CN112505406B - 基于Sagnac环和I/Q探测的全光微波频移相移装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于Sagnac环和I/Q探测的全光微波频移相移装置，从激光源输出的光信号通过光耦合器注入到DE‑MZM中，DE‑MZM的偏置点通过直流偏压进行控制；光耦合器的输出的光信号通过EDFA将光信号放大后，再通过DWDM分离出上边带和下边带，上边带和下边带各自构成一路光信号，两路光信号各自进入一个PD的输入端，光电探测后得到光电流，光电流携带的多普勒频移信息或相位信息通过后端ADC处理。本发明实现信号的频率和相位测量，结构简单，具有很强的可操作性；采用对称度高的调制器、精准的偏压控制来提高测量系统的稳定性和精确性，实现高精度且稳定的宽带微波光子测量系统。

Description

基于Sagnac环和I/Q探测的全光微波频移相移装置及测量 方法

技术领域

本发明涉及微波光子测量领域，尤其是微波光子多普勒频移测量和相位测量。

背景技术

微波测量系统是现代电子设备中必不可少的模块。在卫星通信、电子对抗和雷达系统中，需要处理工作频率高达几十GHz的高速宽带微波信号，这对微波测量系统的速度和带宽提出巨大挑战。

近年来，微波光子测量技术作为一个新兴的研究领域引起了人们极大的兴趣。它可以利用光子学的固有优势，如大的瞬时带宽、抗电磁干扰等，在较宽的频率范围内进行大带宽微波信号多普勒频移和相位的测量。同时，微波光子技术的电磁隔离优势可以显著提高微波光子测量系统的抗干扰性能。

微波光子测量系统中，本振信号和待测信号必须先在接收端对光载波调制，在光域进行光子信号处理后，光电探测得到包含所需要频率和相位信息的光电流，再通过模数转换得到数字信号，最后通过数字信号处理得到所需要频率和相位信息。但目前公开报道的微波光子测量系统通常使用多个调制器级联来达成对信号的测量，较为复杂且稳定性差。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于Sagnac环和I/Q探测的全光微波频移相移装置及测量方法。该微波光子测量系统中，本振信号和待测信号通过双电极马赫-曾德尔调制器(Dual Electrodes Mach-Zehnder Modulator，DE-MZM)在Sagnac环路中实现电光调制，结合I/Q探测、数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)，得到鉴频信息和鉴相信息，实现宽带射频信号多普勒频移和相位的测量。本系统所使用的DE-MZM结构简单，避免了光信号偏振的影响，从而大幅度提高了系统的稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

一种基于Sagnac环和I/Q探测的全光微波频移相移装置，包括激光源、DE-MZM、光耦合器、掺珥光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)、双通道密集波分复用器(Dense Wavelength Division Multiplexer，DWDM)、两个光电探测器(Photodetector，PD)和模数转换器(Analog-Digital-Converter，ADC)，激光源的光输出端连接光耦合器的端口1，光耦合器的端口3连接至DE-MZM的光输入端口，光耦合器的端口4连接DE-MZM的光输出端口，光耦合器的端口2连接到EDFA输入端口，如图1所示，耦合器3口输出光信号经过DE-MZM注入耦合器端口4，耦合器端口4输出光信号经过DE-MZM注入耦合器端口3，构成了Sagnac环路，EDFA的输出端口连接双通道DWDM的公共输入端口，双通道DWDM的两个输出端口各自连接一个PD，两个PD分别连接至ADC；其中本振信号连接至DE-MZM的一个射频端口，待测射频信号连接DE-MZM的另一个射频端口；

从激光源输出的光信号通过光耦合器注入到DE-MZM中，DE-MZM的偏置点通过直流偏压进行控制；光耦合器的端口2输出的光信号通过EDFA将光信号放大后，再通过DWDM分离出上边带和下边带，上边带和下边带各自构成一路光信号，两路光信号各自进入一个PD的输入端，光电探测后得到光电流，光电流携带的多普勒频移信息或相位信息通过后端ADC处理。

一种基于Sagnac环和I/Q探测的全光微波频移相移装置的调测量方法，详细步骤为：

定义激光源输出的光信号、本振信号和待测信号分别为：

E(t)＝E₀exp(j2πf_ct) (1)

E_Lo(t)＝V_Losin(2πf_Lot) (2)

其中E₀为激光源输出光信号的电场幅度，f_c为光信号的频率，V_Lo是本振信号的幅度，f_Lo是本振信号的频率，V_RF是待测信号的幅度，f_RF为待测信号的频率，

为待测信号的相位；经过DE-MZM输出调制后的光信号为：

其中，α_M为DE-MZM的插入损耗，V_π是调制器的半波电压，θ为DE-MZM的直流偏置引入的相位差，另一方面，由光耦合器端口4输出的另一路光载波注入到DE-MZM的输出端口，该路光信号经过Sagnac环，在光耦合器与DE-MZM输出的光信号合路，由光耦合器端口2输出，表达式为：

其中，J_±n(·)是±n阶第一类贝塞尔函数，

和/>

为调制指数，将耦合器端口4输出的光信号通过EDFA进行功率放大，并将放大后的光信号注入到双通道DWDM中；对光载波的中心波长进行调节，使光载波处于DWDM两个通道中间，从而将光信号的上下边带分离成两个光通道；两个光通道输出的光信号分别表示为：

其中β_E和α_D分别表示EDFA的增益和DWDM的插入损耗；

经过光电探测后，每个通道中的光电二极管(PD)输出光电流分别表示为：

通过调整DE-MZM的直流偏置将θ设置为45度；则光电探测后的光电流表示为：

当应用于多普勒频移测量时，待测回波信号的多普勒频移表示为f_d＝f_LO-f_RF，经过光电探测后，得到期望的频移项：

i_up(t)∝cos(2πf_dt-45°) (12)

i_down(t)∝cos(2πf_dt+45°) (13)

利用公式(12)和(13)得到的低频DFS信号，通过ADC和数字信号处理进行ADC采样量化，进行数字信号处理计算得到DFS频移信息，通过两个通道的信号的相位差，识别不同符号的DFS；进而实现可分辨方向的多普勒频移测量。

在进行射频信号相移探测时，待测射频信号和本振信号之间的相位差表示为

LO信号的频率与待测射频信号的频率相等f_Lo＝f_RF；由式(10)和(11)得到，经过光电探测后，得到待测相位项：

将I路和Q路的输出结果经过模数转换后输入到DSP信号处理模块，通过公式(14)和公式(15)运算得到

进而实现了相移测量。

本发明的有益效果在于采用一种结构简单的全光的宽带微波测量系统，本振信号和待测信号分别通过DE-MZM的两个电极进行调制，DWDM分离上下边带，调谐调制器工作点构造I/Q下变频，实现信号的频率和相位测量。本发明结构简单，具有很强的可操作性；本发明可采用对称度高的调制器、精准的偏压控制来提高测量系统的稳定性和精确性，实现高精度且稳定的宽带微波光子测量系统。

附图说明

图1为本发明基于Sagnac环和I/Q探测的全光微波测量系统的原理图。

图2为实施例1中实验得到的同向和正交信号波形。

图3为实施例2中仿真得到的I/Q两个通道输出的信号功率。

图4为实施例2中仿真计算得到的待测信号相位。

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。

如图1所示，所述微波光子测量系统包括激光源、光耦合器、DE-MZM、EDFA、DWDM和PD，激光源的光信号输入到光耦合器的端口1，光耦合器的端口3连接DE-MZM的光输入端口，光耦合器的端口4连接DE-MZM的光输出端口，光耦合器的端口2连接到EDFA输入端，EDFA的输出端连接双通道DWDM的输入端口，双通道DWDM的两个输出端口分别各自连接一个PD；其中本振信号和待测信号分别连接DE-MZM的两个射频端口。

实施例1：

实施例中装置包括：激光源、光耦合器、DE-MZM、直流电压源、两个微波信号源、EDFA、DWDM、PD、频谱仪和示波器。两个微波信号源分别生成本振发射信号和待测回波信号两路射频信号，两个信号分别连接DE-MZM的两个射频端口，调制器的直流偏置通过直流电压源进行控制，DWDM将调制后的光信号的上下边带分开，分成两路光信号，DWDM两个输出端分别连接到一个PD的输入端，PD输出端连接示波器，通过示波器对时域波形进行采样，并通过计算机进行计算即可得到多普勒频移的大小和方向。

选择激光源产生的光载波波长为1549.9nm，光功率为12dBm；两个微波信号源分别生成频率为20GHz、功率10dBm的本振发射正弦信号，以及频率为20.001GHz、功率0dBm的待测回波射频信号。DE-MZM的半波电压为3.5V，消光比为32dB；DWDM两通道中心波长为1549.9nm，通道带宽为50GHz，相邻通道串扰为32dB；PD的响应度0.8A/W；

调节直流电压源输出电压使DE-MZM的偏置角为45度，则光信号的本振光边带与待测信号的光边带相位相差45度，进而I路通道PD输出的信号和Q路通道PD输出的信号相位相差90度，且输出的两路信号为本振发射信号与待测回波射频信号的同向差频信号，其频率即为待测回波的多普勒频移信号，其频率为1MHz，波形见图2。Q路输出信号的相位超前I路输出信号90度，说明多普勒频移为正向。

实施例2：

接下来在实施例中进行相位测量。

本振射频信号源产生频率20GHz、功率10dBm的射频信号；待测射频信号源产生频率为20GHz、功率为0dBm的射频信号，通过待测射频源后端的移相器对待测信号的相位进行调节，PD的响应度为0.8A/W；

I和Q路器件和设置不变，两路PD输出信号输入到示波器中，通过移相器对待测信号的相位进行改变，两路输出信号的功率随相移的变化见图3；

两路信号输出信号功率输入到计算机中，通过MATLAB对相位进行计算，得到测量相位见图4。

综上，本发明基于Sagnac环和I/Q探测的全光微波测量装置和方法，简单易于实现，工作带宽大，测量精度高。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，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，调制器结构、射频频率、光载波波长、光载波功率、光纤长度等都可改变。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 (3)

1.一种基于Sagnac环和I/Q探测的全光微波频移相移装置，包括激光源、DE-MZM、光耦合器、掺珥光纤放大器、双通道密集波分复用器、两个光电探测器和模数转换器，其特征在于：

所述基于Sagnac环和I/Q探测的全光微波频移相移装置，激光源的光输出端连接光耦合器的端口1，光耦合器的端口3连接至DE-MZM的光输入端口，光耦合器的端口4连接DE-MZM的光输出端口，光耦合器的端口2连接到EDFA输入端口，耦合器3口输出光信号经过DE-MZM注入耦合器端口4，耦合器端口4输出光信号经过DE-MZM注入耦合器端口3，构成了Sagnac环路，EDFA的输出端口连接双通道DWDM的公共输入端口，双通道DWDM的两个输出端口各自连接一个PD，两个PD分别连接至ADC；其中本振信号连接至DE-MZM的一个射频端口，待测射频信号连接DE-MZM的另一个射频端口；

从激光源输出的光信号通过光耦合器注入到DE-MZM中，DE-MZM的偏置点通过直流偏压进行控制；光耦合器的端口2输出的光信号通过EDFA将光信号放大后，再通过DWDM分离出上边带和下边带，上边带和下边带各自构成一路光信号，两路光信号各自进入一个PD的输入端，光电探测后得到光电流，光电流携带的多普勒频移信息或相位信息通过后端ADC处理。

2.一种利用权利要求1所述基于Sagnac环和I/Q探测的全光微波频移相移装置的测量方法，其特征在于包括下述步骤：

定义激光源输出的光信号、本振信号和待测信号分别为：

E(t)＝E₀exp(j2πf_ct) (1)

E_Lo(t)＝V_Losin(2πf_Lot) (2)

其中E₀为激光源输出光信号的电场幅度，f_c为光信号的频率，V_Lo是本振信号的幅度，f_Lo是本振信号的频率，V_RF是待测信号的幅度，f_RF为待测信号的频率，

为待测信号的相位；经过DE-MZM输出调制后的光信号为：

其中，α_M为DE-MZM的插入损耗，V_π是调制器的半波电压，θ为DE-MZM的直流偏置引入的相位差，另一方面，由光耦合器端口4输出的另一路光载波注入到DE-MZM的输出端口，该路光信号经过Sagnac环，在光耦合器与DE-MZM输出的光信号合路，由光耦合器端口2输出，表达式为：

其中，J_±n(·)是±n阶第一类贝塞尔函数，

和/>

为调制指数，将耦合器端口4输出的光信号通过EDFA进行功率放大，并将放大后的光信号注入到双通道DWDM中；对光载波的中心波长进行调节，使光载波处于DWDM两个通道中间，从而将光信号的上下边带分离成两个光通道；两个光通道输出的光信号分别表示为：

其中β_E和α_D分别表示EDFA的增益和DWDM的插入损耗；

经过光电探测后，每个通道中的光电二极管(PD)输出光电流分别表示为：

通过调整DE-MZM的直流偏置将θ设置为45度；则光电探测后的光电流表示为：

当应用于多普勒频移测量时，待测回波信号的多普勒频移表示为f_d＝f_LO-f_RF，经过光电探测后，得到期望的频移项：

i_up(t)∝cos(2πf_dt-45°) (12)

i_down(t)∝cos(2πf_dt+45°) (13)

利用公式(12)和(13)得到的低频DFS信号，通过ADC和数字信号处理进行ADC采样量化，进行数字信号处理计算得到DFS频移信息，通过两个通道的信号的相位差，识别不同符号的DFS；进而实现可分辨方向的多普勒频移测量。

3.根据权利要求2所述的基于Sagnac环和I/Q探测的全光微波频移相移装置的测量方法，其特征在于：

在进行射频信号相移探测时，待测射频信号和本振信号之间的相位差表示为

LO信号的频率与待测射频信号的频率相等f_Lo＝f_RF；由式(10)和(11)得到，经过光电探测后，得到待测相位项：

将I路和Q路的输出结果经过模数转换后输入到DSP信号处理模块，通过公式(14)和公式(15)运算得到

进而实现了相移测量。

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