CN110412560B - 微波多普勒频移的测量系统及其应用 - Google Patents

微波多普勒频移的测量系统及其应用 Download PDF

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Abstract

一种微波多普勒频移的测量系统及其应用，该测量系统包括光源，用于为所述微波多普勒频移测量系统提供光载波；第一调制器，用于将发射微波信号调制到光源上得到第一光波信号；第二调制器，用于将带有多普勒频移的接收微波信号调制到光源上得到第二光波信号；相位调制器，用于将第二光波信号进行移相后得到第三光波信号；第一探测器，用于探测第一光波信号和第三光波信号；第二探测器，用于探测第一光波信号和第二光波信号；频谱仪以及示波器。本公开结构简单，不用复杂的滤波等方式，实施容易，可以实现宽带、高质量精确的微波多普勒频移数值和方向的测量。

Description

微波多普勒频移的测量系统及其应用
技术领域
本公开属于微波光子学领域，更具体地涉及一种微波多普勒频移的测量系统及其应用。
背景技术
微波光子学是光信号与微波频段的电信号的相互作用，主要研究工作在微波毫米波频段的光学设备，并将其应用于微波系统与光学系统中。微波光子学在过去几年取得了巨大进步，并被广泛认为作为射频(RF)许多方面的电子对应物的替代技术，由于其固有的优势，如重量轻，大带宽，低传输损耗和抗电磁干扰(EMI)被应用于从雷达系统，战争侦察接收器和无线通信，到航空航天技术这些领域中。其中，基于光子的微波测量技术已成为一个活跃的主题研究。它表明了实现覆盖整个范围的射频测量的可能性，频率从几兆赫兹到几十千兆赫，这是电子的瓶颈技术。
通常，基于光子学测量的项目包括频率，到达角(AOA)和多普勒频移(DFS)。多普勒是由目标和观察者之间的径向运动引起的频率相对于波源的偏移。至于DFS测量，最常见的电气方法是I/Q混合，它可以提取回声的实部和虚部信号。但是，这种方法通常受操作带宽的限制。要解决此问题，很多科研人员进行了许多光子学的研究，包括利用四波混频(FWM)效应，从DFS到低频幅度的映射建立输出信号以估计载波频率高达40GHz的信号。然而，在高频下工作时，精度会降低。还有基于发射信号和回波信号之间的光子混合测DFS的研究，一旦回声信号被下变频，随后由频谱仪估计DFS(ESA)。但一般无法区分DFS的方向。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种微波多普勒频移的测量系统及其应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种微波多普勒频移的测量系统，包括：
光源，用于为所述微波多普勒频移测量系统提供光载波；
第一调制器，用于将发射微波信号调制到光源上得到第一光波信号；
第二调制器，用于将带有多普勒频移的接收微波信号调制到光源上得到第二光波信号；
相位调制器，用于将第二光波信号进行移相后得到第三光波信号；
第一探测器，用于探测第一光波信号和第三光波信号；
第二探测器，用于探测第一光波信号和第二光波信号；
频谱仪，其通过观测第一探测器或第二探测器的探测结果得到微波多普勒频移的数值；以及
示波器，其通过对比第一探测器和第二探测器的探测结果之间的相位差确定微波多普勒频移的方向。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种如上所述所述的测量系统在微波光子学领域的应用。
基于上述技术方案可知，本发明的微波多普勒频移的测量系统及其应用相对于现有技术至少具有以下优势之：
1、本公开的结构包括两个宽带的双平行马赫曾德调制器(DPMZM)，可以通过偏置点控制板直接控制实现载波抑制单边带调制，实现过程简单，且由于调制器的宽带特性，可以实现宽频带载波信号的多普勒频移数值的测量；
2、本公开的结构中引入相位调制器(PM)和两个探测器(PD)，使传输信号和经PM移相/未移相的多普勒频移后的接收信号分别进行拍频，输入到示波器中从而可以轻松判断多普勒频移的方向。
3、本公开的微波多普勒频移测量系统结构简单，不用复杂的滤波等方式，实施容易，可以实现宽带、高质量精确的微波DFS(微波多普勒频移)数值和方向的测量。
附图说明
图1是本公开一实施例的微波多普勒频移的测量系统的结构示意图；
图2是发射信号调制第一双马赫曾德平行调制器后的光谱示意图；
图3是接收信号调制第二双平行马赫曾德调制器后的光谱示意图；
图4是图3中光谱经过相位调制器后的光谱示意图；
图5是图2和图4所示意的光谱经第一探测器拍频后产生的电信号频谱示意图；
图6是是图2和图3所示意的光谱经第二探测器拍频后产生的电信号频谱示意图。
上图中，附图标记含义如下：
1-光源；2-第一调制器；3-第二调制器；4-相位调制器；5-第一探测器；6-第二探测器；7-频谱仪；8-示波器；9-第一微波信号发生器；10-第二微波信号发生器。
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。
本发明公开了一种微波多普勒频移的测量系统，包括：
光源，用于为所述微波多普勒频移测量系统提供光载波；
第一调制器，用于将发射微波信号调制到光源上得到第一光波信号；
第二调制器，用于将带有多普勒频移的接收微波信号调制到光源上得到第二光波信号；
相位调制器，用于将第二光波信号进行移相后得到第三光波信号；
第一探测器，用于探测第一光波信号和第三光波信号；
第二探测器，用于探测第一光波信号和第二光波信号；
频谱仪，其通过观测第一探测器或第二探测器的探测结果的得到微波多普勒频移的数值；以及
示波器，其通过对比第一探测器和第二探测器的探测结果之间的相位差确定微波多普勒频移的方向。
其中，所述光源为通信波段。
其中，所述通信波段包括C波段或L波段。
其中，所述第一调制器和第二调制器均工作在载波抑制单边带调制状态。
其中，所述第一调制器和第二调制器均为宽带调制器。
其中，所述第一调制器和第二调制器均为双平行马赫曾德调制器。
其中，所述第二光波信号与第三光波信号的相位差为0-π。
其中，所述第一探测器的带宽小于或等于2GHz。
所述第二探测器的带宽小于或等于2GHz。
本发明还公开了一种如上所述的测量系统在微波光子学领域的应用。
在一个实施方式中，本发明例如采用如下技术方案：
一种微波多普勒频移测量系统，包括光源，双平行马赫曾德调制器(DPMZM)(即第一调制器和第二调制器)，相位调制器(PM)，第一探测器(PD)和第二探测器，频谱仪和示波器。其中：光源，用于提供传输微波的载波信号；上下两路的两个双平行马赫曾德调制器(DPMZM)分别用于实现对发射微波信号和接收到的微波信号的载波抑制单边带调制；相位调制器(PM)用于实现对载波抑制单边带调制后的接收信号移相，使上下两路单边带信号产生一个0到π之间的相位差；探测器PD用于对上下两路信号合波后的拍频，产生多普勒频移信号和参考信号；示波器用于对比参考信号和多普勒频移后的拍频信号的相位，判断多普勒频移的正负方向。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
实施例
如图1所示，本实施例提供了一种微波多普勒频移测量系统，包括光源1，两个双平行马赫曾德调制器(DPMZM)，即第一调制器2和第二调制器3，相位调制器(PM)4，第一探测器(PD)5和第一探测器6，频谱仪(ESA)7和示波器(OSC)8。其中，图1中实线代表光路，虚线代表电路。系统链路各部分光谱或者频谱示意图如图2-6所示，图2-6中Wc为光载波频率；Wt为发射信号频率；We为接收信号频率；DC为直流信号；Wd为多普勒频移频率。其中：
光源1为整个系统提供光载波，用于加载传输的微波信号，一般为常用的通信波段(C波段和L波段)；
上下两支路的两个双平行马赫曾德调制器(DPMZM)在本系统中均工作在载波抑制单边带调制状态，DPMZM为宽带调制器，其中一个第一调制器2用于调制发射微波信号(transmitted signal)，第二调制器3用于调制带有多普勒频移的接收微波信号(echosignal)；
在本实施例中，DPMZM由商用的偏置控制板反馈控制可以直接实现载波抑制双边带调制，所以系统实现过程简单；
相位调制器(PM)4在其中一路的DPMZM后面对单边带的传输信号或者微波信号进行移相，本公开仅以相位调制器4在第二调制器3调制接收信号一路为例，此系统中通过控制相位调制器4的外加电压使相移在0到π之间；
该测量系统所用探测器为低频(带宽小于或等于2GHz)探测器5和6，实现对上下两路信号进行拍频，得到经过PM 4移相后的微波多普勒频移信号和未经相位调制器4移相后的拍频参考信号；
示波器8用于对比微波多普勒频移信号和参考信号之间的相位差，从而确定DFS的方向；
频谱仪7用于接入PD 5或PD6的信号得到微波DFS的数值。
其中，图2是发射信号调制第一双马赫曾德平行调制器后的光谱示意图，即图1中光路(a)的光谱示意图；
图3是接收信号调制第二双平行马赫曾德调制器后的光谱示意图，即图1中光路(b)的光谱示意图；
图4是图3中光谱经过相位调制器后的光谱示意图，即图1中光路(c)的光谱示意图；
图5是图2和图4所示意的光谱经第一探测器拍频后产生的电信号频谱示意图，即图1中光路(d)的光谱示意图；
图6是是图2和图3所示意的光谱经第二探测器拍频后产生的电信号频谱示意图，即图1中光路(e)的光谱示意图；
综上，通过本实施例提供的微波多普勒频移测量系统，两个宽带DPMZM可以通过偏置点控制板直接控制实现载波抑制单边带调制，实现过程简单，且由于调制器的宽带特性，可以实现宽频带载波信号的多普勒频移数值的测量；引入PM和两个PD，使传输信号和经PM移相/未移相的多普勒频移后的接收信号分别进行拍频，输入到示波器中从而可以轻松判断多普勒频移的方向。
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 (7)

1.一种微波多普勒频移的测量系统，其特征在于，包括：
光源，用于为所述微波多普勒频移测量系统提供光载波；
第一调制器，为宽带双平行马赫曾德调制器，且工作在载波抑制单边带调制状态，用于将发射微波信号调制到光源上得到第一光波信号；
第二调制器，为宽带双平行马赫曾德调制器，且工作在载波抑制单边带调制状态，用于将带有多普勒频移的接收微波信号调制到光源上得到第二光波信号；
相位调制器，用于将第二光波信号进行移相后得到第三光波信号；
第一探测器，用于探测第一光波信号和第三光波信号；
第二探测器，用于探测第一光波信号和第二光波信号；
频谱仪，其通过观测第一探测器或第二探测器的探测结果得到微波多普勒频移的数值；以及
示波器，其通过对比第一探测器和第二探测器的探测结果之间的相位差确定微波多普勒频移的方向。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，
所述光源为通信波段。
3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，
所述通信波段包括C波段或L波段。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，
所述第二光波信号与第三光波信号的相位差为0-π。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，
所述第一探测器的带宽小于或等于2GHz。
6.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，
所述第二探测器的带宽小于或等于2GHz。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的测量系统在微波光子学领域的应用。
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