CN110830120A - 一种宽带噪声源的产生装置及其信号产生方法 - Google Patents

一种宽带噪声源的产生装置及其信号产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带噪声源的产生装置及其信号产生方法，通过利用随机激光器作为宽带噪声源，由于其发光原理来自放大的自发辐射，光谱带宽远大于普通激光光源，在保证输出信号的随机类噪声特征的情况下，实现了宽带的信号输出，且输出噪声信号超噪比达到20dB，显著提升噪声发生器的输出带宽和输出功率；设置滤波整形模块对随机激光器输出的光谱进行精确整形，消除光谱中的发射峰，使得转化后的频谱的平坦度不大于±6dB；同时已知最后得到频谱的形状为光谱形状的自卷积，通过对光谱进行滤波，可得到能量分布符合标准高斯分布的光谱，使得最终得到的频谱更加平滑，再配合光放大器和光衰减器，使输出的噪声信号幅度连续可调谐。

Description

一种宽带噪声源的产生装置及其信号产生方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种宽带噪声源的产生装置及其信号产生方法。
背景技术
噪声发生器是一种能在特定频段内产生噪声的装置，其输出功率连续可控、噪声功率谱密度均匀平坦，是测量噪声系数必不可少的测试仪器。通过向待测器件、模块或系统输入精确已知的噪声，就能测量接收机灵敏度、评价天线性能、分析放大器参数、标定辐射计输出、检验雷达抗干扰能力等，因此，噪声发生器是一种在通信、遥感、军事、天文等诸多领域都有着重要用途的特殊科学仪器。
现有的噪声发生器分为以电子器件作为信号源的噪声发生器，以及以利用掺铒光纤放大器中放大的自发辐射光噪声作为物理熵源的噪声发生器。
目前，基于电子器件的噪声发生器主要存在的问题有：以电阻热噪声为源的噪声发生器需要制冷、体积庞大、输出功率小、耦合困难、不适合机载星载；以二极管为源的噪声发生器，工作频率小于170GHz，并且伴随着频率升高，输出的噪声平坦度变差，导致最终输出噪声的带宽变窄；以场效应管为源的噪声发生器，等效输出噪声温度低，意味着输出噪声功率小，超噪比低，无法满足噪声发生器的使用需求；以掺铒光纤放大器中放大的自发辐射光为源的噪声发生器，产生光噪声功率低，经滤波后，功率更小，难以实用。实验用100GHz线宽的光滤波器对自发辐射噪声光谱进行滤波，发现光功率衰减了30dB，无法满足噪声发生器的功率要求。
综上所述，现有的噪声发生器输出的噪声功率均无法满足噪声发生器的功率需求，实用性低。
发明内容
本发明为解决现有噪声发生器输出的噪声功率均无法满足噪声发生器的功率需求的问题，提供了一种宽带噪声源的产生装置及其信号产生方法。
为实现以上发明目的，而采用的技术手段是：
一种宽带噪声源的产生装置，包括随机激光器、滤波整形模块、光放大器、光衰减器、光电探测器，所述随机激光器的输出端连接滤波整形模块的输入端，所述滤波整形模块的输出端连接光放大器的输入端，所述光放大器的输出端连接光衰减器的输入端，所述光衰减器的输出端连接光电探测器的输入端，所述光电探测器的输出端作为宽带噪声源的产生装置的输出端。
上述方案中，通过利用随机激光器作为宽带噪声源，由于其发光原理来自放大的自发辐射，光谱带宽远大于普通激光光源，在保证输出信号的随机类噪声特征的情况下，实现了宽带的信号输出，且输出噪声信号超噪比达到20dB，显著提升噪声发生器的输出带宽和输出功率；设置滤波整形模块对随机激光器输出的光谱进行精确整形，消除光谱中的发射峰，使得转化后频谱的平坦度不大于±6dB；同时已知最后得到频谱的形状为光谱形状的自卷积，通过对光谱进行滤波，可得到能量分布符合标准高斯分布的光谱，使得最终得到的频谱更加平滑，再配合光放大器和光衰减器，使输出的噪声信号幅度连续可调谐。
优选的，所述滤波整形模块包括环形器、第一凹透镜、第二凹透镜、光栅、硅基液晶光学处理器；所述随机激光器输出的光信号通过环形器的输入端入射到第一凹透镜，入射的光信号经过第一凹透镜反射在光栅上并在光栅上发生色散，色散后得到多个方向的光信号通过第二凹透镜转变为平行光并反射进入硅基液晶光学处理器进行滤波整形，滤波整形后的光信号沿原光路返回至环形器并通过环形器的输出端出射；所述环形器的输入端作为所述滤波整形模块的光信号输入端；所述环形器的输出端作为所述滤波整形模块的光信号输出端。
优选的，所述硅基液晶光学处理器包括一个反射式矩阵液晶元件，用于对进入的光信号增加单独的相位偏移，从而控制光信号的每个波长独立于其他所有波长，且各个波长之间没有相互干扰。
优选的，所述滤波整形模块包括依次排列的光信号输入端、第一凸透镜、十个透射式F-P干涉仪、第二凸透镜、光信号输出端；所述随机激光器输出的光信号通过光信号输入端入射到第一凸透镜，光信号被第一凸透镜准直后依次通过十个透射式F-P干涉仪进行滤波整形，进行滤波整形后的光信号通过第二凸透镜合束后通过所述光信号输出端输出所述滤波整形模块。在本优选方案中，通过调节每个透射式F-P干涉仪的腔长来优化透射光谱的带宽和平坦度，从而实现对输入光信号的精准滤波整形。
优选的，所述随机激光器的机理是增益介质中自发辐射放大。在本优选方案中，随机激光器在弱散射条件下出射激光，因随机激光器的光子在散射过程中相位不能得到保持，出射激光本质是放大的自发辐射，其光谱分布为偏离标准高斯型分布。随机激光器利用随机光反馈形成随机谐振腔，取代了传统激光器中的光学谐振腔，其出射激光的频率、强度都具有随机性，更适用作噪声发生器的信号源。
本发明还提供了一种基于上述宽带噪声源的产生装置的宽带噪声源的产生方法，所述随机激光器在弱散射条件下出射激光，进入所述滤波整形模块进行光谱的滤波整形，得到光谱平滑且能量分布为标准高斯分布的光信号，所述光信号输入所述光放大器进行放大后进入所述光衰减器，通过所述光衰减器对其光信号功率进行控制，所述光衰减器的输出进入光电探测器并进行光谱和电谱的转换从而输出宽带电噪声信号。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明利用随机激光器作为宽带噪声源，由于其发光原理来自放大的自发辐射，光谱带宽远大于普通激光光源，在保证输出信号的随机类噪声特征的情况下，实现了宽带的信号输出，且输出噪声信号超噪比达到20dB，显著提升噪声发生器的输出带宽和输出功率；设置滤波整形模块对随机激光器输出的光谱进行精确整形，消除光谱中的发射峰，使得转化后的频谱的平坦度不大于±6dB；同时已知最后得到频谱的形状为光谱形状的自卷积，通过对光谱进行滤波，可得到能量分布符合标准高斯分布的光谱，使得最终得到的频谱更加平滑，再配合光放大器和光衰减器，使输出的噪声信号幅度连续可调谐。
本发明解决了现有噪声发生器输出的噪声功率均无法满足噪声发生器的功率需求的问题，同时由于本发明的宽带噪声源由光子器件组成，其发热少，体积小，易于耦合，便于各种载体使用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为实施例1中滤波整形模块的结构示意图。
图3为实施例2中滤波整形模块的结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种宽带噪声源的产生装置，包括随机激光器1、滤波整形模块2、光放大器3、光衰减器4、光电探测器5，所述随机激光器1的输出端连接滤波整形模块2的输入端，所述滤波整形模块2的输出端连接光放大器3的输入端，所述光放大器3的输出端连接光衰减器4的输入端，所述光衰减器4的输出端连接光电探测器5的输入端，所述光电探测器5的输出端作为宽带噪声源的产生装置的输出端。
其中，如图2所示，滤波整形模块包括环形器211、第一凹透镜212、第二凹透镜214、光栅213、硅基液晶光学处理器215；所述随机激光器1输出的光信号通过环形器211的输入端入射到第一凹透镜212，入射的光信号经过第一凹透镜212反射在光栅213上并在光栅213上发生色散，色散后得到多个方向的光信号通过第二凹透镜214转变为平行光并反射进入硅基液晶光学处理器215进行滤波整形，在本实施例1中硅基液晶光学处理器215包括一个反射式矩阵液晶元件，通过对反射式矩阵液晶施加电压，对进入的光信号增加单独的相位偏移，从而控制光信号的每个波长独立于其他所有波长，且各个波长之间没有相互干扰，以实现精准滤波整形，使其频谱的平坦度不大于±6dB；滤波整形后的光信号沿原光路返回至环形器211并通过环形器211的输出端出射。所述环形器211的输入端作为滤波整形模块2的光信号输入端；所述环形器211的输出端作为滤波整形模块2的光信号输出端。
本实施例1提供的宽带噪声源的产生装置的工作原理如下：随机激光器1在弱散射条件下出射激光，因随机激光器1的光子在散射过程中相位不能得到保持，出射激光本质是放大的自发辐射，其光谱分布为偏离标准高斯型分布，出射激光因光谱具有尖锐发射峰而不平滑，转变后的电信号频谱不够平坦，因此所述随机激光器1输出的光信号进入滤波整形模块2进行光谱滤波整形，其输出为光谱平滑且能量分布为标准高斯分布的光信号，滤波整形后的光信号依次进入光放大器3和光衰减器4；通过调节放大器和光衰减器4实现对光功率的实时可调，最后光信号耦合到光电探测器5中转变为噪声电信号从而得到宽频率范围、输出功率谱均匀连续、功率稳定可控的连续随机噪声信号。
实施例2
如图1所示，一种宽带噪声源的产生装置，包括随机激光器1、滤波整形模块2、光放大器3、光衰减器4、光电探测器5，所述随机激光器1的输出端连接滤波整形模块2，所述滤波整形模块2的输出端连接光放大器3的输入端，所述光放大器3的输出端连接光衰减器4的输入端，所述光衰减器4的输出端连接光电探测器5的输入端，所述光电探测器5的输出端作为宽带噪声源的产生装置的输出端。
其中，如图3所示，滤波整形模块包括依次排列的光信号输入端、第一凸透镜221、十个透射式F-P干涉仪222、第二凸透镜223、光信号输出端；所述随机激光器1输出的光信号通过光信号输入端入射到第一凸透镜221，光信号被第一凸透镜221准直后依次通过十个透射式F-P干涉仪222进行滤波整形，通过调节每个透射式F-P干涉仪222的腔长来优化透射光谱的带宽和平坦度，从而实现对输入光信号的精准滤波整形，使其频谱的平坦度不大于±6dB；进行滤波整形后的光信号通过第二凸透镜223合束后通过所述光信号输出端输出所述滤波整形模块2。
本实施例2提供的宽带噪声源的产生装置的工作原理如下：随机激光器1在弱散射条件下出射激光，因随机激光器1的光子在散射过程中相位不能得到保持，出射激光本质是放大的自发辐射，其光谱分布为偏离标准高斯型分布，出射激光因光谱具有尖锐发射峰而不平滑，转变后的电信号频谱不够平坦，因此所述随机激光器1输出的光信号进入滤波整形模块2进行光谱滤波整形，其输出为光谱平滑且能量分布为标准高斯分布的光信号，滤波整形后的光信号依次进入光放大器3和光衰减器4；通过调节放大器和光衰减器4实现对光功率的实时可调，最后光信号耦合到光电探测器5中转变为噪声电信号从而得到宽频率范围、输出功率谱均匀连续、功率稳定可控的连续随机噪声信号。
实施例3
一种基于上述实施例1或实施例2的宽带噪声源的产生装置的宽带噪声源的产生方法，所述随机激光器1在弱散射条件下出射激光，进入所述滤波整形模块2进行光谱的滤波整形，得到光谱平滑且能量分布为标准高斯分布的光信号，所述光信号输入所述光放大器3进行放大后进入所述光衰减器4，通过所述光衰减器4对其光信号功率进行控制，所述光衰减器4的输出进入光电探测器5并进行光谱和电谱的转换从而输出宽带电噪声信号。
另外，以上实施例中的滤波整形模块2可以使用FinisarWaveShaper，其他各个组成部件均可采用市面上的商用产品，本发明旨在保护它们的连接关系及其实现原理，因此并未对每个产品本身的型号等进行限定。
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种宽带噪声源的产生装置，其特征在于，包括随机激光器(1)、滤波整形模块(2)、光放大器(3)、光衰减器(4)、光电探测器(5)，所述随机激光器(1)的输出端连接滤波整形模块(2)的输入端，所述滤波整形模块(2)的输出端连接光放大器(3)的输入端，所述光放大器(3)的输出端连接光衰减器(4)的输入端，所述光衰减器(4)的输出端连接光电探测器(5)的输入端，所述光电探测器(5)的输出端作为宽带噪声源的产生装置的输出端。
2.根据权利要求1所述的宽带噪声源的产生装置，其特征在于，所述滤波整形模块(2)包括环形器(211)、第一凹透镜(212)、第二凹透镜(214)、光栅(213)、硅基液晶光学处理器(215)；所述随机激光器(1)输出的光信号通过环形器(211)的输入端入射到第一凹透镜(212)，入射的光信号经过第一凹透镜(212)反射在光栅(213)上并在光栅(213)上发生色散，色散后得到多个方向的光信号通过第二凹透镜(214)转变为平行光并反射进入硅基液晶光学处理器(215)进行滤波整形，滤波整形后的光信号沿原光路返回至环形器(211)并通过环形器(211)的输出端出射；所述环形器(211)的输入端作为所述滤波整形模块(2)的光信号输入端；所述环形器(211)的输出端作为所述滤波整形模块(2)的光信号输出端。
3.根据权利要求2所述的宽带噪声源的产生装置，其特征在于，所述硅基液晶光学处理器(215)包括一个反射式矩阵液晶元件，用于对进入的光信号增加单独的相位偏移，从而控制光信号的每个波长独立于其他所有波长，且各个波长之间没有相互干扰。
4.根据权利要求1所述的宽带噪声源的产生装置，其特征在于，所述滤波整形模块(2)包括依次排列的光信号输入端、第一凸透镜(221)、十个透射式F-P干涉仪(222)、第二凸透镜(223)、光信号输出端；所述随机激光器(1)输出的光信号通过光信号输入端入射到第一凸透镜(221)，光信号被第一凸透镜(221)准直后依次通过十个透射式F-P干涉仪(222)进行滤波整形，进行滤波整形后的光信号通过第二凸透镜(223)合束后通过所述光信号输出端输出所述滤波整形模块(2)。
5.根据权利要求1所述的宽带噪声源的产生装置，其特征在于，所述随机激光器(1)的机理是增益介质中自发辐射放大。
6.基于权利要求1～5任一项所述宽带噪声源的产生装置的宽带噪声源的产生方法，其特征在于，所述随机激光器(1)在弱散射条件下出射激光，进入所述滤波整形模块(2)进行光谱的滤波整形，得到光谱平滑且能量分布为标准高斯分布的光信号，所述光信号输入所述光放大器(3)进行放大后进入所述光衰减器(4)，通过所述光衰减器(4)对其光信号功率进行控制，所述光衰减器(4)的输出进入光电探测器(5)并进行光谱和电谱的转换从而输出宽带电噪声信号。
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