CN112505408B - 一种微波光子测频装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波光子测频装置与方法，该装置包括激光器、第一相位调制器、可编程滤波器、第二相位调制器、光移频器、混频器、低速光电探测器和频谱分析模块，本发明通过测量两个固定低频边带的幅值之比获得宽频范围微波信号频率，可极大地节省微波光子测频的带宽和系统成本，并利用可编程滤波器来设置幅值与频率的映射关系，避免了传统频率‑幅度映射型测频方法中采用的不稳定色散因子，提高微波光子测频的精度。

Description

一种微波光子测频装置与方法
技术领域
本发明涉及微波光子领域，尤其涉及一种微波光子测频装置与方法。
背景技术
现代电子战中，为实现快速预警和拦截敌方未知信号，需要在雷达预警接收机中采用实时频率测量技术，然而传统电子测频技术受限于电子瓶颈和瞬时带宽，使得电子微波测频技术在测量范围、测量精度和测量系统复杂度上均不能满足当前宽带宽、高精度的瞬时测频需求。微波光子学基于光子技术生成、传输、处理宽带微波信号，具有瞬时宽带大、质量轻、损耗小、抗电磁干扰能力强等一系列优点而在微波频率测量方面得到广泛的应用。
当前微波光子测频技术主要将待测微波频率映射到已知信号的幅度、频率、时间和偏振等维度参数上，并通过测量已知参数获得待测微波信号的频率。基于此，目前微波光子测频方法主要有频率-幅度映射型测频、频率-时间映射型测频和频率-频率映射型测频等，其中频率-幅度映射型测频由于将待测频率映射为易于测量的幅度(或功率)信息而得到广泛研究。该方法主要是通过建立一个幅值对比函数(Amplitude ComparisonFunction,ACF)将未知微波频率映射到电幅值或光幅值，因此该方案可以分为电幅值映射法和光幅值映射法。电幅值映射法主要基于色散因子建立不同微波幅值的两个通道并实现ACF的构建(X.H.Zou and J.P.Yao,“An Optical Approach to Microwave Frequency Measurementwith Adjustable Measurement Range and Resolution”,IEEE Photonics TechnologyLetters,2008,20(23):1989-1991)。然而，色散量的差异和不稳定性导致了微波频率测量的范围和分辨率均受到很大的限制。光幅值映射法通过控制可调延迟时间等建立不同光幅值的两个通道而完成ACF的构建(S.N.Fu,M.Tang and P.Shum,“Instantaneous microwavefrequency measurement using optical carrier suppression based DC powermonitoring”,Optics Express,2011,19(24):24712-24717)。然而，延迟时间控制的不稳定性导致测试的准确性和稳定性受到严重的影响。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种微波光子测频装置与方法，具体的，包括
本发明所要解决的技术问题在于如何克服现有微波频率测量无法满足宽带、高精度的微波信号频率测量，本发明提出了一种微波光子测频装置与方法，可实现具有宽带微波信号的高精度频率测量，有效地节省了微波光子测频的带宽和系统成本。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种微波光子测频装置，包括：
激光器，用于输出上、下两路光载波；
第一相位调制器，用于将一路待测微波信号加载在所述激光器输出的上路光载波上，形成第一相位调制光信号；
可编程滤波器，用于对所述第一相位调制光信号进行线性幅值整型，形成幅值与频率具有H(f)线性映射关系的幅值线性整型光信号；
混频器，用于将另一路待测微波信号与本振源输出的频率为f1的本振信号进行混频，形成混频信号；
第二相位调制器，用于将所述混频信号加载在所述激光器输出的下路光载波上，形成第二相位调制光信号；
光移频器，用于对所述第二相位调制光信号进行光移频处理，得到光移频信号；
低速光电探测器，用于将合束后的所述幅值线性整型光信号与所述光移频信号转换为电信号；
频谱分析模块，用于对所述电信号进行分析与测量，得到两个固定低频边带f1+f2和f1-f2的幅值之比，其中f2为所述光移频器的移频频率；通过所述可编程滤波器设置的幅值与频率的线性映射关系H(f)获得待测微波信号的频率fm。
进一步的，所述幅值与频率具有H(f)线性映射关系的幅值线性整型光信号为：
Figure BDA0002786657390000031
其中As为上路光载波的幅值，ms为对应于所述第一相位调制器的调制系数，Jp表示p阶一类贝塞尔函数，f0为激光器输出的光载波的频率，fm为待测微波信号的频率，H(f0+pfm)表示光频率为f0+pfm时的滤波幅值，t为时间。
进一步的，所述光移频器处理得到的光移频信号为：
Figure BDA0002786657390000041
其中Ar为下路光载波的幅值，mr为对应于所述第二相位调制器的调制系数，Jq表示q阶一类贝塞尔函数，f2为所述光移频器的移频频率，f1,f2均为低频频率且f1略大于f2。
进一步的，所述低速光电探测器转换得到电信号为：
Figure BDA0002786657390000042
进一步的，所述固定低频边带f1+f2和f1-f2的幅值之比为：
Figure BDA0002786657390000043
其中A(f)为所述频谱分析模块测量得到对应频率的幅度值。
进一步的，还包括功分器，用于将接收到的待测微波信号分为两路。
进一步的，所述功分器的一个输出端电连接在所述第一相位调制器的驱动电极上，所述混频器的输出端电连接在所述第二相位调制器的驱动电极上。
一种微波光子测频方法，包括以下步骤：
S1.将待测频率为fm的待测微波信号由功分器分为两路，一路待测微波信号加载在所述第一相位调制器上形成第一相位调制光信号，并经过所述可编程滤波器进行线性幅值整型，形成幅值与频率具有H(f)线性映射关系的幅值线性整型光信号；另一路待测微波信号通过所述混频器与本振源输出的频率为f1的本振信号进行混频，形成频率为fm-f1微波信号，并加载在所述第二相位调制器上形成第二相位调制信号，再经过所述光移频器进行移频处理得到光移频信号；
S2.所述幅值线性整型光信号与所述光移频信号合束后，经过所述低速光电探测器转换为电信号，然后利用所述频谱分析模块测量所述电信号中两个固定低频边带f1-f2和f1+f2的幅值之比，其中f2为所述光移频器的移频频率；
S3.根据所述固定低频边带f1-f2和f1+f2的幅值之比，由所述可编程滤波器设置的光幅值与频率的线性映射关系H(f)获得待测微波信号的频率fm。
进一步的，所述第一相位调制光信号的边带为：f0-nfm…,f0-fm,f0,f0+fm,…f0+nfm，所述第二相位调制光信号的边带为：f0-n(fm-f1)…,f0-fm+f1,f0,f0+fm-f1,…f0-n(fm-f1)，其中f0为激光器输出的光载波的频率，n为正整数。
进一步的，所述光移频信号为：f0-n(fm-f1)-f2…,f0-fm+f1-f2,f0,f0+fm-f1-f2,…f0-n(fm-f1)-f2。
本发明的有益效果在于：
本发明通过测量两个固定低频边带的幅值之比获得宽频范围微波信号频率，极大地节省了微波光子测频的带宽和系统成本；
本发明利用可编程滤波器来设置幅值与频率的映射关系，避免了传统频率-幅度映射型测频方法中采用的不稳定色散因子，提高微波光子测频的精度。
附图说明
图1为本发明一种微波光子测频装置的示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一种微波光子测频装置，包括激光器、第一相位调制器、可编程滤波器、第二相位调制器、光移频器、功分器、本振源、混频器、低速光电探测器和频谱分析模块，激光器、第一相位调制器、可编程滤波器和低速光电探测器之间依次光路连接，激光器、第二相位调制器、光移频器和低速光电探测器之间依次光路连接，低速光电探测器与频谱分析模块之间电路连接；功分器的一个输出端电连接第一相位调制器的驱动电极，另一个输出端和本振源电连接混频器的输入端，混频器的输出端电连接第二相位调制器的驱动电极。
其中，激光器用于输出上、下两路光载波；第一相位调制器用于将一路待测微波信号加载在激光器输出的上路光载波上，形成第一相位调制光信号；可编程滤波器用于对第一相位调制光信号进行线性幅值整型，形成幅值与频率具有H(f)线性映射关系的幅值线性整型光信号；混频器用于将另一路待测微波信号与本振源输出的频率为f1的本振信号进行混频，形成混频信号；第二相位调制器用于将混频信号加载在激光器输出的下路光载波上，形成第二相位调制光信号；光移频器用于对第二相位调制光信号进行光移频处理，得到光移频信号；低速光电探测器用于将合束后的幅值线性整型光信号与光移频信号转换为电信号；频谱分析模块用于对电信号进行分析与测量，得到两个固定低频边带f1+f2和f1-f2的幅值之比，其中f2为光移频器的移频频率，通过可编程滤波器设置的幅值与频率的线性映射关系H(f)获得待测微波信号的频率fm。
相应的，本发明的一种微波光子测频方法，包括以下步骤：
S1.将待测频率为fm的待测微波信号由功分器分为两路，一路待测微波信号加载在第一相位调制器上形成边带为f0-n(fm-f1),…,f0-fm+f1,f0,f0+fm-f1,…,f0-n(fm-f1)的第一相位调制光信号，其中f0为激光器输出的光载波频率，n为正整数，第一相位调制光信号经过可编程滤波器进行线性幅值整型，形成幅值与频率具有H(f)线性映射关系的幅值线性整型光信号；另一路待测微波信号通过混频器与本振源输出的频率为f1的本振信号进行混频，形成频率为fm-f1微波信号，并加载在第二相位调制器上形成边带为f0-n(fm-f1),…,f0-fm+f1,f0,f0+fm-f1,…,f0-n(fm-f1)的第二相位调制信号，再经过光移频器进行移频处理得到f0-n(fm-f1)-f2…,f0-fm+f1-f2,f0,f0+fm-f1-f2,…f0-n(fm-f1)-f2的光移频信号，其中f2为所述光移频器的移频频率，f1,f2均为低频频率且f1略大于f2；
S2.幅值线性整型光信号与光移频信号合束后经过低速光电探测器转换为电信号，然后利用频谱分析模块测量电信号中两个固定低频边带f1-f2和f1+f2的幅值之比：
Figure BDA0002786657390000081
S3.根据固定低频边带f1-f2和f1+f2的幅值之比，由可编程滤波器设置的光幅值与频率的线性映射关系H(f)获得待测微波信号的频率fm。
本发明的一种微波光子测频方法的原理如下：
激光器输出的光载波分为两路，上路光载波进入第一相位调制器进行相位调制，其中第一相位调制器上加载的微波信号为待测微波信号，形成的第一相位调制光信号经过可编程滤波器进行线性幅值整型，形成幅值与频率具有H(f)线性映射关系的幅值线性整型光信号：
Figure BDA0002786657390000082
其中As为上路光载波的幅值，ms为对应于第一相位调制器的调制系数，Jp表示p阶一类贝塞尔函数，f0为激光器输出的光载波的频率，fm为待测微波信号的频率，H(f0+pfm)表示光频率为f0+pfm时的滤波幅值，t为时间。
下路的光载波进入第二相位调制器进行相位调制，其中第二相位调制器上加载的微波信号为待测微波信号与本振源输出的频率为f1的本振信号的混频信号，形成的第二相位调制光信号经过光移频器进行光移频处理后得到的光移频信号为：
Figure BDA0002786657390000083
其中Ar为下路光载波的幅值，mr为对应于第二相位调制器的调制系数，Jq表示q阶一类贝塞尔函数，f2为光移频器的移频频率，f1,f2均为低频频率且f1略大于f2。
幅值线性整型光信号与光移频信号合束后，经低速光电探测器转换为电信号为：
Figure BDA0002786657390000091
利用频谱分析模块对电信号进行分析与测量，得到两个固定低频边带f1+f2和f1-f2的幅值之比为：
Figure BDA0002786657390000092
其中A(f)为频谱分析模块测量得到对应频率的幅度值，最后通过可编程滤波器的幅值与频率的线性映射关系H(f)获得待测频率fm。
在本发明的一个优选实施例中，设置激光器输出的光载波频率f0＝193.4THz，待测微波信号的频率fm＝5GHz，本振源输出的本振信号频率f1＝0.15GHz，光移频器的移频频率f2＝0.08GHz，可编程滤波器设置的幅值与频率的线性映射关系为H(f)。幅值线性整型光信号与光移频信号合束后经低速光电探测器转换为电信号，然后利用频谱分析模块对电信号进行分析与测量，得到两个固定低频边带f1+f2和f1-f2的幅值之比为：
Figure BDA0002786657390000093
则利用通过可编程滤波器的幅值与频率的线性映射关系获得待测频率fm＝5GHz。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是有线连接，也可以是无线连接。

Claims (9)

1.一种微波光子测频装置，其特征在于，包括：
激光器，用于输出上、下两路光载波；
功分器，用于将接收到的待测微波信号分为两路；
第一相位调制器，用于将一路待测微波信号加载在所述激光器输出的上路光载波上，形成第一相位调制光信号；
可编程滤波器，用于对所述第一相位调制光信号进行线性幅值整型，形成幅值与频率具有H(f)线性映射关系的幅值线性整型光信号；
混频器，用于将另一路待测微波信号与本振源输出的频率为f1的本振信号进行混频，形成混频信号；
第二相位调制器，用于将所述混频信号加载在所述激光器输出的下路光载波上，形成第二相位调制光信号；
光移频器，用于对所述第二相位调制光信号进行光移频处理，得到光移频信号；
低速光电探测器，用于将合束后的所述幅值线性整型光信号与所述光移频信号转换为电信号；
频谱分析模块，用于对所述电信号进行分析与测量，得到两个固定低频边带f1+f2和f1-f2的幅值之比，其中f2为所述光移频器的移频频率；通过所述可编程滤波器设置的幅值与频率的线性映射关系H(f)获得待测微波信号的频率fm。
2.根据权利要求1所述的一种微波光子测频装置，其特征在于，所述幅值与频率具有H(f)线性映射关系的幅值线性整型光信号为：
Figure FDA0003337609330000011
其中As为上路光载波的幅值，ms为对应于所述第一相位调制器的调制系数，Jp表示p阶一类贝塞尔函数，f0为激光器输出的光载波的频率，fm为待测微波信号的频率，H(f0+pfm)表示光频率为f0+pfm时的滤波幅值，t为时间。
3.根据权利要求2所述的一种微波光子测频装置，其特征在于，所述光移频器处理得到的光移频信号为：
Figure FDA0003337609330000021
其中Ar为下路光载波的幅值，mr为对应于所述第二相位调制器的调制系数，Jq表示q阶一类贝塞尔函数，f2为所述光移频器的移频频率，f1,f2均为低频频率且f1略大于f2。
4.根据权利要求3所述的一种微波光子测频装置，其特征在于，所述低速光电探测器转换得到电信号为：
Figure FDA0003337609330000022
5.根据权利要求4所述的一种微波光子测频装置，其特征在于，所述固定低频边带f1+f2和f1-f2的幅值之比为：
Figure FDA0003337609330000023
其中A(f)为所述频谱分析模块测量得到对应频率的幅度值。
6.根据权利要求5所述的一种微波光子测频装置，其特征在于，所述功分器的一个输出端电连接在所述第一相位调制器的驱动电极上，所述混频器的输出端电连接在所述第二相位调制器的驱动电极上。
7.一种基于权利要求1或5所述的微波光子测频装置的微波光子测频方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将待测频率为fm的待测微波信号由功分器分为两路，一路待测微波信号加载在所述第一相位调制器上形成第一相位调制光信号，并经过所述可编程滤波器进行线性幅值整型，形成幅值与频率具有H(f)线性映射关系的幅值线性整型光信号；另一路待测微波信号通过所述混频器与本振源输出的频率为f1的本振信号进行混频，形成频率为fm-f1微波信号，并加载在所述第二相位调制器上形成第二相位调制信号，再经过所述光移频器进行移频处理得到光移频信号；
S2.所述幅值线性整型光信号与所述光移频信号合束后，经过所述低速光电探测器转换为电信号，然后利用所述频谱分析模块测量所述电信号中两个固定低频边带f1-f2和f1+f2的幅值之比，其中f2为所述光移频器的移频频率；
S3.根据所述固定低频边带f1-f2和f1+f2的幅值之比，由所述可编程滤波器设置的光幅值与频率的线性映射关系H(f)获得待测微波信号的频率fm。
8.根据权利要求7所述的微波光子测频方法，其特征在于，所述第一相位调制光信号的边带为：f0-nfm…,f0-fm,f0,f0+fm,…f0+nfm，所述第二相位调制光信号的边带为：f0-n(fm-f1)…,f0-fm+f1,f0,f0+fm-f1,…f0-n(fm-f1)，其中f0为激光器输出的光载波的频率，n为正整数。
9.根据权利要求8所述的微波光子测频方法，其特征在于，所述光移频信号为：f0-n(fm-f1)-f2…,f0-fm+f1-f2,f0,f0+fm-f1-f2,…f0-n(fm-f1)-f2。
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