CN110702988B - 基于傅里叶域锁模光电振荡器的注入式频谱侦测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于傅里叶域锁模光电振荡器的注入式频谱侦测系统，包括扫频光源、相位调制器、光滤波器、储能光纤、光电探测器、第一功分器、电放大器、第二功分器、被测信号源和示波器；其中扫频光源、相位调制器、光滤波器、光电探测器一起组成可调谐微波光子滤波器，所述微波光子滤波器的变化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，从而使傅里叶域锁模光电振荡器工作在振荡阈值附近，即所有的模式都没有起振，当被测信号注入到傅里叶域锁模光电振荡器环路时，被测信号包含的频率成分会起振，示波器记录这些频率成分的起振时间，通过振荡器扫频输出频率和时间的对应关系以及信号幅度可以确定被测信号的频率和幅度信息。

Description

基于傅里叶域锁模光电振荡器的注入式频谱侦测系统

技术领域

本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种基于傅里叶域锁模光电振荡器的注入式频谱侦测系统。

背景技术

在通信、卫星监测、航空航天等应用领域，频谱侦测系统是必备的通用测试工具。随着通信技术和军事电子技术的迅猛发展，可实现宽带快速频谱分析的频谱侦测系统日益受到人们的关注。

目前，频谱侦测技术主要利用基于电子技术的频谱分析仪实现。从原理上讲，频谱分析仪可分为三类：第一类是基于傅里叶变换，即通过采样将待侦测的信号波形数字化，并对时域信号通过傅里叶变换来获得其频域信息。该方法实现起来非常复杂，且带宽很小。第二类是基于带通滤波器，即采用具有不同通频带的带通滤波器，并使每个滤波器在系统输出的对应频率轴上输出对应的电压图。基于带通滤波器的频谱分析仪的测量范围和分辨率随所用窄带滤波器数目的增加而提高，因此其缺点在于对窄带滤波器的数目或可调谐性有很高的要求。第三类是外差式扫频频谱分析仪，与第二类频谱分析仪相比，该技术利用频率扫描信号取代频率可调滤波器，而滤波器固定在一个频率上。该技术利用混频器与本地振荡器将待测信号的频率变换到固定的中频上，用滤波器测量中频信号的电平。高性能的扫频外差式频谱分析仪需要多次变频和多组中频滤波器与混频器来完成信号的采集处理，从而增加了系统的成本和复杂度。

由此可见，现有的频谱分析设备都或多或少存在一定弊端，需要研发一种更方便使用的频谱分析设备。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于傅里叶域锁模光电振荡器的注入式频谱侦测系统，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，本发明提出了一种基于傅里叶域锁模光电振荡器的注入式频谱侦测系统，其特征在于，包括扫频光源、相位调制器、光滤波器、储能光纤、光电探测器、第一功分器、电放大器、第二功分器、被测信号源和示波器；其中：

所述扫频光源、相位调制器、光滤波器、储能光纤和光电探测器之间通过光纤跳线连接；所述光电探测器、第一功分器、电放大器、第二功分器、相位调制器之间通过电缆连接；第一功分器和示波器之间通过电缆连接；被测信号源和第二功分器之间通过电缆连接；

所述扫频光源、相位调制器、光滤波器、光电探测器一起组成一个可调谐微波光子滤波器，所述微波光子滤波器的变化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：

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。

从上述技术方案可知，本发明的注入式频谱侦测系统具有如下有益结果：

(1)通过时域示波器在对应的时刻观测得到的由待侦测信号激发出的傅里叶域锁模光电振荡器的震荡信号，借助傅里叶域锁模光电振荡器的输出频率与时间相关的特性，通过时域示波器获得待侦测信号的频率和幅度信息；

(2)傅里叶域锁模光电振荡器可以快速宽带扫频，因此本发明提供的基于傅里叶域锁模光电振荡器的注入式频谱侦测系统可实现宽带快速频谱侦测。

附图说明

图1是本发明的基于傅里叶域锁模光电振荡器的注入式频谱侦测系统的结构示意图；

图2是本发明的基于傅里叶域锁模光电振荡器的注入式频谱侦测系统的原理图。

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，利用傅里叶域锁模光电振荡器的输出频率和时间相关的特性，将待侦测信号注入到工作在阈值状态的傅里叶域锁模光电振荡器中，通过示波器上观测到的波形推算出待测信号的频率和幅度信息，实现宽带快速频谱侦测。

本发明的注入式频谱侦测系统的工作过程为，通过周期性驱动系统中快速可调的微波光子滤波器，并满足傅里叶域锁模条件，光电振荡器输出周期性的扫频信号。因此，傅里叶域锁模光电振荡器的输出频率与时间相关。将待侦测的微波信号通过第二功分器注入到光电振荡器环路中，使光电振荡器工作在阈值状态，那么待测信号为0时所有的频率成分都不起振。存在待侦测信号时，待测信号所包含的频率成分会在光电振荡器中起振，通过示波器可在对应的时刻看到对应的震荡信号，因此可利用傅里叶域锁模光电振荡器的输出频率与时间的关系实现对信号的侦测。

具体地，本发明的基于傅里叶域锁模光电振荡器的注入式频谱侦测系统，主要包括：扫频光源、相位调制器、光滤波器、储能光纤、光电探测器、第一功分器、电放大器、第二功分器、被测信号源和示波器。其中，扫频光源、相位调制器、光滤波器、储能光纤和光电探测器之间通过光纤跳线依次连接；光电探测器、第一功分器、电放大器、第二功分器、相位调制器之间通过电缆依次连接；第一功分器和示波器之间通过电缆依次连接；被测信号源和第二功分器之间通过电缆连接。

其中，扫频光源、相位调制器、光滤波器、光电探测器一起组成一个可调谐微波光子滤波器，微波光子滤波器的变化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：

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，扫频光源为扫频的半导体激光器或基于射频驱动单边带调制的扫频光源。

其中，光滤波器是具有MHz量级的超窄带宽的带通滤波器或者陷波滤波器，用于选择性地放大或抑制相位调制的一个边带。

其中，储能光纤是低损耗的微波储能元件，例如损耗低至0.2dB/km；储能光纤的长度为数米至数十千米不等，例如为1～30000米；储能光纤的色散应控制到零，避免色散导致的功率衰落对系统的影响。

其中，傅里叶域锁模光电振荡器工作在其震荡阈值附近，未注入被测信号时所有扫频模式都不起振。

其中，光电振荡器腔内白激振荡信号的小信号增益满足：

G_s≈1；

其中，G_s为小信号增益。

其中，扫频光源、相位调制器、光滤波器、储能光纤和光电探测器组成的光路中还可以包括光放大器，用于对光信号进行放大。

其中，光滤波器可以由电滤波器替换。

其中，相位调制器可以由偏振调制器替换。

其中，该光电振荡器的环路可以由单环路替换为双环路或更多环路。

在工作时，被测信号源将被测信号输入到第二功分器，第二功分器将该被测信号与来自电放大器的放大信号耦合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。光电探测器将探测的光信号转换为微波信号，将并输出到第一功分器，该第一功分器将信号分成两路，一路返回到电放大器用于构成闭合的光电振荡器回路，一路输入到示波器用于检测确定信号出现的时间，以通过出现时间确定待测信号的频率，完成频谱侦测。

由此，通过上述设置，该傅里叶域锁模光电振荡器工作在振荡阈值附近，即所有的模式都没有起振，当被测信号注入到傅里叶域锁模光电振荡器环路时，被测信号包含的频率成分会起振，示波器记录这些频率成分的起振时间，通过振荡器扫频输出频率和时间的对应关系以及信号幅度可以确定被测信号的频率和幅度信息。

下面通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案作进一步阐述说明。

如图1所示，为本发明的基于傅里叶域锁模光电振荡器的注入式频谱侦测系统的结构示意图，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段储能光纤4；1个光电探测器5；1个第一功分器6；1个电放大器7；1个第二功分器8；1个被测信号源9；1个示波器10。其中扫频光源1、相位调制器2、光滤波器3、储能光纤4、光电探测器5之间通过光纤跳线连接。光电探测器5、第一功分器6、电放大器7、第二功分器8、相位调制器2之间通过电缆连接。功分器6、示波器10之间通过电缆连接。被测信号源9、第二功分器8之间通过电缆连接。

系统中扫频光源1、相位调制器2、光滤波器3、光电探测器5一起组成了一个通频带快速可调的微波光子滤波器，当微波光子滤波器的变化周期与信号在光电振荡器环路中传输一周的延时相匹配时，则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。通过锯齿波周期性驱动系统中快速可调的微波光子滤波器，并满足傅里叶域锁模条件，光电振荡器输出周期性的扫频信号。傅里叶域锁模光电振荡器的输出频率与时间的对应关系如图2中(红色)虚线所示，因此，傅里叶域锁模光电振荡器的输出频率与时间相关，且周期性的变化，变化周期为信号在光电振荡器环路中传输一周的延时T_r。在已知某一信号出现时间的条件下，可通过傅里叶域锁模光电振荡器的输出频率与时间的对应关系得到信号的频率信息。使光电振荡器工作在阈值状态，即：

G_s≈1；

其中，G_s为小信号增益，那么此时所有的频率成分都没有起振。

当将待侦测的微波信号通过功分器8注入到光电振荡器环路中时，待侦测信号所包含的频率成分会在光电振荡器中起振，通过示波器可在对应的时刻看到对应的震荡信号，且信号越强，震荡幅度越大。如图2中(蓝色)实线所示为当待测信号为单频微波信号时，示波器得到的时域波形，借助傅里叶域锁模光电振荡器的输出频率与时间相关的特性，可以通过时域示波器获得的时间t_f，获得待侦测信号的频率f。同样的，当待测信号包含多个频率成分时，也可通过各个频率成分对应的时间信息得到其频率信息。因此，本发明提供的基于傅里叶域锁模光电振荡器的注入式频谱侦测系统可实现单频信号和多点频信号的侦测。由于傅里叶域锁模光电振荡器可以快速宽带扫频，本发明提供的基于傅里叶域锁模光电振荡器的注入式频谱侦测系统可实现宽带快速侦测。

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：可在光路中加入光放大器对信号进行放大；可将窄带光滤波器更换为电滤波器。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 (10)

1.一种基于傅里叶域锁模光电振荡器的注入式频谱侦测系统，其特征在于，包括扫频光源、相位调制器、光滤波器、储能光纤、光电探测器、第一功分器、电放大器、第二功分器、被测信号源和示波器，通过傅里叶域锁模光电振荡器的输出频率与时间相关的特性，结合示波器，通过时域示波器获得的时间，获得待测信号的频率；其中：

所述扫频光源、相位调制器、光滤波器、储能光纤和光电探测器之间通过光纤跳线连接；所述光电探测器、第一功分器、电放大器、第二功分器、相位调制器之间通过电缆连接；第一功分器和示波器之间通过电缆连接；被测信号源和第二功分器之间通过电缆连接；

所述扫频光源、相位调制器、光滤波器、光电探测器一起组成一个可调谐微波光子滤波器，所述微波光子滤波器的变化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：

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。

2.根据权利要求1所述的注入式频谱侦测系统，其特征在于，所述扫频光源为扫频的半导体激光器或基于射频驱动单边带调制的扫频光源。

3.根据权利要求1所述的注入式频谱侦测系统，其特征在于，所述光滤波器是具有MHz量级超窄带宽的带通滤波器或者陷波滤波器，用于选择性的放大或抑制相位调制的一个边带。

4.根据权利要求1所述的注入式频谱侦测系统，其特征在于，所述储能光纤是低损耗的微波储能元件，损耗低至0.2dB/km；所述储能光纤的长度为1～3000米；所述储能光纤的色散为零。

5.根据权利要求1所述的注入式频谱侦测系统，其特征在于，所述傅里叶域锁模光电振荡器工作在其振荡阈值附近，未注入被测信号时所有扫频模式都不起振。

6.根据权利要求5所述的注入式频谱侦测系统，其特征在于，所述光电振荡器腔内自激振荡信号的小信号增益满足：

G_s≈1；

其中，G_s为小信号增益。

7.根据权利要求1所述的注入式频谱侦测系统，其特征在于，所述扫频光源、相位调制器、光滤波器、储能光纤和光电探测器组成的光路中还包括光放大器，用于对光信号进行放大。

8.根据权利要求1所述的注入式频谱侦测系统，其特征在于，所述光滤波器由电滤波器替换。

9.根据权利要求1所述的注入式频谱侦测系统，其特征在于，所述相位调制器替换为偏振调制器。

10.根据权利要求1所述的注入式频谱侦测系统，其特征在于，所述光电振荡器环路由单环路替换为双环路或更多环路。

Images