CN109581301B - 基于双平行调制器的双啁啾倍频信号产生装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双平行电光调制器的双啁啾倍频信号产生装置及其方法，涉及微波光子学和雷达领域。该装置中，双平行电光调制器由一个相位调制器和两个分别集成在相位调制器上下两臂的强度调制器组成；连续光激光器，偏振控制器，双平行电光调制器，光电探测器，通过光纤顺次相连，光电探测器和带通滤波器通过射频线缆连接；分别向两个电光强度调制器输入电信号；从带通滤波器的输出端得到频率和带宽加倍的双啁啾输出电信号。本发明采用载频为C，带宽为B的单啁啾信号和载频为4C的微波信号可以产生载频为2C，带宽为2B的双啁啾信号。该装置能产生大带宽的双啁啾脉冲雷达信号，具有结构简单、易集成等优点，能有效提高雷达系统的距离分辨率。

Description

基于双平行调制器的双啁啾倍频信号产生装置及其方法
技术领域
本发明涉及雷达领域，具体涉及一种采用光子学的方法去实现具有高载频和大带宽的双啁啾脉冲雷达信号产生。
背景技术
线性啁啾波形作为一种时间带宽积大于1的信号，能通过脉冲压缩来增加距离分辨率，因而在雷达系统中得到了广泛的应用。然而，由于刀口型模糊函数的存在，当测量的目标具有较大的速度时，目标移动所产生的多普勒频移会引起雷达测距误差，形成距离-多普勒耦合效应。双啁啾波形，在相同的脉冲时间段内包含带宽相同的上啁啾波形和下啁啾波形被提出应用于雷达系统中，能消除单啁啾波形在测量高速物体时产生的距离-多普勒耦合效应，以此来进一步提高雷达的距离分辨率。另一方面，在一定的脉冲时间段内，更大带宽的啁啾信号具有更大的时间带宽积，能提高雷达系统的距离分辨率。但是，电子器件的带宽限制使得用电学的方法产生高载频、大带宽的双啁啾波形十分困难。因此，采用光子学的方法来产生具有高载频、大带宽的双啁啾波形成为一种潜在途径，且具有实用价值。
双啁啾波形作为一种宽带雷达信号在2003年由K.Iwashita等人提出来提高系统的多普勒频移测量精度。
D.Zhu and J.P.Yao,“Dual-chirp Microwave Waveform Generation Using aDual-Parallel Mach-Zehnder Modulator”,IEEE Photonics Technology Letter,2015,27(13):1410-1413中首次提出了基于光子学的方法用双平行调制器来产生双啁啾信号。通过理论和实验验证了通过使用双平行调制器产生双啁啾信号的可能。在该方案中，连续光注射进入双平行调制器中，在调制器的两个射频输入端口分别输入一个单频微波信号和一个基带单啁啾信号，经过光电探测器实现光电转换和高通滤波器后，得到中心频率为输入微波信号频率，带宽为基带单啁啾信号带宽的双啁啾信号。将该信号应用于雷达系统中能显著降低距离-多普勒耦合效应。但是，该方案产生的双啁啾信号其载频和带宽与输入信号的一致，因此对于高载频、大带宽的双啁啾信号产生仍旧受限于输入信号的载频和带宽。
X.Xu,T.Jin,H.Chi,S.Zheng,X.Jin,X.Zhang,“Photonic Generation of Dual-chirp Waveforms With Improved Time-bandwidth Product”,IEEE PhotonicsTechnology Letter,2017,29(15):1253-1256中提出了基于级联调制器的方案来实现双啁啾信号的产生。在该方案中，连续光注射进入第一个调制器，通过调制上一个单频微波波形，偏置在最低点，实现载波抑制调制。第一个调制器输出的光载波注射进入第二个级联的调制器中，通过调制上一个单啁啾波形，偏置在最高点，偶次阶谐波被抑制，经过光电探测器和匹配的带通滤波器后，载频和带宽变为输入单啁啾波形四倍的双啁啾波形产生。该方案产生了上变频的双啁啾信号，但是产生的双啁啾信号其上啁啾部分和下啁啾部分的幅度不一致。
发明内容
本发明提供一种采用光子学的方法去产生载频和带宽加倍的双啁啾波形，应用于雷达系统中能有效降低系统的距离-多普勒耦合效应，解决了已有方案中产生的双啁啾信号载频和带宽受限于输入信号的问题和产生的双啁啾信号中上、下啁啾幅度不一致的问题。
本发明解决其技术问题所采用的方案如下：
一种基于双平行电光调制器的双啁啾倍频信号产生装置，包括连续光激光器、偏振控制器、双平行电光调制器、光电探测器、带通滤波器；连续光激光器，偏振控制器，双平行电光调制器，光电探测器，通过光纤顺次相连；光电探测器和带通滤波器通过射频线缆相连；向双平行电光调制器输入两路电信号，从带通滤波器的输出端得到频率和带宽加倍的双啁啾输出电信号。
进一步的，所述双平行电光调制器由一个相位调制器和两个强度调制器组成，所述强度调制器包括集成在相位调制器上臂中的第一强度调制器和集成在相位调制器下臂中的第二强度调制器。
进一步的，所述两路输入电信号分别为一路电信号为载频为C1的微波信号(10)和另一路电信号为载频为C2，带宽为B的单啁啾信号，且满足，C1等于4倍的C2。
进一步的，所述双平行电光调制器的第一强度调制器调制上微波信号，即工作在最低点；第二强度调制器调制上单啁啾信号，即工作在最高点。
进一步的，所述两路输入电信号中,双平行电光调制器的第一强度调制器调制上微波信号，即工作在最低点；第二强度调制器调制上单啁啾信号，即工作在最高点。
进一步的，一种基于双平行电光调制器的双啁啾倍频信号产生装置的方法，步骤如下：
步骤一、连续光激光器产生的连续光信号经过偏振控制器输入到双平行电光调制器中，通过控制偏振控制器的偏振态将双平行电光调制器的插入损耗降到最小；
步骤二、双平行电光调制器中第一强度调制器调制上微波信号，偏置设在最低点，将光载波被抑制，产生偏离光载波正负一阶的边带；
步骤三、双平行电光调制器中第二强度调制器调制上单啁啾信号，偏置设在最高点，将奇次阶边带被抑制，产生偏离光载波的正负二阶边带；
步骤四、双平行电光调制器中的相位调制器偏置在最大点，将双平行电光调制器输出的光功率升到最大；
步骤五、经过光电探测器后光载波、一阶边带、二阶边带相互拍频，产生频率和带宽加倍的双啁啾信号和其他杂波信号；
步骤六、经过带宽匹配的带通滤波器后，得到频率和带宽加倍的双啁啾信号。
由于采用上述技术方案，本发明的有益效果为：本发明提出的基于双平行调制器的双啁啾倍频信号产生装置及其方法，和已有的双啁啾信号产生方案相比，一方面，其实现了产生的双啁啾信号载频和带宽加倍，对于高载频、大带宽的双啁啾信号产生应用于雷达系统具有重要作用。另一方面，其产生的双啁啾信号中上啁啾部分和下啁啾部分幅度可以通过控制上下臂调制器的调制系数来分别控制。
附图说明
图1是本发明提供的基于双平行调制器的双啁啾倍频信号产生装置结构示意图。
图2a是本发明提供的基于双平行调制器的双啁啾倍频信号产生装置输入输出电信号示意图中单频微波信号频谱图。
图2b是本发明提供的基于双平行调制器的双啁啾倍频信号产生装置输入输出电信号示意图中输入的单啁啾信号时间-频率图。
图2c是本发明提供的基于双平行调制器的双啁啾倍频信号产生装置输入输出电信号示意图中输出的双啁啾时域波形图。
图2d是本发明提供的基于双平行调制器的双啁啾倍频信号产生装置输入输出电信号示意图中输出信号经短时傅里叶变换后的时间-频率图。
其中，图1中：1、连续光激光器，2、偏振控制器，3、双平行电光调制器，4、光电探测器，5、带通滤波器，6、输出双啁啾信号，7、相位调制器，8、上臂强度调制器，9、下臂强度调制器，10、单频微波信号，11、单啁啾信号。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点比较清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提供的基于双平行调制器的双啁啾倍频信号产生装置结构示意图，相比于已有的方案，本方案提出了一种用光子学的方法去产生载频和带宽加倍的双啁啾波形，解决了已有方案中产生的双啁啾信号载频和带宽受限于输入信号的问题和产生的双啁啾信号中上、下啁啾幅度不一致的问题，并且结构简单，易于实现。
一种基于双平行电光调制器的双啁啾倍频信号产生装置，包括连续光激光器1、偏振控制器2、双平行电光调制器3、光电探测器4、带通滤波器5、输出双啁啾信号6、输入单频微波信号10、输入单啁啾信号11以及输入电信号前端的电子电路器件和光路中可能需要的光放大器等器件。其中，双平行电光调制器3由相位调制器7、上臂强度调制器8、下臂强度调制器9组成。
本发明中，输入的单频微波信号10的频率为4C，输入的单啁啾信号11的中心频率为C，带宽为B，其中，B小于三分之二C。
该双啁啾倍频信号产生装置中，各部件间的连接方式为：连续光激光器1、偏振控制器2、双平行电光调制器3、光电探测器4、带通滤波器5；连续光激光器1，偏振控制器2，双平行电光调制器3，光电探测器4，通过光纤顺次相连；光电探测器4和带通滤波器5通过射频线缆相连。
向双平行电光调制器3输入两路电信号，向第一强度调制器8中输入单频微波信号，从第二强度调制器9中输入单啁啾信号；从带通滤波器5的输出端得到频率和带宽加倍的双啁啾输出电信号6。由此构成了一个用微波光子学的方法实现载频和带宽加倍的双啁啾信号。
在本发明中，具体的实施步骤是：
步骤一、连续光激光器1产生的连续光信号经过偏振控制器2输入到双平行电光调制器3中，通过控制偏振控制器2的偏振态将双平行电光调制器3的插入损耗降到最小；
步骤二、双平行电光调制器3中第一强度调制器8调制上微波信号10，偏置设在最低点，将光载波被抑制，产生偏离光载波正负一阶的边带；
步骤三、双平行电光调制器3中第二强度调制器9调制上单啁啾信号(11)，偏置设在最高点，将奇次阶边带被抑制，产生偏离光载波的正负二阶边带；
步骤四、双平行电光调制器3中的相位调制器7偏置在最大点，将双平行电光调制器3输出的光功率升到最大；
步骤五、经过光电探测器4后光载波、一阶边带、二阶边带相互拍频，产生频率和带宽加倍的双啁啾信号6和其他杂波信号；
步骤六、经过带宽匹配的带通滤波器后，得到频率和带宽加倍的双啁啾信号6。
本发明所涉及的基于双平行调制器倍频双啁啾信号产生装置的具体工作原理如下：
假设连续光激光器1发射出角频率为ω0的光波，其电域的表达式为E0＝exp(jω0t)，输入到双平行调制器3的单频微波信号10和单啁啾信号11的分别为cos(ω1t)和cos(ω2t+1/2kt2)。其中ω1和ω2分别为单频微波信号和单啁啾信号的角频率，k＝B/T为单啁啾信号的啁啾率，B单啁啾信号的带宽，T为单啁啾信号的脉冲宽度。在光波经过偏振控制器2，输入到双平行调制器3中后，在双平行调制器3的上臂第一强度调制器(8)中调制上单频微波信号10，通过控制直流偏置电压使其工作在最低点，输出的时域表达式为：
Figure BDA0001889844130000061
其中，m1＝πV1/Vπ1为调制器#1的调制系数，Jn(n＝0,1,2)表示n阶第一类贝塞尔函数展开式。通过工作在最低点，载波和偶次阶边带被抑制，在忽略高阶边带影响，只考虑正负一阶边带。在双平行调制器的上臂第二强度调制器(9)中调制上单啁啾信号11，通过控制直流偏置电压使其工作在最高点，则输出的时域表达式为：
Figure BDA0001889844130000071
其中，m2＝πV2/Vπ2为第二强度调制器(9)的调制系数。通过工作在最高点，奇次阶边带被抑制，在忽略高阶边带带影响的影响下，只有载波和正负二阶边带被考虑。因此，通过控制双平行调制器3中的相位调制器7的偏置点使其工作在最大点，则双平行调制器3输出的总的光功率最大。其电域的表达式为：
Figure BDA0001889844130000072
在经过光电探测器4的光电转换后，在满足两路输入信号的载频条件ω1＝4ω2下，各阶边带、载波的相互拍频需要的频率和带宽加倍的双啁啾波形6和其他的杂波信号。其中，上啁啾信号可以通过e0(t)和e3(t)、e4(t)之间的拍频产生。其电域的表达式为：
Figure BDA0001889844130000073
其中，
Figure BDA0001889844130000074
表示为光电探测器4的响应度。通过e1(t)和e3(t)、e2(t)和e4(t)之间的拍频产生能产生下啁啾信号，其电域的表达式为：
Figure BDA0001889844130000075
综合公式(4)、(5)，经过中心频率为2ω2，带宽为2kT的带通滤波器5后，该方案产生的频率和带宽加倍的双啁啾信号6可以表示为：
Figure BDA0001889844130000081
其中，上啁啾信号和下啁啾信号的幅度之比N＝J0(m2)/J1(m1)。m1和m2分别与两路输入信号的幅值相关。因此，其上下啁啾幅度可以被分别控制。
采用该方案，通过输入频率为4ω2的单频微波信号和频率为ω2，带宽为B的单啁啾信号可以得到频率为2ω2，带宽为2B的双啁啾波形。应用于雷达系统，一方面，作为双啁啾信号，它能有效的降低系统的距离-多谱勒耦合效应；另一方面，时间带宽积的提高也能进一步的提高系统的距离分辨率。
在本实施例中C即为ω2取值为3GHz，B的取值为1GHz。产生的双啁啾信号中心频率为6GHz，带宽为2GHz。当然，C和B的取值可以根据实际需要，可以采用其他的数值。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (3)

1.一种基于双平行电光调制器的双啁啾倍频信号产生装置，其特征在于，包括连续光激光器(1)、偏振控制器(2)、双平行电光调制器(3)、光电探测器(4)、带通滤波器(5)；连续光激光器(1)，偏振控制器(2)，双平行电光调制器(3)，光电探测器(4)，通过光纤顺次相连；光电探测器(4)和带通滤波器(5)通过射频线缆相连；向双平行电光调制器(3)输入两路电信号，从带通滤波器(5)的输出端得到频率和带宽加倍的双啁啾输出电信号(6)；
所述双平行电光调制器(3)由一个相位调制器(7)和两个强度调制器组成，所述强度调制器包括集成在相位调制器上臂中的第一强度调制器(8)和集成在相位调制器下臂中的第二强度调制器(9)；
所述双平行电光调制器(3)的第一强度调制器(8)调制上微波信号(10)，即工作在最低点；第二强度调制器(9)调制上单啁啾信号(11)，即工作在最高点。
2.如权利要求1所述的一种基于双平行电光调制器的双啁啾倍频信号产生装置，其特征在于，所述两路电信号分别为一路电信号为载频为C1的微波信号(10)和另一路电信号为载频为C2，带宽为B的单啁啾信号(11)，且满足，C1等于4倍的C2。
3.一种用于如权利要求1所述的基于双平行电光调制器的双啁啾倍频信号产生装置的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、连续光激光器(1)产生的连续光信号经过偏振控制器(2)输入到双平行电光调制器(3)中，通过控制偏振控制器(2)的偏振态将双平行电光调制器(3)的插入损耗降到最小；
步骤二、双平行电光调制器(3)中第一强度调制器(8)调制上微波信号(10)，偏置设在最低点，抑制光载波，产生偏离光载波正负一阶的边带；
步骤三、双平行电光调制器(3)中第二强度调制器(9)调制上单啁啾信号(11)，偏置设在最高点，抑制奇次阶边带，产生偏离光载波的正负二阶边带；
步骤四、双平行电光调制器(3)中的相位调制器(7)偏置在最大点，将双平行电光调制器(3)输出的光功率升到最大；
步骤五、经过光电探测器(4)后光载波、一阶边带、二阶边带相互拍频，产生频率和带宽加倍的双啁啾信号(6)和其他杂波信号；
步骤六、经过带宽匹配的带通滤波器后，得到频率和带宽加倍的双啁啾信号(6)。
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