CN109818235B - 基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统及方法，属于微波光子学技术领域。该多模光电振荡器包括：激光器、强度调制器、电调延时光纤、掺铒光纤放大器、光电探测器、电放大器以及功分器；所述激光器与所述强度调制器连接，所述强度调制器、掺铒光纤放大器、光电探测器、电放大器、功分器以及耦合器依次首尾连接形成环路，所述电调延时光纤连接所述强度调制器与所述掺铒光纤放大器。本发明采用自由光谱范围可调的多模光电振荡器，以及可快速连续调节的电调延时光纤，可以实现更宽频率范围的弱信号的快速探测及放大。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子学技术领域，尤其涉及一种基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统及方法。
背景技术
在雷达和电子战等系统中，有时需要对未知的微波信号进行快速频率测量，而待测信号频率可能分布在较宽的频带内，采用纯电子学的方法测量，由于囿于电子器件的局限性，使得所能测量的频带宽度有限。
运用微波光子技术实现射频信号频率的超快的测量，需要将截获的雷达微波信号调制到光波上，通过一定的光路结构，产生一个仅与待测微波信号频率有关的幅度比较函数，进而得到待测信号的频率。近几年的研究中，国际上的相关的研究人员提出了多种光路结构，并进行了相应的实验验证，取得了比较好的效果。其中主要的方法中包括有，光子辅助的基于光纤布拉格光栅(FBG)的扫频微波信号测量技术，基于光频梳滤波器的光子辅助的微波信号频率测量，基于检测微波信号功率技术的微波频率测量，基于频移循环延迟线(FS-RDL)技术的微波信号频率测量技术等等，这些技术可以实现单频，多频、快速的频率检测，但是当接收到的信号是弱信号的时候，很难实现上述功能。
光电振荡器基于其注入锁定技术，已经被验证由测频的功能，同时光电振荡器还可以为弱信号提供必要的增益。但是如今广泛被研究得单模光电振荡器由于窄带滤波器的作用，只能对很窄的频率范围内的弱信号实现探测，难以实现宽带的高速地弱信号的探测。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统，包括：
激光器1、强度调制器2、电调延时光纤3、掺铒光纤放大器4、光电探测器5、电放大器6、功分器7以及耦合器8；
所述激光器1与所述强度调制器2连接，所述强度调制器2、掺铒光纤放大器4、光电探测器5、电放大器6、功分器7以及耦合器8依次首尾连接形成环路，所述电调延时光纤3用于连接所述强度调制器2与所述掺铒光纤放大器4。
在一些实施例中，所述强度调制器2用于调制所述激光器1发出的光信号；所述掺铒光纤放大器4用于对所述电调延时光纤3传送的光信号进行放大；所述光电探测器5用于将所述掺铒光纤放大器4传送的光信号转换为电信号；所述电放大器6用于将所述光电探测器5传送的电信号进行放大；所述功分器7用于将光电放大器6传送的电信号分为两部分，一部分用于输出，一部分通过耦合器与接收到的待测弱信号耦合后反馈至强度调制器2。
在一些实施例中，所述激光器1与所述强度调制器2之间以及所述掺铒光纤放大器4与所述光电探测器5之间均通过光纤连接；所述光电探测器5、电放大器6、功分器7、耦合器8以及强度调制器2之间通过电缆连接。
在一些实施例中，所述电调延时光纤3为具有光学非线性的微波储能元件，其接入线路中的长度为可连续调节的，长度为数厘米至数十千米；所述电调延时光纤3用于稳定输出。
在一些实施例中，所述多模光电振荡器的自由光谱范围由所述环路的长度以及光纤折射率决定，具体公式为：
其中，n是光纤折射率，c是真空中的光速，L是所述环路的长度。
在一些实施例中，所述环路的长度L决定于所述电调延时光纤3的长度，因此所述电调延时光纤3的长度与待测弱信号的频率之间的映射关系为：
其中，f为所述待测弱信号的频率，L1为第一次多模光电振荡器的起振频率与所述待测弱信号的频率相匹配时，所述电调延时光纤3的长度；L2为第二次多模光电振荡器的起振频率与所述待测弱信号的频率相匹配时，所述电调延时光纤3的长度。
在一些实施例中，所述电调延时光纤3的长度变化周期与信号在所述环路中传输一周的延时相匹配，满足傅里叶域锁模条件：
nT＝Tr
其中，n是正整数，T是电调延时光纤长度的变化周期，Tr是信号在所述环路中传输一周的延时。
在一些实施例中，所述电调延时光纤3的长度与待测弱信号的频率之间的映射关系为：
其中，f为所述待测弱信号的频率，t1表示所述电调延时光纤3的长度为L1时的时间；t2表示所述电调延时光纤3的长度为L2时的时间。
在一些实施例中，所述环路的色散为零，以使不同频率的信号在所述环路中具有相同的延时。
根据本发明的另一个方面，提供了一种采用上述实施例所提供的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统的弱信号探测放大方法，所述方法包括：
激光器1发出光信号并传输至强度调制器2；
所述强度调制器2对所述光信号进行强度调制，并经过电调延时光纤3传送给掺铒光纤放大器4；
所述掺铒光纤放大器4将所述经过强度调制的光信号进行放大，并传输至光电探测器5；
所述光电探测器5将所述放大后的光信号转换为电信号，并传输至电放大器6对所述电信号进行放大；
调节所述掺铒光纤放大器4或者电放大器6为所述环路提供的增益，使所述弱信号探测放大系统处于预设阈值状态；
经过所述电放大器6放大后的电信号传输至功分器7分为两部分，一部分用于输出，一部分传输至耦合器8与接收到的待测弱信号耦合后反馈回强度调制器2；
调节所述电调延时光纤3的长度，当所述待测弱信号的频率与所述多模光电振荡器的起振频率相匹配时，记录所述电调延时光纤3的长度；
根据记录的所述电调延时光纤3的长度，得到所述待测弱信号的频率。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明提供的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本发明提供的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统及方法，通过调节电调延时光纤的长度实现自由光谱范围可调节的多模光电振荡器，进而实现对更宽频率范围的弱信号的探测及放大；
(2)本发明提供的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统及方法，通过采用快速周期性连续可调节的电调延时光纤，并使电调延时光纤的变化周期与信号在多模光电振荡器中传输一周的延时相匹配，以产生高灵敏度的周期波形，实现对更宽频率范围的弱信号的快速探测及放大。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统的结构示意图；
图2为多模光电振荡器对弱信号探测的原理示意图；
图3为本发明实施例提供的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大方法的流程图。
上述附图中，附图标记含义具体如下：
1-激光器；2-强度调制器；3-电调延时光纤；4-掺铒光纤放大器；5-光电探测器；6-电放大器；7-功分器；8-耦合器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统，如图1所示，图1为本发明实施例提供的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统的结构示意图，该基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统包括：激光器1、强度调制器2、电调延时光纤3、掺铒光纤放大器4、光电探测器5、电放大器6、功分器7以及耦合器8；其中：
激光器1与强度调制器2连接，强度调制器2、掺铒光纤放大器4、光电探测器5、电放大器6、功分器7以及耦合器8依次首尾连接形成环路，电调延时光纤3连接强度调制器2与掺铒光纤放大器4。其中，电调延时光纤3为具有光学非线性的高Q值微波储能元件，其接入线路中的长度可连续调节，长度为数厘米至数十千米，用于稳定输出，产生高灵敏度的周期波形。
在本实施例中，强度调制器2用于调制激光器1发出的光信号；掺铒光纤放大器4用于对电调延时光纤3传送的光信号进行放大；光电探测器5用于将掺铒光纤放大器4传送的光信号转换为电信号；电放大器6用于将光电探测器5传送的电信号进行放大；功分器7用于将光电放大器6传送的电信号分为两部分，一部分用于输出，一部分通过耦合器与接收到的待测弱信号耦合后反馈至强度调制器2。
本发明利用多模光电振荡器原理，完成对弱信号的探测放大，并且本发明所指的弱信号通常指频率低于0dB的信号。
在本实施例中，激光器1与强度调制器2之间以及掺铒光纤放大器4与光电探测器5之间均通过光纤连接；光电探测器5、电放大器6、功分器7、耦合器8以及强度调制器2之间通过电缆连接。
在本实施例中，整个基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统，在最开始运行时，通过调节掺铒光纤放大器4或者电放大器6对系统环路的增益，使整个系统处于阈值状态之下，因为多模光电振荡器具有注入锁定的特性，当外界注入的弱信号的频率与多模光电振荡器的起振频率恰好相匹配时，则弱信号会被探测并放大。但是由于多模光电振荡器产生的多模信号很难覆盖所有频率，为了能对整个频率域的信号都可以探测到，本发明采用了可调自由光谱范围的多模光电振荡器。其中，多模光电振荡器的自由光谱范围由系统环路的长度以及光纤折射率决定，具体公式为：
其中，n是光纤折射率，c是真空中的光速，L是系统环路的长度。而系统环路的长度取决于电调延时光纤3的长度，所以可以通过从小到大连续调节电调延时光纤3的长度并分别记录下第一次跟第二次探测到弱信号时的电调延时光纤3的长度L1、L2，实现对可探测频率范围内信号的全覆盖并实现对信号频率的探测以及放大。
本发明提供的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统，通过调节电调延时光纤的长度实现自由光谱范围可调节的多模光电振荡器，进而实现对更宽频率范围的弱信号的探测及放大。
如图2所示，图2为多模光电振荡器对弱信号探测的原理示意图，调节电调延时光纤3的长度，当多模光电振荡器的起振频率第一次与弱信号的频率相匹配时，电调延时光纤3的长度是L1，则此时的自由光谱范围可表示为：
多模光电振荡器的起振频率第二次与弱信号的频率相匹配时，电调延时光纤3的长度是L2，则此时探测到的自由光谱范围可表示为：
其中，c是光在真空中的传播速度，n是光纤的折射率，而F1与F2有如下关系：
(N+1)(F1-F2)＝F1
综上可得待测的弱信号的频率：
即完成了待测的弱信号频率到可调延时光纤长度的映射，实现了弱信号的频率探测以及放大的功能。
为实现多模光电振荡器快速探测弱信号的目的，将电调延时光纤的长度周期性地变化且变化周期与信号在系统环路中传输一周的延时相匹配，满足傅里叶域锁模条件：
nT＝Tr
其中，n是正整数，T是电调延时光纤长度的变化周期，Tr是信号在系统环路中传输一周的延时。
当光纤长度是L1时，此时对应的是时间t1，当光纤长度是L1时，此时对应的是时间t2，则此时待测的弱信号的频率可表示为：
其中，c是光在真空中的传播速度，n是光纤的折射率，v是电调延时光纤的变化速率。由此得到待测频率与时间的映射关系，实现了弱信号的频率探测以及放大的功能。
本发明提供的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统，通过采用快速周期性连续可调节的电调延时光纤，并使电调延时光纤的变化周期与信号在多模光电振荡器中传输一周的延时相匹配，以产生高灵敏度的周期波形，实现对更宽频率范围的弱信号的快速探测及放大。
在本实施例中，为了使不同频率的信号在环路中具有相同的延时，系统环路的色散为零。
根据本发明的另一个方面，提供了一种基于多模光电振荡器的弱信号探测放大方法，如图3所示，图3为本发明实施例提供的基于多模光电振荡器的多模信号产生方法，该方法包括：
步骤S101，激光器发出光信号并传输至强度调制器。
步骤S102，强度调制器对光信号进行强度调制，并经过电调延时光纤传送给掺铒光纤放大器。
其中，电调延时光纤为具有光学非线性的高Q值微波储能元件，其接入线路中的长度可连续调节，长度为数厘米至数十千米，用于稳定输出，产生高灵敏度的周期波形。
步骤S103，掺铒光纤放大器将经过强度调制的光信号进行放大，并传输至光电探测器。
在本实施例中，通过掺铒光纤放大器对光信号进行放大，实现对光信号的增益。
步骤S104，光电探测器将强度调制的光信号转换为电信号，并传输至电放大器对电信号进行放大。
在本实施例中，还通过电放大器对电信号进行放大，实现对电信号的增益。
步骤S105，调节掺铒光纤放大器或者电放大器对系统环路提供的增益，使该弱信号探测放大系统处于预设阈值状态。
步骤S106，经过电放大器放大后的电信号传输至功分器分为两部分，一部分用于输出，一部分传输至耦合器与接收到的待测弱信号耦合后反馈回强度调制器。
步骤S107，调节电调延时光纤的长度，当待测弱信号的频率与多模光电振荡器的起振频率相匹配时，记录电调延时光纤的长度。
在本实施例中，多模光电振荡器的自由光谱范围由系统环路的长度以及光纤折射率决定，具体公式为：
其中，n是光纤折射率，c是真空中的光速，L是系统环路的长度。而系统环路的长度取决于电调延时光纤3的长度，所以可以通过从小到大连续调节电调延时光纤3的长度并分别记录下第一次跟第二次探测到弱信号时的电调延时光纤3的长度L1、L2，实现对可探测频率范围内信号的全覆盖并实现对信号频率的探测以及放大。
本发明提供的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大方法，通过调节电调延时光纤的长度实现自由光谱范围可调节的多模光电振荡器，进而实现对更宽频率范围的弱信号的探测及放大。
步骤S108，根据记录的电调延时光纤的长度，得到待测弱信号的频率。
具体地，如图2所示，图2为多模光电振荡器对弱信号探测的原理示意图，调节电调延时光纤3的长度，当多模光电振荡器的起振频率第一次与弱信号的频率相匹配时，电调延时光纤3的长度是L1，则此时的自由光谱范围可表示为：
多模光电振荡器的起振频率第二次与弱信号的频率相匹配时，电调延时光纤3的长度是L2，则此时探测到的自由光谱范围可表示为：
其中，c是光在真空中的传播速度，n是光纤的折射率，而F1与F2有如下关系：
(N+1)(F1-F2)＝F1
综上可得待测的弱信号的频率：
即完成了待测的弱信号频率到可调延时光纤长度的映射，实现了弱信号的频率探测以及放大的功能。
为实现多模光电振荡器快速探测弱信号的目的，将电调延时光纤的长度周期性地变化且变化周期与信号在系统环路中传输一周的延时相匹配，满足傅里叶域锁模条件：
nT＝Tr
其中，n是正整数，T是电调延时光纤长度的变化周期，Tr是信号在所述系统环路中传输一周的延时。
当光纤长度是L1时，此时对应的是时间t1，当光纤长度是L1时，此时对应的是时间t2，则此时待测的弱信号的频率可表示为：
其中，c是光在真空中的传播速度，n是光纤的折射率，v是电调延时光纤的变化速率。由此得到待测频率与时间的映射关系，实现了弱信号的频率探测以及放大的功能。
本发明提供的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大方法，通过采用快速周期性连续可调节的电调延时光纤，并使电调延时光纤的变化周期与信号在多模光电振荡器中传输一周的延时相匹配，以产生高灵敏度的周期波形，实现对更宽频率范围的弱信号的快速探测及放大。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其结构进行简单地熟知地替换，如：在光路中只用光放大器或者电放大器对信号进行放大，加入偏振控制器控制系统的偏振状态等。并且，所附的附图是简化过且作为例示用。附图中所示的器件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且器件的配置可能更为复杂。
需要说明的是，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统，其特征在于，包括：激光器(1)、强度调制器(2)、电调延时光纤(3)、掺铒光纤放大器(4)、光电探测器(5)、电放大器(6)、功分器(7)以及耦合器(8)；
所述激光器(1)与所述强度调制器(2)连接，所述强度调制器(2)、掺铒光纤放大器(4)、光电探测器(5)、电放大器(6)、功分器(7)以及耦合器(8)依次首尾连接形成环路，所述电调延时光纤(3)与所述强度调制器(2)及所述掺铒光纤放大器(4)连接。
2.根据权利要求1所述的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统，其特征在于，所述强度调制器(2)用于调制所述激光器(1)发出的光信号；所述掺铒光纤放大器(4)用于对所述电调延时光纤(3)传送的光信号进行放大；所述光电探测器(5)用于将所述掺铒光纤放大器(4)传送的光信号转换为电信号；所述电放大器(6)用于将所述光电探测器(5)传送的电信号进行放大；所述功分器(7)用于将光电放大器(6)传送的电信号分为两部分，一部分用于输出，一部分通过耦合器与接收到的待测弱信号耦合后用于反馈至强度调制器(2)。
3.根据权利要求1所述的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统，其特征在于，所述激光器(1)与所述强度调制器(2)之间以及所述掺铒光纤放大器(4)与所述光电探测器(5)之间均通过光纤连接；所述光电探测器(5)、电放大器(6)、功分器(7)、耦合器(8)以及强度调制器(2)之间通过电缆连接。
4.根据权利要求1所述的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统，其特征在于，所述电调延时光纤(3)为具有光学非线性的微波储能元件，其接入线路中的长度为可连续调节的，长度为数厘米至数十千米；所述电调延时光纤(3)用于稳定输出。
5.根据权利要求1所述的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统，其特征在于，所述多模光电振荡器的自由光谱范围由所述环路的长度以及光纤折射率决定，具体公式为：
其中，n是光纤折射率，c是真空中的光速，L是所述环路的长度。
6.根据权利要求5所述的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统，其特征在于，所述环路的长度L决定于所述电调延时光纤(3)的长度，因此所述电调延时光纤(3)的长度与待测弱信号的频率之间的映射关系为：
其中，f为所述待测弱信号的频率，L1为第一次多模光电振荡器的起振频率与所述待测弱信号的频率相匹配时，所述电调延时光纤(3)的长度；L2为第二次多模光电振荡器的起振频率与所述待测弱信号的频率相匹配时，所述电调延时光纤(3)的长度。
7.根据权利要求4所述的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统，其特征在于，所述电调延时光纤(3)的长度变化周期与信号在所述环路中传输一周的延时相匹配，满足傅里叶域锁模条件：
nT＝Tr；
其中，n取正整数，T是电调延时光纤长度的变化周期，Tr是信号在所述环路中传输一周的延时。
8.根据权利要求1所述的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统，其特征在于，所述环路的色散为零，以使不同频率的信号在所述环路中具有相同的延时。
9.一种采用权利要求1至8中任一项所述的基于多模光电振荡器的弱信号探测放大系统的弱信号探测放大方法，其特征在于，所述方法包括：
激光器(1)发出光信号并传输至强度调制器(2)；
所述强度调制器(2)对所述光信号进行强度调制，并经过电调延时光纤(3)传送给掺铒光纤放大器(4)；
所述掺铒光纤放大器(4)将所述经过强度调制的光信号进行放大，并传输至光电探测器(5)；
所述光电探测器(5)将所述放大后的光信号转换为电信号，并传输至电放大器(6)对所述电信号进行放大；
调节所述掺铒光纤放大器(4)或者电放大器(6)对所述环路提供的增益，使所述弱信号探测放大系统处于预设阈值状态；
经过所述电放大器(6)放大后的电信号传输至功分器(7)分为两部分，一部分用于输出，一部分传输至耦合器(8)与接收到的待测弱信号耦合后反馈回强度调制器(2)；
调节所述电调延时光纤(3)的长度，当所述待测弱信号的频率与所述多模光电振荡器的起振频率相匹配时，记录所述电调延时光纤(3)的长度；
根据记录的所述电调延时光纤(3)的长度，得到所述待测弱信号的频率。
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