CN113219258A - 一种基于光学移频环路的实时射频相关器及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电技术领域，涉及基于光学移频环路的实时射频相关器及其实现方法。本发明利用移频环结构实现光学宽带射频相关器，基于光学移频环路进行对线性调频信号的分数阶离散傅里叶变换，能够产生连续可调谐的等效群速度色散，实现对线性调频信号的脉冲压缩，并能在模拟域内实时对线性调频信号的高速实时啁啾率测量。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种基于光学移频环路的实时射频相 关器及其实现方法。
背景技术
微波信号的测量及分析在军用、民用领域中有着重要战略地位和重大需求， 并随着通信、雷达、电子对抗中工作频率的不断攀升而面临着前所未有的挑战。 近年来以微波光子学为基础的光子型微波信号测量技术应运而生，因其在瞬时 带宽、抗电磁干扰方面有着显著优势，得到了长足发展，并具有重要的理论意 义和实用价值。
微波信号识别是电子战中的一项关键技术，在传统的基于电子技术的微波 测量中，由于电子瓶颈的存在，工作带宽有限，在较大的频率范围内响应速度 普遍较慢。为了解决这一问题，近年来人们提出了各种光子辅助微波测量方法。 基于频率-功率映射、频率-时间映射和光辅助信道化等方式都可以实现大范围 的快速光子辅助微波信号测量。然而，在啁啾率测量方面，精度普遍较低，工 作带宽较小，这是由于滤波器的粗分辨率造成的。
此外，对于模拟射频信号处理和滤波方面，实时傅里叶变换(Real Time FourierTransform，RTFT)是一种十分重要的手段，但是当需要分析频谱与时 间有关的信号时，它的用途却有限，特别是对于啁啾射频波形。相反,分数阶傅 里叶变换(Fractional FourierTransform，FrFT)能够将信号分解为一组线性 啁啾函数的连续基，提供了傅里叶变换的一个泛化形式，成为了一种用于分析 具有时变频谱的信号过程的有价值的工具。在这一方面，近年来国内外也有一 些相关的研究。早期的FrFT是通过空间光学实现的，利用菲涅耳衍射和夫琅禾 费衍射分别实现FT和FrFT。在这些方案中，可以通过改变传播距离来简单地调 整FrFT的阶数。然而，其庞大的架构限制了应用。此外，基于时空对偶二元性， FrFT还可以应用在时间域,利用大群速度色散的光纤或采用啁啾光纤布拉格光 栅作为介质的线性传播实现时间衍射,和通过可变时间透镜实现了相位调制来 调控FrFT的阶数。这些方案的主要缺点是在时间透镜的时间孔径较窄(一般在 1ns以下)，频率分辨率有限(一般在1GHz以上),这并不有利于实现对长时间信 号的高分辨率处理分析。
综上所述，现有的分数阶傅里叶变换方案无法同时实现高精度、宽带和阶 数可调谐的功能，而基于移频环结构实现离散的分数阶傅里叶变换达到对线性 调频信号啁啾率测量的方案，通过在频域和时域同时移位的一系列信号副本的 重叠实现了一个巨大的等效色散，通过改变环路的频移可以简单地调整频响的 阶数。具有测量频率分辨率较高，啁啾率测量精度较高，工作带宽较大等众多 优势，可以实现长时间微波信号的实时啁啾率测量，这也是本发明要解决的关 键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的基于光学移频环路的实时射频相关器及其 实现方法，该方法中，光学移频环路一般由四部分组成：光耦合器、声光移频 器、光放大器和光可调滤波器。光信号在环内往返一圈的时间为τc，声光移频器 每次移频量为fs，光放大器增益被插入到回路中，以补偿环内损耗并增加光子寿 命，而光耦合器可以输入光信号到环路中并提取环内光场的一部分输出，光学 移频环路的本质可等效为(离散)群速度色散，实现沿时域和频域同时移位的多 个信号副本的叠加的功能，且阶数由移频量fs自由调谐，从而在模拟域内实现对 线性调频信号的高精度实时分数阶傅里叶变换。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于光学移频环路的实时射频相关器，其特征在于，包括窄线宽激光 器、电光调制器、光学移频环路、光电探测器和实时示波器，所述窄线宽激光 器与所述电光调制器连接，所述电光调制器的输出端与光耦合器输入端a连接；
所述光学移频环路，其特征在于，包括光耦合器、环内偏振控制器、声光 移频器、光放大器、光滤波器。
所述光学移频环路中，所述光耦合器由a端口向移频环路注入信号光，光耦 合器c端口与环内偏振控制器输入端连接，环内偏振控制器输出端与声光移频器 输入端连接，声光移频器输出端与光放大器输入端连接，光放大器输出端与光 滤波器输入端连接，光滤波器输出端与光耦合器b输入端连接。
所述光耦合器由d端口提取环内信号，并与光电探测器输入端连接，所述光 电探测器输出端与实时示波器输入端连接。
一种基于光学移频环路的实时射频相关器的实现方法，其特征在于，包括 以下步骤：
S1：通过电光强度调制器将待处理的线性调频信号调制到光载波的包络上， 并通过调节加载在调制器上的电压控制偏置点，使入环光功率较小。
S2:待处理信号依次经过光学移频环路、光电探测器、实时示波器，在调试 完成后，在实时示波器时域上可以获得脉冲压缩效果及啁啾率测试结果。
S3:对啁啾率测试结果进行算法分析重构，可获得最终的输入信号的啁啾率 参数分析结果。
进一步的，步骤S2包括以下子步骤：
S201：所述光学移频环路自身具有的自由光谱范围为
由光学移频环 路环长τc决定，环路移频量fs由加载在声光移频器上的微波频率决定，通过调节 合适的移频量fs完成分数阶傅里叶变换。
S202:所述光放大器需要合理设置以补偿环内功率衰减损耗，所述光滤波器 需要合理设置以控制环路有效循环次数并滤除带外噪声。
S203:所述光学移频环路的分数阶傅里叶变换输出结果经过光电探测器和 实时示波器后，在时域上获得脉冲压缩结果，对应脉冲串时域间隔为Δt。
进一步的，在步骤S3中，算法分析的方法为：
调节环内参数达到分数阶傅里叶变换时，对线性调频信号起到脉冲压缩效 果，实时示波器上为峰值功率最高且脉宽最短的一系列脉冲串信号，此时脉冲 时域间隔为Δt，此时对应重复频率恰好为
待测信号啁啾率a与移频量fs之 间的关系为
本发明的有益技术效果是：采用光学移频环路结构，实现对线性调频信号 的高精度实时分数阶傅里叶变换、实现啁啾率测量的宽带且阶数可调谐功能的 射频相关器。
附图说明
图1为本发明的一种基于光学移频环路的实时射频相关器框架结构示意图。
图2为本发明的实施例1的结构示意图；
其中，窄线宽激光器1、电光调制器2、光学移频环路包括：2×2光耦合器3、 环内偏振控制器4、声光移频器5、光放大器6、光滤波器7，以及光电探测器8、 实时示波器9。
图3为本发明的实施例中实验中输入四种不同啁啾率的线性调频信号时示 波器通道输出的信号时域图。其中，图3-1中线性调频信号啁啾率为a1＝9.91MHz/μs，对应重复频率为17fc；图3-2中线性调频信号啁啾率为 a2＝33.45MHz/μs，对应重复频率为16fc；图3-3中线性调频信号啁啾率为 a3＝56.99MHz/μs，对应重复频率为15fc；图3-4中线性调频信号啁啾率为 a4＝-9.91MHz/μs，对应重复频率为17fc。图3-5为脉冲压缩实现时的单个脉冲的细 节图，脉冲半高宽度约为300ps。
图4为本发明的实施例中仿真中针对实验条件下啁啾率无法产生却在测量 范围内的四种线性调频信号输入时示波器通道输出的信号时域图。其中，图4-1 中线性调频信号啁啾率为a5＝290.729MHz/μs，对应重复频率为5fc；图4-2中线性调 频信号啁啾率为a6＝382.017MHz/μs，对应重复频率为fc；图4-3中线性调频信号啁 啾率为a7＝-541.519MHz/μs，对应重复频率为40fc；图4-4中线性调频信号啁啾率为 a8＝-9021.999MHz/μs，对应重复频率为400fc。
具体实施方式
以下结合附图1-4对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，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 于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图2所示，窄线宽激光器1、电光调制器2、光学移频环路包括：2×2光耦 合器3、环内偏振控制器4、声光移频器5、光放大器6、光滤波器7，以及光电探 测器8、实时示波器9。所述的窄线宽激光器1产生直流光载波，通过电光调制器 2将待处理的线性调频信号调制在光载波的包络上；所述的电光调制器2偏置点 电压需要根据环内增益和损耗进行调节，其输出与光纤耦合器3的输入端a口连 接；光纤耦合器输入端a口用于将加载有调制信号的光输入注入光学移频环路， 光纤耦合器3的c端口连接偏振控制器4输入端，可以对环内两种偏振态进行调 节。偏振控制器4输出端与声光移频器5输入端连接，通过微波源将移频信号加 载在光纤移频器5上实现移频量为fs，增大微波功率对减小声光移频器插损有益。 声光移频器5输出端与光放大器6输入端连接，光放大器补偿能量损耗，并保证 环路净增益在0dB以下，以避免产生自激振荡。光放大器6输出端与光滤波器7连 接，光带通滤波器带宽决定最大循环圈数，并滤除由光放大器6产生的带外自发 辐射噪声。光滤波器7与光耦合器3输入口b连接，构成光学移频环路。此时光学 移频环路每循环一圈就会引入了延迟量τc(环路对应的自由光谱范围为
)并 移频fs。同时，c端口输入的信号再次进入环路进行下一次的移频和延时，d端口 与光电探测器输入端连接，提取环内光场，即为输入光信号多次移频和延时后 的相干叠加，从而获得巨大的等效群速度色散，从而实现对输入信号的实时分 数阶傅里叶变换输出，对线性调频信号实现脉冲压缩功能，压缩结果为一系列 间隔为Δt的脉冲串，对应重复频率恰好为
当对输入线性调频信号啁啾率进行测量时，需要让移频量fs在nfc附近±fc范围内扫频(其中n为正整数)，当调节环内参数使得实时示波器上输出脉冲串峰值功 率最大且脉宽最窄时，可以在时域上获得脉冲压缩结果，并获得对应脉冲串时 域间隔为Δt，此时对应重复频率恰好为
若声光移频器为正向移频，则输 入信号的啁啾率a可以通过
计算恢复得到，且值得注意的是，若线性调频 信号为正啁啾，则可测啁啾率范围应该为n＝1时取得0～(fs-fc)fc，若线性调频信 号为负啁啾，则可测啁啾率范围由移频环所能产生的脉冲半高宽的极限δτ决定， 令移频环所能产生的光频梳3dB带宽为Δω，则有
可测啁啾率范围为 
若声光移频器为负向移频，则输入信号的啁啾率a可以通过
计算恢复得到，且值得注意的是，若线性调频信号为负啁啾，则可测啁啾率范 围应该为n＝1时取得，可测啁啾率范围为(fc-fs)/fs～0，若线性调频信号为正啁啾， 则可测啁啾率范围由移频环所能产生的脉冲半高宽的极限δτ决定，令移频环所 能的光频梳3dB带宽为Δω，则有
可测啁啾率范围为
利用图2所示的光学移频环路结构，能够引入频移和延时实现巨大的等效色 散，达到离散分数阶傅里叶变换的效果，进而实现对线性调频信号的脉冲压缩 及实时啁啾率测量。同时由于环路移频量fs与自由光谱范围fc的相对自由可调谐， 当fs满足为fc整数倍时，还能实现频时映射的效果，可用于实现微波信号的实时 频谱分析。
下面在实施例的基础上，结合图3至图4，用实验即仿真结果为例进一步说明本发明。
本实施例在实验中的窄线宽光源采用中心波长为1550nm的DFB激光器，实际 线宽约为70kHz，控制窄线宽激光器输出功率为-5dBm,此时入环光功率约为 -15dBm，实验采用20GHz带宽MZM调制器，所测线性调频信号通过强度调制加载 在光信号上，调制器半波电压约为3V,加直流电压使其工作在线性点。光学移频 环路的环长为206.109ns，对应自由光谱范围fc＝4.8518MHz。通过一支50:50光耦 合器注入和提取光信号，声光移频器为正向移频，且由微波源提供移频信号,为 减小环内损耗，微波源输出的微波信号会先由微波功率放大器放大至30dBm再输 入声光移频器，此时声光移频器插损较小，为2.8dB。掺铒光纤放大器在环路中 补偿能量损耗，并保证环路净增益在0dB以下，以避免产生自激振荡。为减少带 入环路的噪声，实验采用前置放大器，增益电流为98mA。光带通滤波器决定最 大循环圈数，并滤除由光放大器产生的带外自发辐射噪声，实验中带宽设置为 12.5GHz,插损约为8dB。图3(1-4)为所测线性调频信号啁啾率分别为 a1＝9.91MHz/μs、a2＝33.45MHz/μs、a3＝56.99MHz/μs、a4＝-9.91MHz/μs时，系统测量啁 啾率时实时示波器上产生脉冲串的情况。此时输出脉冲峰值最大、脉宽最窄， 脉冲压缩的效果如图3-5所示，单个脉冲的半高宽度约为300ps，脉冲压缩效果 较好。且脉冲重复频率分别为17fc，16fc，15fc，17fc，符合理论结果。结合分别 对应的移频量fs为84.485MHz，84.462MHz，84.461MHz，80.536MHz。利用恢复算法计算可得到a’1＝-9.74MHz/μs,a’2＝33.05MHz/μs,a’3＝56.7MHz/μs,a’4＝-9.49MHz/μs。 整体绝对误差Δa＜0.5MHz/μs，误差来源于读数误差和fs的判断标准。由于实验条 件无法产生整个可测啁啾范围的线性调频信号，下面结合仿真分析啁啾率测量 的其他情况。
在信号啁啾率分析的仿真中，声光移频器的移频量在理论值82.4806MHz附 近扫频，具体扫频范围为[77.6288，87.3324]MHz。当输出脉冲峰值最大、脉宽 最窄时，时域上获得脉冲压缩结果，并获得对应脉冲串时域间隔为Δt，此时对应 重复频率恰好为
仿真中按实际实验设备编写相关参数，声光移频器为 正向移频，则输入信号的啁啾率a可以通过
计算恢复得到，如图4所示， 所测线性调频信号啁啾率分别为a5＝290.729MHz/μs、a6＝382.017MHz/μs、 a7＝-541.519MHz/μs、a8＝-0.9021.999MHz/μs时，系统仿真得到测量啁啾率时实时示波 器上产生脉冲串的情况。此时输出脉冲峰值最大、脉宽最窄，且脉冲重复频率 分别为5fc，1fc，40fc，400fc。结合分别对应的移频量为84.181MHz，83.589MHz，82.460MHz，81.204MHz。利用恢复算法计算可得到 a’5＝290.729MHz/μs,a’6＝382.017MHz/μs,a’7＝-541.519MHz/μs,a’8＝-9021.999MHz/μs。仿真 结果显示，对于啁啾率测量范围的线性调频信号，均能取得啁啾率测量的效果， 影响实际测量结果的因素在于线性调频信号的持续时间需要大于一定循环次数 乘上环长，这样在相干叠加时才能产生稳定的时域脉冲信号。
Claims (5)
1.一种基于光学移频环路的实时射频相关器，其特征在于，包括窄线宽激光器、电光调制器、光学移频环路、光电探测器和实时示波器，所述窄线宽激光器与所述电光调制器连接，所述电光调制器的输出端与光耦合器输入端a连接；
2.根据权利要求1所述光学移频环路，其特征在于，包括光耦合器、环内偏振控制器、声光移频器、光放大器、光滤波器。
所述光学移频环路中，所述光耦合器由a端口向移频环路注入信号光，光耦合器c端口与环内偏振控制器输入端连接，环内偏振控制器输出端与声光移频器输入端连接，声光移频器输出端与光放大器输入端连接，光放大器输出端与光滤波器输入端连接，光滤波器输出端与光耦合器b输入端连接。
所述光耦合器由d端口提取环内信号，并与光电探测器输入端连接，所述光电探测器输出端与实时示波器输入端连接。
3.一种基于光学移频环路的实时射频相关器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过电光强度调制器将待处理的线性调频信号调制到光载波的包络上，并通过调节加载在调制器上的电压控制偏置点，使入环光功率较小。
S2:待处理信号依次经过光学移频环路、光电探测器、实时示波器，在调试完成后，在实时示波器时域上可以获得脉冲压缩效果及啁啾率测试结果。
S3:对啁啾率测试结果进行算法分析重构，可获得最终的输入信号的啁啾率参数分析结果。
4.根据权利要求3所述的一种基于光学移频环路的实时射频相关器的实现方法，其特征在于，步骤S2包括以下子步骤：
S201：所述光学移频环路自身具有的自由光谱范围为
由光学移频环路环长τc决定，环路移频量fs由加载在声光移频器上的微波频率决定，通过调节合适的移频量fs完成分数阶傅里叶变换。
S202:所述光放大器需要合理设置增益以补偿环内功率衰减损耗，所述光滤波器需要合理设置以控制环路有效循环次数并滤除带外噪声。
S203:所述光学移频环路的分数阶傅里叶变换输出结果经过光电探测器和实时示波器后，在时域上获得脉冲压缩结果，对应脉冲串时域间隔为Δt。
5.根据权利要求3所述的一种基于光学移频环路的实时射频相关器的实现方法，其特征在于，在步骤S3中，算法分析的方法为：
调节环内参数达到分数阶傅里叶变换时，对线性调频信号起到脉冲压缩效果，实时示波器上为峰值功率最高且脉宽最短的一系列脉冲串信号，此时脉冲时域间隔为Δt，此时对应重复频率恰好为
待测信号啁啾率a与移频量fs之间的关系为
(正向移频)。
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