CN110518975A - 频谱侦测系统 - Google Patents

Abstract

一种频谱侦测系统，包括扫频光源、相位调制器、光滤波器、光电探测器、功分器、电放大器、合路器、电滤波器和示波器；其中，扫频光源、相位调制器、光滤波器、光电探测器和电放大器一起构成环形的光电振荡器谐振腔；当满足傅里叶域锁模条件时，光电振荡器谐振腔能够产生宽带可调的扫频信号。本发明将待测信号耦合到傅里叶域锁模光电振荡器中，待测信号在环路中和光电振荡器内震荡信号拍频，经电滤波器滤波后通过示波器观测输出信号的时域波形。利用傅里叶域锁模光电振荡器实现的待测信号频率到时间的映射，通过示波器观测到的波形的出现时间，可得到待测信号的频率信息。

Description

频谱侦测系统

技术领域

本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种频谱侦测系统。

背景技术

在雷达和其他电子战系统中，对截获到的未知微波信号的高精度测量能力是至关重要的。现代电子学技术可实现高精度的频率侦测，但待测信号的频率可能分布在较宽的频带内，而采用纯电子学的方法测量时频带宽度是有限的，且测量时易受电磁干扰。

采用光子学的方法可以避免电子学技术的上述弊端。在原理上，基于光子学的微波信号频率侦测方案大体上可分为三类，即基于光子学信道化技术、基于频率到功率的映射和基于频率到时间的映射。基于光子学信道化技术可实现大带宽的频率测量，但其测频误差非常大，通常大于1GHz，这不能满足大部分电子战系统的应用需求；基于频率到功率的映射的方法可实现相对更高精度的频率侦测，但是该方法只能对单一频率的微波信号实施侦测，不能同时实现多个点频信号的侦测，因此其应用是受限的。而基于频率到时间映射的方法可实现多点频信号的侦测，但同时该方法的频率分辨率受限于系统中光学时间门的精度，大约在几百个MHz量级。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明的主要目的在于提供一种频谱侦测系统，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，本发明提出了一种频谱侦测系统，包括：扫频光源、相位调制器、光滤波器、光电探测器、功分器、电放大器、合路器、电滤波器和示波器；

其中，扫频光源、相位调制器、光滤波器、光纤、光电探测器和电放大器一起构成一环形的光电振荡器谐振腔，所述光电振荡器谐振腔配置为当满足傅里叶域锁模条件时，能够产生带宽和中心频率可调的扫频信号；

所述合路器配置为输入待测信号，将该待测信号与光电振荡器自激振荡产生的扫频信号合路后一起输入到相位调制器的电信号输入端；所述相位调制器用于将合路后电信号调制到扫频光源发出的扫频光信号上，输出双边带相位调制的光信号；所述光滤波器选择性的衰减或放大双边带的一个边带；所述光电探测器用于探测经光滤波器滤波后的信号；

光电探测器、功分器、电放大器、合路器、相位调制器之间通过电缆连接；所述功分器、电滤波器、示波器之间通过电缆连接。

在进一步的实施方案中，所述扫频光源是电流驱动的扫频半导体激光器，或基于单边带调制的扫频光源，其发光波长配置为周期性的变化。

在进一步的实施方案中，光滤波器陷波光滤波器，或基于受激布里渊散射效应增益谱的光滤波器。

在进一步的实施方案中，微波光子滤波器的扫频周期与信号在光电振荡器环路中传输一周的延时相匹配，满足如下傅里叶域锁模条件：

nT＝T_r；

其中，n是正整数，T是微波光子滤波器的变化周期，T_r是信号在光电振荡器环路中传输一周的延时。

在进一步的实施方案中，频谱侦测系统配置为通过改变扫频信号、待测信号和电滤波器的频率的大小关系来实现不同频率测量范围的频谱侦测。

在进一步的实施方案中，频谱侦测系统中还包括偏振控制器，用于控制光信号的偏振态。

在进一步的实施方案中，频谱侦测系统中还包括光放大器或电放大器，用于对信号进行放大。

在进一步的实施方案中，光电振荡器环路由单环路替换为大于等于2的环路。

基于上述技术方案可知，本发明的频谱侦测系统及方法具有如下有益结果：

(1)利用傅里叶域锁模光电振荡器实现了待测信号频率到时间的映射，因此可通过输出信号的时域信息获得待测信号的频率信息；

(2)可侦测的信号频率范围与傅里叶域锁模光电振荡器的扫频带宽相关，由于傅里叶域锁模光电振荡器可输出宽带可调的扫频信号，因此本发明可实现宽带的频谱侦测；

(3)对于高频的待测信号，借助光电探测器的平方律特性，可通过观测高频待测信号与傅里叶域锁模光电振荡器内扫频信号的差频，来得到其频率特性，因此可实现对高频微波信号的侦测；

(4)本发明的频谱侦测方法的精度主要由电滤波器的带宽决定；采用高性能的窄带滤波器，可实现精度在几十MHz量级甚至更窄的频谱侦测。

附图说明

图1是本发明实施例的频谱侦测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的频谱侦测系统的原理图。

图3是本发明实施例频谱示意图。

图4是实测的傅里叶域锁模光电振荡器扫频特性。

图5是本发明实施例的频谱侦测系统时间-频率映射关系。

图6是本发明实施例的频谱侦测系统实测的输出脉冲包络。

上述附图中，附图标记的含义如下：

1扫频光源 2相位调制器 3光滤波器

4光纤 5光电探测器 6功分器

7电放大器 8合路器 9电滤波器

10示波器 11待测信号源

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。

本发明基于微波光子技术，将待测信号耦合到傅里叶域锁模光电振荡器中，利用合适的电滤波器滤波并借助傅里叶域锁模光电振荡器的输出频率和时间的对应关系，即利用傅里叶域锁模光电振荡器的扫频特性，实现注入微波信号频率到时间的映射，从而实现对未知微波信号的高精度侦测。更进一步的是，本发明还利用傅里叶域锁模光电振荡器的扫频微波发生性能、相位调制器的调制特性以及光电探测器的平方律特性，实现了对未知微波信号的大带宽、高精度的频谱侦测。

具体的，本发明的频谱侦测系统，包括：扫频光源、相位调制器、光滤波器、光纤、光电探测器、功分器、电放大器、合路器、电滤波器、示波器和待测信号源；其中，扫频光源、相位调制器、光滤波器、光纤和光电探测器之间通过光纤跳线连接，光电探测器、功分器、电放大器、合路器、相位调制器之间通过电缆连接；功分器、电滤波器、示波器之间通过电缆连接。

扫频光源、相位调制器、光滤波器、光纤、光电探测器和电放大器一起构成一个环形的光电振荡器谐振腔。当满足傅里叶域锁模条件时，谐振腔可产生宽带可调的扫频信号。

其中，该傅里叶域锁模条件为：

nT＝T_r；

其中，n是正整数，T是微波光子滤波器的变化周期，T_r是信号在光电振荡器环路中传输一周的延时。

其中，该扫频光源是电流驱动的扫频半导体激光器或基于单边带调制的扫频光源，其发光波长周期性的变化。

其中，该光滤波器是具有超窄带宽的陷波滤波器或基于受激布里渊散射效应增益谱的超窄光滤波器，例如带宽为几十MHz。

其中，该频谱侦测系统能够通过改变扫频信号、待测信号和电滤波器的频率的大小关系来实现不同频率测量范围的频谱侦测。

其中，该频谱侦测系统中还包括偏振控制器，用于控制光信号的偏振态。

其中，该频谱侦测系统中还包括光放大器或电放大器，用于对信号进行放大。

其中，光电振荡器环路由单环路替换为大于等于2的多环路。

工作时，待测信号源将待测信号输入到合路器，合路器将该待测信号与光电振荡器自激振荡产生的扫频信号合路后一起输入到相位调制器的电信号输入端，而相位调制器将合路后电信号调制到扫频光源发出的扫频光信号上。相位调制器输出的双边带相位调制的光信号经光滤波器选择性的衰减或放大其中的一个边带后，通过光纤输入光电探测器。由于光电探测器的平方律特性，调制到光载波上的待测信号会和谐振腔内的扫频信号拍频。光电探测器将拍频后的信号输出到功分器，该功分器将信号分成两路，一路返回到电放大器用于耦合待测信号，一路输入到一通频带已知的电滤波器，从而将该待测信号检出，完成对待测信号的侦测。

整个频谱侦测系统的工作原理如下：扫频光源、相位调制器、光滤波器、光电探测器一起组成一高精度扫频的微波光子滤波器，该微波光子滤波器的扫频周期与信号在光电振荡器环路中传输一周的延时相匹配，满足傅里叶域锁模条件。在确知的周期性信号的驱动下，傅里叶域锁模光电振荡器输出的扫频微波信号频率和时间有确定的对应关系。将待测微波信号耦合到完全起振的傅里叶域锁模光电振荡器，由于光电探测器的平方律特性，调制到光载波上的待测信号会和谐振腔内的扫频信号拍频。在傅里叶域锁模光电振荡器的输出端加一个通频带已知的电滤波器，则可通过观测到的滤波器拍频信号的信息得到待测信号的信息，完成对待测信号的侦测。

下面结合附图，通过具体实施例来对本发明的技术方案进行详细的阐述说明。

如图1所示，为本发明的结构示意图，主要包括：1个扫频光源1、1个相位调制器2、1个光滤波器3、1段光纤4、1个光电探测器5、1个功分器6、1个电放大器7、1个合路器8、1个电滤波器9、1个示波器10和1个待测信号源11。其中扫频光源1、相位调制器2、光滤波器3、光纤4、光电探测器5之间通过光纤跳线依次连接。其中光电探测器5、功分器6、电放大器7、合路器8、相位调制器2之间通过电缆依次连接；功分器6、电滤波器9、示波器10之间通过电缆依次连接。

扫频光源1、相位调制器2、光滤波器3、光纤4、光电探测器5、电放大器7、功分器6和合路器8一起组成了一个傅里叶域锁模光电振荡器。在傅里叶域锁模光电振荡器中，扫频光源1、相位调制器2、光滤波器3、光电探测器5构成了一个高精度扫频的微波光子滤波器，微波光子滤波器的扫频周期与信号在光电振荡器环路中传输一周的延时相匹配，满足傅里叶域锁模条件：

nT＝T_r；

其中，n是正整数，T是微波光子滤波器的变化周期，T_r是信号在光电振荡器环路中传输一周的延时。此时，光电振荡器工作在傅里叶域锁模状态，可输出周期性的扫频微波信号。如图2上图所示，当以锯齿波驱动微波光子滤波器时，傅里叶域锁模光电振荡器输出的是周期性的线性调频信号，信号的频率和时间存在周期性的对应关系。

频率侦测系统的原理图如图2所示，待测微波信号通过合路器8耦合到了傅里叶域锁模光电振荡器中。由于光电探测器的平方律特性，调制到光载波上的待测信号会和谐振腔内的扫频信号混频。在傅里叶域锁模光电振荡器的输出端加一个通频带已知的电滤波器，只有当拍频信号的频率与电滤波器的中心频率匹配时，滤波器才有输出。得益于傅里叶域锁模光电振荡器的双向扫频特性，当单频微波信号注入时，一个扫频周期内滤波器输出两个脉冲，且脉冲间的时间间隔和待测信号的频率相关。因此，可通过观测滤波器输出时域脉冲的时间间隔，得到待测信号的频率信息，完成对待测信号的侦测。假设待测信号的频率低于扫频信号的频率，且电滤波器的中心频率高于待测信号的频率，如图3所示，若待测信号的实际频率为f_in，傅里叶域锁模光电振荡器产生的扫频信号为f_scan，采用通频带中心频率为f_filter的电滤波器，那么混频后得到的拍频信号为f_beat＝f_scan-f_in。当拍频信号满足f_beat＝f_filter时，可在示波器上观测到电滤波器的输出信号；当扫频信号频率不等于f_o时，混频项不能通过电滤波器。因此，得益于傅里叶域锁模光电振荡器的双向扫频特性，一个扫频周期内滤波器可得到两个脉冲输出。由已知的傅里叶域锁模光电振荡器的扫频特性和电滤波器的特性，通过示波器观测得的电滤波器的输出脉冲的时间差，可得到待侦测信号的频率信息。

实验测得的傅里叶域锁模光电振荡器扫频特性如图4所示，可以看到，在一个扫频周期内扫频信号的频率先降低后升高，傅里叶域锁模光电振荡器是双向扫频的。当电滤波器检测差频项时，输入待测信号的频率和输出脉冲的时间间隔的关系如图5所示，可以看到，输入待测信号的频率和输出脉冲的时间间隔正相关，因此利用傅里叶域锁模光电振荡器实现了待测微波信号频率到时间的映射。当不同频率的单频微波信号注入到傅里叶域锁模光电振荡器中，示波器上得到的脉冲包络如图6所示，可以看出，输入信号的频率越高，输出脉冲的时间间隔越大。由图6所示的时域信息，结合图5所示的信号频率到时间的映射关系，可实现对输入信号频率的侦测。

进一步的，可通过改变扫频信号、待测信号和电滤波器的频率的大小关系来实现不同频率测量范围的频谱侦测。比如，与图3图所示观测差频的方法类似，当待测信号的频率满足f_filter＝f_in+f₀时，也可通过电滤波器选择待测信号与傅里叶域锁模光电振荡器内扫频信号的和频，实现频谱侦测。

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：可加入偏振控制器控制光信号的偏振态，以达到更好的频谱侦测性能；可在光路中加入光放大器或电放大器对信号进行放大。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。

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 (8)

1.一种频谱侦测系统，其特征在于，包括：扫频光源、相位调制器、光滤波器、光电探测器、功分器、电放大器、合路器、电滤波器和示波器；

其中，所述扫频光源、相位调制器、光滤波器、光纤、光电探测器和电放大器一起构成一环形的光电振荡器谐振腔，所述光电振荡器谐振腔配置为当满足傅里叶域锁模条件时，能够产生带宽和中心频率可调的扫频信号；

所述合路器配置为输入待测信号，将该待测信号与光电振荡器自激振荡产生的扫频信号合路后一起输入到相位调制器的电信号输入端；所述相位调制器用于将合路后电信号调制到扫频光源发出的扫频光信号上，输出双边带相位调制的光信号；所述光滤波器选择性的衰减或放大双边带的一个边带；所述光电探测器用于探测经光滤波器滤波后的信号；

所述光电探测器、功分器、电放大器、合路器、相位调制器之间通过电缆连接；所述功分器、电滤波器、示波器之间通过电缆连接。

2.根据权利要求1所述的频谱侦测系统，其特征在于，所述扫频光源是电流驱动的扫频半导体激光器，或基于单边带调制的扫频光源，其发光波长配置为周期性的变化。

3.根据权利要求1所述的频谱侦测系统，其特征在于，所述光滤波器陷波光滤波器，或基于受激布里渊散射效应增益谱的光滤波器。

4.根据权利要求1所述的频谱侦测系统，其特征在于，所述微波光子滤波器的扫频周期与信号在光电振荡器环路中传输一周的延时相匹配，满足如下傅里叶域锁模条件：

nT＝T_r；

其中，n是正整数，T是微波光子滤波器的变化周期，T_r是信号在光电振荡器环路中传输一周的延时。

5.根据权利要求1所述的频谱侦测系统，其特征在于，所述频谱侦测系统配置为通过改变扫频信号、待测信号和电滤波器的频率的大小关系来实现不同频率测量范围的频谱侦测。

6.根据权利要求1所述的频谱侦测系统，其特征在于，所述频谱侦测系统中还包括偏振控制器，用于控制光信号的偏振态。

7.根据权利要求1所述的频谱侦测系统，其特征在于，所述频谱侦测系统中还包括光放大器或电放大器，用于对信号进行放大。

8.根据权利要求1所述的频谱侦测系统，其特征在于，所述光电振荡器环路由单环路替换为大于等于2的环路。