CN110830122A - 基于微波光子技术的射频相位编码信号产生装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微波光子技术的射频相位编码信号产生装置及方法。其中，该装置包括：光源、可变单边带调制模块、相位调制模块、二进制码发生模块、微波驱动模块和光电收发模块，光源发出的光被分束器分成两路，其中一路送给可变单边带调制模块得到单边带调制的光信号，另一路送给相位调制模块，得到相位调制的光信号；单边带调制模块和相位调制模块的驱动信号由微波驱动模块提供，两路已调制的光信号经合束器合成一路，再送给光电收发模块，最后输出射频相位编码信号。本发明所提供的基于微波光子技术的射频相位编码信号产生装置及方法具有结构简单、动态范围大、可调谐等优点，可以产生载频可调谐、大带宽的射频相位编码信号。

Description

基于微波光子技术的射频相位编码信号产生装置及方法
技术领域
本发明属于雷达、微波光子技术、电子通信等领域的范畴，具体涉及一种基于微波光子技术的射频相位编码信号产生装置及方法。
背景技术
微波脉冲压缩在现代雷达系统中被广泛地用来增加范围精度。相位编码信号是一种常用的雷达脉冲压缩信号，具有良好的脉冲压缩能力，可以有效提高雷达系统的分辨率，解决作用距离和分辨能力之间的矛盾。因此，相位编码信号的产生是雷达等相关领域的一个重要研究方向，具有非常重要的现实意义和利用价值。虽然相位编码信号能在电域里实现，但是受限于当前数字电路的速率以至于工作频率和时间带宽积都比较小。而现代雷达系统的工作频率在向更高的频段不断发展，传统的电子技术产生相位编码信号的方法已不能满足现实的应用需求。
由于光子技术本身具有的宽带、大调谐性和抗电磁干扰特性，人们在光域上提出了很多方法来产生高频率、大时间带宽积的相位编码信号。目前已经提出的利用微波光子技术产生相位编码信号的方法有很多。利用Sagnac干涉仪和一个相位调制器可以产生相位编码信号。该方案的缺点是干涉仪对环境和温度的高灵敏度会引入严重相位扰动。也有人提出基于四抽头延时线微波光子滤波器来产生相位编码信号。通过仔细调节每个抽头的延时，不同的相位能引入到微波脉冲中。但是这种方式产生的相位编码信号的压缩比受限与滤波器的抽头数量。也有人提出利用两个偏振调制器和光带通滤波器来产生相位编码信号，但是这种方法需要用到光带通滤波器，这会增加系统的成本和复杂性。
虽然微波光子技术被认为是解决当前电子技术所面临的带宽问题的一个有效途径，但是目前基于微波光子技术的相位编码信号产生系统的普遍问题是系统复杂、稳定性差、精度不够高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于微波光子技术的射频相位编码信号产生装置和方法，以至少部分解决上述的技术问题。
(二)技术方案
本发明的技术方案是：
一种基于微波光子技术的射频相位编码信号产生装置，该装置包括：光源、可变单边带调制模块、相位调制模块、二进制码发生模块、微波驱动模块和光电收发模块，其中：
光源、可变单边带调制模块、相位调制模块和光电收发模块通过光纤连接，光源、可变单边带调制模块和光电收发模块连成一路，光源、相位调制模块和光电收发模块连成另一路；
光源发出的光被分束器分成两路，其中一路送给可变单边带调制模块，由微波驱动模块的输出信号驱动产生单边带调制的光信号，该光信号包括载波和+1阶边带或者载波和-1阶边带，另一路送给相位调制模块，由微波驱动模块的输出信号驱动产生相位调制的光信号，两路已调制的光信号经合束器合成一路，再送给光电收发模块，最后输出射频相位编码信号；
微波驱动模块的输出信号驱动控制可变单边带调制模块和相位调制模块产生对应的光信号；
二进制码发生模块输出“0”或“1”，来决定微波驱动模块的输出信号，进而控制可变单边带调制模块输出+1阶边带的单边带调制信号或者-1阶的单边带调制信号。
该装置中，光源为单色激光器光源，包括半导体激光器、固体激光器或光纤激光器。
该装置中，可变单边带调制模块是双驱动马赫增德尔调制器或者双平行马赫增德尔调制器，工作在单边带调制状态。
该装置中，相位调制模块是相位调制器，在微波驱动模块的输出信号驱动下产生双边带调制信号，其±1阶边带的相位差为π。
该装置中，二进制码发生模块产生代表“1”和“0”的高电平或低电平。
该装置中，微波驱动模块包括两个可调直流电压源、一个二进制码驱动模块、一个可调微波源、一个功率分配器和一个90度移相器，两个可调直流电压源分别控制相位调制模块和可变单边带调制模块的直流偏置，二进制码驱动模块通过设置高电平或低电平值实现可变单边带调制模块输出为载波和-1阶边带或者载波和+1阶边带，可调微波源结合功率分配器和90度移相器给相位调制模块和可变单边带调制模块提供调制信号。
该装置中，光电收发模块包括合束器、光电探测器和射频放大器，合束器将两路调制光信号合束后由光电探测器转换为电信号，再经射频放大器放大然后输出射频相位编码信号。
基于本发明产生射频相位编码信号的具体方法包括：
在二进制码发生模块中预先编制所需的二进制码；
打开光源；
调节微波驱动模块的两个直流电压，使相位调制模块的直流偏置与可变单边带调制模块的直流偏置相应的相位差为π或者-π；
设置微波驱动模块的可调微波源的输出频率和功率；
设置二进制码驱动模块的高、低电平值，使两种电平状态对应的相位与可变单边带调制模块的直流偏置对应的相位的差为
Figure BDA0001759811480000031
设置光电收发模块的射频增益；
开启二进制码发生模块和光电收发模块，得到预先编制的射频相位编码信号。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明所提供的基于微波光子技术的射频相位编码信号产生装置及方法具有结构简单、动态范围大、可调谐等优点，可以产生载频可调谐、大带宽的射频相位编码信号。
附图说明
图1是本发明实施例中基于微波光子技术的射频相位编码信号产生装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中的基于微波光子技术的射频相位编码信号产生装置的另一结构示意图；
图3是本发明实施例中光源的光谱图；
图4是本发明实施例中双驱动马赫增德尔调制器输出的-1阶边带和载波；
图5是本发明实施例中双驱动马赫增德尔调制器输出的载波和+1阶边带；
图6是本发明实施例中微波驱动模块的输出电平；
图7是本发明实施例中输出的射频相位编码信号；
图8是本发明实施例的微波驱动模块；
图9是本发明实施例的光电收发模块。
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。
本发明提出的基于微波光子技术的射频相位编码信号产生装置如图1所示，包括：光源、可变单边带调制模块、相位调制模块、二进制码发生模块、微波驱动模块和光电收发模块。
其中，光源、可变单边带调制模块、相位调制模块和光电收发模块通过光纤连接，光源、可变单边带调制模块和光电收发模块连成一路，光源、相位调制模块和光电收发模块连成另一路。
基于本发明提供的实施例，请参照图2。
本发明中，光源为单色激光器光源，包括半导体激光器、固体激光器或光纤激光器。
本实施例中，所用的光源为窄线宽的半导体激光器，但不限于半导体激光器，输出波长为1550nm，其输出光谱如图3所示。
本发明中，可变单边带调制模块是双驱动马赫增德尔调制器或者双平行马赫增德尔调制器，工作在单边带调制状态。
本实施例中，可变单边带调制模块为双驱动马赫增德尔调制器，其半波电压Vπm＝5V。
本发明中，相位调制模块是相位调制器，在微波驱动模块的输出信号驱动下产生双边带调制信号，其±1阶边带的相位差为π。
本实施例中，相位调制模块为相位调制器，其半波电压Vπp＝5V。
本发明中，光源发出的光被分束器分成两路，其中一路送给可变单边带调制模块，由微波驱动模块的输出信号驱动产生单边带调制的光信号，该光信号由载波和+1阶边带或者载波和-1阶边带组成，另一路送给相位调制模块，由微波驱动模块的输出信号驱动产生相位调制的光信号，两路已调制的光信号经合束器合成一路，再送给光电收发模块，最后输出射频相位编码信号。
本实施例中，半导体激光器发出的光被分束器等分成两路，其中一路a)送给可变单边带调制模块即双驱动马赫增德尔调制器，另一路b)送给相位调制模块即相位调制器。
微波驱动模块的输出信号驱动控制可变单边带调制模块和相位调制模块产生对应的光信号。
对于b)路，微波驱动模块输出微波信号vb(t)＝Vb+Vpsin(ωmt)，Vb为加载在相位调制器上的直流偏置电压，在本实施例中设置Vb＝10V，Vpsin(ωmt)为施加在相位调制器上的微波调制信号。相位调制模块的输出光可表示为：
Figure BDA0001759811480000051
其中
Figure BDA0001759811480000052
Figure BDA0001759811480000053
在本实施例中，微波信号很小，在小信号近似下，用雅各比展开式将相位调制模块的输出光表示为：
Figure BDA0001759811480000054
从该式可以看出，相位调制模块的输出光由载波和±1阶边带组成。+1阶边带与载波拍频得到的微波信号与-1阶边带与载波拍频得到的微波信号相位相差π，所以直接用光电探测器探测不会检测到射频信号。
对于a)路，双驱动马赫增德尔调制器的两臂施加的驱动分别为：va(t)＝Va1+Vmcos(ωmt)，va(t)＝Va2+Vmsin(ωmt)。调制器的两臂的光场分别为：
Figure BDA0001759811480000062
Figure BDA0001759811480000063
同样在小信号近似下，利用雅各比展开式将两臂的光电场展开为：
Figure BDA0001759811480000064
双驱动马赫增德尔调制器总输出光场为：
Figure BDA0001759811480000066
其中
Figure BDA0001759811480000067
当时，
Figure BDA0001759811480000069
Figure BDA00017598114800000610
可知，当
Figure BDA00017598114800000611
时，双驱动马赫增德尔调制器的输出为载波和-1阶边带；当时，
Figure BDA00017598114800000613
可知，当时，双驱动马赫增德尔调制器的输出为载波和+1阶边带，输出结果如图4和图5所示。
本发明实施例中，二进制码发生模块输出“0”或“1”，来决定微波驱动模块的输出信号，进而控制可变单边带调制模块输出+1阶边带的单边带调制信号或者-1阶边带的单边带调制信号。
基于以上实施例，将
Figure BDA00017598114800000616
固定，通过微波驱动模块里的二进制码驱动模块改变直流偏置电压Va1，使
Figure BDA00017598114800000617
在变化，可以使可变单边带调制模块输出为载波和-1阶边带或者载波和+1阶边带。
Figure BDA00017598114800000619
的值受二进制码发生模块控制。
本发明实施例中，二进制码发生模块产生代表“1”和“0”的高电平或低电平，其产生的编码序列可以由用户自定义，二进制码的产生速率也可以用户设置。
基于以上实施例，调整相位
Figure BDA0001759811480000071
和相位调制模块的相位
Figure BDA0001759811480000072
并且调整双驱动马赫增德尔调制器的调制信号的功率，具体的是
Figure BDA0001759811480000073
这样可以使可变单边带调制模块输出的边带与相位调制模块的某一个边带相互抵消，这样光电探测器能探测到微波信号，并且微波信号的相位会依据
Figure BDA0001759811480000075
的跳变而发生0或π的变化，这样就产生了相位编码信号，结果如图6和图7所示。
微波驱动模块包括两个可调直流电压源、一个二进制码驱动模块、一个可调微波源、一个功率分配器和一个90度移相器，两个可调直流电压源分别控制相位调制模块和可变单边带调制模块的直流偏置，二进制码驱动模块通过设置高电平或低电平值实现可变单边带调制模块输出为载波和-1阶边带或者载波和+1阶边带，微波源结合功率分配器和90度移相器给相应调制模块和可变单边带调制模块提供调制信号，详细的连接排布方式请参见图2和图8。
光电收发模块由合束器、光电探测器和射频放大器组成，将两路调制光信号合束后由光电探测器转换为电信号，再经射频放大器放大然后输出射频相位编码信号，详细的连接排布方式请参见图2和图9。
基于本发明实施例的装置，还提供了产生射频相位编码信号的具体方法，详细步骤包括：
在所述二进制码发生模块中预先定义二进制码序列；
打开光源；
本实施例中，所用的光源为半导体激光器，详细描述已在上述过程中体现，在此不做赘述。
调节微波驱动模块的两个直流电压，使相位调制模块的直流偏置与可变单边带调制模块的直流偏置相应的相位差为π或者-π；
在本实施例中，对相位调制模块和可变单边带调制模块相位差的技术调整方案已在上述过程中体现，在此不做赘述。
设置微波驱动模块的可调微波源的输出频率和功率；
设置二进制码驱动模块的高电平或低电平值，使两种电平状态对应的相位与可变单边带调制模块的直流偏置对应的相位的差为
设置光电收发模块的射频增益；
开启二进制码发生模块和光电收发模块，得到预先编制的射频相位编码信号。
针对此方法的实现过程，在上述实施例中已有体现，在此不做赘述。
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)

1.一种基于微波光子技术的射频相位编码信号产生装置，其特征在于，所述装置包括：光源、可变单边带调制模块、相位调制模块、二进制码发生模块、微波驱动模块和光电收发模块，其中：
所述光源、可变单边带调制模块、相位调制模块和光电收发模块通过光纤连接，光源、可变单边带调制模块和光电收发模块连成一路，光源、相位调制模块和光电收发模块连成另一路；
所述光源发出的光被分束器分成两路，其中一路送给可变单边带调制模块，由微波驱动模块的输出信号驱动产生单边带调制的光信号，所述光信号包括载波和+1阶边带或者载波和-1阶边带；另一路送给相位调制模块，由微波驱动模块的输出信号驱动产生相位调制的光信号，两路已调制的光信号经合束器合成一路，再送给光电收发模块，最后输出射频相位编码信号；
所述微波驱动模块的输出信号驱动控制可变单边带调制模块和相位调制模块产生对应的光信号；
所述二进制码发生模块输出“0”或“1”，来决定微波驱动模块的输出信号，进而控制可变单边带调制模块输出+1阶边带的单边带调制信号或者-1阶的单边带调制信号。
2.根据权利要求1所述的基于微波光子技术的射频相位编码信号产生装置，其特征在于，所述光源为单色激光器光源，包括半导体激光器、固体激光器或光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的基于微波光子技术的射频相位编码信号产生装置，其特征在于：所述可变单边带调制模块是双驱动马赫增德尔调制器或者双平行马赫增德尔调制器，工作在单边带调制状态。
4.根据权利要求1所述的基于微波光子技术的射频相位编码信号产生装置，其特征在于：所述相位调制模块是相位调制器，在微波驱动模块的输出信号驱动下产生双边带调制信号，其±1阶边带的相位差为π。
5.根据权利要求1所述的基于微波光子技术的射频相位编码信号产生装置，其特征在于：所述二进制码发生模块产生代表“1”和“0”的高电平或低电平。
6.根据权利要求1所述的基于微波光子技术的射频相位编码信号产生装置，其特征在于：所述微波驱动模块包括两个可调直流电压源、一个二进制码驱动模块、一个可调微波源、一个功率分配器和一个90度移相器，所述两个可调直流电压源分别控制相位调制模块和可变单边带调制模块的直流偏置，所述二进制码驱动模块通过设置高电平或低电平值实现可变单边带调制模块输出为载波和-1阶边带或者载波和+1阶边带，所述可调微波源结合功率分配器和90度移相器给相位调制模块和可变单边带调制模块提供调制信号。
7.根据权利要求1所述的基于微波光子技术的射频相位编码信号产生装置，其特征在于：所述光电收发模块包括合束器、光电探测器和射频放大器，所述合束器将两路调制光信号合束后由光电探测器转换为电信号，再经射频放大器放大然后输出射频相位编码信号。
8.一种基于微波光子技术的射频相位编码信号产生方法，其特征在于，基于权利要求1-7所述的装置产生射频相位编码信号，包括：
在二进制码发生模块中预先定义二进制码序列；
打开光源；
调节微波驱动模块的两个直流电压，使相位调制模块的直流偏置与可变单边带调制模块的直流偏置相应的相位相差π或者-π；
设置微波驱动模块的可调微波源的输出频率和功率；
设置二进制码驱动模块的高、低电平值，要求使两种电平状态对应的相位与可变单边带调制模块的直流偏置对应的相位的差分别为
Figure FDA0001759811470000021
设置光电收发模块的射频增益；
开启二进制码发生模块和光电收发模块，得到预先定义的射频相位编码信号。
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