CN109861709A - 基于微波光子转换和平衡零拍探测的微波探测方法及微波接收机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微波光子转换和平衡零拍探测的微波探测方法及微波接收机，包括：微波天线及信号预处理系统探测待测物体反馈的回波信号并对回波信号进行预处理；微波光子转换单元将预处理后的微波信号转换为光子信号；平衡零拍探测器接收微波光子转换单元转换的光子信号和与该光子信号具有固定相位差的本振光，平衡零拍探测器对光子信号和本振光进行处理并输出处理后的信号。本发明先将微波转换为光子，后利用平衡零拍探测器对光子信号进行探测，可大幅提高微波接收机探测的灵敏度。

Description

基于微波光子转换和平衡零拍探测的微波探测方法及微波接 收机

技术领域

本发明属于微波探测领域，具体涉及一种基于微波光子转换和平衡零拍探测的微波探测方法及微波接收机。

背景技术

现有的雷达或微波接收机基本采用电子学方法对信号进行探测处理。雷达噪声主要分为两大部分,第一种是接收机内部器件产生的噪声,包括放大器、混频器产生的噪声，第二种是由天线进入接收机的各种干扰和天线热噪声。这里重点讨论热噪声，雷达接收机的灵敏度主要受热噪声限制。其主要来源于天线电阻中的热噪声，由导体中自由电子的无规则热运动形成，又被称为Johnson–Nyquist噪声。雷达的灵敏度可以用接收机输入端最小可检测功率S_{i min}。对于基于电子学方法的雷达接收机来说，灵敏度可由下式计算得出：

S_imin＝kTB_nF (1)

其中k为玻尔兹曼常数，T为电阻温度，Bn为滤波带宽，F为接收机噪声系数。

在室温下T取290K，此时上式可简化为：

S_imin(dBmW)＝-114dB+10lgB_n(MHz)+10lgF (2)

对于典型的雷达接收机，F＝6dB，B_n＝1.8MHz时，，则其灵敏度约为-105.4dBm。采用低噪声放大器的雷达接收机F可以到2dB左右，此时灵敏度-109.4dBm。一般的超外差接收机灵敏度在-90——--110dBm，可参见“雷达原理(第三版)，西安电子科技大学出版社，丁鹭飞，耿富录编，第三章”。

量子光学在光波段的探测技术日趋成熟，目前已经有雪崩二极管单光子探测器(APD)，平衡零拍探测器等。其中平衡零拍探测器利用本振光对信号光进行放大，可探测到信号的量子抖动，一般应用于连续变量量子信息光学实验中，典型如连续变量量子密钥分配等。其灵敏度可到百光子量级，并且由于对两路输出信号进行差分，热噪声等随机噪声会被抑制，从而大幅提高信噪比。

针对以上雷达接收机灵敏度受本底热噪声限制的问题，需要提供一种新型的微波接收机和微波探测方法，来大幅提高雷达接收机的灵敏度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种基于微波光子转换和平衡零拍探测的微波探测方法及微波接收机，本基于微波光子转换和平衡零拍探测的微波探测方法及微波接收机先将微波转换为光子，后利用平衡零拍探测器对光子信号进行探测，可大幅提高微波接收机探测的灵敏度。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于微波光子转换和平衡零拍探测的微波探测方法，包括以下步骤：

(1)探测待测物体反馈的回波信号并对回波信号进行预处理；

(2)将预处理后的微波信号转换为光子信号；

(3)将光子信号和与该光子信号具有固定相位差的本振光均通过平衡零拍探测器进行信号处理，输出处理后的信号。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤(1)至步骤(3)具体为：

(1)通过微波天线及信号预处理系统探测待测物体反馈的回波信号并对回波信号进行预处理；

(2)通过微波光子转换单元将预处理后的微波信号转换为光子信号；

(3)通过平衡零拍探测器接收微波光子转换单元转换的光子信号和与该光子信号具有固定相位差的本振光，平衡零拍探测器对光子信号和本振光进行处理并输出处理后的信号到外部的终端显示设备。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述步骤(3)中的本振光的制备方法为：

雷达发射机制备本振微波，本振微波经过一个微波光子相干转换装置或电光调制器，微波光子相干转换装置或电光调制器将本振微波转换为本振光，所述本振光与所述光子信号具有固定的相位差。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述微波光子转换单元采用微波光子相干转换装置。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述微波天线及信号预处理系统包括微波天线、接收机保护器和带通滤波器，所述微波天线与接收机保护器连接，所述接收机保护器和带通滤波器连接。

为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：

一种采用基于微波光子转换和平衡零拍探测的微波探测方法的微波接收机，包括微波天线及信号预处理系统、微波光子转换单元和平衡零拍探测器，所述微波天线及信号预处理系统与微波光子转换单元连接，微波光子转换单元与平衡零拍探测器连接；

所述微波天线及信号预处理系统用于探测待测物体反馈的回波信号并对回波信号进行预处理；所述微波光子转换单元用于将预处理后的微波信号转换为光子信号；所述平衡零拍探测器用于接收微波光子转换单元转换的光子信号和与光子信号具有固定相位差的本振光并对光子信号和本振光进行处理从而得到输出信号。

本发明的有益效果为：

(1)本发明针对基于电子学技术的雷达接收机灵敏度无法突破热噪声限制的问题,利用量子光学中微波光子相干转换技术，结合平衡零拍探测技术进行探测的方法,使得微波探测的灵敏度和信噪比大幅提高。

(2)本发明利用高效率的微波光子相干转换装置，将信号微波和本振微波分别相干转换为光子，再利用光学中的平衡零拍探测器进行探测。整个过程对于微波信号被平衡零拍探测中的本振光放大最多10⁸倍，同时热噪声被平衡零拍探测器抑制，大幅提高微波接收机的信噪比和灵敏度。

附图说明

图1为现有的电子学雷达接收机和本实施例所能探测到的信号情况示意图。

图2为本实施例的微波接收机结构示意图。

图3为微波光子相干转换装置的转换原理示意图。

图4为基于磁光效应的微波光子相干转换装置结构示意图。

图5为平衡零拍探测器原理示意图。

图6为本实施例中一种典型的微波天线及预处理系统的结构示意图。

图7为本实施例中本振光制备方式示意图。

图8为系统应用场景示意图。

具体实施方式

下面根据图1至图8对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

本实施例针对基于电子学技术的雷达接收机灵敏度无法突破热噪声限制的问题,提供一种基于微波光子转换和平衡零拍探测的微波探测方法及微波接收机，该微波探测方法及微波接收机利用量子光学中微波光子相干转换技术，结合平衡零拍探测技术进行探测的方法,使得接收机灵敏度和信噪比大幅提高。具体问题如图1所示，图1(a)为一般雷达接收机的情况，即信号功率必须大于本底噪声才能被有效探测。图1(b)为使用本实施例的微波探测方法的微波接收机或微波探测器的情况，即最小可探测信号功率比噪声功率更小，这是由于平衡零拍探测器对两路信号进行差分，热噪声等随机噪声会被抑制，在电子学方法中无法做到这一点。电子学中的提高信噪比一般属于滤波来抑制滤波带宽外噪声，滤波带宽内的噪声仍然无法滤除。

本实施例提供的一种基于微波光子转换和平衡零拍探测的微波探测方法，包括以下步骤：

(1)探测待测物体反馈的回波信号并对回波信号进行预处理；

(2)将预处理后的微波信号转换为光子信号；

(3)将光子信号和与该光子信号具有固定相位差的本振光均通过平衡零拍探测器进行信号处理，输出处理后的信号。

其中平衡零拍探测器可对两路信号进行差分，热噪声等随机噪声会被抑制，大幅提高雷达接收机灵敏度。

本实施例中的步骤(1)至步骤(3)具体为：

(1)通过微波天线及信号预处理系统探测待测物体反馈的回波信号并对回波信号进行预处理；

(2)通过微波光子转换单元将预处理后的微波信号转换为光子信号；其中微波光子转换单元采用微波光子相干转换装置；

(3)通过平衡零拍探测器接收微波光子转换单元转换的光子信号和与该光子信号具有固定相位差的本振光，平衡零拍探测器对光子信号和本振光进行处理并输出处理后的信号到外部的终端显示设备。

本实施例还提供一种采用上述的基于微波光子转换和平衡零拍探测的微波探测方法的微波接收机，该微波接收机具体结构参见图2，包括微波天线及信号预处理系统、微波光子转换单元和平衡零拍探测器，所述微波天线及信号预处理系统与微波光子转换单元连接，微波光子转换单元与平衡零拍探测器连接；其中微波天线及信号预处理系统用于探测待测物体反馈的回波信号并对回波信号进行预处理；所述微波光子转换单元用于将预处理后的微波信号转换为光子信号；所述平衡零拍探测器用于接收微波光子转换单元转换的光子信号和与光子信号具有固定相位差的本振光并对光子信号和本振光进行处理从而得到输出信号。

本实施例的微波光子转换单元采用微波光子相干转换装置。其中微波光子相干转换装置的微波光子转换原理示意图如图3所示，微波与腔的耦合以LC震荡电路为媒介，光波与腔的耦合以F-P光学腔的形式实现。微波与光波的共振模式都会对同一个机械腔产生作用，通过机械腔的“传导”，微波与光波最终可实现频率转换。整个系统的哈密顿量可写为：

其中H₀，H_E，H_M，为机械、微波和光学谐振子的哈密顿量。后面两项分别为光学-机械相互作用和微波-机械相互作用。g_OM,g_EM分别为对应的耦合系数。由此可以看出，微腔中实现的微波频率转换是相干保持的，因此可以作为量子态频率转换的一种技术手段，不会失去量子特性。

基于以上原理，已有现有文献[1-6]实现了微波到光子的相干转换装置。其中文献[6]为基于磁光效应实现微波光子相干转换。本实施例可采用基于这种原理的微波光子转换装置，在后端再引入平衡零拍探测器对微波信号进行探测。这里需要声明的是，不局限于以上现有文献[1-6]所列出的微波光子转换装置，本实施例保护所有基于此种基本原理的装置，进行微波光子转换后进行平衡零拍探测的微波接收机及探测器。

上述现有文献[1-6]为：

[1]C.A.Regal and K.W.Lehnert.“From cavity electromechanics to cavityoptomechanics.”Journal of Physics:Conference Series,264,012025.

[2]Joerg Bochmann,Amit Vainsencher,David D.Awschalom and AndrewN.Cleland.“Nanomechanical coupling between microwave and optical photons.”Nature Physics,DOI:10.1038/NPHYS2748.

[3]T.Bagci,A.Simonsen,S.Schmid,L.G.Villanueva,E.Zeuthen,J.Appel,J.M.Taylor,A.K.Usami,A.Schliesser and E.S.Polzik.“Optical detectionof radio waves through a nanomechanical transducer”Nature,DOI:10.1038/NATURE13029.

[4]R.W.Andrews,R.W.Peterson,T.P.Purdy,K.Cicak,R.W.Simmonds,C.A.Regaland K.W.Lehnert.“Bidirectional and efficient conversion between microwave andoptical light”.Nature Physics,DOI:10.1038/NPHYS2911.

[5]Krishna C.Balram,Marcelo I.Jin Dong Song and KartikSrinivasan.“Coherent coupling between radiofrequency,optical and acousticwaves in piezooptomechanical circuits”.Nature Photonics,DOI:10.1038/NPHOTON.2016.46.

[6]Xufeng Zhang,Na Zhu,Chang-Ling Zou,and Hong X.Tang.“OptomagnonicWhispering Gallery Microresonators”.Physics Review Letters,DOI:10.1103/PhysRevLett.117.123605.

本实施例采用的具体的微波光子转换装置结构如图4所示。利用钇铁石榴石(YIG)微球的磁光效应，回波信号通过微波天线耦合进入微球中。垂直纸面方向外加磁场H。同时一束激光通过光纤也耦合进入微球中，受不同频率的回波信号影响，光输出端的光子频率也会发生变化，由此完成微波光子转换。光输出端的光子信号再进入平衡零拍探测器进行探测，从而完成整个探测功能。

本实施例中的平衡零拍探测是光学中特有的探测方法，其提供了一种可以将信号从噪声中提取出来的方法。平衡零拍探测利用本振光与信号光干涉，可以将信号放大，并可以压制热噪声等，从而可以探测到量子涨落，其广泛应用于量子信息中的连续变量编码体系的研究中。平衡零拍探测器原理如图5所示，利用此方法可突破上述热噪声对接收机灵敏度的限制。其中光子信号和本振光具有固定的相位差，经过分束器干涉后，经PIN光电探测器1和探测器2转化为电信号，之后两路电信号进行差分，最终经过放大器等电子学处理得到最终的输出信号。

本实施例的微波接收机的原理为：微波射频信号经过微波天线等进行电子学预处理后，进入上述微波光子相干转换装置，被相干地转换为光子信号。这种转换装置保留了微波的所有信息，包括极易被环境退相干的量子信息。之后光子信号进入平衡零拍探测器中，与本振光进行干涉后进入两个探测器，两个探测器的差分信号即最终得到的输出信号。

本实施例中的微波天线及信号预处理系统与具体接收机的应用场景有关，可根据具体需求利用常规电子学方法对信号进行预处理。本实施例的核心是通过微波光子转换以及平衡零拍探测器进行微波探测的方法。微波光子转换装置的具体设计不在本发明保护范围之内，其具体实例由上述文献[1-6]中给出。参见图6，本实施例的一种典型的微波天线及信号预处理系统包括微波天线、接收机保护器和带通滤波器，微波天线、接收机保护器和带通滤波器依次连接，微波天线探测回波信号，依次经过接收机保护器和带通滤波器后输出预处理后的微波信号。

本实施例中的平衡零拍探测器的本振光制备有两种方法，如图7所示。第一种如图7(a)，由雷达发射机制备射频信号和本振微波，射频信号通过天线发射，本振微波通过与本微波接收机中同样的微波光子相干转换装置成为本振光。第二种如图7(b)，由雷达发射机制备射频信号和本振微波，射频信号通过天线发射，本振微波通过电光调制器调制为本振光，如常用的Mach–Zehnder干涉仪型(MZM等)的电光调制器，受到调制的本振微波成为本振光。其他如光滤波等通用器件或方法这里没有具体给出。整个系统的典型应用场景如图8所示。由雷达发射机制备射频信号和本振微波，射频信号通过天线发射，本振微波通过与本实施例提供的微波接收机中同样的微波光子相干转换装置转换成为本振光。回波信号转换成的光子信号和本振信号转换成的本振光通过平衡零拍探测器探测，输出基带信号给终端显示设备，从而显示出被测物体的形状等信息。

本实施例利用高效率的微波光子相干转换装置，将信号微波和本振微波分别相干转换为光子，再利用光学中的平衡零拍探测器进行探测。整个系统对于微波信号的灵敏度至少为10⁸个微波光子，对应灵敏度功率约为-120dBm，即灵敏度相对于电子学方法灵敏度提升1-3个量级。同时热噪声被平衡零拍探测器抑制，大幅提高微波接收机的信噪比。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于微波光子转换和平衡零拍探测的微波探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)探测待测物体反馈的回波信号并对回波信号进行预处理；

(2)将预处理后的微波信号转换为光子信号；

(3)将光子信号和与该光子信号具有固定相位差的本振光均通过平衡零拍探测器进行信号处理，输出处理后的信号。

2.根据权利要求1所述的基于微波光子转换和平衡零拍探测的微波探测方法，其特征在于，所述的步骤(1)至步骤(3)具体为：

(1)通过微波天线及信号预处理系统探测待测物体反馈的回波信号并对回波信号进行预处理；

(2)通过微波光子转换单元将预处理后的微波信号转换为光子信号；

(3)通过平衡零拍探测器接收微波光子转换单元转换的光子信号和与该光子信号具有固定相位差的本振光，平衡零拍探测器对光子信号和本振光进行处理并输出处理后的信号到外部的终端显示设备。

3.根据权利要求2所述的基于微波光子转换和平衡零拍探测的微波探测方法，其特征在于，所述步骤(3)中的本振光的制备方法为：

雷达发射机制备本振微波，本振微波经过一个微波光子相干转换装置或电光调制器，微波光子相干转换装置或电光调制器将本振微波转换为本振光，所述本振光与所述光子信号具有固定的相位差。

4.根据权利要求2所述的基于微波光子转换和平衡零拍探测的微波探测方法，其特征在于，所述微波光子转换单元采用微波光子相干转换装置。

5.根据权利要求2所述的基于微波光子转换和平衡零拍探测的微波探测方法，其特征在于，所述微波天线及信号预处理系统包括微波天线、接收机保护器和带通滤波器，所述微波天线与接收机保护器连接，所述接收机保护器和带通滤波器连接。

6.一种采用权利要求1所述的基于微波光子转换和平衡零拍探测的微波探测方法的微波接收机，其特征在于，包括微波天线及信号预处理系统、微波光子转换单元和平衡零拍探测器，所述微波天线及信号预处理系统与微波光子转换单元连接，微波光子转换单元与平衡零拍探测器连接；

所述微波天线及信号预处理系统用于探测待测物体反馈的回波信号并对回波信号进行预处理；所述微波光子转换单元用于将预处理后的微波信号转换为光子信号；所述平衡零拍探测器用于接收微波光子转换单元转换的光子信号和与光子信号具有固定相位差的本振光并对光子信号和本振光进行处理从而得到输出信号。