CN110031832B - 一种微波光子多普勒频移测量系统及其调节方法 - Google Patents

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    • G01S13/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems

Abstract

本发明提供了一种微波光子多普勒频移测量系统及其调节方法，射频信号和回波信号通过偏振复用马赫‑曾德尔调制器实现电光调制，结合平衡探测，通过数字信号处理，得到鉴频信息实现宽带射频信号多普勒频移测量，同时使平衡探测器探测出的光电流中抑制二阶交调失真，从而大幅度提高该多普勒频移测量系统的测量性能。本发明采用一种宽带微波光子多普勒频移测量系统，射频信号以推挽模式驱动PDM‑MZM，通过PBS和平衡探测抑制二阶交调失真。本发明结构简单，具有很强的可操作性；可采用对称度高的调制器、精准的偏压控制、响应度平衡性好且共模抑制比高的BPD来提高二阶交调失真的抑制效果，实现高精度的宽带微波光子多普勒频移测量。

Description

一种微波光子多普勒频移测量系统及其调节方法
技术领域
本发明涉及微波光子测量领域，尤其是微波光子多普勒频移测量及其调节方法。
背景技术
如今微波技术已经被广泛的应用于城市环境和国防领域。而作为微波技术中最为重要基础应用微波测量技术更是在航空航天航海、通信、雷达防御系统、智能交通系统及医疗健康系统中得到了广泛的应用。
多普勒雷达是利用多普勒效应获取远距离目标速度数据的专用雷达，广泛应用于航空、气象、放射、医疗等领域。对这些多普勒雷达系统的一个关键挑战是在宽带频率范围内高分辨率测量多普勒频移(DFS)。虽然采用传统电子技术实现的DFS估计具有高稳定性、高分辨率的优良性能，但由于电瓶颈的存在，纯电学方法难以提供上十GHz的宽工作频率范围。
微波光子技术能够在较宽的频率范围内进行单一频率信号频率测量，利用这种优势可以大范围的提高多普勒频移测量的带宽，同时，微波光子技术拥有抗干扰，低功耗等优势，可以进一步的提高多普勒频移测量的性能。
微波光子多普勒频移测量中回波射频信号和回波信号必须先在接收端被光载波调制，在使用光器件进行信号处理后光电探测后得到所需要信息。由于电光调制器和光电探测器的非线性，射频信号经过光载射频链路后会产生二阶交调失真，从而恶化信号质量。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种大动态范围的宽带多普勒频移测量系统及其调节方法，该微波光子多普勒频移测量系统中，射频信号和回波信号通过偏振复用马赫-曾德尔调制器(Polarization Division Multiplexing Mach-Zehnder Modulator，PDM-MZM)实现电光调制，结合平衡探测，通过数字信号处理(DSP)，得到鉴频信息实现宽带射频信号多普勒频移测量，同时使平衡探测器探测出的光电流中抑制二阶交调失真，从而大幅度提高该多普勒频移测量系统的测量性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
所述微波光子多普勒频移测量系统包括激光源、PDM-MZM、掺饵光纤放大器(Erbium-doped Fiber Amplifier，EDFA)、光带通滤波器(Optical Band Pass Filter，OBPF)、光分路器、偏振控制器(Polarization Controller，PC)、偏振分束器(PolarizationBeam Splitter，PBS)和平衡光电探测器(Balanced Photodetector，BPD)，激光源的光输出端连接PDM-MZM的光信号输入端，PDM-MZM的输出端连接到EDFA输入端，EDFA的输出端连接OBPF输入端，OBPF的输出端连接光分路器输入端，光分路器的两个输出端分别各自连接一个PC，每一个PC的另一端连接一个PBS的公共输入端，PBS的两个输出端分别连接到BPD的两个光信号输入端；其中发射射频信号连接PDM-MZM的一个子调制器的射频端口，回波射频信号连接PDM-MZM的另一个子调制器的射频端口；
所述PDM-MZM由一个Y型光路器、两个并行的MZM、一个90度偏振旋转器(Polarization Rotator，PR)和一个偏振合束器(Polarization Beam Combiner，PBC)组成，两个并行的MZM分别为X-MZM和Y-MZM，Y-MZM的输出端连接90度PR，将信号进行90度偏振旋转，经PR后的光信号与X-MZM调制器输出的光信号共同输入PBC，光信号在PBC合并后从PDM-MZM输出；
从激光源输出的光信号注入到PDM-MZM中，X-MZM和Y-MZM的偏置点均通过直流偏压进行控制，使得X-MZM和Y-MZM工作在最小点，发射射频信号和回波射频信号分别连接子调制器X-MZM和子调制器Y-MZM的射频端口，PDM-MZM输出的光信号依次通过EDFA和OBPF，将光信号放大后滤出上边带，再通过光分路器将光信号分为两路，每一路光信号经过偏振控制器PC和偏振分束器PBS，通过PC上的三个拨片旋转调节光信号偏振角和相位差，每路PBS后的两个光信号分别进入BPD两个输入端，光电探测后得到光电流，两路光电流在BPD中相减，输出携带多普勒频移信息的光电流，该光电流即包含多普勒频移信息。
所述微波光子多普勒频移测量系统的调节方法的详细步骤如下：
步骤1：分别定义激光源输出的光信号、发射射频信号和回波射频信号为：
E(t)＝E0 exp(j2πfct)                  (1)
Es(t)＝Vs sin(2πfst)                   (2)
Em(t)＝Vm sin(2πfst+2πfdt)                (3)
其中E0为激光源输出光信号的电场幅度，fc为光信号的频率，Vs是发射信号的幅度，fs是发射信号的频率，Vm是回波信号的幅度，fd为回波信号的多普勒频移，使得X-MZM和Y-MZM工作在最小点，输出调制后的光信号为：
Figure BDA0001995926760000031
其中，mX＝πVS/Vπ为X-MZM的调制指数，Vπ是调制器的半波电压；使调制器Y-MZM工作在最小点，输出调制后的光信号为：
Figure BDA0001995926760000032
其中，mY＝πVm/Vπ为Y-MZM的调制指数；
步骤2：两个子调制器X-MZM和Y-MZM输出光信号经过PR和PBC后变为一路偏振复用光信号，进入EDFA对输出信号进行放大，再进入OBPF，该OBPF提取偏振复用光信号的上边带或下边带的其中一个，则光滤波器输出为上边带或下边带的偏振复用光信号，假设光滤波器输出上边带光信号，则其中一个偏振态包含发射射频调制信息：
EX_O(t)＝AX exp(j2πfct)×exp(j2πfst)             (6)
其中AX表示发射射频调制信息的强度，另一偏振态包含回波射频调制信息：
EY_O(t)＝AYE0 exp(j2πfct)×exp[j2π(fs+fd)t]        (7)
其中AY表示回波射频调制信息的强度；
步骤3：单边带的偏振复用光信号通过光分路器分为两路，分别记为I路和Q路，每路光信号均依次通过偏振控制器PC和偏振分束器PBS，其中I路中PBS两个端口输出的光信号分别表示为：
Ea(t)＝EX_O(t)cosα+EY_O(t)sinαexp(jθ)       (8)
Eb(t)＝EX_O(t)cosα-EY_O(t)sinαexp(jθ)       (9)
其中α表示输入PBS的光信号偏振态方向与PBS主轴的夹角，θ表示光信号中两个偏振分量的相位差；
PBS输出的两路光信Ea(t)和Eb(t)分别进入BPD的两个光输入口进行平衡探测，得到电信号表示为：
iI(t)∝|Ea(t)|2+|Eb(t)|2∝AXAY sin 2αcos(2πfdt+θ)     (10)
通过PC1调节光信号的偏振态，使I路中输入PBS的光信号偏振态方向与PBS主轴的夹角α为45度，同时调节输入PBS的光信号中两个偏振分量的相位差为θ，使该路信号两个偏振分量的相位差θ＝00，则该路电流表示为：
iI(t)∝AXAY cos(2πfdt)             (11)
该电流即为本发明多普勒频移系统最终得到的I路电信号；但仅从单一I路电信号难以判断多普勒频移方向；
步骤4：在Q路中PBS两个端口输出的光信号分别表示为：
Figure BDA0001995926760000041
Figure BDA0001995926760000042
其中β表示输入PBS的光信号偏振态方向与PBS主轴的夹角，
Figure BDA0001995926760000048
表示光信号中两个偏振分量的相位差；
PBS输出的两路光信号Ec(t)和Ed(t)分别进入BPD的两个光输入口进行平衡探测，得到电信号表示为：
Figure BDA0001995926760000043
通过PC2调节光信号的偏振态，使Q路中输入PBS的光信号偏振态方向与PBS主轴的夹角β为45度，同时调节输入PBS的光信号中两个偏振分量的相位差为
Figure BDA0001995926760000049
使该路信号两个偏振分量的相位差
Figure BDA0001995926760000044
则该路电流表示为：
Figure BDA0001995926760000045
该信号即为该多普勒频移系统最终得到的正交的Q路电信号；
将I路和Q路的输出结果经过模数转换后输入到DSP信号处理模块，通过公式(11)和公式(15)运算得到fd，且通过I路和Q路电信号相位关系可以判断fd的正负：若Q路信号超前I路信号
Figure BDA0001995926760000046
则fd为正，若Q路信号落后I路信号
Figure BDA0001995926760000047
则fd为负，进而实现了可分辨方向的多普勒频移测量。
本发明的有益效果在于采用一种宽带微波光子多普勒频移测量系统，射频信号以推挽模式驱动PDM-MZM，通过PBS和平衡探测抑制二阶交调失真。本发明结构简单，具有很强的可操作性；本发明可采用对称度高的调制器、精准的偏压控制、响应度平衡性好且共模抑制比高的BPD来提高二阶交调失真的抑制效果，实现高精度的宽带微波光子多普勒频移测量。
附图说明
图1为本发明基于PDM-MZM和平衡探测的宽带微波光子多普勒频移测量系统的原理图。
图2为实施例中仿真得到的同向和正交信号波形。
图3为实施例中采用单个探测器仿真得到的电信号频谱。
图4为实施例中采用BPD仿真得到的电信号频谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
所述微波光子多普勒频移测量系统包括激光源、PDM-MZM、掺饵光纤放大器(Erbium-doped Fiber Amplifier，EDFA)、光带通滤波器(Optical Band Pass Filter，OBPF)、光分路器、偏振控制器(Polarization Controller，PC)、偏振分束器(PolarizationBeam Splitter，PBS)和平衡光电探测器(Balanced Photodetector，BPD)，激光源的光输出端连接PDM-MZM的光信号输入端，PDM-MZM的输出端连接到EDFA输入端，EDFA的输出端连接OBPF输入端，OBPF的输出端连接光分路器输入端，光分路器的两个输出端分别各自连接一个PC，每一个PC的另一端连接一个PBS的公共输入端，PBS的两个输出端分别连接到BPD的两个光信号输入端；其中发射射频信号连接PDM-MZM的一个子调制器的射频端口，回波射频信号连接PDM-MZM的另一个子调制器的射频端口；
所述PDM-MZM由一个Y型光路器、两个并行的MZM、一个90度偏振旋转器(Polarization Rotator，PR)和一个偏振合束器(Polarization Beam Combiner，PBC)组成，两个并行的MZM分别为X-MZM和Y-MZM，Y-MZM的输出端连接90度PR，将信号进行90度偏振旋转，经PR后的光信号与X-MZM调制器输出的光信号共同输入PBC，光信号在PBC合并后从PDM-MZM输出；
从激光源输出的光信号注入到PDM-MZM中，X-MZM和Y-MZM的偏置点均通过直流偏压进行控制，使得X-MZM和Y-MZM工作在最小点，发射射频信号和回波射频信号分别连接子调制器X-MZM和子调制器Y-MZM的射频端口，PDM-MZM输出的光信号依次通过EDFA和OBPF，将光信号放大后滤出上边带，再通过光分路器将光信号分为两路，每一路光信号经过偏振控制器PC和偏振分束器PBS，通过PC上的三个拨片旋转调节光信号偏振角和相位差，每路PBS后的两个光信号分别进入BPD两个输入端，光电探测后得到光电流，两路光电流在BPD中相减，输出携带多普勒频移信息的光电流，该光电流即包含多普勒频移信息。
所述微波光子多普勒频移测量系统的调节方法的详细步骤如下：
步骤1：分别定义激光源输出的光信号、发射射频信号和回波射频信号为：
E(t)＝E0 exp(j2πfct)                  (1)
Es(t)＝Vs sin(2πfst)                   (2)
Em(t)＝Vm sin(2πfst+2πfdt)                (3)
其中E0为激光源输出光信号的电场幅度，fc为光信号的频率，Vs是发射信号的幅度，fs是发射信号的频率，Vm是回波信号的幅度，fd为回波信号的多普勒频移，使得X-MZM和Y-MZM工作在最小点，输出调制后的光信号为：
Figure BDA0001995926760000061
其中，mX＝πVS/Vπ为X-MZM的调制指数，Vπ是调制器的半波电压；使调制器Y-MZM工作在最小点，输出调制后的光信号为：
Figure BDA0001995926760000062
其中，mY＝πVm/Vπ为Y-MZM的调制指数；
步骤2：两个子调制器X-MZM和Y-MZM输出光信号经过PR和PBC后变为一路偏振复用光信号，进入EDFA对输出信号进行放大，再进入OBPF，该OBPF提取偏振复用光信号的上边带或下边带的其中一个，则光滤波器输出为上边带或下边带的偏振复用光信号，假设光滤波器输出上边带光信号，则其中一个偏振态包含发射射频调制信息：
EX_O(t)＝AX exp(j2πfct)×exp(j2πfst)           (6)
其中AX表示发射射频调制信息的强度，另一偏振态包含回波射频调制信息：
EY_O(t)＝AYE0 exp(j2πfct)×exp[j2π(fs+fd)t]       (7)
其中AY表示回波射频调制信息的强度；
步骤3：单边带的偏振复用光信号通过光分路器分为两路，分别记为I路和Q路，每路光信号均依次通过偏振控制器PC和偏振分束器PBS，其中I路中PBS两个端口输出的光信号分别表示为：
Ea(t)＝EX_O(t)cosα+EY_O(t)sinαexp(jθ)   (8)
Eb(t)＝EX_O(t)cosα-EY_O(t)sinαexp(jθ)   (9)
其中α表示输入PBS的光信号偏振态方向与PBS主轴的夹角，θ表示光信号中两个偏振分量的相位差；
PBS输出的两路光信Ea(t)和Eb(t)分别进入BPD的两个光输入口进行平衡探测，得到电信号表示为：
iI(t)∝|Ea(t)|2+|Eb(t)|2∝AXAY sin 2αcos(2πfdt+θ)   (10)
通过PC1调节光信号的偏振态，使I路中输入PBS的光信号偏振态方向与PBS主轴的夹角α为45度，同时调节输入PBS的光信号中两个偏振分量的相位差为θ，使该路信号两个偏振分量的相位差θ＝00，则该路电流表示为：
iI(t)∝AXAY cos(2πfdt)   (11)
该电流即为本发明多普勒频移系统最终得到的I路电信号；但仅从单一I路电信号难以判断多普勒频移方向；
步骤4：在Q路中PBS两个端口输出的光信号分别表示为：
Figure BDA0001995926760000071
Figure BDA0001995926760000072
其中β表示输入PBS的光信号偏振态方向与PBS主轴的夹角，
Figure BDA0001995926760000076
表示光信号中两个偏振分量的相位差；
PBS输出的两路光信号Ec(t)和Ed(t)分别进入BPD的两个光输入口进行平衡探测，得到电信号表示为：
Figure BDA0001995926760000073
通过PC2调节光信号的偏振态，使Q路中输入PBS的光信号偏振态方向与PBS主轴的夹角β为45度，同时调节输入PBS的光信号中两个偏振分量的相位差为
Figure BDA0001995926760000077
使该路信号两个偏振分量的相位差
Figure BDA0001995926760000074
则该路电流表示为：
Figure BDA0001995926760000075
该信号即为该多普勒频移系统最终得到的正交的Q路电信号；
将I路和Q路的输出结果经过模数转换后输入到DSP信号处理模块，通过公式(11)和公式(15)运算得到fd，且通过I路和Q路电信号相位关系可以判断fd的正负：若Q路信号超前I路信号
Figure BDA0001995926760000081
则fd为正，若Q路信号落后I路信号
Figure BDA0001995926760000082
则fd为负，进而实现了可分辨方向的多普勒频移测量。
如图1所示，所述多普勒频移测量系统包括激光源、PDM-MZM、掺饵光纤放大器、光带通滤波器、偏振控制器、偏振分束器和平衡光电探测器，激光源的光信号输入到PDM-MZM的光信号输入端，PDM-MZM的输出端连接到EDFA，EDFA的另一端连接OBPF输入端，OBPF的输出端连接光分路器输入端，光分路器的两个输出端各连接一个PC，PC另一端连接PBS的公共输入端，PBS的两个输出端分别连接到BPD的两个光信号输入端；其中发射射频信号和回波信号分别连接PDM-MZM的两个子调制器X-MZM和Y-MZM射频端口。
实施例中装置包括：激光源、PDM-MZM、直流电压源、两个微波信号源、光分路器、PC、PBS、BPD、频谱仪。激光源的输出口通过保偏光纤与PDM-MZM的光输入口相连，两个微波信号源分别生成发射信号和回波信号两路射频信号，分别连接X-MZM和Y-MZM的射频端口，调制器的直流偏置通过直流电压源提供，调制器输出端连接光分路器的输入端，光分路器的两个输出端分别连接一个PC，PC另一端连接PBS的公共输入端，PBS的两个输出端分别连接到BPD的两个输入端，BPD输出端连接示波器，通过示波器时域波形，即可得到多普勒频移大小和方向。
选择激光源产生的光载波波长为1550nm，光功率为15dBm；两个微波信号源分别产生的发射射频正弦信号频率为24GHz、功率10dBm，回波射频信号频率为24.0001GHz、功率5dBm，即待测多普勒频移为正向100kHz，PDM-MZM的半波电压为5V，消光比为30dB；BPD的响应度1.0A/W；
调节直流电压源输出电压，使子调制器X-MZM、Y-MZM均工作在最小点，此时输入光滤波器的光信号主要包含±1阶边带和载波，经过光滤波器后-1阶边带得到抑制；
调节I路PC，使光信号的两个偏振分量与PBS两个输出端的轴向相差45度，且两个偏振分量相位差0度，该路BPD输出发射射频信号与回波射频信号的同向差频信号，其频率即为回波信号多普勒频移100kHz，波形见图2；
调节Q路PC，使光信号的两个偏振分量与PBS两个输出端的轴向相差45度，且两个偏振分量相位差90度，该路BPD输出发射射频信号与回波射频信号的正交差频信号，其频率即为回波信号多普勒频移100kHz，相位与I路产生的同向差频信号相差90度，波形见图2。且Q路输出信号超前I路输出信号90度，说明多普勒频移为正向。
接下来在本实施例中测量使用BPD对直流偏置和二阶交调分量大小影响。
发射射频信号源产生频率20GHz、功率10dBm的但音频射频信号；回波射频信号源产生频率为20.1GHz、20.11GHz、功率均为5dBm的双音信号，PD的响应度为1.0A/W；
I路器件和设置不变，该路BPD输出信号输入到频谱仪中，此时频谱仪中二阶交调失真(0.01GHz)和直流被抑制，见图3；
Q路PC不变，将Q路的BPD替换为单个PD，将Q路中PBS的一个输出端连接到PD的输入端，PD的输出端连接到频谱仪输入端，此时频谱仪中二阶交调失真(0.01GHz)和直流未被抑制，见图4；
对比图3和图4，采用BPD平衡探测得到的多普勒频移信号，可将直流和二阶交调失真抑制，且多普勒频移频基波增加约6dB，这提高了多普勒频移信噪比，预期能够提高多普勒频移测量精度。
综上，本发明基于偏振复用调制和平衡探测的微波光子多普勒频移测量装置和方法，简单易于实现，工作带宽大，可抑制直流和二阶交调失真。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，调制器结构、射频频率、光载波波长、光载波功率、光纤长度等都可改变。这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种微波光子多普勒频移测量系统，其特征在于：
所述微波光子多普勒频移测量系统包括激光源、PDM-MZM、掺饵光纤放大器、光带通滤波器、光分路器、偏振控制器、偏振分束器和平衡光电探测器，激光源的光输出端连接PDM-MZM的光信号输入端，PDM-MZM的输出端连接到EDFA输入端，EDFA的输出端连接OBPF输入端，OBPF的输出端连接光分路器输入端，光分路器的两个输出端分别各自连接一个PC，每一个PC的另一端连接一个PBS的公共输入端，PBS的两个输出端分别连接到BPD的两个光信号输入端；其中发射射频信号连接PDM-MZM的一个子调制器的射频端口，回波射频信号连接PDM-MZM的另一个子调制器的射频端口；
所述PDM-MZM由一个Y型光路器、两个并行的MZM、一个90度偏振旋转器和一个偏振合束器组成，两个并行的MZM分别为X-MZM和Y-MZM，Y-MZM的输出端连接90度PR，将信号进行90度偏振旋转，经PR后的光信号与X-MZM调制器输出的光信号共同输入PBC，光信号在PBC合并后从PDM-MZM输出；
从激光源输出的光信号注入到PDM-MZM中，X-MZM和Y-MZM的偏置点均通过直流偏压进行控制，使得X-MZM和Y-MZM工作在最小点，发射射频信号和回波射频信号分别连接子调制器X-MZM和子调制器Y-MZM的射频端口，PDM-MZM输出的光信号依次通过EDFA和OBPF，将光信号放大后滤出上边带，再通过光分路器将光信号分为两路，每一路光信号经过偏振控制器PC和偏振分束器PBS，通过PC上的三个拨片旋转调节光信号偏振角和相位差，每路PBS后的两个光信号分别进入BPD两个输入端，光电探测后得到光电流，两路光电流在BPD中相减，输出携带多普勒频移信息的光电流，该光电流即包含多普勒频移信息；
该系统可以执行如下调解方法；
步骤1：分别定义激光源输出的光信号、发射射频信号和回波射频信号为：
E(t)＝E0exp(j2πfct) (1)
Es(t)＝Vssin(2πfst)    (2)
Em(t)＝Vmsin(2πfst+2πfdt) (3)
其中E0为激光源输出光信号的电场幅度，fc为光信号的频率，Vs是发射信号的幅度，fs是发射信号的频率，Vm是回波信号的幅度，fd为回波信号的多普勒频移，使得X-MZM和Y-MZM工作在最小点，输出调制后的光信号为：
其中，mX＝πVS/Vπ为X-MZM的调制指数，Vπ是调制器的半波电压；使调制器Y-MZM工作在最小点，输出调制后的光信号为：
其中，mY＝πVm/Vπ为Y-MZM的调制指数；
步骤2：两个子调制器X-MZM和Y-MZM输出光信号经过PR和PBC后变为一路偏振复用光信号，进入EDFA对输出信号进行放大，再进入OBPF，该OBPF提取偏振复用光信号的上边带或下边带的其中一个，则光滤波器输出为上边带或下边带的偏振复用光信号，假设光滤波器输出上边带光信号，则其中一个偏振态包含发射射频调制信息：
EX_O(t)＝AXexp(j2πfct)×exp(j2πfst)             (6)
其中AX表示发射射频调制信息的强度，另一偏振态包含回波射频调制信息：
EY_O(t)＝AYE0exp(j2πfct)×exp[j2π(fs+fd)t]        (7)
其中AY表示回波射频调制信息的强度；
步骤3：单边带的偏振复用光信号通过光分路器分为两路，分别记为I路和Q路，每路光信号均依次通过偏振控制器PC和偏振分束器PBS，其中I路中PBS两个端口输出的光信号分别表示为：
Ea(t)＝EX_O(t)cosα+EY_O(t)sinαexp(jθ)      (8)
Eb(t)＝EX_O(t)cosα-EY_O(t)sinαexp(jθ)       (9)
其中α表示输入PBS的光信号偏振态方向与PBS主轴的夹角，θ表示光信号中两个偏振分量的相位差；
PBS输出的两路光信Ea(t)和Eb(t)分别进入BPD的两个光输入口进行平衡探测，得到电信号表示为：
iI(t)∝|Ea(t)2+|Eb(t)2∝AXAYsin2αcos(2πfdt+θ)(10)
通过PC1调节光信号的偏振态，使I路中输入PBS的光信号偏振态方向与PBS主轴的夹角α为45度，同时调节输入PBS的光信号中两个偏振分量的相位差为θ，使该路信号两个偏振分量的相位差θ＝，则该路电流表示为：
iI(t)∝AXAYcos(2πfdt)        (11)
该电流即为本发明多普勒频移系统最终得到的I路电信号；但仅从单一I路电信号难以判断多普勒频移方向；
步骤4：在Q路中PBS两个端口输出的光信号分别表示为：
其中β表示输入PBS的光信号偏振态方向与PBS主轴的夹角，表示光信号中两个偏振分量的相位差；
PBS输出的两路光信号Ec(t)和Ed(t)分别进入BPD的两个光输入口进行平衡探测，得到电信号表示为：
通过PC2调节光信号的偏振态，使Q路中输入PBS的光信号偏振态方向与PBS主轴的夹角β为45度，同时调节输入PBS的光信号中两个偏振分量的相位差为使该路信号两个偏振分量的相位差则该路电流表示为：
该信号即为该多普勒频移系统最终得到的正交的Q路电信号；
将I路和Q路的输出结果经过模数转换后输入到DSP信号处理模块，通过公式(11)和公式(15)运算得到fd，且通过I路和Q路电信号相位关系可以判断fd的正负：若Q路信号超前I路信号则fd为正，若Q路信号落后I路信号则fd为负，进而实现了可分辨方向的多普勒频移测量。
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