CN111274533A - 基于塔尔伯特效应的光域互相关运算方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信、计算、雷达技术领域，具体涉及一种基于塔尔伯特效应的光域互相关运算方法及装置，装置包括锁模激光器、光电调制器、IQ调制器、90度光学混合器、平衡光电探测器、光电探测器等器件。其中，先由经过相位调制和待运算信号幅度调制的两路脉冲串，在时域塔尔伯特效应下获得待运算频谱信息，接着通过90度光学混合器获得信号相关结果的频域实部和虚部，并最终IQ调制在一新脉冲串上，再次经历时域塔尔伯特效应得到承载时域相关结果的信号。本发明应用光的时域塔尔伯特效应，通过信号的离散傅里叶变换和90度光学混合器实现信号的相关运算，优点在于采用光的方法运算速度快、结果误差小、处理带宽大等优点。

Description

基于塔尔伯特效应的光域互相关运算方法及装置
技术领域
本发明属于通信、计算、雷达技术领域，具体涉及一种基于塔尔伯特效应的光域互相关运算方法及装置。
背景技术
塔尔伯特效应是一种特殊的菲涅尔衍射现象，是特定条件下相干光在自由空间中实现自成像的现象，并且这种现象在时域和频域均存在。其中分数阶时域塔尔伯特效应在特定色散量的光纤中可以实现傅里叶变换功能，而傅里叶变换正是通信中分析信号频谱信息的一个重要方法手段。因此分数阶塔尔伯特效应在光通信技术中有诸多应用发明，例如应用自成像效应实现脉冲串频率的倍增，应用分数阶塔尔伯特效应提供的离散傅里叶变换实现任意波形的产生等。
(J.Wen,Y.Zhang,M.Xiao.“The Talbot effect:recent advances in classicaloptics,nonlinear optics and quantum optics”.Advances in Optics and Photonics,2013,5(1):83-130.)中验证了相干光被周期性的一维或二维对象反射后在一定距离处可以观察到对象精确图像的空间塔尔伯特效应。(J.
Figure BDA0002390393870000011
and M.A.Muriel,"TemporalTalbot effect in fiber gratings and its applications".Appl.Opt,1999,38(32):6700-6704.)中验证了对周期脉冲串使用线性啁啾光栅可以实现时域上的塔尔伯特效应。在该技术中通过由线性啁啾光栅提供必需的色散量，实现时间上的周期脉冲串自成像效应，此外该技术还可被应用于光纤色散系数的测量以及倍频产生。
(S.Longhi,M.Marano,P.Laporta,et al.“40-GHz pulse-train generation at1.5μm with a chirped fiber grating as a frequency multiplier”.Optics Letters,2000,25(19):1481-1483.)中提出了应用分数阶塔尔伯特效应使低重复率的脉冲串变为高重复频率脉冲串。在该技术中，将使用啁啾布拉格光栅提供所需时域分数阶塔尔伯特效应的色散量，使得由锁模激光器输入的低重复频率脉冲串在经历啁啾布拉格光栅后实现分数阶塔尔伯特效应，获得重复频率增加的新脉冲串。新脉冲串形状与原脉冲串相同，因此根据能量守恒，新脉冲串的脉冲幅度有所降低，在输出端使用掺铒光纤放大器进行放大输出。这种技术使用啁啾布拉格光栅代替色散光纤提供高额色散量，并且对于随着对高重复频率脉冲激光器的需求提升，可由低重复频率的锁模激光器经过该装置得到提供了极大的便利。
(S.Tainta,M.J.Erro,M.J.Garde,et al,“Temporal self-imaging effect forperiodically modulated trains of pulses”.Optics Express,2014,22(12):15251.)中提出了基于分数阶塔尔伯特效应的任意波形产生。在该技术中，使用相位调制器和电光调制器，一串脉冲串的幅度和相位受到周期调制。调制后的脉冲串在具有特定色散量的色散光纤中经历分数阶塔尔伯特效应，而输出的脉冲串的包络是相位调制和幅度调制系数的离散傅里叶变换。因此根据所需的信号波形傅里叶变换的数值，通过幅度调制以及相位调制即可通过该方法获得任意波形。然而该方法存在输出信号频率倍增的问题，即输出信号的周期相对于幅度调制、相位调制的周期减小，减小量与调制周期有关。
针对以上技术问题，故需对其进行改进。
发明内容
基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种基于塔尔伯特效应的光域互相关运算方法及装置。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
基于塔尔伯特效应的光域互相关运算方法，包括以下步骤：
S1.由三个锁模激光器分别产生三路脉冲串，所述三路脉冲串分别由相位调制器调制与信号周期相关的二次相位后输出三路脉冲串，其中第一路和第二路的两路脉冲串再分别经过各自的光电调制器进行幅度调制不同的数字实信号；
S2.所述调制后的两路脉冲串分别经过色散光纤，通过时域塔尔伯特效应，得到两路脉冲串的包络与调制数字信号呈离散傅里叶变换对的关系；
S3.所述傅里叶变换后的两路脉冲串输入90度光学混合器，所述90度光学混合器的180度相移和360度相移，90度相移和270度相移的输出分别进入两个平衡探测器，获得两路电信号；
S4.获得的两路电信号经由IQ调制器，调制在第三路脉冲串的幅度和相位上，调制后的脉冲串经过色散光纤，在时域塔尔伯特效应作用下完成离散傅里叶反变换，并在光电探测器输出端获得信号相关结果的时域波形。
作为优选方案，所述步骤S1中，调制数字实信号为周期信号，且调制数字实信号经过补零处理。
基于塔尔伯特效应的光域互相关运算装置，包括第一锁模激光器、第二锁模激光器、第三锁模激光器、第一相位调制器、第二相位调制器、第三相位调制器、第一光电调制器、第二光电调制器、第一色散光纤、第二色散光纤、第三色散光纤、90度光学混合器、第一平衡光电探测器、第二平衡光电探测器、IQ调制器、光电探测器；其中：
第一锁模激光器、第一相位调制器、第一光电调制器、第一色散光纤、90度光学混合器的第一输入端通过光纤顺次相连；第二锁模激光器、第二相位调制器、第二光电调制器、第二色散光纤、90度光学混合器的第二输入端通过光纤顺次相连；第三锁模激光器、第三相位调制器、IQ调制器输入端通过光纤顺次相连；90度光学混合器的第一输出端、第二输出端与第一平衡光电探测器相连，90度光学混合器的第三输出端、第四输出端与第二平衡光电探测器相连；IQ调制器与第一平衡光电探测器、第二平衡光电探测器通过同轴线相连；IQ调制器的输出端和第三色散光纤、第三光电探测器通过光纤相连。
作为优选方案，所述的IQ调制器由双平行电光调制器、90度移相器组成。
本发明与现有技术相比，有益效果是：本发明应用光的时域塔尔伯特效应，通过信号的离散傅里叶变换和90度光学混合器实现信号的相关运算，优点在于采用光的方法运算速度快、结果误差小、处理带宽大等优点。
附图说明
图1是本发明实施例一的基于塔尔伯特效应的光域互相关运算装置的示意图；
图2是本发明实施例一的基于塔尔伯特效应的光域互相关运算装置的IQ调制器示意图；
图3是本发明实施例一的基于塔尔伯特效应的光域互相关运算方法的经过数字实信号1幅度调制和相位调制的脉冲串；
图4是本发明实施例一的基于塔尔伯特效应的光域互相关运算方法的经过数字实信号2幅度调制和相位调制的脉冲串；
图5是本发明实施例一的基于塔尔伯特效应的光域互相关运算方法的基于时域塔尔伯特效应光域信号相关运算结果；
其中：1.第一锁模激光器、2.第二锁模激光器、3.第三锁模激光器、11.第一相位调制器、21.第二相位调制器、31.第三相位调制器、12.第一光电调制器、22.第二光电调制器、13.第一色散光纤、23.第二色散光纤、33.第三色散光纤、4.90度光学混合器、41.第一输入端、42.第二输入端、43.第一输出端、44.第二输出端、45.第三输出端、46.第四输出端、5.第一平衡光电探测器、6.第二平衡光电探测器、7.IQ调制器、71.双平行电光调制器、72.90度移相器、8.光电探测器。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例一：
如图1-5所示，本实施例是为计算不同信号间的互相关提供一种光域实现方案，该方案是结合光通信优势实现的一种结构简单、成本较低、测量迅速、结果精确的基于塔尔伯特效应的光域互相关运算方法及装置。
其中，基于塔尔伯特效应的光域互相关运算方法，包括以下步骤：
S1.由三个锁模激光器分别产生三路脉冲串，所述三路脉冲串分别由相位调制器调制与信号周期相关的二次相位后输出三路脉冲串，其中第一路和第二路的两路脉冲串再分别经过各自的光电调制器进行幅度调制不同的数字实信号；
具体的，由两个锁模激光器产生的脉冲串先由相位调制器调制上与信号周期相关的二次相位，接着在各自光电调制器幅度调制上不同的数字实信号。调制后的脉冲串x(t)表示为
Figure BDA0002390393870000051
其中g(t)表示脉冲串中单个脉冲，T0表示脉冲重复周期且重复周期大于脉冲脉宽，N表示调制信号周期，cl表示信号幅度调制系数,系数可以为实数或者虚数，
Figure BDA0002390393870000052
为二次相位调制项，其中j为虚数，l为调制后脉冲串在一个周期内系数的次序，m为调制系数个数m＝N，s＝m-1，调制数字实信号必须是周期信号，同时根据圆周卷积等效线性卷积要求，需对待运算的数字实信号进行补零处理。
S2.所述调制后的两路脉冲串分别经过色散光纤，通过时域塔尔伯特效应，得到两路脉冲串的包络与调制数字信号呈离散傅里叶变换对的关系；
调制后的脉冲串在经过特定色散量的色散光纤，
Figure BDA0002390393870000061
其中β2为色散光纤色散系数，Z为色散光纤长度，由于时域塔尔伯特效应，得到脉冲串的包络与调制数字信号呈离散傅里叶变换对的关系，经过时域塔尔伯特效应的输出脉冲串e(t)可以表示为
Figure BDA0002390393870000062
其中
Figure BDA0002390393870000063
为调制系数cl的离散傅里叶变换，k表示一串脉冲时延次数，并通过时延叠加形成周期脉冲串。
S3.所述傅里叶变换后的两路脉冲串输入90度光学混合器4，所述90度光学混合器4的180度相移和360度相移，90度相移和270度相移的输出分别进入两个平衡探测器，获得两路电信号；
如图1所示，L1+L2表示90度光学混合器第一输出端口的输出为第一输入端口脉冲串和经过360度相移的第二输入端口脉冲串的和；L1-L2表示90度光学混合器第二输出端口的输出为第一输入端口脉冲串和经过180度相移的第二输入端口脉冲串的和；L1+jL2表示90度光学混合器第三输出端口的输出为第一输入端口脉冲串和经过90度相移的第二输入端口脉冲串的和，其中j表示虚数；L1-jL2表示90度光学混合器第四输出端口的输出为第一输入端口脉冲串和经过270度相移的第二输入端口脉冲串的和。
具体的，经过傅里叶变换的脉冲串输入一个90度光学混合器4，实现对一路脉冲串四次的90度相移，因此使90度光学混合器4的180度相移和360度相移，90度相移和270度相移分别进入两个平衡探测器即可获得两路信号相关结果频域的实部信息和虚部信息，信息由电信号表示。因此两平衡探测器的输出电信号
Figure BDA0002390393870000064
和
Figure BDA0002390393870000065
可以表示为
Figure BDA0002390393870000066
Figure BDA0002390393870000071
其中S为由90度光学混合器4引入的能量损失，rf1和rf2是调制系数离散傅里叶变换后的实部，pf1和pf2是调制系数离散傅里叶变换后的虚部，g1(t)为两锁模激光器的单个脉冲表达式。
S4.获得的两路电信号经由IQ调制器7，调制在第三路脉冲串的幅度和相位上，调制后的脉冲串经过色散光纤，在时域塔尔伯特效应作用下完成离散傅里叶反变换，并在光电探测器8输出端获得信号相关结果的时域波形。
具体的，获得实部电信号和虚部电信号经由IQ调制器7，调制在第三路脉冲串的幅度和相位上，正交调制后的脉冲串经过一定色散量的色散光纤，在时域塔尔伯特效应作用下完成离散傅里叶反变换，并在光电探测器8输出端获得信号相关结果的时域波形。获得的电脉冲串信号的脉冲幅值(归一化)与理论相关结果(归一化)的平方相同。
基于塔尔伯特效应的光域互相关运算装置如图1所示，图1中实线光信号链路，虚线表示电信号链路：
包括第一锁模激光器1、第二锁模激光器2、第三锁模激光器3、第一相位调制器11、第二相位调制器21、第三相位调制器31、第一光电调制器12、第二光电调制器22、第一色散光纤13、第二色散光纤23、第三色散光纤33、90度光学混合器4、第一平衡光电探测器5、第二平衡光电探测器6、IQ调制器7、光电探测器8。
其中：第一锁模激光器1、第一相位调制器11、第一光电调制器12、第一色散光纤13、90度光学混合器4的第一输入端41通过光纤顺次相连；第二锁模激光器2、第二相位调制器21、第二光电调制器22、第二色散光纤23、90度光学混合器4的第二输入端42通过光纤顺次相连；第三锁模激光器3、第三相位调制器31、IQ调制器7输入端通过光纤顺次相连；90度光学混合器4的第一输出端43、第二输出端44与第一平衡光电探测器5相连，90度光学混合器4的第三输出端45、第四输出端46与第二平衡光电探测器6相连；IQ调制器7与第一平衡光电探测器5、第二平衡光电探测器6通过同轴线相连；IQ调制器7的输出端和第三色散光纤33、第三光电探测器8通过光纤相连，优选的，IQ调制器7由双平行电光调制器71、90度移相器72组成。
本实施例公开了一种基于塔尔伯特效应的光域互相关运算方法及装置。该技术具有结果精确、处理带宽大、速度快等优点，其中，先由经过相位调制和待运算信号幅度调制的两路脉冲串，在时域塔尔伯特效应下获得待运算频谱信息，接着通过90度光学混合器获得信号相关结果的频域实部和虚部，并最终IQ调制在一新脉冲串上，再次经历时域塔尔伯特效应得到承载时域相关结果的信号，该装置可实现运算结果与理论结果误差小于-23dB。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于塔尔伯特效应的光域互相关运算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.由三个锁模激光器分别产生三路脉冲串，所述三路脉冲串分别由相位调制器调制与信号周期相关的二次相位后输出三路脉冲串，其中第一路和第二路的两路脉冲串再分别经过各自的光电调制器进行幅度调制不同的数字实信号；
S2.所述调制后的两路脉冲串分别经过色散光纤，通过时域塔尔伯特效应，得到两路脉冲串的包络与调制数字信号呈离散傅里叶变换对的关系；
S3.所述傅里叶变换后的两路脉冲串输入90度光学混合器，所述90度光学混合器的180度相移和360度相移，90度相移和270度相移的输出分别进入两个平衡探测器，获得两路电信号；
S4.获得的两路电信号经由IQ调制器，调制在第三路脉冲串的幅度和相位上，调制后的脉冲串经过色散光纤，在时域塔尔伯特效应作用下完成离散傅里叶反变换，并在光电探测器输出端获得信号相关结果的时域波形。
2.如权利要求1所述的基于塔尔伯特效应的光域互相关运算方法，其特征在于，所述步骤S1中，调制数字实信号为周期信号，且调制数字实信号经过补零处理。
3.基于权利要求1-2任一项所述的基于塔尔伯特效应的光域互相关运算方法的基于塔尔伯特效应的光域互相关运算装置，其特征在于，包括第一锁模激光器、第二锁模激光器、第三锁模激光器、第一相位调制器、第二相位调制器、第三相位调制器、第一光电调制器、第二光电调制器、第一色散光纤、第二色散光纤、第三色散光纤、90度光学混合器、第一平衡光电探测器、第二平衡光电探测器、IQ调制器、光电探测器；其中：
第一锁模激光器、第一相位调制器、第一光电调制器、第一色散光纤、90度光学混合器的第一输入端通过光纤顺次相连；第二锁模激光器、第二相位调制器、第二光电调制器、第二色散光纤、90度光学混合器的第二输入端通过光纤顺次相连；第三锁模激光器、第三相位调制器、IQ调制器输入端通过光纤顺次相连；90度光学混合器的第一输出端、第二输出端与第一平衡光电探测器相连，90度光学混合器的第三输出端、第四输出端与第二平衡光电探测器相连；IQ调制器与第一平衡光电探测器、第二平衡光电探测器通过同轴线相连；IQ调制器的输出端和第三色散光纤、第三光电探测器通过光纤相连。
4.如权利要求3所述的基于塔尔伯特效应的光域互相关运算装置，其特征在于，所述的IQ调制器由双平行电光调制器、90度移相器组成。
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