CN111404599A - 一种采用低频参考信号的光子辅助微波多普勒频移测量装置及方法 - Google Patents

一种采用低频参考信号的光子辅助微波多普勒频移测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用低频参考信号的光子辅助微波多普勒频移测量的装置及方法，其装置包括连续波激光器、发射信号源、回波信号源、参考信号源、电耦合器、第一、第二90°电混合器、双平行马赫曾德尔调制器、双驱动马赫曾德尔调制器、掺铒光纤放大器、光电探测器。其方法是对发射信号和固定频率的低频参考信号进行抑制载波单边带调制，调制后的光信号再被回波信号单边带调制，所得光信号经光电探测后，通过分析得到的低频电信号即可同时测得多普勒频移的大小和方向。本发明结构紧凑、简单有效，采用一个固定频率的低频参考信号，无需使用光学滤波即可以在低频波段进行多普勒频移测量，降低了系统的复杂度和成本，具有较好的可行性和应用前景。

Description

一种采用低频参考信号的光子辅助微波多普勒频移测量装置 及方法
技术领域
本发明属于微波信号测量技术领域，具体涉及一种采用低频参考信号的且无需光学滤波的光子辅助微波多普勒频移测量装置及方法。
背景技术
多普勒频移指的是由于多普勒效应导致的接收信号与发射信号之间的频率差，测量多普勒频移在许多领域具有广泛应用，如：移动通信、医疗成像、电子对抗系统及雷达系统。目前，基于电子学的测量手段仍然是微波多普勒频移最主要、最直接的测量方法。然而，随着数据通信的发展和科技的进步，传统的电子学测量手段在高频及大的频率调谐范围上面临着巨大的挑战，也就是说，纯粹的电子学测量手段无法实现如此高频及如此大的测量带宽或者所需的成本很高。近年来，基于微波光子技术的多普勒频移测量方案可以利用光子技术的大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优势，被认为是一种极具潜力的解决方案。因此，基于微波光子技术的多普勒频移测量具有重要的现实意义，并且已经被积极地研究。
一般而言，现有的光子辅助微波多普勒频移测量方案都可以测量多普勒频移的大小，而为了能够分辨多普勒频移的方向，目前所采用的技术方法大致上可以三类，一是在系统中引入一个频移模块（IEEE Microw. Theory Techn., 63(4): 1421-1430, 2015；Opt.Lett., 40(10): 2321-2324, 2015），该类方法虽然最终也能分辨出多普勒频移的方向，但往往需要额外的光电器件，增加了系统的复杂度和成本；二是采用正交探测（J. Lightw.Technol., 34(20): 4639-4645, 2016； Electron. Lett., 54(11): 708-710, 2018），通过正交两路输出信号之间的相位差判断多普勒频移的方向，因而该类方法均需要使用示波器，增加了系统的成本；三是在测量系统中直接引入一个参考信号（IEEE Photon.Technol. Lett., 30(3): 246-249, 2018； IEEE Photon. Technol. Let ., 31(20):1643-1646, 2019）。在所有这些研究方案中，相对其他两种测量方法，在系统中直接引入一个参考信号是一种最简单和有效的方法。
为了分辨多普勒频移的方向，上述基于微波光子技术测量微波多普勒频移的三类技术方法中，方法一和方法二的实现过程均需要在系统中使用额外的光电器件，不仅增加了系统的复杂度及成本，且可能由于系统引入的额外光电器件带宽的限制而限制整个系统的工作带宽，降低了系统的可调谐性。而方法三所述的引入参考信号的方案是目前一种最简单有效的手段，然而目前报道的方案需要引入一个随发射信号频率变化的参考信号（IEEE Photon. Technol. Lett.,30(3): 246-249, 2018），不仅增加了系统的成本，且系统的可行性较差；有的方案尽管使用了固定的低频参考信号，但仍需要光学滤波器滤除光边带（IEEE Photon. Technol. Let., 31(20): 1643-1646, 2019），不仅增加了系统的复杂度和成本，且由于光学滤波器的使用，减弱了系统的可调谐性和稳定性。基于此，如何实现在整个测量系统中恰当引入一个固定频率的低频参考信号且无需滤波的测量方案是一个极具现实意义及应用价值的问题。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种采用低频参考信号的且无需光学滤波的光子辅助微波多普勒频移测量的方法。通过设置合理的边带调制方式和低频固定参考信号频率的大小，可以在无需任何滤波及高频电器件的情况下，在低频处进行多普勒频移测量。本发明在降低整个系统成本的同时，增加了系统的可调谐性和可行性，具有重要的现实意义和应用价值。
本发明为解决其技术问题采用如下方案：
一种采用低频参考信号的光子辅助微波多普勒频移测量装置，特点是该装置包括连续波激光器、发射信号源、参考信号源、电耦合器、第一90°电混合器、双平行马赫曾德尔调制器、双驱动马赫曾德尔调制器、回波信号源、第二90°电混合器、掺铒光纤放大器及光电探测器；所述连续波激光器的输出端口与双平行马赫曾德尔调制器的光学输入端口相连，所述双平行马赫曾德尔调制器的两个射频输入端口分别与第一90°电混合器的两个输出端口相连，所述第一90°电混合器的输入端口与电耦合器的输出端口相连，所述电耦合器的输入端口分别与发射信号源、参考信号源的输出端口相连；所述双平行马赫曾德尔调制器的光学输出端口与双驱动马赫曾德尔调制器的光学输入端口相连，所述双驱动马赫曾德尔调制器的两个射频输入端口分别与第二90°电混合器的两个输出端口相连，所述第二90°电混合器的输入端口与回波信号源的输出端口相连，所述双驱动马赫曾德尔调制器的光学输出端口与掺铒光纤放大器的输入端口相连；所述掺铒光纤放大器的输出端口与光电探测器的光学输入端口相连。
所述方案采用级联电光调制器的结构，无需使用光学滤波器，但需要设置合适的两个级联光电调制器的边带调制方向，即所述双平行马赫曾德尔调制器产生的抑制载波单边带调制的边带方向与所述双驱动马赫曾德尔调制器产生的单边带调制的边带方向相反。
由于在一般的场景下，多普勒频移小于1 MHz，为了避免方向模糊，所述方案中直接引入固定频率低频参考信号的频率至少需要大于1 MHz，且为了在低频波段实现多普勒频移测量，所述方案中直接引入固定频率低频参考信号的频率应该小于发射信号频率的1/5。
通过分析所述方案产生的位于参考信号频率附近的低频电信号的大小，即可同时测得多普勒频移的大小及方向。具体表现为：光电探测器探测产生的低频电信号的频率与所引入的低频参考信号的频率之差的绝对值为多普勒频移的大小，而方向的分辨在于比较二者频率的大小，若得到的低频电信号的频率大于参考信号的频率，为正多普勒频移，反之，则为负多普勒频移。
一种采用上述装置的光子辅助微波多普勒频移测量方法，包括如下步骤：
1)连续波激光器输出频率为f 0的线偏光，直接注入到双平行马赫曾德尔调制器中；
2)将频率为f 1的发射信号和频率为f 2的参考信号经过电耦合器耦合后，注入第一90°电混合器并分成两路，分别用来驱动双平行马赫曾德尔调制器的两个子调制器，调节调制器偏置电压，使得两个子调制器均偏置在最小偏置点，同时偏置电压对主调制器引入90°相移，则双平行马赫曾德尔调制器的输出得到发射信号与参考信号的抑制载波单边带调制信号，当产生正边带时其产生光边带的频率为f 0+f 1和f 0+f 2，当产生负边带时其产生光边带的频率为f 0-f 1和f 0-f 2；
3)将双平行马赫曾德尔调制器输出的抑制载波单边带调制信号注入到双驱动马赫曾德尔调制器中，由频率为f 3的回波信号通过第二90°电混合器后进行驱动，调节调制器偏置点进行单边带调制；当输入的抑制载波单边带调制信号为正边带时，单边带调制产生载波f 0+f 1和f 0+f 2及负边带f 0+f 1-f 3和f 0+f 2-f 3；当输入的抑制载波单边带调制信号为负边带时，单边带调制产生载波f 0-f 1和f 0-f 2及正边带f 0-f 1+f 3和f 0-f 2+f 3。
4)将双驱动马赫曾德尔调制器输出的光信号注入到掺铒光纤放大器中放大后注入光电探测器中进行光电转换，通过比较得到的低频电信号|f 2+f 3-f 1|的频率与参考信号频率f 2的大小关系，同时得到多普勒频移的大小及方向。
本发明提出了一种新型的基于微波光子技术测量微波多普勒频移的装置和方法，该装置采用级联调制器结构，结构紧凑、设备简单、方法有效，具有很强的实际可操作性；结合一个固定频率的低频参考信号，在低频波段对多普勒频移进行测量，避免了高频电器件的使用，成本低；同时该结构不使用任何滤波器，系统工作调谐范围大，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为实验中通过10 GHz发射信号和2 GHz参考信号在双平行马赫曾德尔调制器中产生的抑制载波单边带调制光谱图；
图3为实验中通过10.001 GHz回波信号在双驱动马赫曾德尔调制器中产生的单边带调制光谱图；
图4为实验中在10 GHz发射信号和2 GHz参考信号且±1 MHz DFS两种情况下，光信号经过光电探测器后，拍频得到的低频电信号频谱图；
图5为实验中回波信号从9.999 GHz变化到10.001 GHz，测量的多普勒频移大小及其误差图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参见图1，本发明装置包括：连续波激光器1、发射信号源2、参考信号源3、电耦合器4、第一90°电混合器5、双平行马赫曾德尔调制器6、双驱动马赫曾德尔调制器7、第二90°电耦合器8、回波信号源9、掺铒光纤放大器10及光电探测器11。
所述连续波激光器1的输出端口与双平行马赫曾德尔调制器6的光学输入端口连接，所述双平行马赫曾德尔调制器6的两个射频输入端口分别与第一90°电混合器5的两个输出端口相连，所述第一90°电混合器5的输入端口与电耦合器4的输出端口相连，所述电耦合器4的输入端口分别与发射信号源2、参考信号源3相连；所述双平行马赫曾德尔调制器6的光学输出端口与双驱动马赫曾德尔调制器7的光学输入端口相连，回波信号源9的输出端口与第二90°电混合器8的输入端口相连，所述第二90°电混合器8的输出端口与所述双驱动马赫曾德尔调制器7的射频输入端口相连，双驱动马赫曾德尔调制器7的光学输出端口与掺铒光纤放大器10的输入端口相连；所述掺铒光纤放大器10的输出端口与光电探测器11的输入端口相连。
本发明进行光子辅助微波多普勒频移测量，具体步骤是：
步骤一、连续波激光器输出频率为f 0的线偏光，注入到双平行马赫曾德尔调制器中；
步骤二、将频率为f 1的发射信号和频率为f 2的参考信号经过电耦合器耦合后，注入第一90°电混合器分成两路，分别用来驱动双平行马赫曾德尔调制器的两个子调制器，调节调制器偏置电压，使得两个子调制器均偏置在最小偏置点，同时偏置电压对主调制器引入90°相移，则双平行马赫曾德尔调制器的输出得到发射信号与参考信号的抑制载波单边带调制信号，当产生正边带时其产生光边带的频率为f 0+f 1和f 0+f 2，当产生负边带时其产生光边带的频率为f 0-f 1和f 0-f 2；
步骤三、将双平行马赫曾德尔调制器输出的抑制载波单边带调制信号注入到双驱动马赫曾德尔调制器中，由频率为f 3的回波信号通过第二90°电混合器后进行驱动，调节调制器偏置点进行单边带调制。当输入的抑制载波单边带调制信号为正边带时，单边带调制产生载波f 0+f 1和f 0+f 2及负边带f 0+f 1-f 3和f 0+f 2-f 3；当输入的抑制载波单边带调制信号为负边带时，单边带调制产生载波f 0-f 1和f 0-f 2及正边带f 0-f 1+f 3和f 0-f 2+f 3。
步骤四、将双驱动马赫曾德尔调制器输出的光信号注入到掺铒光纤放大器中放大后注入光电探测器中进行光电转换，通过比较得到的低频电信号|f 2+f 3-f 1|的频率与参考信号频率f 2的大小关系，同时得到多普勒频移的大小及方向。
实施例
本实施例的具体实现过程是：
步骤一、光源产生工作波长约为1553.349 nm，功率约为15 dBm的单频光，输入到双平行马赫曾德尔调制器的光学输入端口。
步骤二、将发射信号源和参考信号源发出的两路电信号通过电耦合器耦合输入一个90°电混合器中，用来对耦合输入其的电信号分成两路并引入90°相位差，90°电混合器输出的两路电信号分别施加在双平行马赫曾德尔调制器的两个射频输入端口，调节调制器偏置电压，使得两个子调制器均偏置在最小偏置点，同时偏置电压对主调制器引入90°相移，则双平行马赫曾德尔调制器的输出得到发射信号与参考信号的抑制载波单边带调制信号。实验中同时产生的10 GHz发射信号和2 GHz信号的抑制载波单边带光谱如图2所示。其中，虚双点线为只有发射信号时产生的抑制载波单边带信号，载波抑制比约为30.58 dB，实线为同时有发射信号与低频参考信号施加时产生的抑制载波单边带调制光谱图。
步骤三、将双平行马赫曾德尔调制器输出的光信号注入到双驱动马赫曾德尔调制器中，回波信号源发出频率从9.999 GHz到10.001 GHz变化的信号用来模拟不同情况下的回波信号，调节双驱动马赫曾德尔调制器的偏置电压，使回波信号在双驱动马赫曾德尔调制器进行单边带调制。实验中双驱动马赫曾德尔调制器输出的光信号的光谱如图3所示。黑色实线为10 GHz发射信号与2 GHz参考信号同时被10.001 GHz回波信号进行单边带调制的光谱输出。
步骤四、将双驱动马赫曾德尔调制器输出的光信号注入掺铒光纤放大器中进行光放大，再注入光电探测器中进行光电转换，得到想要的低频电信号用来分析得到多普勒频移的大小及方向。图4（a）为10 GHz发射信号、2 GHz参考信号和10.001 GHz回波信号时，实验测量得到的系统输出电信号频谱图，（b）为10 GHz发射信号、2 GHz参考信号和9.999 GHz回波信号时，实验测量得到的系统输出电信号频谱图；可以看出，当测量得到的电信号的频率大于参考信号的频率时，如图4（a）所示，表明此时发生的是正多普勒频移，且多普勒频移的大小即为二者之差的绝对值。反之，则为负多普勒频移，如图4（b）所示。图5系统测量的多普勒频移大小及其误差，其中（a）为发射信号为10 GHz、参考信号为2 GHz，多普勒频偏范围为±10 kHz、频偏步进为1 kHz 时的情况，（b）为发射信号为10 GHz、参考信号为2 GHz，多普勒频偏范围为±10 kHz，频偏步进为10 kHz 时的情况。可以看出误差均保持在±0.05Hz以内。
综上，本发明利用级联电光调制器结构结合一个固定频率的低频参考信号实现了对微波微波多普勒频移大小的测量及方向的识别，结构简单、紧凑，不需要使用任何滤波器，具有大的工作带宽，低频参考信号的引入使得系统工作在低频波段即可进行多普勒频移测量，避免了高频电器件的使用，降低了成本，有较好的应用前景。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的较佳实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，固定频率的参考信号不限于2 GHz，如果使用更低频率的射频源，该系统可以在更低的频段进行观测，这里由于实验条件的限制，不得不选用2 GHz的参考信号，这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种采用低频参考信号的光子辅助微波多普勒频移测量装置，其特征在于，该装置包括连续波激光器、发射信号源、参考信号源、电耦合器、第一90°电混合器、双平行马赫曾德尔调制器、双驱动马赫曾德尔调制器、回波信号源、第二90°电混合器、掺铒光纤放大器及光电探测器；所述连续波激光器的输出端口与双平行马赫曾德尔调制器的光学输入端口相连，所述双平行马赫曾德尔调制器的两个射频输入端口分别与第一90°电混合器的两个输出端口相连，所述第一90°电混合器的输入端口与电耦合器的输出端口相连，所述电耦合器的输入端口分别与发射信号源、参考信号源的输出端口相连；所述双平行马赫曾德尔调制器的光学输出端口与双驱动马赫曾德尔调制器的光学输入端口相连，所述双驱动马赫曾德尔调制器的两个射频输入端口分别与第二90°电混合器的两个输出端口相连，所述第二90°电混合器的输入端口与回波信号源的输出端口相连，所述双驱动马赫曾德尔调制器的光学输出端口与掺铒光纤放大器的输入端口相连；所述掺铒光纤放大器的输出端口与光电探测器的光学输入端口相连；通过分析光电探测器输出低频电信号的频率即可同时测得多普勒频移的大小和方向。
2.根据权利要求1所述的采用低频参考信号的光子辅助微波多普勒频移测量装置，其特征在于，所述双平行马赫曾德尔调制器产生的抑制载波单边带调制的边带方向与所述双驱动马赫曾德尔调制器产生的单边带调制的边带方向相反。
3.根据权利要求1所述的采用低频参考信号的光子辅助微波多普勒频移测量装置，其特征在于，所述参考信号的频率大于待测多普勒频率绝对值的最大值且小于发射信号频率的1/5。
4.根据权利要求1所述的采用低频参考信号的光子辅助微波多普勒频移测量装置，其特征在于，所述光电探测器探测产生的低频电信号频率的大小表征了微波多普勒频移的大小和方向，其中参考信号的频率与光电探测器探测产生的低频电信号的频率之差的绝对值为多普勒频移的大小；当产生的低频电信号的频率小于参考信号的频率时，为负多普勒频移；反之，则为正多普勒频移。
5.一种采用如权利要求1所述装置的微波多普勒频移测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)连续波激光器输出频率为f 0的线偏光，直接注入到双平行马赫曾德尔调制器中；
2)将频率为f 1的发射信号和频率为f 2的参考信号经过电耦合器耦合后，注入第一90°电混合器并分成两路，分别用来驱动双平行马赫曾德尔调制器的两个子调制器，调节调制器偏置电压，使得两个子调制器均偏置在最小偏置点，同时偏置电压对主调制器引入90°相移，则双平行马赫曾德尔调制器的输出得到发射信号与参考信号的抑制载波单边带调制信号，当产生正边带时其产生光边带的频率为f 0+f 1和f 0+f 2，当产生负边带时其产生光边带的频率为f 0-f 1和f 0-f 2；
3)将双平行马赫曾德尔调制器输出的抑制载波单边带调制信号注入到双驱动马赫曾德尔调制器中，由频率为f 3的回波信号通过第二90°电混合器后进行驱动，调节调制器偏置点进行单边带调制；当输入的抑制载波单边带调制信号为正边带时，单边带调制产生载波f 0+f 1和f 0+f 2及负边带f 0+f 1-f 3和f 0+f 2-f 3；当输入的抑制载波单边带调制信号为负边带时，单边带调制产生载波f 0-f 1和f 0-f 2及正边带f 0-f 1+f 3和f 0-f 2+f 3；
4)将双驱动马赫曾德尔调制器输出的光信号注入到掺铒光纤放大器中放大后注入光电探测器中进行光电转换，通过比较得到的低频电信号|f 2+f 3-f 1|的频率与参考信号频率f 2的大小关系，同时得到多普勒频移的大小及方向。
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