振调制到强度调制的转换，最终在光谱上生成有平坦的光谱波长；
根据相位调制器与强度调制器的级联模型和偏振调制器与检偏器输出光谱的模型，得出实现平坦等幅值等间隔多频率模型，具体如下：
根据相位调制器和偏振调制器级联对光谱的影响，将偏振调制器与相位调制器将偏振调制器作为一个整体，得出实现平坦等幅值、等间隔、多频率模型，该模型包括：依次连接的第一偏振控制器PC1、偏振调制器PolM、第二偏振控制器PC2、检偏器Pol、第三偏振控制器PC3、第一强度调制器PM1和第一相位控制器IM1；还包括：与第一强度调制器连接的第一微波移相器PS1，与第一相位调制器连接的第二微波移相器PS2；
光信号通过第一个偏振控制器进入到偏振调制器PolM，偏振调制器通过射频RF信号调制，输出光通过第二个偏振控制器，在通过检偏器Pol时，检偏器使信号由偏振调制转化为强度调制，检偏器的输出光通过第三个偏振控制器输入到相位调制器PM中，使输入光的频谱被周期性的展开，从而形成等间隔的多频率，相位调制器的输出信号输入到强度调制器中，对产生的多频率进行整形，得到等幅值、等间隔的多频率光信号；
调制模块，将微波信号调制到等幅值、等间隔的多频率光载波信号上；将微波信号调制到步等幅值、等间隔的多频率光载波信号上，具体如下：
通过外置的电光调制器将微波信号调制到光载波信号上，选用马赫一曾德尔调制器MZM进行调制；
马赫一曾德尔调制器MZM是由一个铌酸锂的衬底和共面型相位调制器组成，在调制器中，两个分支的相位调制和基材的电光特性有关，每一个分支的相位变化转为输出光功率的相位变化，假设Y型分支具有理想的3dB特性，则输出光信号为：
Figure FDA0003119662400000051
式中，Φ1和Φ2分别为上、下两臂所引入的光信号总相移；Eout表示输出光信号，Ein表示输入光信号，输出光信号功率为：
Figure FDA0003119662400000052
式中，Iout表示输出光信号功率，Iin表示输入光信号功率；
故MZM的强度传输响应函数为：
Figure FDA0003119662400000053
线性解调模块，进行I/Q解调，实现对调制后的信号进行幅度和相位的线性解调，从而在一个光路上完成并行多通道微波频率高精度感知，具体如下：
先进行相干接收，即在接收端通过光电探测器将调制后的信号接收下来，接收到的光载波信号首先通过一个光耦合器与一个相干本振信号进行相干耦合，然后光耦合器的两个输出端与平衡探测器连接，将相干耦合后的光信号送入平衡探测器进行探测；
经过探测以后的电信号没有直流分量，通过相干接收抑制共模噪声，同时转换后的光电流强度与信号光幅度和本振光幅度成正比，通过增加本振光的光功率来提高接收端的中频信号的强度，实现对更低功率的信号光的检测；在相干接收的基础上，通过使用90°光混合耦合器以及两套平衡探测器，实现对光载信号的完全解调，本振光和信号光都输入到90°光混合耦合器中，得到理想的光耦合器的输出光场；通过I/Q解调的方式，在数字域对信号进行灵活的处理，实现对幅度调制和相位调制的信号进行线性解调；
相干接收时，根据本振信号与接收信号载波的频率是否相同，将相干接收分为零差检测和外差检测两种接收方式；
零差检测的本振光频率与信号光频率相同，通过光电转换后光载信号会直接转换到基带上，这种检测方式要求本振光与信号光相位锁定；
外差检测的本振光频率与信号光频率不同，通过光电转换后光载信号会首先下变频到中频上，此时需要对中频信号进行二次基带解调。
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