CN110890901B - 双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生系统及实现方法，激光器和直接数字合成器为倍频模块中提供光载波和线性调频信号，倍频模块实现电信号的光电转换及倍频，光频梳模块生成五线光频梳，五路光信号分别注入到五个并联的PD中进行光电探测，对得到的电信号进行频谱拼接，即可实现10/20倍频的线性调频信号频谱扩展。本发明有效地实现高频率、大带宽线性调频信号的产生，并且具有结构简单，频率捷变和通道干扰小的特点；采用了最新的微波光子学技术，融合了多倍频和光频梳技术，拓展了原始电线性调频信号载频和带宽的范围，显著降低了对电线性调频信号频率和带宽的要求。

Description

双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生系统及实现方法

技术领域

本发明涉及雷达探测领域，尤其是一种频谱扩展调频信号产生系统及实现方法。

背景技术

线性调频信号具有瞬时带宽大、距离分辨率和运动目标检测特性高的优点，在脉冲压缩雷达和电子战系统具有广泛的使用。使用持续时间较长的宽带线性调频信号，能够以较小的峰值功率，传输更大的能量，避免脉冲雷达中发射机中功率饱和的问题，减小对系统复杂度的要求。因此，使用宽带线性调频信号可以获得更远的探测距离，更高的空间分辨率，以及更低的拦截和干扰概率。传统的基于直接数字合成(DDS)的线性调频信号产生方法受电子器件频率依赖性的限制，生成高频率、大带宽的线性调频信号(一般频率＜10GHz，带宽＜2GHz)，往往需要多次混频和滤波，造成系统结构复杂、信号质量恶化，并且存在成本高、可重构性差、功率效率低和尺寸重量大的缺点，严重制约了雷达系统的探测精度和分辨能力。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生系统及实现方法。传统的基于直接数字合成(DDS)的线性调频信号产生方法受电子瓶颈的限制，生成的线性调频信号频率一般低于10GHz，带宽低于2GHz，并且存在结构复杂、价格高昂、效率低和尺寸大的缺点。为了解决该问题，本发明利用光频梳和多倍频技术，实现了线性调频信号10/20倍频谱扩展，降低了对DDS生成信号的频率和带宽要求，具有结构简单、易于实现、可重构和干扰小的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生系统，包括激光器、直接数字合成器(DDS)、倍频模块、光频梳模块和频谱扩展模块，激光器和直接数字合成器为倍频模块中的马赫-曾德尔调制器(MZM)提供光载波和线性调频信号，DDS的输出端口为a点；倍频模块实现电信号的光电转换及倍频，调节MZM直流端口的偏置电压，使MZM工作于载波抑制模式下，将输入的线性调频信号调制到光载波的1阶或2阶光边带上，从而PD后产生2/4倍频信号，倍频模块的输出端口为b点；光频梳模块生成五线光频梳，倍频模块输出的光信号首先输入到阵列波导光栅(AWG1)中进行波长分离，AWG具有波长解复用的功能，从而将光信号中波长不同两个边带分离出来；AWG1的两个输出端口分别标记为c点和d点，AWG1输出的两路光信号分别注入到光频梳模块中的X-MZM和Y-MZM，然后，调整本振信号的输入功率和MZM的直流偏置电压，使输出的光载波、±1阶和±2阶光边带的功率相等，从而实现五线光频梳的产生，X-MZM的输出端口标记为e，Y-MZM的输出端口标记为f；频谱扩展模块实现光信号的光电转换及频谱拼接，频谱扩展模块中AWG2的功能与AWG1类似，用于对五线光梳信号进行波长分离，从而在AWG2的五个输出端口得到五路不同波长的光信号，分别用g、h、i、j、k标记；五路光信号分别注入到五个并联的PD中进行光电探测，对得到的电信号进行频谱拼接，即可实现10/20倍频的线性调频信号频谱扩展。

所述双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生系统的实现方法，包括如下步骤：

步骤1：激光器输出的光信号和DDS输出的线性调频信号分别表示为：

和S(t)＝V_Ssin(ω_St+kπt²)；其中，E_c是光载波的电场强度，ω_c光载波的角频率，V_S、ω_S和k分别是线性调频信号的幅度、角频率和啁啾斜率；

步骤2：在二倍频模式下，倍频模块的输出b点的光信号表示为：

其中，m为调制指数，J_n(·)为第一类n阶贝塞尔函数；

在四倍频模式下，倍频模块的输出b点的光信号表示为：

步骤3：倍频模块输出的光信号输入到AWG1中，将上、下两个光边带分离出来，上、下光边带波长不同，AWG根据波长进行分离，则c点光信号在二倍频模式下表示为：

在四倍频模式下表示为：

d点的光信号在二倍频模式下表示为：

在四倍频模式下可表示为：

AWG1输出的光信号输入到光频梳模块中，用作光载波,频率为f_LO1和f_LO2的本振信号分别输入到X-MZM和Y-MZM的RF端口，用作驱动信号，f_LO1和f_LO2的频率差与线性调频信号的带宽相同；在X-MZM中，本振信号表示为：S_LO1(t)＝V_LO1·sin(ω_LO1t)，其中，V_LO1和ω_LO1分别是本振信号的幅度和角频率；则X-MZM输出的载波、正负一阶边带和正负二阶边带分别为：

其中，

为调制指数，

为直流偏置角；

调整输入本振信号的功率和直流偏压，使|E₀|＝|E_±1|＝|E_±2|，则在e点产生频率间隔为f_LO1的五线光梳信号；

在Y-MZM中，本振信号表示为S_LO2(t)＝V_LO2·sin(ω_LO2t)，其中V_LO2和ω_LO2分别是本振信号的幅度和角频率，则输出的载波、正负一阶边带和正负二阶边带分别为：

调整输入本振信号的功率和直流偏压，使|E₀|＝|E_±1|＝|E_±2|，则在f点产生频率间隔为f_LO2的五线光梳信号；

步骤4：e点和f点的光信号合路后，输入到AWG2中进行通道分离，然后将五个通道的光信号输入到PD中进行光电探测，最终得到10/20倍频谱扩展的线性调频信号。

本发明的有益效果在于可以有效地实现高频率、大带宽线性调频信号的产生，并且具有结构简单，频率捷变和通道干扰小的特点。本发明采用了最新的微波光子学技术，融合了多倍频和光频梳技术，拓展了原始电线性调频信号载频和带宽的范围，显著降低了对电线性调频信号频率和带宽的要求。因此，本发明可以更好的满足军用脉冲压缩雷达和电子战的要求，对提高雷达的探测距离和分辨率具有重要作用，具有广泛的使用前景。

附图说明

图1为本发明基于双光梳多倍频因子频谱扩展线性调频信号产生原理图。

图2为本发明DDS输出的原始线性调频信号的电谱。

图3为本发明微波光子二倍频后信号的光谱。

图4为本发明AWG1输出的上、下边带光谱图。

图5为本发明X-MZM、Y-MZM输出信号的光谱图，其中(a)为e点的光谱图，(b)为f点的光谱图。

图6为本发明频谱扩展后线性调频信号的电谱图(中心频率13GHz、带宽10GHz)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明将微波技术和光子学技术相结合，利用光子技术大带宽、可调谐、抗电磁干扰的固有优势，实现对微波信号的高质量处理。该发明方法基于微波光子五线光频梳和多倍频技术，利用MZM(马赫-曾德尔调制器)、阵列波导光栅和光电探测器等光电器件，能够实现线性调频信号10/20倍频谱扩展，显著降低对DDS的频率和带宽需求，并且具有频率捷变、抗电磁干扰和通道干扰小的优点。

一种双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生系统，包括激光器、直接数字合成器(DDS)、倍频模块、光频梳模块和频谱扩展模块，激光器和直接数字合成器为倍频模块中的马赫-曾德尔调制器(MZM)提供光载波和线性调频信号，DDS的输出端口为a点；倍频模块实现电信号的光电转换及倍频，调节MZM直流端口的偏置电压，使MZM工作于载波抑制模式下，将输入的线性调频信号调制到光载波的1阶或2阶光边带上，从而PD后产生2/4倍频信号，倍频模块的输出端口为b点；光频梳模块生成五线光频梳，倍频模块输出的光信号首先输入到阵列波导光栅(AWG1)中进行波长分离，AWG具有波长解复用的功能，从而将光信号中波长不同两个边带分离出来；AWG1的两个输出端口分别标记为c点和d点，AWG1输出的两路光信号分别注入到光频梳模块中的X-MZM和Y-MZM，然后，调整本振信号的输入功率和MZM的直流偏置电压，使输出的光载波、±1阶和±2阶光边带的功率相等，从而实现五线光频梳的产生，X-MZM的输出端口标记为e，Y-MZM的输出端口标记为f；频谱扩展模块实现光信号的光电转换及频谱拼接，频谱扩展模块中AWG2的功能与AWG1类似，用于对五线光梳信号进行波长分离，从而在AWG2的五个输出端口得到五路不同波长的光信号，分别用g、h、i、j、k标记；五路光信号分别注入到五个并联的PD中进行光电探测，对得到的电信号进行频谱拼接，即可实现10/20倍频的线性调频信号频谱扩展。

所述双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生系统的实现方法，包括如下步骤：

步骤1：激光器输出的光信号和DDS输出的线性调频信号分别表示为：

和S(t)＝V_Ssin(ω_St+kπt²)；其中，E_c是光载波的电场强度，ω_c光载波的角频率，V_S、ω_S和k分别是线性调频信号的幅度、角频率和啁啾斜率；

步骤2：在二倍频模式下，倍频模块的输出b点的光信号表示为：

其中，m为调制指数，J_n(·)为第一类n阶贝塞尔函数；

在四倍频模式下，倍频模块的输出b点的光信号表示为：

步骤3：倍频模块输出的光信号输入到AWG1中，将上、下两个光边带分离出来，上、下光边带波长不同，AWG根据波长进行分离，则c点光信号在二倍频模式下表示为：

在四倍频模式下表示为：

d点的光信号在二倍频模式下表示为：

在四倍频模式下可表示为：

AWG1输出的光信号输入到光频梳模块中，用作光载波,频率为f_LO1和f_LO2的本振信号分别输入到X-MZM和Y-MZM的RF端口，用作驱动信号，f_LO1和f_LO2的频率差与线

性调频信号的带宽相同；在X-MZM中，本振信号表示为：S_LO1(t)＝V_LO1·sin(ω_LO1t)，其10中，V_LO1和ω_LO1分别是本振信号的幅度和角频率；则X-MZM输出的载波、正负一阶边带和正负二阶边带分别为：

其中，

为调制指数，

为直流偏置角；

调整输入本振信号的功率和直流偏压，使|E₀|＝|E±₁|＝|E±₂|，则在e点产生频率间隔为f_LO1的五线光梳信号；

在Y-MZM中，本振信号表示为S_LO2(t)＝V_LO2·sin(ω_LO2t)，其中V_LO2和ω_LO2分别是本振信号的幅度和角频率，则输出的载波、正负一阶边带和正负二阶边带分别为：

调整输入本振信号的功率和直流偏压，使|E₀|＝|E_±1|＝|E_±2|，则在f点产生频率间隔为f_LO2的五线光梳信号；

步骤4：e点和f点的光信号合路后，输入到AWG2中进行通道分离，然后将五个通道的光信号输入到PD中进行光电探测，最终得到10/20倍频谱扩展的线性调频信号。

本发明中，LD(Laser diode)为激光二极管，可输出偏振光，AWG(Arrayedwaveguide grating)为阵列波导光栅，用于分离倍频信号的上、下光边带；DDS(Directdigital synthesis)为直接数字合成器，用于产生原始线性调频信号；MZM(Mach-ZehnderModulator)为马赫-曾德尔调制器，可产生2/4倍频信号和五线光频梳；PD(Photodector)为探测器，可以将光信号转换为电信号。

实施例：

通过光系统仿真软件对基于二倍频和五线双光梳的频谱拼接方案进行仿真分析，仿真原理图如图1所示：

仿真中需要的器件包括：线性调频源、连续激光器、MZM、光合路器、波分复用器(WDM)、光放大器(EDFA)和PD等器件。系统主要仿真参数配置如下：

宽带中频线性调频信号：中心频率6.5GHz，带宽1GHz；

激光器：输出功率40mw，相对强度噪声(RIN)-155dB/Hz，线宽100kHz，波长1552nm；

调制器：半波电压5V，插入损耗5dB，消光比35dB；

EDFA：APC模式，输出功率100mW，噪声系数5；

PD：响应度0.7W/A。

操作步骤：

步骤1：配置线性调频信号产生单元，产生中心频率6.5GHz，带宽1GHz的原始线性调频信号；

步骤2：原始线性调频信号输入到倍频单元中，进行2倍频；

步骤3：倍频后的光信号经过边带分离后输入到光频梳单元，两个光频梳单元的本振信号的频率分别为25GHz和27GHz，频率差等于倍频后的线性调频信号的带宽；

步骤4：光频梳单元输出的信号合路后，进行放大和通道分离，分离为五个通道；

步骤5：五通道信号按照时序先后输入到光电探测单元中进行光电转换，最终生成频谱10倍扩展的线性调频信号。

图1所示为原理图，线性调频信号的电谱图如图2所示，原始线性调频信号由DDS产生，中心频率6.5GHz,带宽1GHz，用于驱动MZM，产生2/4倍频信号。图3为2/4倍频信号的频谱图，通过将MZM的偏置在最小点，产生载波抑制双边带信号，输出的光谱如图3所示；AWG输出的上、下边带信号，AWG用做滤波器，将MZM输出的双边带信号进行分离，然后分别输入到光频梳模块，输出光信号的频谱如图4所示；对光频梳模块输入的射频信号功率和偏置点进行合理的设置，产生的五线光梳信号，其光谱图如图5所示。

五线光梳信号合路后，输入到AWG2进行频谱分离，然后输入到五个并联的PD中进行光电探测，最终可以产生频谱10倍扩展的线性调频信号，频谱图如图6所示，带宽1GHz的原始线性调频信号在光域进行处理后产生了频谱10倍扩展的线性调频信号。因此，通过对射频信号进行光子学操作了，大大缓解了对原始电频谱信号带宽和频率的要求，突破了“电子瓶颈”的限制。

Claims (2)

1.一种双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生系统，其特征在于：

所述双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生系统，包括激光器、直接数字合成器(DDS)、倍频模块、光频梳模块和频谱扩展模块，激光器和直接数字合成器为倍频模块中的马赫-曾德尔调制器(MZM)提供光载波和线性调频信号，DDS的输出端口为a点；倍频模块实现电信号的光电转换及倍频，调节MZM直流端口的偏置电压，使MZM工作于载波抑制模式下，将输入的线性调频信号调制到光载波的1阶或2阶光边带上，从而产生2/4倍频信号，倍频模块的输出端口为b点；倍频模块输出的光信号首先输入到阵列波导光栅AWG1中进行波长分离，AWG1具有波长解复用的功能，从而将光信号中波长不同的 两个边带分离出来；AWG1的两个输出端口分别标记为c点和d点，AWG1输出的两路光信号分别注入到光频梳模块中的X-MZM和Y-MZM，光频梳模块生成五线光频梳，然后，调整本振信号的输入功率和MZM的直流偏置电压，使输出的光载波、±1阶和±2阶光边带的功率相等，从而实现五线光频梳的产生，X-MZM的输出端口标记为e，Y-MZM的输出端口标记为f；频谱扩展模块实现光信号的光电转换及频谱拼接，频谱扩展模块中AWG2的功能与AWG1类似，用于对五线光梳信号进行波长分离，从而在AWG2的五个输出端口得到五路不同波长的光信号，分别用g、h、i、j、k标记；五路光信号分别注入到五个并联的PD中进行光电探测，对得到的电信号进行频谱拼接，即可实现10/20倍频的线性调频信号频谱扩展。

2.一种利用权利要求1所述双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生系统的实现方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：激光器输出的光信号和DDS输出的线性调频信号分别表示为：

和S(t)＝V_Ssin(ω_St+kπt²)；其中，E_c是光载波的电场强度，ω_c光载波的角频率，V_S、ω_S和k分别是线性调频信号的幅度、角频率和啁啾斜率；

步骤2：在二倍频模式下，倍频模块的输出b点的光信号表示为：

其中，m为调制指数，J_n(·)为第一类n阶贝塞尔函数；

在四倍频模式下，倍频模块的输出b点的光信号表示为：

步骤3：倍频模块输出的光信号输入到AWG1中，将上、下两个光边带分离出来，上、下光边带波长不同，AWG1根据波长进行分离，则c点光信号在二倍频模式下表示为：

在四倍频模式下表示为：

d点的光信号在二倍频模式下表示为：

在四倍频模式下可表示为：

AWG1输出的光信号输入到光频梳模块中，用作光载波,频率为f_LO1和f_LO2的本振信号分别输入到X-MZM和Y-MZM的RF端口，用作驱动信号，f_LO1和f_LO2的频率差与线性调频信号的带宽相同；在X-MZM中，本振信号表示为：S_LO1(t)＝V_LO1·sin(ω_LO1t)，其中，V_LO1和ω_LO1分别是本振信号的幅度和角频率；则X-MZM输出的载波、正负一阶边带和正负二阶边带分别为：

其中，

为调制指数，

为直流偏置角；

调整输入本振信号的功率和直流偏压，使|E₀|＝|E_±1|＝|E_±2|，则在e点产生频率间隔为f_LO1的五线光梳信号；

在Y-MZM中，本振信号表示为S_LO2(t)＝V_LO2·sin(ω_LO2t)，其中V_LO2和ω_LO2分别是本振信号的幅度和角频率，则输出的载波、正负一阶边带和正负二阶边带分别为：

调整输入本振信号的功率和直流偏压，使|E₀|＝|E_±1|＝|E_±2|，则在f点产生频率间隔为f_LO2的五线光梳信号；

步骤4：e点和f点的光信号合路后，输入到AWG2中进行通道分离，然后将五个通道的光信号输入到PD中进行光电探测，最终得到10/20倍频谱扩展的线性调频信号。

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