CN112636837A - 双波段双啁啾微波信号产生及传输装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种双波段双啁啾微波信号产生及传输装置，包括：激光器，用于产生光信号；第一调制模块，用于将第一微波源发出的微波信号和任意波形发生器发出的信号调制到光信号上，产生第一调制光信号；第二调制模块，用于将第二微波源发出的微波信号和任意波形发生器发出的信号调制到光信号上，产生第二调制光信号，其中，第一微波源与第二微波源产生的微波信号的频率不同；90°偏振旋转器，用于使第一调制光信号和第二调制光信号位于正交偏振态；光电探测器，用于将第一调制光信号和第二调制光信号进行光电转换后叠加，得到双波段的双啁啾信号。本公开提供的装置结构简单，可克服在长距离光纤传输过程中由于光纤色散导致的功率衰落现象。

Description

双波段双啁啾微波信号产生及传输装置及方法
技术领域
本公开涉及微波光子学技术领域，尤其涉及一种双波段双啁啾微波信号产生及传输装置及方法。
背景技术
随着现代雷达技术的不断发展，雷达系统从单一频段向多频段、多功能方向演化。相比单啁啾信号而言，双啁啾信号可以克服多普勒-距离耦合效应，可应用于雷达测距测速。双啁啾信号还具有良好的脉冲压缩特性，可广泛应用于远程预警雷达和高分辨率雷达系统的信号源中。
通常双啁啾信号可通过传统电子学方法和光子学的微波信号产生技术实现。然而，由于电子器件瓶颈的限制，传统电子学方法产生的微波信号带宽有限。微波光子学具有带宽大、损耗低、抗干扰性强的优势，近年来被广泛利用于啁啾信号产生。通常报道的双啁啾信号产生方案局限于一个波段，随着多波段雷达系统的发展，近年来有许多多波段双啁啾信号产生方法被报道，如利用光频梳信号作为输入光信号，调制上基带单啁啾信号，产生多波段双啁啾信号；或利用双偏振调制器，其中一个偏振态产生光频梳信号，另一个正交偏振态加载基带单啁啾信号，拍频产生多波段双啁啾信号；或是利用调制特性产生多阶边带，从而产生多波段的双啁啾信号。
上述方案均受到倍频频率的限制，只能产生固定中心频率关系的双啁啾信号(只能产生一倍频、二倍频等)，难以同时满足各微波波段信号的实际应用。此外，微波光子学信号产生通常需要经过长距离的光纤传输，普通单模光纤具有色散效应，则会导致信号在传输过程中由于色散效应而产生功率衰落。因此，克服色散效应导致的功率衰落问题，也是研究热点之一。
发明内容
鉴于上述问题，本公开提供了一种双波段双啁啾微波信号产生及传输装置及方法，以至少解决部分上述问题。
本公开的一个方面提供了一种双波段双啁啾微波信号产生及传输装置，包括：激光器，用于产生光信号，并将所述光信号分束为第一光信号和第二光信号；第一调制模块，用于将第一微波信号加载到所述第一光信号上，以及，将基带信号加载到所述第二光信号上，将加载所述第一微波信号后的第一光信号和加载所述基带信号后的第二光信号合并，得到第一调制光信号；第二调制模块，用于将第二微波信号加载到所述第一光信号上，以及，将所述基带信号加载到所述第二光信号上，将加载所述第二微波信号后的第一光信号和加载所述基带信号后的第二光信号合并，得到第二调制光信号，其中，所述第二微波信号与所述第一微波信号的频率不同；90°偏振旋转器，用于旋转所述第二光调制信号的偏振态，使所述第一调制光信号和所述第二调制光信号位于正交偏振态；光电探测器，用于将所述第一调制光信号和所述第二调制光信号进行光电转换后叠加，得到双波段的双啁啾信号。
可选地，所述第一调制模块包括：第一微波源，用于产生第一微波信号；第一光电调制器，用于将所述第一微波信号加载到所述第一光信号上；第二光电调制器，用于将所述基带信号加载到所述第二光信号上；第一电压源，用于给所述第一光电调制器和/或第二光电调制器输入直流偏压，改变所述第一光电调制器和所述第二光电调制器之间的相位差，以补偿所述第一调制光信号在传输过程中的功率衰落。
可选地，所述第二调制模块包括：第二微波源，用于产生第二微波信号；第三光电调制器，用于将所述第二微波信号加载到所述第一光信号上；第四光电调制器，用于将所述基带信号加载到所述第二光信号上；第二电压源，用于给所述第三光电调制器和/或第四光电调制器输入直流偏压，改变所述第三光电调制器和所述第四光电调制器之间的相位差，以补偿所述第二调制光信号在传输过程中的功率衰落。
可选地，所述第一、第二、第三、第四光电调制器为马赫曾德尔调制器。
可选地，所述装置还包括：任意波形发生器，用于产生所述基带信号；偏振合束器，用于合束所述第一调制光信号和所述第二调制光信号；光纤，用于将合束后的所述第一调制光信号和所述第二调制光信号传输给所述光电探测器。
可选地，所述基带信号为基带抛物线形调频信号。
本公开另一方面还提供了一种双波段双啁啾微波信号产生及传输方法，应用于如第一方面所述的装置，包括：开启激光器、第一微波源、第二微波源及任意波形发生器，产生第一光信号、第二光信号、第一微波信号、第二微波信号及基带信号；将第一微波信号加载到所述第一光信号上，以及，将基带信号加载到所述第二光信号上，将加载所述第一微波信号后的第一光信号和加载所述基带信号后的第二光信号合并，得到第一调制光信号；将第二微波信号加载到所述第一光信号上，以及，将所述基带信号加载到所述第二光信号上，将加载所述第二微波信号后的第一光信号和加载所述基带信号后的第二光信号合并，得到第二调制光信号，其中，所述第二微波信号与所述第一微波信号的频率不同；旋转所述第二光调制信号的偏振态，使所述第一调制光信号和所述第二调制光信号位于正交偏振态；将所述第一调制光信号和所述第二调制光信号进行光电转换后叠加，得到双波段的双啁啾信号。
所述方法还包括：给所述第一光电调制器和/或第二光电调制器输入直流偏压，改变所述第一光电调制器和所述第二光电调制器之间的相位差，以补偿所述第一调制光信号在传输过程中的功率衰落；和/或给所述第一光电调制器和/或第二光电调制器输入直流偏压，改变所述第一光电调制器和所述第二光电调制器之间的相位差，以补偿所述第二调制光信号在传输过程中的功率衰落。
在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本公开提供的一种双波段双啁啾微波信号产生及传输装置及方法可产生不受倍频频率限制的双波段双啁啾信号，满足各波段微波信号的应用，可在长距离光纤传输时，克服功率衰落，对信号进行功率补偿。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种双波段双啁啾微波信号产生及传输装置的示意图；
图2示意性示出了本公开实施例提供的一种双波段双啁啾微波信号产生及传输装置的产生的双啁啾信号的波形、瞬时频率图以及频谱图；
图3示意性示出了本公开实施例产生的双啁啾信号经长距离光纤传输后功率衰落及补偿后的波形、瞬时频率图以及频谱图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。
本公开实施例提供的一种双波段双啁啾微波信号产生及传输装置包括：激光器，第一调制模块，第二调制模块，90°偏振旋转器，光电探测器。
激光器，用于产生光信号，并将光信号分束为第一光信号和第二光信号。
第一调制模块，用于将第一微波信号加载到第一光信号上。以及，将基带信号加载到第二光信号上，将加载第一微波信号后的第一光信号和加载基带信号后的第二光信号合并，得到第一调制光信号。
第二调制模块，用于将第二微波信号加载到第一光信号上，以及，将基带信号加载到第二光信号上，将加载第二微波信号后的第一光信号和加载基带信号后的第二光信号合并，得到第二调制光信号，其中，第二微波信号与第一微波信号的频率不同。
90°偏振旋转器，用于旋转第二光调制信号的偏振态，使第一调制光信号和第二调制光信号位于正交偏振态。
光电探测器，用于将第一调制光信号和第二调制光信号进行光电转换后叠加，得到双波段的双啁啾信号。
装置还包括：任意波形发生器，偏振合束器，光纤。其中，基带信号为基带抛物线形调频信号。
任意波形发生器，用于产生基带信号。
偏振合束器，用于合束第一调制光信号和第二调制光信号。
光纤，用于将合束后的第一调制光信号和第二调制光信号传输给光电探测器。
具体的，第一调制模块包括：第一微波源，第一光电调制器，第二光电调制器，第一电压源。其中，第一微波源，与第一光电调制器连接，用于产生第一微波信号；第一光电调制器，输入端用于接收第一光信号和第一微波信号，用于将第一微波信号加载到第一光信号上；第二光电调制器，输入端用于接收第二光信号和基带信号，用于将基带信号加载到第二光信号上；第一电压源，用于给第一光电调制器和/或第二光电调制器输入直流偏压，改变第一光电调制器和第二光电调制器之间的相位差，以补偿第一调制光信号在传输过程中的功率衰落。
与第一调制模块的结构相同，第二调制模块包括：第二微波源，第三光电调制器，第四光电调制器，第二电压源。其中，第二微波源，与第三光电调制器连接，用于产生第二微波信号；第三光电调制器，用于将第二微波信号加载到第一光信号上；第四光电调制器，用于将基带信号加载到第二光信号上；第二电压源，用于给第三光电调制器和/或第四光电调制器输入直流偏压，改变第三光电调制器和第四光电调制器之间的相位差，以补偿第二调制光信号在传输过程中的功率衰落。与第一调制模块不同的是，第二调制模块中的第二微波源与第一调制模块中的第一微波源产生的微波信号的频率不同。
第一、第二、第三、第四光电调制器为马赫曾德尔调制器。
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种双波段双啁啾微波信号产生及传输装置的示意图。
如图1所示，图中第一光电调制器为马赫曾德尔调制器1，第二光电调制器为马赫曾德尔调制器2，第三光电调制器为马赫曾德尔调制器3，第四光电调制器为马赫曾德尔调制器4，微波源1为第一微波源，微波源2为第二微波源，电压源1为第一电压源，电压源2为第二电压源。第二调制模块产生的第二调制光信号经90°偏振旋转器旋转偏振态后，与第一调制光信号的偏振态相互垂直，即第一调制光信号与第二调制光信号实际为处于正交偏振态的不同频率的一阶边带，被偏振合束器合束后，形成正交的调制光信号被传输至光电探测器，进行光电转换后叠加，得到双波段的双啁啾信号。通过调节输入到各调制模块的第一电压源和第二电压源，可额外引入直流相移，可克服信号在长距离光纤传输时由光纤色散引入的功率衰落效应。
该装置工作的理论说明如下。
设激光器输出的光场表示为
Figure BDA0002848362620000071
第一微波源输出的频率为ω1的微波信号加载到第一光电调制器上，第二微波源输出的频率为ω2的微波信号加载到第三光电调制器上，任意波形发生器产生基带抛物线形调频信号m3cos(k(t-T/2)2)加载到第二光电调制器和第四光电调制器上，其中，k为啁啾率，T为信号周期。由于90°偏振旋转器使第一、第二电光调制器与第三、第四电光调制器处于正交偏振态，故两路光信号可表示为：
Figure BDA0002848362620000072
其中，Ex1、Ey1分别为调制模块产生的两个垂直偏振态(X偏振态和Y偏振态)的光场，m1，m2，m3分别为第一微波信号、第二微波信号以及基带抛物线形调频信号的调制系数，
Figure BDA0002848362620000073
分别为第一电压源和第二电压源加载在X、Y偏振态引入的直流相移。当信号进行长距离光纤传输时，由于单模光纤的色散效应，会对传输的各频率光信号引入不同的延时，即在到达输出端的过程中引入了不同的相移。传播常数β经泰勒展开后，可得到各阶相移为：
Figure BDA0002848362620000081
Figure BDA0002848362620000082
Figure BDA0002848362620000083
即可得到光信号经过光纤传输后到达输出端时，表示为：
Figure BDA0002848362620000084
经光电探测器进行光电转换，可转化得到光电流为：
Figure BDA0002848362620000085
其中，D＝-2πcβ”(ω0)/20 2，τ0＝zβ’(ω0)，分别代表二阶色散系数以及群时延，λ0为光载波波长，z为光信号的传输距离。由式(3)可得，可产生中心频率为ω1和ω2的双啁啾信号。由于三角函数特性，绝对值最小为0，最大为1，故产生信号的功率由传输距离和直流相移共同决定，通过调整直流相移，可克服由于色散引起的功率衰落现象，对传输后的功率进行补偿，使其功率最大。
图2、图3分别给出了一种双波段双啁啾信号的实验结果。图2(a)(b)(c)分别为实验产生得到的中心频率7GHz和10GHz带宽为0.4GHz的双啁啾信号的波形，瞬时频率图以及频谱图，可同时满足雷达在C波段和X波段的应用需求。为验证该方法在长距离光纤中的传输性能，选取35km光纤对信号进行传输。实验室测量35km光纤与转接头的插损大约8dB，为了更好的进行对比试验，在不接入长光纤时，在链路中加了8dB光衰。加光衰后的双波段双啁啾信号的波形图、瞬时频率图和频谱图如图2(d)(e)(f)所示。信号经35km光纤传输后的波形、瞬时频率图和频谱图如图3(a)(b)(c)所示，由图3(c)可以看出经过光纤传输后，有明显的功率衰落现象。此时调节直流电压源输出电压的大小，可对信号的功率进行补偿，补偿后的结果如图3(d)(e)(f)所示。可以看出，本公开提供的双波段双啁啾信号产生及传输装置可同时产生双波段双啁啾信号，且具有抗色散性能，补偿信号由于经过光纤传输后导致的功率衰落。
综上，本公开提供了一种双波段双啁啾信号产生及传输装置，产生不受倍频频率限制的双波段双啁啾信号，满足各波段微波信号的应用，且结构简单。该装置可在长距离光纤传输时，克服功率衰落，对信号进行功率补偿。该装置可以应用于多波段雷达等微波系统应用领域。
本公开另一方面提供了一种双波段双啁啾微波信号产生及传输方法，应用于如图1所示的装置，包括步骤S210～S250。
S210，开启激光器、第一微波源、第二微波源及任意波形发生器，产生第一光信号、第二光信号、第一微波信号、第二微波信号及基带信号。
S220，将第一微波信号加载到第一光信号上，以及，将基带信号加载到第二光信号上，将加载第一微波信号后的第一光信号和加载基带信号后的第二光信号合并，得到第一调制光信号。
S230，将第二微波信号加载到第一光信号上，以及，将基带信号加载到第二光信号上，将加载第二微波信号后的第一光信号和加载基带信号后的第二光信号合并，得到第二调制光信号，其中，第二微波信号与第一微波信号的频率不同。
S240，旋转第二光调制信号的偏振态，使第一调制光信号和第二调制光信号位于正交偏振态。
S250，将第一调制光信号和第二调制光信号进行光电转换后叠加，得到双波段的双啁啾信号。
为了克服由于色散引起的信号功率衰落现象，方法还包括：
S261，给第一光电调制器和/或第二光电调制器输入直流偏压，改变第一光电调制器和第二光电调制器之间的相位差，以补偿第一调制光信号在传输过程中的功率衰落；和/或
S262，给第一光电调制器和/或第二光电调制器输入直流偏压，改变第一光电调制器和第二光电调制器之间的相位差，以补偿第二调制光信号在传输过程中的功率衰落。
在此需要说明的是，上述方法应用于如图1所示的装置，具有与该装置相同的技术特征，且能够达到相同的技术效果，在此不再对本实施例中与方法实施例相同的部分及有益效果进行具体赘述。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (8)

1.一种双波段双啁啾微波信号产生及传输装置，其特征在于，包括：
激光器，用于产生光信号，并将所述光信号分束为第一光信号和第二光信号；
第一调制模块，用于将第一微波信号加载到所述第一光信号上，以及，将基带信号加载到所述第二光信号上，将加载所述第一微波信号后的第一光信号和加载所述基带信号后的第二光信号合并，得到第一调制光信号；
第二调制模块，用于将第二微波信号加载到所述第一光信号上，以及，将所述基带信号加载到所述第二光信号上，将加载所述第二微波信号后的第一光信号和加载所述基带信号后的第二光信号合并，得到第二调制光信号，其中，所述第二微波信号与所述第一微波信号的频率不同；
90°偏振旋转器，用于旋转所述第二光调制信号的偏振态，使所述第一调制光信号和所述第二调制光信号位于正交偏振态；
光电探测器，用于将所述第一调制光信号和所述第二调制光信号进行光电转换后叠加，得到双波段的双啁啾信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一调制模块包括：
第一微波源，用于产生第一微波信号；
第一光电调制器，用于将所述第一微波信号加载到所述第一光信号上；
第二光电调制器，用于将所述基带信号加载到所述第二光信号上；
第一电压源，用于给所述第一光电调制器和/或第二光电调制器输入直流偏压，改变所述第一光电调制器和所述第二光电调制器之间的相位差，以补偿所述第一调制光信号在传输过程中的功率衰落。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二调制模块包括：
第二微波源，用于产生第二微波信号；
第三光电调制器，用于将所述第二微波信号加载到所述第一光信号上；
第四光电调制器，用于将所述基带信号加载到所述第二光信号上；
第二电压源，用于给所述第三光电调制器和/或第四光电调制器输入直流偏压，改变所述第三光电调制器和所述第四光电调制器之间的相位差，以补偿所述第二调制光信号在传输过程中的功率衰落。
4.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述第一、第二、第三、第四光电调制器为马赫曾德尔调制器。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
任意波形发生器，用于产生所述基带信号；
偏振合束器，用于合束所述第一调制光信号和所述第二调制光信号；
光纤，用于将合束后的所述第一调制光信号和所述第二调制光信号传输给所述光电探测器。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述基带信号为基带抛物线形调频信号。
7.一种双波段双啁啾微波信号产生及传输方法，应用于如权利要求1-6所述的装置，其特征在于，包括：
开启激光器、第一微波源、第二微波源及任意波形发生器，产生第一光信号、第二光信号、第一微波信号、第二微波信号及基带信号；
将第一微波信号加载到所述第一光信号上，以及，将基带信号加载到所述第二光信号上，将加载所述第一微波信号后的第一光信号和加载所述基带信号后的第二光信号合并，得到第一调制光信号；
将第二微波信号加载到所述第一光信号上，以及，将所述基带信号加载到所述第二光信号上，将加载所述第二微波信号后的第一光信号和加载所述基带信号后的第二光信号合并，得到第二调制光信号，其中，所述第二微波信号与所述第一微波信号的频率不同；
旋转所述第二光调制信号的偏振态，使所述第一调制光信号和所述第二调制光信号位于正交偏振态；
将所述第一调制光信号和所述第二调制光信号进行光电转换后叠加，得到双波段的双啁啾信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
给所述第一光电调制器和/或第二光电调制器输入直流偏压，改变所述第一光电调制器和所述第二光电调制器之间的相位差，以补偿所述第一调制光信号在传输过程中的功率衰落；和/或
给所述第一光电调制器和/或第二光电调制器输入直流偏压，改变所述第一光电调制器和所述第二光电调制器之间的相位差，以补偿所述第二调制光信号在传输过程中的功率衰落。
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