CN113098594B - 具有复数值输出的光学实时傅里叶变换的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有复数值输出的光学实时傅里叶变换的装置及方法，装置包括锁模激光器、第一段色散光纤、马赫曾德尔调制器、第二段色散光纤、连续波激光器、90度光学混合器、第一平衡光电探测器、第二平衡光电探测器；锁模激光器、第一段色散光纤、马赫曾德尔调制器、第二段色散光纤通过光纤依次连接，并将信号从90度光学混合器的一个输入口输入；连续波激光器产生连续的光信号则从90度光学混合器的另一输入口输入，90度光学混合器输出的四路信号分为两组分别进入第一平衡光电探测器和第二平衡光电探测器。本发明结构简单，有利于日后集成化使用；利用光纤作为传输媒介，一定程度上避免外界的电磁干扰。

Description

具有复数值输出的光学实时傅里叶变换的装置及方法
技术领域
本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种采用光子学的技术以实现对任意电信号的频谱进行实时的表征，极大程度上保留了信号频谱的信息量。
背景技术
傅里叶变换是信号处理领域一种重要的算法，对于任意波形信号，其都可以通过不同的正弦波形的叠加产生，而从频域上讲，则可以看成不同谱线之间的叠加，傅里叶变换就是将难以分析或处理的时域信号转换成易于处理的频域信号，直观地表现出各种信号的特征，即信号的频率结构以及各谐波和相位信息，并且可以通过利用一些工具，对这些频域信号进行处理，从而达到对时域信号的分析和加工。
近年来，信号频谱分析在雷达系统、无线通信、软件无线电等领域均展现着较为广阔的应用前景。传统的任意波形信号频域分析通过电子器件来实现，大部分仪器和软件都是利用快速傅里叶算法来产生频谱信息，即需要通过采样，在一定程度上丢失了部分信息，同时有着电子器件固有的电子瓶颈，难以适应未来大宽带、高速率、低损耗的发展进程。通过结合光子学的方法，为其提供了新的解决方向，具有损耗低、易于调谐、抗电磁干扰等优点，利用光学方法进行频谱分析引起了越来越多的关注，并得到了广泛的研究，在未来，采用光学技术的频谱分析产生除了需要满足频谱的高保真度外，还需要灵活性、动态可调谐性，且结构上需要满足小型化、紧凑化的特点，以适应集成化系统的趋势。
目前为了提高信号频谱分析的灵敏度和效率，基本上聚焦在使用基于快速傅里叶变换的算法优化上，但仍然不可避免的需要对原始信号进行数据采集，受限于采集速率。本世纪初，通过对光学及其器件的研究，利用色散介质可以我们可以很好的将频域波形映射到时域中，Azana J,Muriel M A.“Real-time optical spectrum analysis based on thetime-space duality in chirped fiber gratings,”IEEE J Quantum Electron,2000,36(5):517-526.利用光纤布拉格光栅的色散特性对信号进行了实时傅里叶变换，在时域中展现了信号频谱的波形，提供了频谱分析以及修改时间信号特性新的方向。但目前大多数方法仅仅对生成傅里叶变换信号的幅度变化进行了表征，而忽略了目标信号频谱的相位信息。在信号频谱分析的应用中，相位的变化也可能会对之后关于该信号的系列操作的结果产生一定的影响，因此对于任意波形的频谱信号相位也需要进行表达。
基于上述现状，本发明提出了一种具有复数值输出的光学实时傅里叶变换的技术方案，其能完整地表示出所给定任意信号的频谱信息，即该信号频谱的幅度变化以及相位变化。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种具有复数值输出的光学实时傅里叶变换的装置及方法，其以光学方法，提供对任意信号频谱的幅度信息与相位信息的检测分析。
本发明采取如下技术方案：
一种具有复数值输出的光学实时傅里叶变换的装置，其包括锁模激光器(1)、第一段色散光纤(2)、马赫曾德尔调制器(3)、第二段色散光纤(6)、连续波激光器(7)、90度光学混合器(8)、第一平衡光电探测器(9)、第二平衡光电探测器(10)；锁模激光器(1)、第一段色散光纤(2)、马赫曾德尔调制器(3)、第二段色散光纤(6)通过光纤依次连接，并将信号从90度光学混合器(8)的一个输入口输入；连续波激光器(7)产生连续的强度一定的光信号则从90度光学混合器(8)的另一输入口输入，90度光学混合器(8)输出的四路信号分为两组分别进入第一平衡光电探测器(9)和第二平衡光电探测器(10)。以上器件同样根据信号传输方向以光纤连接，输出信号通过射频线缆输出。
本发明具有复数值输出的光学实时傅里叶变换的装置包括傅里叶变换波形产生模块、信号检测输出模块。傅里叶变换波形产生模块包括锁模激光器、第一色散介质、马赫曾德尔调制器、第二色散介质；信号检测输出模块包括连续波激光器、90度光学混合器、两个平衡光电探测器。信号输入端口位于马赫曾德尔调制器上，分为偏置电压输入以及需要频谱分析的调制信号输入，偏置电压输入使马赫曾德尔调制器工作在线性工作点中，调制信号即目标信号，用于实时傅里叶变换。信号输出端口位于两个平衡光电检测器的输出端，分别输出产生任意波形的实部和虚部，根据两端口的输出，最终可以计算得出所产生的任意波形的幅度变化和相位变化。
优选的，锁模激光器(1)产生的光信号为时间宽度小、频域带宽大的脉冲信号，用以保证后续处理能准确进行。更优选的，锁模激光器(1)产生时间宽度约为90飞秒，对应频谱带宽为10THz的光信号。
优选的，马赫曾德尔调制器(3)的一臂输入直流偏置电压和调制电信号。
优选的，两路输入电信号，调整直流偏置电压使马赫曾德尔调制器(3)工作在线性偏置点，调制电信号作为需要进行频谱分析的目标信号用于实时傅里叶变换。
优选的，第一段色散光纤(2)和第二段色散光纤(6)，两段光纤色散系数相反、长度相同。
优选的，连续波激光器(7)用于产生强度稳定的光信号作为90度光学混合器(8)的参考信号，以便对产生的波形做正确的检测。
本发明还公开了一种具有复数值输出的光学实时傅里叶变换的方法，步骤如下：
步骤一、锁模激光器(1)产生单个超短脉冲信号，经过第一段色散光纤(2)，使得脉冲信号在时域上进行展宽，即对信号进行了频率时间映射；
步骤二、信号经过马赫曾德尔调制器(3)，通过施加直流偏置电压和待频谱分析的调制信号进行强度调制；
步骤三、调制后的信号经由第二段色散光纤(6)，在时域上进行压缩，并输入到90度光学混合器(8)的输入端口；
步骤四、连续波激光器(7)产生参考信号，输入到90度光学混合器(8)的另一个输入端口；
步骤五、经由90度光学混合器(8)处理过后的信号从四个输出端输出并分两组各自输入到第一平衡光电探测器(9)和第二平衡光电探测器(10)，第一平衡光电探测器(9)和第二平衡光电探测器(10)的输出端口则可以分别得到所产生傅里叶变换波形的表示实部的电信号和表示虚部的电信号。
本发明具有复数值输出的光学实时傅里叶变换的测量方法，通过锁模激光器产生单个超短脉冲信号，经过第一段色散介质后被展宽，即发生频率时间映射，之后在马赫曾德尔调制器中通过调制信号进行幅度调制，马赫曾德尔调制器由直流偏置电压控制在线性工作点，紧接着将调制后的信号通过第二段色散介质，并输入到90度光学混合器一个输入端口。连续波激光器用于产生强度恒定的光信号，并输入90度光学混合器的另一个输入端口。经由90度光学混合器处理后输出四路信号，分两组输入平衡光电检测器，最后在平衡光电检测器输出端输出两路信号，代表生成任意波形信号的实部和虚部。
本发明具有的有益效果是：
本发明结构简单，有利于日后集成化使用；利用光纤作为传输媒介，一定程度上避免外界的电磁干扰；处理过程未进行采样操作，很大程度上保留了任意波形信号频谱的幅度信息和相位信息，便于之后的信号处理。
附图说明
图1为本发明一种具有复数值输出的光学实时傅里叶变换的装置的原理图，即详细的器件连接图。
图中：1、锁模激光器，2、第一段色散光纤，3、马赫曾德尔调制器，4、偏置电压输入端口，5、调制信号输入端口，6、第二段色散光纤，7、连续波激光器，8、90度光学混合器，9、第一平衡光电探测器，10、第二平衡光电探测器。实线为光纤连接线，虚线为电路连接线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点比较清楚明白，以下结合说明书附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，本实施例一种具有复数值输出的光学实时傅里叶变换的装置，包括锁模激光器1、第一段色散光纤2、马赫曾德尔调制器3、第二段色散光纤6、连续波激光器、90度光学混合器8、第一平衡光电探测器9、第二平衡光电探测器10。
锁模激光器1产生的光信号为时间宽度小、频域带宽大的脉冲信号，用以保证后续处理能准确进行。
锁模激光器1、第一段色散光纤2、马赫曾德尔调制器3、第二段色散光纤6通过光纤依次连接，并将信号从90度光学混合器8的一个输入口输入；连续波激光器7产生连续的光信号则从90度光学混合器8的另一输入口输入，90度光学混合器8输出的四路信号分为两组分别进入第一平衡光电探测器9和第二平衡光电探测器10。以上器件同样根据信号传输方向以光纤连接，输出信号通过射频线缆输出。
其中，马赫曾德尔调制器3输入端为直流偏置电压输入端4和调制电压输入端5，即马赫曾德尔调制器3的一臂输入直流偏置电压和调制电信号。两路输入电信号，调整直流偏置电压使马赫曾德尔调制器3工作在线性偏置点，调制电信号作为需要进行频谱分析的目标信号用于实时傅里叶变换。
锁模激光器1产生时间宽度约为90飞秒，对应频谱带宽为10THz的光信号。
第一段色散光纤2和第二段色散光纤6，两段光纤色散系数相反、长度相同。
连续波激光器7用于产生强度稳定的光信号作为90度光学混合器8的参考信号，以便对产生的波形做正确的检测。
本发明具有复数值输出的光学实时傅里叶变换的方法，具体的实施步骤如下：
步骤一、锁模激光器1产生单个超短脉冲信号，经过第一段色散光纤2，使得脉冲信号在时域上进行展宽，即对信号进行了频率时间映射。
步骤二、信号经过马赫曾德尔调制器3进行强度调制，马赫曾德尔调制器3经由直流偏置电压工作在线性偏置点，调制电压输入端5，输入所需的调制信号。
步骤三、调制后的信号经由第二段色散光纤6，在时域上进行压缩，从而产生与调制电压呈傅里叶变换对的信号，并输入到90度光学混合器8的输入端口。
步骤四、连续波激光器7产生参考信号，该参考信号在时间上强度相同，输入到90度光学混合器8的另一个输入端口。
步骤五、经由90度光学混合器8处理过后的信号从四个输出端输出并分两组各自输入到第一平衡光电探测器9和第二平衡光电探测器10，第一平衡光电探测器9和第二平衡光电探测器10的输出端口分别得到所产生波形的表示实部的电信号和表示虚部的电信号。
本发明所涉及的具体工作原理如下：
为方便计算，假设锁模激光器产生的脉冲信号为g(t)，表达式为g(t)＝exp(-t2/τ2)，其中τ为脉冲信号幅度为最大幅度的1/e时的时域半宽，且脉冲持续时间极短，经过第一段色散光纤h1(t)，可以得到被色散介质展宽后的脉冲信号。
之后信号在马赫曾德尔调制器上进行强度调制，调制信号x(t)即需要频谱分析的电信号，再经过与第一段色散光纤二阶色散系数相反且光纤长度相同的第二段色散光纤h2(t)，进一步得到输出信号y1(t)表达式为：
y1(t)＝[g(t)*h1(t)·x(t)]*h2(t)
＝2π|β2|·[g(t)*X[t/(β2L)]]
其中，*是卷积运算，β2是第一段色散光纤的二阶色散系数，L是两段色散光纤的长度，X(ω)是x(t)的傅里叶变换。
从上述公式中可以看出，由于g(t)的时域宽度极小，可近似看成单位冲击信号，通过实时傅里叶变换模块之后的信号，与需要频谱分析的目标信号之间呈现对应的线性关系，通过对实时傅里叶变换后的信号进行检测就可以知道信号的频谱信息。
另一路则是由连续波激光器产生的幅度保持不变的光信号，用作波形检测的参考信号。
进一步将上述两路光信号输入至90度光学混合器中，经90度光学混合器处理，会输出四路不同的携带有输入信号信息的光信号，再将该四路信号按一定规则分为两组，通过两个平衡光电检测器进一步处理，从而得到两路输出电流。
所得的两路电信号可分别表示出经由傅里叶变换后信号的实部部分与虚部部分，同时也是目标信号频谱的实部部分与虚部部分。
本发明具有复数值输出的光学实时傅里叶变换技术方案，在结构上，该发明可分为两个部分，第一部分由第一段单模色散光纤、马赫曾德尔调制器以及第二段单模色散光纤组成，作为实时傅里叶变换波形产生模块，第二部分由连续波激光器、90度光学混合器以及两个平衡光电探测器组成，作为任意波形检测模块。整个结构包括锁模激光器、第一段单模色散光纤、马赫曾德尔调制器、第二段单模色散光纤、连续波激光器、90度光学混合器、平衡光电探测器，通过光纤连接，最后输出两路电信号，用来分别表示需要检测波形的实部和虚部。
本发明结构简单，易于集成，处理速度较电学方法更加快速，能对电信号的傅里叶变换波形的幅度和相位进行表征，在雷达系统、无线通信、软件无线电等领域均可展现出较为广阔的应用前景。

Claims (4)

1.一种具有复数值输出的光学实时傅里叶变换的装置，其特征在于，包括锁模激光器(1)、第一段色散光纤(2)、马赫曾德尔调制器(3)、第二段色散光纤(6)、连续波激光器(7)、90度光学混合器(8)、第一平衡光电探测器(9)、第二平衡光电探测器(10)；所述的锁模激光器(1)、第一段色散光纤(2)、马赫曾德尔调制器(3)、第二段色散光纤(6)通过光纤依次连接，并将信号从90度光学混合器(8)的一个输入口输入；连续波激光器(7)产生连续的光信号则从90度光学混合器(8)的另一输入口输入，90度光学混合器(8)输出的四路信号分为两组分别进入第一平衡光电探测器(9)和第二平衡光电探测器(10)；
所述马赫曾德尔调制器(3)的一臂输入直流偏置电压和调制电信号；
调整直流偏置电压使马赫曾德尔调制器(3)工作在线性偏置点，调制电信号作为需要进行频谱分析的目标信号用于实时傅里叶变换；
第一段色散光纤(2)和第二段色散光纤(6)，两段光纤色散系数相反、长度相同。
2.如权利要求1所述具有复数值输出的光学实时傅里叶变换的装置，其特征在于，锁模激光器(1)产生时间宽度为90飞秒，对应频谱带宽为10THz的光信号。
3.如权利要求1-2任一项所述具有复数值输出的光学实时傅里叶变换的装置，其特征在于，所述的连续波激光器(7)用于产生强度稳定的光信号作为90度光学混合器(8)的参考信号。
4.一种具有复数值输出的光学实时傅里叶变换的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、锁模激光器(1)产生单个超短脉冲信号，经过第一段色散光纤(2)，使得脉冲信号在时域上进行展宽，即对信号进行了频率时间映射；
步骤二、信号经过马赫曾德尔调制器(3)，通过施加直流偏置电压和待频谱分析的调制信号进行强度调制；
步骤三、调制后的信号经由第二段色散光纤(6)，在时域上进行压缩，并输入到90度光学混合器(8)的输入端口；
步骤四、连续波激光器(7)产生参考信号，输入到90度光学混合器(8)的另一个输入端口；
步骤五、经由90度光学混合器(8)处理过后的信号从四个输出端输出并分两组各自输入到第一平衡光电探测器(9)和第二平衡光电探测器(10)，第一平衡光电探测器(9)和第二平衡光电探测器(10)的输出端口则分别得到所产生傅里叶变换波形的表示实部的电信号和表示虚部的电信号。
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