CN111610366B - 基于超快光学扫频的宽带微波测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超快光学扫频的宽带微波测量方法，用待测微波信号对光载波进行调制，生成仅保留单边一阶边带的调制光信号；将所述调制光信号与一路线性调频光信号耦合后进行光电探测；然后利用一中频窄带带通滤波器对光电探测所得电信号进行滤波，并提取滤波后信号的包络；根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。本发明还公开了一种基于超快光学扫频的宽带微波测量装置。相比现有技术，本发明的扫描速度更快，扫描范围更大，工作频率及带宽更灵活。

Description

基于超快光学扫频的宽带微波测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种微波频率测量方法，尤其涉及一种微波光子辅助的，具有更大测量范围的宽带微波测量方法。

背景技术

微波频率测量广泛应用于无线通信、电子战等领域。电子技术的迅速发展使得电子战中对电磁频谱权的争斗愈发激烈，未来电子战将面对愈发复杂且多变的电磁环境，这就对微波频率测量技术的测量速度提出了更高要求。同时，随着电力系统向高频、宽带的方向发展演进，微波瞬时频率测量方法也相应的需要具有更宽的高频测量范围。然而由于电子器件工作带宽的限制，传统的频率测量方法面临着测量速度慢、工作频率低、带宽小、测量范围有限等问题。

相较于工作于纯电域内的传统微波频率测量技术，微波光子频率测量技术可突破上述局限，它具有低损耗、高带宽和强抗电磁干扰能力等优势，但是现有的微波光子频率测量方法仍存在测量效率较低、测量范围较小及可测量型号种类有限等问题。

为了提高微波光子频谱测量技术性能，潘时龙课题组在一篇中国发明专利CN108918967A中提出了“基于微波光子倍频与混频的频谱实时监测方法及装置”。该技术的思路是将电域内的待测微波信号和本振线性调频信号电光调制于同一光载波上，通过筛选出同一侧的本振线性调频信号n阶边带和待测微波信号一阶边带并对这两个边带进行光电探测实现了扫频范围的n倍扩大，n为正整数；然后利用一窄通带中频带通滤波器对所得电信号进行滤波，并提取滤波后信号的包络；根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。该技术在一定程度上扩大了测频范围，改善了频谱监测系统性能。但该方法本质上仍采用电子信号源在电域内产生电扫频信号，其重复频率低、重复周期大，使得系统的扫频速率处于兆赫兹量级、测量周期处于微秒量级，难以进一步提升；且产生的线性调频电信号中心频率及带宽难以增大，导致系统的测量范围有限，且在对线性调频信号进行调制过程中存在边带混叠问题影响，使得线性调频信号的带宽进一步受限，系统的测量范围更加难以扩大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的不足，提供一种基于超快光学扫频的宽带微波测量方法，其扫描速度更快，扫描范围更大，工作频率及带宽更灵活。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

基于超快光学扫频的宽带微波测量方法，用待测微波信号对光载波进行调制，生成仅保留单边一阶边带的调制光信号；将所述调制光信号与一路线性调频光信号耦合后进行光电探测；然后利用一中频窄带带通滤波器对光电探测所得电信号进行滤波，并提取滤波后信号的包络；根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。

进一步地，所述时频对应具体按照下式：

其中，t为时间，t₁、t₂分别为所述线性调频光信号的起始频率f₁和终止频率f₂的对应时刻，f_c为所述光载波的频率，f_I为所述窄通带中频带通滤波器的通带中心频率，f_R为待测微波信号的频率。

作为其中一个优选方案，通过将脉冲光信号依次进行滤波、色散展宽生成所述线性调频光信号。

作为另一个优选方案，通过可调谐激光器生成所述线性调频光信号。

作为再一优选方案，通过由光放大器、色散元件、可调谐光滤波器、光耦合器依次连接而成的环形谐振腔生成所述线性调频光信号，光通过所述环形谐振腔所需时间与所述可调谐光滤波器的调谐周期相匹配。

基于相同的发明构思还可以得到以下技术方案：

基于超快光学扫频的宽带微波测量装置，包括：

超快光学扫频单元，用于生成线性调频光信号；

微波光子调制单元，用于用待测微波信号对光载波进行调制，生成仅保留单边一阶边带的调制光信号；

光耦合器，用于将所述调制光信号与线性调频光信号耦合；

光电探测器，用于对光耦合器输出的耦合光信号进行光电探测；

中频窄带带通滤波器，用于对光电探测所得电信号进行滤波；

检波及运算单元，用于提取滤波后信号的包络，并根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。

进一步地，所述时频对应具体按照下式：

其中，t为时间，t₁、t₂分别为所述线性调频光信号的起始频率f₁和终止频率f₂的对应时刻，f_c为所述光载波的频率，f_I为所述窄通带中频带通滤波器的通带中心频率，f_R为待测微波信号的频率。

作为其中一个优选方案，所述超快光学扫频单元通过将脉冲光信号依次进行滤波、色散展宽生成所述线性调频光信号。

作为另一个优选方案，所述超快光学扫频单元通过可调谐激光器生成所述线性调频光信号。

作为再一优选方案，所述超快光学扫频单元通过由光放大器、色散元件、可调谐光滤波器、光耦合器依次连接而成的环形谐振腔生成所述线性调频光信号，光通过所述环形谐振腔所需时间与所述可调谐光滤波器的调谐周期相匹配。

相比先后技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明在光域内直接产生线性调频光信号，利用光信号的极高重复频率可产生具有超高扫频斜率的线性调频光信号，将系统扫频速率提升至吉赫兹量级、测量周期缩短至纳秒量级，实现超快频率测量；同时利用光域内丰富的频谱资源可产生超宽带线性调频光信号，实现高频测量并扩大系统测量范围。该方案从本质上改变了扫频信号的产生方式，避免了在电域内产生扫频信号重复周期、工作带宽受限问题及对大带宽电扫频信号进行调制时所产生的边带混叠问题，有效提高了频谱测量的速度、频率范围和工作带宽。

附图说明

图1为本发明基于超快光学扫频的宽带微波测量装置的结构原理示意图；

图2为超快光学扫频单元一种具体实现方式的结构原理示意图；

图3为超快光学扫频单元另一种具体实现方式的结构示意图。

具体实施方式

针对现有微波频率测量技术的不足，本发明的基本思路是：在光域内直接产生线性调频光信号，利用光信号的极高重复频率可产生具有超高扫频斜率的线性调频光信号，将系统扫频速率提升至吉赫兹量级、测量周期缩短至纳秒量级，实现超快频率测量；同时利用光域内丰富的频谱资源可产生超宽带线性调频光信号，实现高频测量并扩大系统测量范围。该方案在光域内直接产生扫频信号，从本质上提升了扫频信号性能，有效提高了频谱测量的速度、频率范围和工作带宽。

具体而言，本发明基于超快光学扫频的宽带微波测量方法，用待测微波信号对光载波进行调制，生成仅保留单边一阶边带的调制光信号；将所述调制光信号与一路线性调频光信号耦合后进行光电探测；然后利用一中频窄带带通滤波器对光电探测所得电信号进行滤波，并提取滤波后信号的包络；根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。

为了便于公众理解，下面结合附图来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：

如图1所示，本发明的宽带微波测量装置包括：超快光学扫频单元、微波光子调制单元、光耦合器、光电探测器、中频窄带滤波器、检波单元、信号采集与处理单元。其中，超快光学扫频单元用于直接在光域内产生一路线性调频光信号，其频率f_LFM变化范围为[f₁,f₂]，f₁为其起始频率，对应时刻t₁，f₂为其终止频率，对应时刻t₂；微波光子调制单元用于将待测微波信号调制于一光载波上，并通过光滤波器输出仅保留待测微波信号单边一阶边带的调制光信号；光耦合器用于耦合上述两路光信号；光电探测器用于对光耦合器输出的光信号进行光电探测；中频窄带滤波器用于对光电探测器输出的电信号进行滤波；检波单元用于提取滤波后信号的包络；信号采集与处理单元用于根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。

其中的超快光学扫频单元可采用多种不同方式实现，例如，可通过将脉冲光信号依次进行滤波、色散展宽生成所述线性调频光信号；或者，通过可调谐激光器生成所述线性调频光信号；又或者，通过由光放大器、色散元件、可调谐光滤波器、光耦合器依次连接而成的环形谐振腔生成所述线性调频光信号，光通过所述环形谐振腔所需时间与所述可调谐光滤波器的调谐周期相匹配。

图2显示了超快光学扫频单元的一种具体实现方式，其通过将脉冲光信号依次进行滤波、色散展宽生成所述线性调频光信号。如图2所示，该超快光学扫频单元包括：一个脉冲激光器、一个光放大器、一个光滤波器、一段色散光纤。脉冲激光器输出端连接光放大器输入端；光放大器输出端连接光滤波器1输入端；光滤波器1输出端连接色散光纤输入端；色散光纤输出所需线性调频光信号。

如图2所示，将脉冲激光器所产生的重复周期为T_s的脉冲光信号输入至滤波范围为[f₁,f₂]的光滤波器1并通过一段长度为L色散系数为D的单模光纤后输出包络为展宽后的脉冲形式的线性调频光信号，其频率f_LFM变化范围为[f₁，f₂]，其中，f₁为其起始频率，对应时刻t₁，f₂为其终止频率，对应时刻t₂。假设某时刻t(t₁≤t≤t₂)时的频率为f_LFM且该线性调频信号的时宽为T_LFM，则

T_LFM＝t₂-t₁＝DL(c/f₁-c/f₂) (2)

其中，c为光速，为了避免色散后信号混叠失真，需满足T_LFM≤T_s。

图3显示了超快光学扫频单元的另一种实现方式，其通过一环形谐振腔生成所述线性调频光信号。如图3所示，该超快光学扫频单元包括：一个半导体光放大器、一段色散光纤、一个可调谐光滤波器、一个扫描源控制器、一个光耦合器。半导体光放大器输出端连接色散光纤输入端；色散光纤输出端连接可调谐光滤波器；可调谐光滤波器由扫描源控制器驱动，可调谐光滤波器输出端连接光耦合器输入端，光耦合器输出端口1连接半导体光放大器输入端构成环形谐振腔，光耦合器输出端口2输出所需线性调频光信号。

如图3所示，设置扫描源控制器输出驱动信号的幅度，使得可调谐光滤波器的通带扫频范围f_fliter为[f₁,f₂]。其中，f₁为其起始频率，对应时刻t₁，f₂为其终止频率，对应时刻t₂。当激光通过环形谐振腔所需时间刚好与可调谐光滤波器的调谐周期相匹配时，即满足

其中，n为谐波次数，f_fliter为可调谐滤波器扫频频率，L为环形谐振腔腔长，V为光纤中光速。此时，该环形谐振腔输出的光信号为线性调频光信号，其频率f_LFM变化范围为[f₁,f₂]，其中，f₁为其起始频率，对应时刻t₁，f₂为其终止频率，对应时刻t₂。假设某时刻t(t₁≤t≤t₂)时的频率为f_LFM，则

如图1所示，本实施例的微波光子调制单元及其他部分包括：一个连续激光器、一个马赫曾德尔调制器、一个光滤波器、一个光耦合器、一个光电探测器、一个中频窄带滤波器、一个检波器、一个模数转换器和个人计算机。连续激光器连接马赫曾德尔调制器的光波输入端；马赫曾德尔调制器的光波输出端连接光滤波器2的输入端；光滤波器2的输出端连接光耦合器的输入端口2；光耦合器的输出端口连接光电探测器，之后分别级联中频窄带滤波器、检波器、模数转换器，最后送至个人计算机。

将频率为f_R的待测微波信号输入到马赫曾德尔调制器的射频输入端，马赫曾德尔调制器的光输入端输入的是频率为f_c的连续光载波信号。则马赫曾德尔调制器的输出光谱包含待测微波信号的多个边带。通过光滤波器2将正一阶待测微波信号边带滤出，该调制光信号可表示为

将包含正一阶待测微波信号边带的调制光信号与线性调频光信号通过光耦合器耦合为一路调制光信号，该调制光信号可表示为

接着，将光耦合器输出的调制光信号输入至光电探测器进行光电探测，光电探测器的输出包含待测微波信号的正一阶边带的平方项、线性调频光信号的平方项、以及两者的相乘项。其中，两者的相乘等效于对待测微波信号的正一阶边带和线性调频光信号进行混频。该混频信号的频率等于待测微波信号正一阶边带的频率减去线性调频光信号的频率。由于线性调频光信号的频率是线性时变的，所以混频信号的频率也是线性时变的。则在时刻t,混频后该频率为：

在混频后，一个中频窄带滤波器用来选择特定频率的混频信号，该特定频率即为中频滤波器的中心频率f_I。所以，在时刻t,只有满足“f_It＝f_I”条件的信号才能通过中频滤波器，即

如式(7)所示，经过中频滤波器，就能够建立待测信号频率f_R与时间t的一一对应关系。

一旦超快光学扫频单元第一个具体实施例中的光滤波器的滤波范围[f₁,f₂]或超快光学扫频单元第二个具体实施例中可调谐光滤波器的通带扫频范围f_fliter及中频滤波器的中心频率f_I选定，该频率测量系统的工作带宽也确定了，即[f_I-f_c+f₁,f_I-f_c+f₂]。因此，待测信号的频率范围需要处在该范围内。

最后，使用检波器检测出滤波后中频信号的包络，得到每个时刻信号的功率，即可得到每个频率分量的功率。接着，将得到的模拟信号通过模数转换器转变为数字信号，输入到个人计算机按(7)式进行时频对应即可得到待测微波信号频谱。

Claims (10)

1.基于超快光学扫频的宽带微波测量方法，其特征在于，用待测微波信号对光载波进行调制，生成仅保留单边一阶边带的调制光信号；将所述调制光信号与一路在光域内直接产生的线性调频光信号耦合后进行光电探测；然后利用一中频窄带带通滤波器对光电探测所得电信号进行滤波，并提取滤波后信号的包络；根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。

2.如权利要求1所述基于超快光学扫频的宽带微波测量方法，其特征在于，所述时频对应具体按照下式：

其中，t为时间，t₁、t₂分别为所述线性调频光信号的起始频率f₁和终止频率f₂的对应时刻，f_c为所述光载波的频率，f_I为所述中频窄带带通滤波器的通带中心频率，f_R为待测微波信号的频率。

3.如权利要求1或2所述基于超快光学扫频的宽带微波测量方法，其特征在于，通过将脉冲光信号依次进行滤波、色散展宽生成所述线性调频光信号。

4.如权利要求1或2所述基于超快光学扫频的宽带微波测量方法，其特征在于，通过可调谐激光器生成所述线性调频光信号。

5.如权利要求1或2所述基于超快光学扫频的宽带微波测量方法，其特征在于，通过由光放大器、色散元件、可调谐光滤波器、光耦合器依次连接而成的环形谐振腔生成所述线性调频光信号，光通过所述环形谐振腔所需时间与所述可调谐光滤波器的调谐周期相匹配。

6.基于超快光学扫频的宽带微波测量装置，其特征在于，包括：

超快光学扫频单元，用于在光域内直接生成线性调频光信号；

微波光子调制单元，用于用待测微波信号对光载波进行调制，生成仅保留单边一阶边带的调制光信号；

光耦合器，用于将所述调制光信号与线性调频光信号耦合；

光电探测器，用于对光耦合器输出的耦合光信号进行光电探测；

中频窄带带通滤波器，用于对光电探测所得电信号进行滤波；

检波及运算单元，用于提取滤波后信号的包络，并根据所述滤波后信号的包络进行时频对应，得到待测微波信号的频谱。

7.如权利要求6所述基于超快光学扫频的宽带微波测量装置，其特征在于，所述时频对应具体按照下式：

其中，t为时间，t₁、t₂分别为所述线性调频光信号的起始频率f₁和终止频率f₂的对应时刻，f_c为所述光载波的频率，f_I为所述中频窄带带通滤波器的通带中心频率，f_R为待测微波信号的频率。

8.如权利要求6或7所述基于超快光学扫频的宽带微波测量装置，其特征在于，所述超快光学扫频单元通过将脉冲光信号依次进行滤波、色散展宽生成所述线性调频光信号。

9.如权利要求6或7所述基于超快光学扫频的宽带微波测量装置，其特征在于，所述超快光学扫频单元通过可调谐激光器生成所述线性调频光信号。

10.如权利要求6或7所述基于超快光学扫频的宽带微波测量装置，其特征在于，所述超快光学扫频单元通过由光放大器、色散元件、可调谐光滤波器、光耦合器依次连接而成的环形谐振腔生成所述线性调频光信号，光通过所述环形谐振腔所需时间与所述可调谐光滤波器的调谐周期相匹配。

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