CN112698091B - 基于级联调制器的无模糊微波光子多普勒频移测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于级联调制器的无模糊微波光子多普勒频移测量方法，该发明涉及微波光子技术领域。所述方法如说明书附图1所示，包括激光器LD，双偏振马赫增德尔调制器Dpol‑MZM，相位调制器PM，起偏器Pol，掺铒光纤放大器EDFA，光学带通滤波器滤波OBPF，光电检测器PD。本发明将低频参考信号和回波信号分别调制在Dpol‑MZM的上下子调制器MZMx和MZMy上，MZMx工作在正交点进行单边带调制SSB，MZMy工作在最小点进行抑制载波的双边带调制CS‑DSB，Dpol‑MZM输出信号的X轴对准PM的主轴后对发射信号进行相位调制，PM输出经过起偏器Pol，EDFA，OBPF得到期望的正一阶边带信号，送入PD进行拍频，结果通过低频电谱仪ESA检测，能够同时测量多普勒频移的值和方向而不受信号相位影响。

Description

基于级联调制器的无模糊微波光子多普勒频移测量方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，主要涉及基于双偏振马赫增德尔调制器和相位调制器级联调制实现无模糊的微波光子多普勒频移测量。

背景技术

微波光子多普勒频移测量指的是天线接收到的回波信号经调制与已调制的发射信号拍频即为多普勒频移，广泛的应用于通信，科学测量，电子战和雷达系统中。因此对多普勒频移进行精确测量具有重要意义。传统的电域测量方法由于受到测量器件的限制，只能工作在特定频段测量较小范围，并且抗电磁干扰能力差，测量精度不高。随着无线电信号频率的提高以及周围电磁环境的日益复杂，多普勒频移测量需要大的测量范围以及强的抗电磁干扰能力。

与传统的电域测量技术相比，微波光子技术具有大带宽，抗电磁干扰能力强，功耗低，传输损耗小等优势，特别适合复杂电磁环境下的高精度大带宽测量应用，这为多普勒频移测量提供了新的技术途径。

目前已经提出的微波光子多普勒频移测量有几种常用方法。第一种是基于四波混频效应的多普勒频移测量方法，该方法建立了直流电压与多普勒频移的映射关系，但是却无法分辨出多普勒频移方向。第二种是基于微波光子学的同相位和正交相干检测的多普勒频移测量方法。由于使用90°光混频器和IQ两路信道,系统需要平衡信道并且结构很复杂。第三种是基于偏振复用的多普勒频移测量方案。该系统需要均衡的信道来确定方向，由于调制复杂，系统需要同步射频信号和一个90°电移相器，这限制了系统的带宽。第四种是利用光频移和光外差测量宽带多普勒频移的值和方向。通过将回波信号与光载波混合得到信号，该频率随后由电谱仪进行估计，电谱仪可以计算出多普勒频移的值和方向。由于系统中使用的频移调制器引入了额外的误差，限制了系统的测量精度。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于双偏振的马赫增德尔调制器和相位调制器级联的一种多普勒频移测量方法。将参考射频和回波信号应用于双偏振的马赫增德尔调制器的上下子调制器MZMx和MZMy，Dpol-MZM的输出接偏振控制器，偏正控制器的输出的X轴和相位调制器的主轴对齐，调制输出信号进入相位调制器当做相位调制的载波，发射信号经相位调制后经光学带通滤波器滤波OBPF，再由低速光电探测器PD拍频结果在低频电谱仪ESA上检测。相比于技术背景中提到的多普勒频移测量方法，该方法只需要一个低频电谱仪来测量，信号相位不影响整个系统的测量，由于多普勒频移是发射信号和回波信号之间的拍频，所以该方案具有较高的测量精度。级联的结构使得参考信号可以是低频信号。

本发明采用的技术方案是：所述方法包括激光器LD，双偏振马赫增德尔调制器Dpol-MZM，偏振控制器PC，相位调制器PM，起偏器Pol，光学带通滤波器滤波OBPF，低速光电检测器PD。激光器LD输出的光载波直接注入到Dpol-MZM的输入端被功分为两路，低频参考信号和回波信号分别加在Dpol-MZM的子MZMx和MZMy上，Dpol-MZM的输出经过偏正控制器PC1，调整PC1的方向使得输出信号的X轴与相位调制器的主轴对齐，X偏振方向的信号作为相位调制的光载波对发射信号进行调制，PM的输出经过偏正控制器PC2,起偏器Pol、光学带通滤波器滤波OBPF和低速光电检测

器PD拍频,结果通过低频ESA检测。

上述Dpol-MZM由Y型分光器、上下并行的MZMx和MZMy以及偏振合束器PBC集成。MZMx和MZMy具有相同的结构和性能，MZMx有射频端口port1和port2及直流端口V_a，MZMy有射频端口port3和直流端口V_b，偏振合束器PBC用来将正交的X和Y偏振方向的偏振光合束输出

本发明在工作时包括以下步骤：

1)从LD输出的光载波输入到Dpol-MZM中，在Dpol-MZM内由Y型分光器将光载波分成功率相等的两部分，分别输入到MZMx和MZMy中。此时激光器输出的光信号可表示为：

E_in(t)＝E₀exp(jω_ct)

其中，E₀和ω_c为光载波的幅度和角频率。

2)低频参考信号和回波信号分别驱动MZMx的射频端口port1，port2和MZMy的射频端口port3，低频参考信号和回波信号的表达式分别为为：V_RF1(t)＝V_Rcos(ω_Rt)和V_RF2(t)＝V_Ecos(ω_Et)，其中V_R，V_E是参考信号和回波信号的幅度，ω_R和ω_E分别表示低频参考信号和回波信号的角频率。调节直流偏压V_a和V_b使得MZMx和MZMy分别工作在正交点和最小点，分别产生单边带调制信号SSB和抑制载波的双边带调制信号CS-DSB。此时两子调制器MZMx和MZMy的输出可表示为：

其中，m＝πV_m/V_π为射频信号的调制指数，V_π是MZM的半波电压，J₁(.)是第一类一阶贝塞尔函数。

3)Dpol-MZM中两个子MZMx和MZMy上的调制输出信号是正交的，经过偏振合束器PBC合束输出，输出信号的X轴与相位调制器的主轴对齐,发射信号作为相位调制的射频信号。此时PM输出信号可以表示为：

其中，ω_T是发射信号的频率。

4)相位调制器PM输出经过偏振控制器PC2，起偏器Pol，掺铒光纤放大器EDFA和光学带通滤波器滤波OBPF得到期望的信号，表达式为：

5)期望信号经低速光电探测器PD后的表达式为：

其中，γ是低速光电探测器PD的响应度。

6)从PD之后的表达式中可以看出，在电域中得到三个低频信号ω_R、ω_T-ω_E、ω_R+ω_T-ω_E其中多普勒频移是ω_T-ω_E，多普勒频移的方向由ω_R+ω_T-ω_E来确定。多普勒频移为正或负时，ω_R+ω_T-ω_E的值时不同的。当多普勒频移是正向的，ω_R+ω_T-ω_E的值比ω_R大，当多普勒频移是负向的，ω_R+ω_T-ω_E的值比ω_R小。因此可以由ω_T-ω_E和ω_R+ω_T-ω_E来确定多普勒频移的大小和方向。

本发明提出了一种新型的基于双偏振马赫增德尔调制器Dpol-MZM和相位调制器PM级联实现多普勒频移的测量方法，采用Dpol-MZM来调制低频参考信号和回波信号分别产生SSB和CS-DSB信号，Dpol-MZM输出经过PC1后的输出信号，其X轴与相位调制器PM的主轴对齐，作为载波输入到相位调制器中，相位调制器PM再对发射信号进行相位调制，经过PC2，起偏器Pol和光放大器EDFA，利用OBPF得到期望的正一阶信号，再利用低速光电检测器PD拍频至低频电谱仪ESA进行检测。

本方法使用的是级联调制的结构，所以该方案中的参考信号可以是低频信号，其频率与载波频率无关。

本方法中多普勒频移值和方向的确定只需要一个低频ESA而不需要其他仪器。

整个系统只有一个通道，完全不受信号相位的影响，这使得系统稳定，易于操作。

由于多普勒频移是发射信号和回波信号之间的拍频，因此该方案具有较高的多普勒频移测量精度。

附图说明

图1为本发明方法的原理图。

图2为本发明方法实验的结构图。

图3为本发明方法实验测试中经相位调制后输出信号的光谱图，所采用的OBPF的光谱图以及信号经OBPF之后的光谱图。

图4为本发明方法在实验测试中通过调整回波信号频率和回波信号功率分别测得的结果：

(a)回波功率为-10dbm，回波信号为19.9994GHz时，经调制滤波光电检测后测得的电谱图。

(b)回波功率为-10dbm，回波信号为20.0006GHz时，经调制滤波光电检测后测得的电谱图。

(c)回波功率为-40dbm，回波信号为19.9994GHz时，经调制滤波光电检测后测得的电谱图。

(d)回波功率为-40dbm，回波信号为20.0006GHz时，经调制滤波光电检测后测得的电谱图。图5为本发明方法实验测试中，最终通过实验测得多普勒频移的数据与理论曲线的对比及测量误差。

(a)发射信号为20GHz，多普勒频移在-100KHz到+100KHz范围内的对比及误差。

(b)发射信号为5GHz，多普勒频移在-100KHz到+100KHz范围内的对比及误差。。

(c)发射信号为26GHz，多普勒频移在-100KHz到+100KHz范围内的对比及误差。。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作流程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，在本实施例中，装置包括：激光器LD，信号源Reference，移相器PS，双偏振马赫增德尔调制器Dpol-MZM，偏振控制器PC，起偏器Pol，光放大器EDFA，光学带通滤波器OBPF，相位调制器PM，光电检测器PD。激光器LD输出的光载波直接注入到Dpol-MZM的输入端被功分为两路，一路低频参考信号直接加在上子调制器MZMx的port1端口，MZMx的射频端口port2输入经90°移相器的低频参考信号。回波信号则直接加在Dpol-MZM的下子调制器MZMy的port3上。Dpol-MZM后接PC1，PC1接PM，发射信号加在PM上其输出经过PC2，起偏器Pol，EDFA和光学带通滤波器OBPF得到被回波和发射信号调制的正一阶边带信号。送入光电检测器PD进行拍频并在ESA上检测。其中Dpol-MZM调制器由两个并行的MZMx和MZMy以及PBC集成。

本实施例中，具体包括以下步骤：

步骤一：激光器产生工作波长为1552.12nm，功率为10dBm的连续光波，该连续光波作为载波输入到Dpol-MZM调制器。

步骤二：在Dpol-MZM调制器内，光载波被功分为两路，分别输入到MZMx和MZMy中。低频参考信号的频率为2MHz，功率为10dBm，一路输入到MZMx中被低频参考信号调制，MZMx的射频端口port1输入低频参考信号，MZMx的射频端口port2输入经90°移相器的低频参考信号，另一路输入到MZMy中被回波信号调制，回波信号的频率为19.9994GHz，功率为-10dBm直接输入到下子MZM的射频端口port3。调节MZMx和MZMy的偏压V_a与V_b的大小，使MZMx和MZMy分别输出单边带调制信号SSB和抑制载波双边带信号CS-DSB，Dpol-MZM的输出接偏振控制器PC1，PC1输出信号的X偏振方向和相位调制器PM的主轴对齐。

步骤三：发射信号频率为20GHz，功率为-10dBm，直接输入到相位调制器的射频端口，经过偏振控制器PC2，起偏器Pol，掺铒光纤放大器EDFA至OBPF。

步骤四：信号经过OBPF的输出结果如图3，经光电检测器PD得到图4(a)。

步骤五：固定回波信号功率为-10dBm，更改回波信号频率至20.0006GHz，重复以上步骤得到图4(b)。改变回波信号功率为-40dBm后固定，分别更改回波信号频率为19.9994GHz和20.0006GHz，重复以上步骤得到图4(c)和图4(d)。

步骤六：分别在发射信号为20GHz，5GHz，26GHz且多普勒频移范围在-100KHz到+100KHz下对测得的20组数据与理论曲线作对比，并计算出多普勒频移误差如图5(a)，图5(b)，图5(c)。

综上，本发明方法利用单个Dpol-MZM，PM，Pol，EDFA和OBPF实现了多普勒频移和方向的测量。利用Dpol-MZM上子MZMx实现单边带调制，下子MZMy实现抑制载波的双边带调制。相位调制器的主轴和Dpol-MZM的X轴对齐，对发射信号进行相位调制，调制后的信号经过PC2，Pol和OBPF得到被回波和发射信号调制的正一阶边带信号，经过低速光电检测器PD拍频输出至电谱仪中进行检测。该方法的参考射频信号可以是一个低频信号且多普勒频移的值和方向只需要一个低频ESA即可确定多普勒频移的值和方向，整个系统只有一个通道，完全不受信号相位的影响，这使得系统稳定，易于操作。

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的变形和替换，如光载波波长与功率，射频信号频率与功率，调制信号的偏振方向，滤波器形式等的改变也相应视为本发明的保护的范围。

Claims (1)

1.一种基于级联调制器的无模糊微波光子多普勒频移测量方法，包括激光器LD，参考信号Reference，双偏振马赫增德尔调制器Dpol-MZM，90°电移相器PS，相位调制器PM，掺铒光纤放大器EDFA，偏振控制器PC，起偏器Pol，光学带通滤波器OBPF，光电检测器PD，其中Dpol-MZM内部是由Y型分光器，两个马赫增德尔调制器MZMx和MZMy和偏振合束器PBC集成，OBPF内部是中心频率相隔几十吉赫兹的平坦光带通滤波器组，其特征在于，由激光器LD输出的光载波直接注入到Dpol-MZM的输入端被功分为两路，一路输入到MZMx中被低频参考信号调制，MZMx的射频端口port1输入所述低频参考信号，MZMx的射频端口port2输入经90°移相器的所述低频参考信号，MZMx工作在正交点并在X偏振方向上产生载波和正一阶边带；另一路输入到工作在最小点的MZMy中，被回波信号调制并在Y偏振方向上产生正负一阶边带，双偏振马赫增德尔调制器Dpol-MZM的输出接第一偏振控制器PC1，PC1输出的X偏振态和相位调制器的主轴对齐，X偏振态上的信号经过相位调制器被发射信号调制得到载波和正负一阶边带，相位调制器的输出经过第二偏振控制器PC2和起偏器Pol将两个正交偏振态上的光在同一偏振方向上输出，而后经过掺饵光纤放大器EDFA进入光学带通滤波器OBPF得到被回波和发射信号调制的正一阶边带信号，送入光电检测器PD拍频，结果通过低频ESA检测，能够同时测量多普勒频移的值和方向，不受信号相位影响。

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