CN111638402A - 测量微波电场中微波信号的频率的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量微波电场中微波信号的频率的方法及系统，属于微波信号测量技术领域。所述方法包括：将电光晶体置于待检测微波电场中，当辅助激光照入所述电光晶体中时，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生待测出射光；通过单光子探测器对所述待测出射光进行探测，得到所述光电子探测器的探测结果；基于所述光电子探测器的探测结果以及傅里叶变换算法，确定所述待检测微波电场中微波信号的频率。采用本发明，可以解决现有微波频率测量系统带宽小、数据量大、对硬件要求高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及微波信号测量技术领域，特别涉及一种测量微波电场中微波信号的频率的方法及系统。
背景技术
无线通信在现代社会中扮演着重要的角色，无线通信技术已经成为我们日常生活中必不可少的工具。随着人们需求的不断增长，对通信带宽的要求也越来越高。这就要求不断提高无线通信的载波频率，以实现带宽的提高，特别是近年来5G通信技术的发展，已经将载波频率提高到50GHz量级。对载波频率的表征能够实现对通信系统质量的提高。此外，微波通信技术还广泛应用于大功率电磁信号发射以及军事雷达等领域。对微波频率的测量能够准确分析战场无线信号的种类和分布，对于判断战局具有重要意义。但是传统的微波测量技术并不能实现对微波信号频率的准确测量。
传统的宽带微波频率测量采用扫描滤波器和计算频谱两种方式。扫描滤波器的频谱分辨率较低，而且扫描速度慢，并且某一时刻只能有一个带宽内的频谱信号被记录，这样容易造成时变信号的遗漏。计算频谱通过对输入的频谱信号进行采样，量化之后通过快速傅里叶算法实现频谱的计算。但是这种方法可探测的带宽受到采样定理的限制，即信号带宽不能超过采样频率的二分之一。受限于数据传输以及数据存储空间以及处理器的计算速度等因素，现有系统的测量带宽限制在GHz量级，使得现有微波频率测量具有带宽小、数据量大、对硬件要求高的问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种测量微波电场中微波信号的频率的方法及系统，可以解决现有微波频率测量系统带宽小、数据量大、对硬件要求高的问题。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种测量微波电场中微波信号的频率的方法，该方法包括：
将电光晶体置于待检测微波电场中，当辅助激光照入所述电光晶体中时，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生待测出射光；
通过单光子探测器对所述待测出射光进行探测，得到所述光电子探测器的探测结果；
基于所述光电子探测器的探测结果以及傅里叶变换算法，确定所述待检测微波电场中微波信号的频率。
可选地，所述通过单光子探测器对所述待测出射光进行探测之前，还包括：
将所述待测出射光输入偏振分束器，将所述偏振分束器的输出输入至衰减器中，将所述待测出射光衰减至单光子量级；
所述通过单光子探测器对所述待测出射光进行探测，包括：
通过单光子探测器，对单光子量级的待测出射光进行探测。
可选地，所述探测结果包括待测出射光的光子到达时间；
所述通过单光子探测器对所述待测出射光进行探测，得到所述光电子探测器的探测结果，包括：
通过单光子探测器对所述待测出射光进行探测，所述单光子探测器输出的脉冲信号通过时间数字转换装置记录所述待测出射光的光子到达时间。
可选地，所述基于所述光电子探测器的探测结果以及傅里叶变换算法，确定所述待检测微波电场中微波信号的频率，包括：
对待测出射光的光子到达时间进行离散傅里叶变换，得到微波电场的频率信息。
可选地，所述辅助激光照入所述电光晶体中，包括：
调整所述辅助激光入射电光晶体的偏振方向，使得所述辅助激光的偏振方向与所述电光晶体的光轴方向呈45°夹角。
可选地，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生待测出射光，包括：
基于偏振调制方案，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生待测出射光。
可选地，所述基于偏振调制方案，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生待测出射光，包括：
基于偏振调制方案，在所述电光晶体之后放置法拉第反射镜，使得所述辅助激光二次通过所述电光晶体，产生待测出射光；或者，在所述电光晶体之后放置偏振控制器，使得所述辅助激光以此通过所述电光晶体以及所述偏振控制器，产生待测出射光。
可选地，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生待测出射光，包括：
基于相位调制方案，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生待测出射光。
可选地，所述基于相位调制方案，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生待测出射光，包括：
基于相位调制方案，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生原始出射光，对所述原始出射光进行干涉操作，得到待测出射光。
一方面，提供了一种测量微波电场中微波信号的频率的系统，该系统包括微波传感单元、探测处理单元以及数字信号处理单元，其中：
所述微波传感单元的传感器为电光晶体，用于置于待检测微波电场中，当辅助激光照入所述电光晶体中时，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生待测出射光；
所述探测处理单元的探测器为单光子探测器，用于对所述待测出射光进行探测，得到所述光电子探测器的探测结果；
所述数字信号处理单元用于基于所述光电子探测器的探测结果以及傅里叶变换算法，确定所述待检测微波电场中微波信号的频率。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
1、本发明具有宽的微波测量带宽，测量的电磁波信号从Hz量级到几百GHz量级，并且可以实现任意频率的多个微波信号频率的同时测量。
2、本发明测量微波频率具有傅里叶极限的频率分辨能力。本发明采用对单光子进行测量的方式进行微波频率测量，克服了传统采用方式需要满足采样定理的限制，从而实现了通过低采样频率获取了高频信号频率。
3、本发明能够实现实时的宽带频率信号识别。相比于传统的微波信号频率测量方法，需要对大量的数据进行处理。本发明中数据量仅为Mbit/s量级就可以实现百GHz带宽的微波信号测量，大大降低了对数字信息处理系统的要求。
4、本发明采用电光晶体作为微波电场测量的传感器，电光晶体是非导体不会对电场分布造成干扰，最大限度的保持了原有微波电场的场强分布。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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。
图1是本发明实施例提供的一种测量微波电场中微波信号的频率的方法流程图；
图2是本发明实施例提供的一种测量微波电场中微波信号的频率的方法流程图；
图3是本发明实施例提供的一种测量微波电场中微波信号的频率的使用设备示意图；
图4是本发明实施例提供的一种微波频率测量的结果示意图；
图5是本发明实施例提供的一种微波频率测量的结果示意图；
图6是本发明实施例提供的一种微波频率测量的结果示意图；
图7是本发明实施例提供的一种测量微波电场中微波信号的频率的系统框图。
具体实施方式
以下对本发明实施例做进一步详述：需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其它实施方式，同样属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种测量微波电场中微波信号的频率的方法，该方法具体是一种以电光晶体作为传感器将微波信号转换为光电信号的微波频率测量方法，如图1所示的测量微波电场中微波信号的频率的方法流程图，该方法的处理流程可以包括如下的步骤：
步骤101、将电光晶体置于待检测微波电场中，当辅助激光照入电光晶体中时，辅助激光在电光晶体的作用下产生待测出射光。
步骤102、通过单光子探测器对待测出射光进行探测，得到光电子探测器的探测结果。
步骤103、基于光电子探测器的探测结果以及傅里叶变换算法，确定待检测微波电场中微波信号的频率。
可选地，通过单光子探测器对待测出射光进行探测之前，还包括：
将待测出射光输入偏振分束器，将偏振分束器的输出输入至衰减器中，将待测出射光衰减至单光子量级；
通过单光子探测器对待测出射光进行探测，包括：
通过单光子探测器，对单光子量级的待测出射光进行探测。
可选地，探测结果包括待测出射光的光子到达时间；
通过单光子探测器对待测出射光进行探测，得到光电子探测器的探测结果，包括：
通过单光子探测器对待测出射光进行探测，单光子探测器输出的脉冲信号通过时间数字转换装置记录待测出射光的光子到达时间。
可选地，基于光电子探测器的探测结果以及傅里叶变换算法，确定待检测微波电场中微波信号的频率，包括：
对待测出射光的光子到达时间进行离散傅里叶变换，得到微波电场的频率信息。
可选地，辅助激光照入电光晶体中，包括：
调整辅助激光入射电光晶体的偏振方向，使得辅助激光的偏振方向与电光晶体的光轴方向呈45°夹角。
可选地，辅助激光在电光晶体的作用下产生待测出射光，包括：
基于偏振调制方案，辅助激光在电光晶体的作用下产生待测出射光。
可选地，基于偏振调制方案，辅助激光在电光晶体的作用下产生待测出射光，包括：
基于偏振调制方案，在电光晶体之后放置法拉第反射镜，使得辅助激光二次通过电光晶体，产生待测出射光；或者，在电光晶体之后放置偏振控制器，使得辅助激光以此通过电光晶体以及偏振控制器，产生待测出射光。
可选地，辅助激光在电光晶体的作用下产生待测出射光，包括：
基于相位调制方案，辅助激光在电光晶体的作用下产生待测出射光。
可选地，基于相位调制方案，辅助激光在电光晶体的作用下产生待测出射光，包括：
基于相位调制方案，辅助激光在电光晶体的作用下产生原始出射光，对原始出射光进行干涉操作，得到待测出射光。
本发明实施例中，通过使用电光晶体作为微波传感器实现将微波信号转换为光信号。通过对单光子量级的光源使用单光子探测器进行探测，实现真正意义上的非均匀采样，通过时间相关单光子计数技术并通过离散傅利叶变换实现微波频率的测量。测量频谱带宽可以实现百GHz量级，并且能够实现傅里叶极限频谱分辨率。
本发明实施例提供了一种测量微波电场中微波信号的频率的方法，该方法具体是一种以电光晶体作为传感器将微波信号转换为光电信号的微波频率测量方法，如图2所示的测量微波电场中微波信号的频率的方法流程图，该方法的处理流程可以包括如下的步骤：
步骤201、将电光晶体置于待检测微波电场中，当辅助激光照入电光晶体中时，辅助激光在电光晶体的作用下产生待测出射光。
其中，在没有电场的情况下，激光器发出的辅助激光经过电光晶体后，会在电光晶体的作用下分为o光和e光，o光为寻常光，e光为非常光，o光遵循光的折射定律，e光不遵循光的折射定律。
如图3所示，调整激光器发出的辅助激光入射电光晶体的偏振方向，使得辅助激光的偏振方向与电光晶体的光轴方向呈45°夹角。需要说明的是，微波电场与电光晶体相互作用会改变电光晶体的光传输特性，从而改变出射光的偏振、相位或者强度，对应的，可以采用偏振调制方案、相位调制方案或者强度调制方案测量微波电场中微波信号的频率。
采用偏振调制方案时，由于电光晶体的o光和e光相对折射率不同会导致出射光的偏振方向发生变化，因此可以对出射光进行偏振补偿，方法有多种，例如，在电光晶体之后放置法拉第反射镜，使得辅助激光二次通过电光晶体，以此进行补偿；或者，在电光晶体之后放置偏振控制器，通过偏振控制器对出射光进行偏振补偿，这样，使得辅助激光以此通过电光晶体以及偏振控制器，产生待测出射光。
需要说明的是，采用相位调制方案时，辅助激光在电光晶体的作用下产生原始出射光，对原始出射光进行干涉操作，得到待测出射光。
当微波电场作用于电光晶体时会改变电光晶体o光和e光方向的相对折射率。因为，入射的激光偏振方向与光轴方向成45°夹角，因此，o光和e光方向的分量相同。o光和e光方向相对折射率的变化会导致两个分量的光的相对相位发生变化。当光从电光晶体出射后两个分量的电场矢量叠加不再是原来入射激光的偏振方向。因此，经过后续的偏振分束器之后，激光会有一部分进入单光子探测器，使得单光子探测器的光子计数增加。具体光子计数的增加和电光晶体的调制深度以及光强有关。由于微波电场具有一定的震荡频率，因此，光子的波函数被周期性的调制。未被调制的相干光源光子波函数几率幅在相干时间内保持不变，单光子测量会导致波函数的塌缩，此时，光子在相干时间内任意时刻被测量到的概率都是相同的。经过微波电场调制以后几率幅随着微波电场震荡，光子在相干时间内任一时刻被测量到的概率与微波电场振幅相关，因此，对光子的测量能够反映出电场震荡的频率和波形信息。
步骤202、将待测出射光输入偏振分束器，将偏振分束器的输出输入至衰减器中，将待测出射光衰减至单光子量级。
一种可行的实施方式中，微波电场与电光晶体的相互作用使得电光晶体的相对折射率发生变化，从而导致出射光的偏振态发生变化，通过偏振分束器可以观察到偏振的这种变化，将偏振分束器的输出经过衰减器后衰减至单光子量级，便于后续步骤中单光子探测器进行探测。
需要说明的是，在系统的初始状态时，需要调节上述步骤201中的偏振控制器，使得偏振分束器的出射光都集中在一个方向，也就是保证后续步骤单光子探测器探测到的光强最低。
步骤203、通过单光子探测器对待测出射光进行探测，单光子探测器输出的脉冲信号通过时间数字转换装置记录待测出射光的光子到达时间。
需要说明的是，当采用相位调制方案时，需要通过单光子探测器对干涉结果进行信息提取，进而记录待测出射光的光子到达时间。
当采用强度调制方案时，微波电场震荡的幅度与光子出射的概率直接相关，可以通过单光子探测器直接探测获取信息。
步骤204、对待测出射光的光子到达时间进行离散傅里叶变换，得到微波电场的频率信息。
一种可实现的实施方式中，通过数字信号处理单元对待测出射光的光子到达时间进行离散傅里叶变换，可以得到微波电场的震荡信息，即可得到微波电场的频率信息。
需要说明的是，能够测量的微波电场的带宽是衡量微波频率测量系统的一个重要指标。在本发明中，微波电场的测量带宽不是受限于单光子探测器的响应带宽，而是受限于光子到达时间测量的时间抖动。本发明中影响光子到达时间测量的时间抖动的因素有两个，一个是单光子探测器的时间抖动参数，另一个是时间数字转换装置(或者称为时间间隔分析仪、时间幅度转换仪等)的时间抖动参数。现有的基于雪崩光电二极管的单光子探测器，其时间抖动在百皮秒量级，其表现出的测量带宽为GHz量级。超导单光子探测器其时间抖动在3ps左右。使用最先进的时间间隔分析仪测量到的单光子探测器时间抖动在4ps左右，这里已经考虑了时间间隔分析仪自身的时间抖动。
这里，本发明设定系统的时间抖动为4ps，并且假设时间抖动服从高斯分布。为了展现本发明具有很宽的微波频率测量带宽，本发明对不同的测量频率进行了模拟。图4、图5、图6分别为模拟结果。这里设定单光子探测器平均每秒的光子计数为500kcps，测量时间为1s。图4中设置的微波电场频率为100Hz，从图中可以看到在100Hz的位置有明显的特征峰出现，并且信噪比良好。图5中设置微波电场的频率为200GHz，可以看到在200GHz的位置也有一个明显的特征峰，但是相比于100Hz的特征峰，其幅度和信噪比都有所下降。这是由于时间抖动对于高频信号的影响更大。时间抖动也成为限制本发明测量带宽的最主要的因素。图6中展现的是同时加载100Hz和200GHz时得到的频谱，可以看到在100Hz和200GHz的位置有两个明显的特征峰。本发明还适用于更多频率成分的微波电场频率测量。以上的结果中由于设置的测量时间为1s，可以看到所有特征峰的半高宽为1Hz，这就表明本发明的系统具有傅里叶极限的频率分辨率。
本发明的另外一个特点是具有极低的采样率，传统的频率识别方法需要满足采样定理的限制，也就是说要想正确的获得被采样波形的频率信息，采样率至少是测量带宽的2倍以上，根据以上实施例展示的200GHz的测量带宽，如果使用传统的测量方法，采样率要求至少需要达到400GHz，对于现有的技术是不可能实现的。而本发明采取的采样率仅有500kHz，能够满足现有数据处理系统的要求，这对于实现高频信号的实时频率测量至关重要。
本发明至少存在以下有益效果：
1、本发明具有宽的微波测量带宽，测量的电磁波信号从Hz量级到几百GHz量级，并且可以实现任意频率的多个微波信号频率的同时测量。
2、本发明测量微波频率具有傅里叶极限的频率分辨能力。本发明采用对单光子进行测量的方式进行微波频率测量，克服了传统采用方式需要满足采样定理的限制，从而实现了通过低采样频率获取了高频信号频率。
3、本发明能够实现实时的宽带频率信号识别。相比于传统的微波信号频率测量方法，需要对大量的数据进行处理。本发明中数据量仅为Mbit/s量级就可以实现百GHz带宽的微波信号测量，大大降低了对数字信息处理系统的要求。
4、本发明采用电光晶体作为微波电场测量的传感器，电光晶体是非导体不会对电场分布造成干扰，最大限度的保持了原有微波电场的场强分布。
本发明实施例提供了一种测量微波电场中微波信号的频率的系统700，如图7所示，该系统700包括微波传感单元710、探测处理单元720以及数字信号处理单元730，其中：
微波传感单元710的传感器为电光晶体，用于置于待检测微波电场中，当辅助激光照入电光晶体中时，辅助激光在电光晶体的作用下产生待测出射光；
探测处理单元720的探测器为单光子探测器，用于对待测出射光进行探测，得到光电子探测器的探测结果；
数字信号处理单元730用于基于光电子探测器的探测结果以及傅里叶变换算法，确定待检测微波电场中微波信号的频率。
本发明实施例中，通过使用电光晶体作为微波传感器实现将微波信号转换为光信号。通过对单光子量级的光源使用单光子探测器进行探测，实现真正意义上的非均匀采样，通过时间相关单光子计数技术并通过离散傅利叶变换实现微波频率的测量。测量频谱带宽可以实现百GHz量级，并且能够实现傅里叶极限频谱分辨率。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种测量微波电场中微波信号的频率的方法，其特征在于，所述方法包括：
将电光晶体置于待检测微波电场中，当辅助激光照入所述电光晶体中时，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生待测出射光；
通过单光子探测器对所述待测出射光进行探测，得到所述光电子探测器的探测结果；
基于所述光电子探测器的探测结果以及傅里叶变换算法，确定所述待检测微波电场中微波信号的频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过单光子探测器对所述待测出射光进行探测之前，还包括：
将所述待测出射光输入偏振分束器，将所述偏振分束器的输出输入至衰减器中，将所述待测出射光衰减至单光子量级；
所述通过单光子探测器对所述待测出射光进行探测，包括：
通过单光子探测器，对单光子量级的待测出射光进行探测。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述探测结果包括待测出射光的光子到达时间；
所述通过单光子探测器对所述待测出射光进行探测，得到所述光电子探测器的探测结果，包括：
通过单光子探测器对所述待测出射光进行探测，所述单光子探测器输出的脉冲信号通过时间数字转换装置记录所述待测出射光的光子到达时间。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述光电子探测器的探测结果以及傅里叶变换算法，确定所述待检测微波电场中微波信号的频率，包括：
对待测出射光的光子到达时间进行离散傅里叶变换，得到微波电场的频率信息。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辅助激光照入所述电光晶体中，包括：
调整所述辅助激光入射电光晶体的偏振方向，使得所述辅助激光的偏振方向与所述电光晶体的光轴方向呈45°夹角。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生待测出射光，包括：
基于偏振调制方案，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生待测出射光。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于偏振调制方案，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生待测出射光，包括：
基于偏振调制方案，在所述电光晶体之后放置法拉第反射镜，使得所述辅助激光二次通过所述电光晶体，产生待测出射光；或者，在所述电光晶体之后放置偏振控制器，使得所述辅助激光以此通过所述电光晶体以及所述偏振控制器，产生待测出射光。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生待测出射光，包括：
基于相位调制方案，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生待测出射光。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述基于相位调制方案，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生待测出射光，包括：
基于相位调制方案，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生原始出射光，对所述原始出射光进行干涉操作，得到待测出射光。
10.一种测量微波电场中微波信号的频率的系统，其特征在于，所述系统包括微波传感单元、探测处理单元以及数字信号处理单元，其中：
所述微波传感单元的传感器为电光晶体，用于置于待检测微波电场中，当辅助激光照入所述电光晶体中时，所述辅助激光在所述电光晶体的作用下产生待测出射光；
所述探测处理单元的探测器为单光子探测器，用于对所述待测出射光进行探测，得到所述光电子探测器的探测结果；
所述数字信号处理单元用于基于所述光电子探测器的探测结果以及傅里叶变换算法，确定所述待检测微波电场中微波信号的频率。
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