CN112737673A - 一种噪声下瞬态微弱微波信号频谱光学检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种噪声下瞬态微弱微波信号频谱光学检测方法及装置。连续的激光光源作为种子光源经耦合器分成两支路，分别在上下两支路产生重复频率略有不同的两个相干光频梳。上支路的光频梳经电光调制器对瞬态微波信号进行频谱克隆。克隆后的光频梳进入M‑bit光延迟模块中进行周期性复制，得到2M个时域副本。下支路的光频梳作为本振光，与上支路的信号光频梳分别经解复用器分路。通过对解复用器分路后的各个波长信号相干检测，得到多路中频信号。通过对得到的各路中频信号累加平均，凸显信号与噪声差异，获得噪声下瞬态微弱微波信号频谱信息。该发明基于光子学技术，结构简单，且以低速的探测模块实现噪声下瞬态微弱微波信号频谱检测和分析。
Description
技术领域
本发明涉及微波检测、微波光子学、雷达领域，尤其是光子学噪声下瞬态微弱微波信号频谱检测与分析。
背景技术
微弱微波信号检测技术在通信、雷达、遥感、电子对抗、空间探测、科学研究等领域中扮演着重要角色，决定着微波系统检测能力，成为制约检测任务成败的关键。然而，受限于高频损耗和电子瓶颈等问题，传统的微弱微波信号检测技术和方法，诸如窄带滤波、锁定放大、时域相关、取样积分等技术仅对窄带的、特定环境下的微弱微波信号具备一定的感知基础，难以对宽带、瞬变、未知、强噪声背景下脉冲微弱微波信号进行快速感知与分析(F.J.Lin,P.I.Mak,and R.P.Martins,wideband receivers:design challenges,tradeoffs and state-of-the art,vol.15,no.1,pp.12-24,2015.)。
光子学技术以其大瞬时带宽、低损耗、抗电磁干扰等优势，在宽带微波信号检测与分析中极具发展前景，但仍面临灵敏度低的困境，尤其对于自然界和通信领域中存在着持续时间极短、到达时间未知、带宽数GHz的噪声下瞬态微弱微波信号(X.H.Zou,B.Lu,W.Pan,L.S.Yan,
J.P.Yao,“Photonics for microwave measurements,”LaserPhoton.Rev.,vol.10,no.5pp.1-24,2016；L.A.Bui,Recent advances in microwavephotonics instantaneous frequency measurements,Progress in QuantumElectronics,vol.69,pp.1000237,2019.)。为此，加州大学圣地亚哥分校的研究人员利用两相干光频梳，让其中一个光频梳对随机、瞬态发生的噪声信号进行频谱克隆，产生多个噪声信号的频谱副本，并对它们有效组合，实现了噪声下微弱瞬态信号的检测，信噪改善比为
(有效值之比)，其中N为瞬态信号带宽被划分的信道个数(V.Ataie,D.Esman,B.P.P.Kuo,N.Alic,S.Radic,Subnoise detection of a fast random event,Science,vol.350,no.6266,pp.1343-1346,2015；D.J.Esman,V.Ataie,B.P.P.Kuo,E.Temprana,N.Alic,and S.Radic,Detection of fast transient events in a noisy background,J.Lightw.Technol.,vol.34,no.24,pp.5669-5674,2016.)。但该方案仅能判别噪声下微弱微波信号的有无，且信噪改善比受限于光频梳的个数，系统复杂、功耗高、实施难度大。
为了解决上述噪声下瞬态微弱微波信号的频谱检测难题，本发明公布了一种新颖的光子型瞬态微弱微波信号检测频谱方法及装置，该装置利用信号的相关特性和噪声的随机特性，基于双相干光频梳的微波信道化结构，将克隆到光频梳的噪声下瞬态微弱微波信号周期性复制，并进行同步累加平均，大幅度提升噪声下微弱微波信号频谱检测的信噪比。
发明内容
鉴于光子学技术在处理微波/毫米波信号的大带宽和宽频段优势，本发明旨在提供一种光子学瞬态微弱微波信号频谱检测方法，从而在宽频段范围内灵活地、实时地感知与分析噪声下瞬态微弱微波信号。
本发明的目的通过如下手段来实现。
一种噪声下瞬态微弱微波信号频谱光学检测与分析方法，包含由两个相干的光频梳、电光调制器、M-bit光延迟模块、两个波分解复用器、光相干检测阵列、数字处理及同步累加模块组成。包含如下处理过程：连续的激光光源为种子光源分成两支路，分别在上下两支路产生重复频率略有不同(频差为δf)的两个相干光频梳。上支路中的光频梳经电光调制器对瞬态微弱微波信号进行频谱克隆。克隆后的光信号进入到M-bit光延迟模块。该延迟模块包含M个光相对延迟单元，对应延迟量分别为2M-1/δf(M＝0，1…)，对克隆到光频梳的瞬态微弱微波信号以周期1/δf进行复制；下支路产生的光频梳作为本振光，与上支路的信号光频梳经波分解复用器分成N个信道，相应的梳齿进入带宽为δf的相干检测模块执行相干检测，得到各信道下变频的中频信号。在数字处理及同步累加模块中对同一中频信号进行同步累加平均，获得噪声下瞬态微弱微波信号频谱信息及信噪比改善。
采用本发明的方法，在于利用信号的相关特性和噪声的随机特性，基于双相干光频梳的微波信道化结构，将克隆到光频梳的瞬态微波信号进行周期性复制，并同步累加平均，凸显信号与噪声差异，有效检测噪声下瞬态微弱微波信号。
本发明的目的还在于以上方法的实施提供核心装置。由连续波激光器10、两个同源的光频梳20和21、电光调制器30、M-bit光延迟模块40、波分解复用器50和波分解复用器51、光相干检测阵列60、数字处理及同步累加模块70组成。瞬态微弱微波信号经电光调制器30被克隆到光频梳20的N个梳齿上，然后进入到M-bit光延迟模块40，将克隆到光频梳I的瞬态微波信号以周期1/δf复制2M个。同时本振光频梳21和光频梳20的重复频率差为δf。之后它们分别进入到两个波分解复用器50和51中，波分解复用后产生N个信道；对应信道得到的两个光学梳齿分别作为信号光和本振光进入到带宽为δf的光相干检测模块阵列60中执行光域相干检测和下变频，得到各信道的中频信号，在数字处理及同步累加模块70中对得到的中频信号同步累加平均，获得瞬态微弱微波信号的信噪比改善，得到其频谱信息。
实际执行过程为：
连续的激光源输出的光载波经耦合器分成两路，分别作为种子光源产生两个重复频率略有差别的两个相干光频梳，有效光频梳的梳齿个数均为N，重复频率分别为ΔF1和ΔF2，频差为δf＝ΔF1-ΔF2。则光频梳1和本振光频梳的时域周期分别为T1＝1/ΔF1和T2＝1/ΔF2。
光频梳I经电光强度调制器对接收到的瞬态微弱微波信号进行频谱克隆，得到N个频谱副本。本振光频梳与光频梳I的第一个梳齿频差设置为δf。当两光频梳经波分复用器，宽带瞬态微波信号频谱划分在N个并行信道中，进入到多信道相干检测模块中执行光域正交下变频，得到N个中频信号。
为了获得信噪比改善，克隆到光频I的N个瞬态微弱微波信号进入到M-bit光学延迟模块，则克隆到信号光频梳的N个瞬态微弱微波信号在时域中以周期1/δf延拓了2M次。此时，接收到的瞬态微波信号在时域上被复制了M×2M个。因此，在每个周期内同一探测单元累加平均，获得信噪改善比为
上述发明，利用了光子学技术的独特优势，具有如下优点：结构简单，通过频域的频谱克隆、时域的周期复制、累加平均，凸显信号和噪声的区别，大幅度增强噪声下微弱微波信号检测信噪比，获得噪声下瞬态微弱微波信号的频谱信息。
附图说明：
图1.本发明方法的系统框图。
图2.瞬态微波信号频谱克隆及信道化相干检测的示意图。
图3.M-bit光延迟线的示意图。
图4.瞬态微波信号时域探测的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。
如图1所示，本发明由连续波激光器(10)、两个同源的光频梳(20和21)、电光调制器(30)、M-bit光延迟模块(40)、两个波分解复用器(50和51)、多信道光相干检测模块(60)、数字处理及同步累加模块(70)构成的装置平台上；从激光光源(10)出发分成两支路，上支路产生光频梳I(20)，其重复频率为ΔF1，经电光调制器(30)后，瞬态微弱微波信号被克隆到光学频梳I(20)的每个梳子上；克隆后的信号光频梳进入到M-bit光延迟模块(40)中被复制2M个。下支路中光载波作为种子光产生本振光频梳(21)，其重复频率为ΔF2；设置两个光频梳齿个数为N，重复频率相差δf(δf＝ΔF2-ΔF1)，之后它们分别进入到两个波分解复用器(50和51)中，波分解复用后分别产生N个信道；对应信道得到的两个光学梳齿分别作为信号光和本振光进入到带宽为δf的光相干检测模块(60)中，如图2所示；设置两个光频梳的第一个梳齿频差为δf，则N个信道探测的中心频率分别为δf，2×δf…,n×δf；另外，M-bit光延迟模块中包括M个光相对延迟单元，且延迟量以1/δf为基数成倍数增加，则克隆后的信号光频梳在时域上以周期1/δf被延拓了2M次。因此，瞬态微波信号在时域上共复制了N×2M个。经多信道光相干检测模块(60)后，得到的中频信号进入到低速数字处理及同步累加模块(70)中，获得噪声下瞬态微弱微波信号的频谱信息，且信噪改善比(有效值)提升至原来的
倍。
连续的激光源输出的光载波经耦合器分成两路，分别作为种子光源产生两个重复频率略有差别的两个相干光频梳，有效光频梳的梳齿个数均为N，重复频率分别为ΔF1和ΔF2，频差为δf＝ΔF1-ΔF2。则光频梳I和本振光频梳的时域周期分别为T1＝1/ΔF1和T2＝1/ΔF2。
光频梳I经电光强度调制器对接收到的瞬态微弱微波信号进行频谱克隆，得到N个频谱副本。本振光频梳与光频梳I的第一个梳齿频差设置为δf。当两光频梳经波分解复用器，光载瞬态微波信号频谱被划分在N个并行信道中，进入到光域相干检测模块中执行光域正交下变频，得到N个中频信号。
为了获得信噪比改善，克隆到光频梳I的N个瞬态微弱微波信号进入到M-bit光学延迟模块，如图3和4所示，则克隆到信号光频梳的N个瞬态微弱微波信号在时域中以周期1/δf复制了2M次。因此，瞬态微波信号在时域中共被复制N×2M。对每个周期内同一探测单元累加平均，获得信噪改善比为
综合以上陈述，本发明具有如下特征。该装置结构简单，有效凸显了信号和噪声的区别，且能检测噪声下非重复瞬态微弱微波信号的频谱信息。
以上所陈述的仅仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方法和核心装置实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色也应包含在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种噪声下瞬态微弱微波信号频谱光学检测方法及装置，可在宽带范围内检测和分析噪声下微弱微波信号的频谱信息。其特征在于，双相干的光频梳及M-bit光延迟模块组成的信道化接收系统。其中一个光频梳经电光调制器将瞬态微弱微波信号克隆到N个梳齿上，然后进入到M-bit光延迟模块，复制得到2M个光学特征相同的时域副本；同时，该光频梳和本振光频梳的重复频率差设置为δf，相干检测模块带宽为δf。两支路光频梳分别进入到两波分解复用器中分路，各分路的光信号进入到多信道相干检测模块执行光电转换及正交下变频，得到中频信号。通过对得到中频信号累加平均、分析，大幅度提升瞬态微弱微波信号频谱检测的信噪比。
2.根据权利要求1所述之一种噪声下瞬态微弱微波信号频谱光学检测方法，其特征在于，其所述的双相干光频梳，构建了光子学微波信道结构，同时实现了瞬态微弱微波信号的频谱克隆。
3.根据权利要求1所述之一种噪声下瞬态微弱微波信号频谱光学检测方法，其特征在于，其所述的M-bit光延迟模块，其包含M个延迟单元，且延迟量以1/δf为基数成倍数增长。该延迟模块可将克隆到光频梳的瞬态微弱微波信号在时域上以周期1/δf复制2M个。
4.根据权利要求1所述之一种噪声下瞬态微弱微波信号频谱光学检测方法，其特征在于，在低速的数字处理及同步累加模块中，该检测系统可自动配置以周期1/δf对正交下变频的各信道中频信号同步累加平均，获得信噪比改善。
5.根据权利要求1或2或3或4所述之一种噪声下瞬态微弱微波信号频谱光学检测装置。其特征在于，包含由两个相干的光频梳、M-bit光延迟模块、多信道光相干探测模块、数字处理及同步累加模块组成；上支路的光频梳对瞬态微波信号进行克隆，M-bit光延迟模块对克隆到光频梳的瞬态微波信号进行周期复制；下支路本振光频梳与上支路合路完成瞬态微波信号信道化频谱检测；数字处理单元包含同步累加模块对各信道得到的中频信号累加平均、分析。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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