CN113300760B - 基于微波光子滤波器的分辨率可调光学传感解调装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微波光子滤波器的分辨率可调光学传感解调装置及方法，装置包括控制器和顺序连接的光源、光耦合器、微波光子滤波器以及网络分析仪；光源输出待解调的第一光信号；光耦合器用于将第一光信号分为第二光信号和第三光信号；微波光子滤波器接收第一电信号，处理后输出为第二电信号；网络分析仪输出第一电信号后，接收第二电信号，分析得到微波光子滤波器的频率响应特性；控制器用于分析光源信号即第三光信号，并根据光源信号信息调整可调延时线的长度，以实现持续的高分辨率解调。本发明装置具有结构简单且具有分辨率可调的特性，可以实现持续的高分辨率光学信号解调。
Description
技术领域
本发明属于信号解调领域，涉及一种基于微波光子滤波器的分辨率可调光学传感解调装置及方法。
背景技术
利用光学技术可以对外界环境变量实现更高灵敏度的传感，但在光学领域对光学信号的解调通常需要借助光谱仪，但是光谱仪的分辨率受限于其光学原理，通常只有0.02nm或者0.01nm的分辨率，而对于更高精度的传感解调来说这是无法满足的。相比较而言，电域的仪器具有更高的分辨率，因此将光学参量转换到电域进行测量可以充分利用电域仪器的高分辨率特性。而微波光子技术恰好能实现转换这一功能，微波光子滤波器成了一个很好的选择，但目前微波光子滤波器技术实现光学信息解调会面临随着测量范围范围变大分辨率下降的问题，这对于高分辨率的测量解调来说成为了一种局限。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于微波光子滤波器的分辨率可调光学传感解调装置及方法，实现在大光学信息范围下的持续高分辨解调，具有灵活简单的特性。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于微波光子滤波器的分辨率可调光学传感解调装置，包括控制器和顺序连接的光源、光耦合器、微波光子滤波器以及网络分析仪；
所述光源用于输出待解调的光信号，其信号为第一光信号，同时作为微波光子滤波器的光载波；
所述光耦合器用于将第一光信号分为第二光信号和第三光信号，第二光信号输入微波光子滤波器，第三光信号输入控制器；
所述微波光子滤波器包括单边带调制器、偏振控制器、光分束器、啁啾光纤光栅、可调延时线、光合束器以及光电探测器，啁啾光纤光栅和可调延时线为微波光子滤波器的两个抽头，微波光子滤波器接收第二光信号、第一电信号以及第三电信号，将处理后的第一电信号输出为第二电信号；
所述网络分析仪输出第一电信号到所述单边带调制器中并接收第二电信号进行分析，得到微波光子滤波器的频率响应特性；
所述控制器用于分析第三光信号，输出第三电信号到可调延时线，根据第三光信号信息调整可调延时线的长度，以实现持续的高分辨率解调。
进一步的，所述单边带调制器用于接收第二光信号和网络分析仪输出的第一电信号，将第一电信号调制到第二光信号上，并输出第四光信号；所述第四光信号是载波与正一阶或负一阶边带组成的单边带调制信号；
所述偏振控制器用于接收第四光信号并调整第四光信号的偏振方向，输出为第五光信号；
所述光分束器用于接收第五光信号，并将第五光信号分为第六光信号和第八光信号。
进一步的，所述啁啾光纤光栅为微波光子滤波器的第一个抽头，内部包含光纤环形器，用于接收第六光信号，输出为第七光信号；不同光波长的第六光信号将在啁啾光纤光栅内经历不同长度的路径；
所述光纤环形器用于接收第六光信号，并将其输入到啁啾光纤光栅，同时接收啁啾光纤光栅反射的光信号，并将反射回的光信号输出为第七光信号。
进一步的，所述可调延时线为微波光子滤波器的第二个抽头，其内部包含一段光纤，光纤长度根据实际进行调整，可调延时线用于接收第八光信号和控制器输出的第三电信号，其输出信号为第九光信号，调整可调延时线的长度即调整微波光子滤波器两个抽头的信号延时差。
进一步的，所述光合束器用于接收第七光信号和第九光信号，将两路信号合并为第十光信号输出；
所述光电探测器用于接收第十光信号并将其转换为第二电信号，同时作为微波光子滤波器的输出信号。
进一步的，所述光分束器实际器件为偏振分束器或光耦合器；所述光合束器的实际器件为偏振合束器或光耦合器；
所述光分束器和光合束器的实际器件组合效果需满足使第十信号光为具有垂直偏振态的两束光，因此实际器件的组合有：
光分束器为光耦合器和光合束器为偏振合束器；
光分束器为偏振分束器和光合束器为偏振合束器；
光分束器为偏振分束器和光合束器为光耦合器。
进一步的，所述微波光子滤波器频率响应中自由光谱范围变化率的公式为：
其中，D是啁啾光纤光栅的色散量，T是微波光子滤波器啁啾光纤光栅和可调延时线的延时差，Δλ是光波长改变量，N是微波光子滤波器频谱响应中陷波点阶数。
进一步的，根据微波光子滤波器频率响应中自由光谱范围变化率的公式得，随着两个抽头的延时差变大，自由光谱范围变化率也将变小，即解调分辨率下降；由于调整可调延时线的长度即调整两个抽头的延时差，重新改变分辨率，所以可通过根据控制器读取到的第三光信号中波长值来调整可调延时线的长度以实现持续高分辨率的解调或者仅是调整解调分辨率。
本发明还提供基于微波光子滤波器的分辨率可调光学传感解调方法，设有控制器和顺序连接的光源、光耦合器、微波光子滤波器以及网络分析仪，所述微波光子滤波器包括单边带调制器、偏振控制器、光分束器、啁啾光纤光栅、可调延时线、光合束器以及光电探测器，方法包括以下步骤：
光源产生用于输出待解调的光信号，其信号为第一光信号，同时作为微波光子滤波器的光载波；
光耦合器将第一光信号分为第二光信号和第三光信号，第二光信号输入微波光子滤波器，第三光信号输入控制器；
微波光子滤波器接收第二光信号、第一电信号以及第三电信号，将处理后的第一电信号输出为第二电信号；
网络分析仪输出第一电信号到所述单边带调制器中并接收第二电信号进行分析，得到微波光子滤波器的频率响应特性；
控制器分析第三光信号，并根据第三光信号信息调整可调延时线的长度，以实现持续的高分辨率解调。
进一步的，所述单边带调制器接收第二光信号和网络分析仪输出的第一电信号，将第一电信号调制到第二光信号上，并输出第四光信号；所述第四光信号是载波与正一阶或负一阶边带组成的单边带调制信号；
所述偏振控制器接收第四光信号并调整第四光信号的偏振方向，输出为第五光信号；
所述光分束器接收第五光信号，并将第五光信号分为第六光信号和第八光信号；
所述啁啾光纤光栅为微波光子滤波器的第一个抽头，内部包含光纤环形器，接收第六光信号，输出为第七光信号；不同光波长的第六光信号将在啁啾光纤光栅内经历不同长度的路径；
所述光纤环形器接收第六光信号，并将其输入到啁啾光纤光栅，同时接收啁啾光纤光栅反射的光信号，并将反射回的光信号输出为第七光信号；
所述可调延时线为微波光子滤波器的第二个抽头，其内部包含一段光纤，光纤长度根据实际进行调整，用于接收第八光信号和控制器输出的第三电信号，其输出信号为第九光信号；调整可调延时线的长度即调整微波光子滤波器两个抽头的信号延时差；
所述光合束器接收第七光信号和第九光信号，将两路信号合并为第十光信号输出；
所述光电探测器接收第十光信号并将其转换为第二电信号，同时作为微波光子滤波器的输出信号；
所述光分束器实际器件为偏振分束器或光耦合器；所述光合束器的实际器件为偏振合束器或光耦合器；
所述光分束器和光合束器的实际器件组合效果需满足使第十信号光为具有垂直偏振态的两束光，因此实际器件的组合有：
光分束器为光耦合器和光合束器为偏振合束器；
光分束器为偏振分束器和光合束器为偏振合束器；
光分束器为偏振分束器和光合束器为光耦合器。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明具有结构简单且具有分辨率可调的特性，可以实现持续的高分辨率光学信号解调；相比于其他方案更加灵活，更强的通用型，更强的实用性，同时还兼具光学系统的固有优势，如抗电磁干扰，成本低、重量轻、损耗低等，并且还引入控制器来实现对分辨率可调的控制反馈。
附图说明
图1是本发明装置的结构图；
图2是本发明装置的工作流程图；
图3是本发明装置在不同可调延时线长度时微波光子滤波器频谱响应的漂移量的实验结果；
附图标号说明：1-光源；2-光耦合器；3-微波光子滤波器；4-网络分析仪；5-控制器；31-单边带调制器；32-偏振控制器；33-光分束器；34-啁啾光纤光栅；35-可调延时线；36-光合束器；37-光电探测器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，基于微波光子滤波器的分辨率可调光学传感解调装置，包括控制器5和顺序连接的光源1、光耦合器2、微波光子滤波器3以及网络分析仪4；
所述光源用于产生光载波，其信号为第一光信号；
所述光耦合器用于将第一光信号分为第二光信号和第三光信号，第二光信号输入微波光子滤波器，第三光信号输入控制器；
所述微波光子滤波器包括单边带调制器31、偏振控制器32、光分束器33、啁啾光纤光栅34、可调延时线35、光合束器36以及光电探测器37，啁啾光纤光栅和可调延时线为微波光子滤波器的两个抽头，微波光子滤波器接收第二光信号、第一电信号以及第三电信号，将处理后的第一电信号输出为第二电信号；在本实施例中，单边带调制器具体为双平行马赫曾德尔调制器。
所述光分束器实际器件为偏振分束器或光耦合器；所述光合束器的实际器件为偏振合束器或光耦合器；所述光分束器和光合束器的实际器件组合效果需满足使第十信号光为具有垂直偏振态的两束光，因此实际器件的组合有：
光分束器为光耦合器和光合束器为偏振合束器；光分束器为偏振分束器和光合束器为偏振合束器；光分束器为偏振分束器和光合束器为光耦合器；在本实施例中，采用光分束器为偏振分束器和光合束器为光耦合器的组合。
所述网络分析仪输出第一电信号到所述单边带调制器中并接收第二电信号进行分析，通过分析第二电信号与第一电信号之间的区别得到微波光子滤波器的频率响应特性；
所述控制器5用于分析光源信号即第三光信号，并根据光源信号信息去自动或手动的调整可调延时线的长度，以实现持续的高分辨率解调。
在本实施例中，所述双平行马赫曾德尔调制器包括上下两路平行的MZM和移相器，所述第一偏置电压用于控制上路MZM，所述第二偏置电压用于控制下路MZM，所述第三偏置电压用于控制移相器；
所述双平行马赫曾德尔调制器用于接收第二光信号和网络分析仪输出的第一电信号，通过调整第一偏置电压、第二偏置电压、第三偏置电压的情况下工作于单边带调制状态，将第一电信号调制到第二光信号上，并输出为第四光信号；所述第四光信号是载波与正一阶或负一阶边带组成的单边带调制信号；
所述偏振控制器用于接收第四光信号并调整第四光信号的偏振方向，输出为第五光信号；通过调整偏振控制器调整第四光信号的偏振方向，可以实现无功率损耗的调整微波光子滤波器的抽头强度比。
所述偏振分束器用于接收第五光信号，并将第五光信号分为具有垂直偏振状态的两路光信号，即第六光信号和第八光信号；偏振分束器使微波光子滤波器的两个抽头(啁啾光纤光栅34和可调延时线35)中的光信号具有垂直偏振态来极大降低两路光信号之间的相干性，避免光干涉导致不稳定性。
所述啁啾光纤光栅为微波光子滤波器的第一个抽头，内部包含一光纤环形器，用于接收第六光信号，根据其原理，不同光波长的第六光信号将在啁啾光纤光栅内经历不同长度的路径，给不同波长的光信号引入不同的时间差；其信号输出为第七光信号；
所述光纤环形器用于接收第六光信号，并将其输入到啁啾光纤光栅，同时接收啁啾光纤光栅反射的光信号，并将反射回的光信号输出为第七光信号；
所述可调延时线为微波光子滤波器的第二个抽头，用于接收第八光信号和控制器输出的第三电信号，输出第九光信号；调整可调延迟线的长度就可以调整微波光子滤波器两个抽头的信号延时差，而通过改变微波光子滤波器两个抽头的延时差即是调整微波光子滤波器的频率响应。
所述光合束器用于接收第七光信号和第九光信号，将两路信号合并为第十光信号输出；在本实施例中，光合束器采用光耦合器。
所述光电探测器用于接收第十光信号并将其转换为第二电信号，同时作为微波光子滤波器的输出信号。
在本实施例中，所述微波光子滤波器频率响应中自由光谱范围变化率的公式为：
其中，D是啁啾光纤光栅的色散量，T是微波光子滤波器啁啾光纤光栅和可调延时线的延时差，Δλ是光波长改变量，N是微波光子滤波器频谱响应中陷波点阶数。
通过微波光子滤波器频率响应中自由光谱范围变化率的公式得，随着两个抽头的延时差变大(当光源信号波长范围变大时，通过啁啾光纤光栅引入的延时也将变大，所以两个抽头的延时差也会跟着变大)，自由光谱范围变化率也将变小，即解调分辨率下降；由于调整可调延时线的长度就可以调整两个抽头的延时差，重新改变分辨率，所以可通过根据控制器读取到的第三光信号中波长值来调整可调延时线的长度以实现持续高分辨率的解调或者仅是调整解调分辨率。
在本实施例中，所述光源即是包含了外界信息的待解调光学信号，并不局限于是单纵模或唯一偏振态的激光信号。
在本实施例中，所述可调延时线还包含一段光纤，光纤长度需要根据系统进行适当匹配，本实施例中选取长度为20.322米。
在本实施例中，所述控制器包含第三光信号的读取装置和输出第三电信号的装置；所述第三光信号读取装置并不限于是光电探测器一类，也可以是光谱仪等可以读取光学信息的装置；本实施例中第三光信号读取装置是光谱仪；所述输出第三电信号装置是根据光谱仪读取到的光学信息进行调整可调延时线延时。
如图3所示，是本发明的实验结果，显示了对于相同光波长变化，在设置不同分辨率(即可调延时线长度时)，微波光子滤波器频谱响应的漂移量呈现不同的变化率，因此得到了不同的分辨率。
基于上述实施例的所述光学传感解调装置，本发明还提供了一种基于微波光子滤波器的分辨率可调光学传感解调方法，如图2所示，方法包括以下步骤：
光源根据外界信息产生并输出相应波长光载波作为第一光信号；
光耦合器将第一光信号分为第二光信号和第三光信号，第二光信号输入微波光子滤波器，第三光信号输入控制器；
单边带调制器接收第二光信号和网络分析仪输出的第一电信号，将第一电信号调制到第二光信号上，并输出第四光信号；
偏振控制器接收第四光信号并调整第四光信号的偏振方向，输出为第五光信号；
光分束器接收第五光信号，并将第五光信号分为第六光信号和第八光信号；
啁啾光纤光栅接收第六光信号，对不同波长光信号产生不同延时，输出第七光信号；
可调延时线接收第八光信号，受控制器输出的第三电信号控制产生不同延时，输出第九光信号；
光合束器接收第七光信号和第九光信号，将两路信号合并为第十光信号输出；
光电探测器接收第十光信号并将其转换为第二电信号，作为微波光子滤波器的输出信号；
网络分析仪输出第一电信号到所述单边带调制器中并接收第二电信号进行分析，通过分析接收的第二电信号与输出的第一电信号之间的区别得到微波光子滤波器的频率响应特性；
控制器接收第三光信号，输出第三电信号，根据光源信号信息去自动或手动的调整可调延时线的延时，以实现持续的高分辨率解调。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.基于微波光子滤波器的分辨率可调光学传感解调装置，其特征在于，包括控制器和顺序连接的光源、光耦合器、微波光子滤波器以及网络分析仪；
所述光源用于输出待解调的光信号，其信号为第一光信号，同时作为微波光子滤波器的光载波；
所述光耦合器用于将第一光信号分为第二光信号和第三光信号，第二光信号输入微波光子滤波器，第三光信号输入控制器；
所述微波光子滤波器包括单边带调制器、偏振控制器、光分束器、啁啾光纤光栅、可调延时线、光合束器以及光电探测器，啁啾光纤光栅和可调延时线为微波光子滤波器的两个抽头，微波光子滤波器接收第二光信号、第一电信号以及第三电信号，将处理后的第一电信号输出为第二电信号；
所述网络分析仪输出第一电信号到所述单边带调制器中并接收第二电信号进行分析，得到微波光子滤波器的频率响应特性；
所述控制器用于分析第三光信号，输出第三电信号到可调延时线，根据第三光信号信息调整可调延时线的长度，以实现持续的高分辨率解调。
2.根据权利要求1所述的基于微波光子滤波器的分辨率可调光学传感解调装置，其特征在于，所述单边带调制器用于接收第二光信号和网络分析仪输出的第一电信号，将第一电信号调制到第二光信号上，并输出第四光信号；所述第四光信号是载波与正一阶或负一阶边带组成的单边带调制信号；
所述偏振控制器用于接收第四光信号并调整第四光信号的偏振方向，输出为第五光信号；
所述光分束器用于接收第五光信号，并将第五光信号分为第六光信号和第八光信号。
3.根据权利要求2所述的基于微波光子滤波器的分辨率可调光学传感解调装置，其特征在于，所述啁啾光纤光栅为微波光子滤波器的第一个抽头，内部包含光纤环形器，用于接收第六光信号，输出为第七光信号；不同光波长的第六光信号将在啁啾光纤光栅内经历不同长度的路径；
所述光纤环形器用于接收第六光信号，并将其输入到啁啾光纤光栅，同时接收啁啾光纤光栅反射的光信号，并将反射回的光信号输出为第七光信号。
4.根据权利要求2所述的基于微波光子滤波器的分辨率可调光学传感解调装置，其特征在于，所述可调延时线为微波光子滤波器的第二个抽头，其内部包含一段光纤，光纤长度根据实际进行调整，可调延时线用于接收第八光信号和控制器输出的第三电信号，其输出信号为第九光信号，调整可调延时线的长度即调整微波光子滤波器两个抽头的信号延时差。
5.根据权利要求3或4所述的基于微波光子滤波器的分辨率可调光学传感解调装置，其特征在于，所述光合束器用于接收第七光信号和第九光信号，将两路信号合并为第十光信号输出；
所述光电探测器用于接收第十光信号并将其转换为第二电信号，同时作为微波光子滤波器的输出信号。
6.根据权利要求5所述的基于微波光子滤波器的分辨率可调光学传感解调装置，其特征在于，所述光分束器实际器件为偏振分束器或光耦合器；所述光合束器的实际器件为偏振合束器或光耦合器；
所述光分束器和光合束器的实际器件组合效果需满足使第十信号光为具有垂直偏振态的两束光，因此实际器件的组合有：
光分束器为光耦合器和光合束器为偏振合束器；
光分束器为偏振分束器和光合束器为偏振合束器；
光分束器为偏振分束器和光合束器为光耦合器。
7.根据权利要求1所述的基于微波光子滤波器的分辨率可调光学传感解调装置，其特征在于，所述微波光子滤波器频率响应中自由光谱范围变化率的公式为：
其中，D是啁啾光纤光栅的色散量，T是微波光子滤波器啁啾光纤光栅和可调延时线的延时差，Δλ是光波长改变量，N是微波光子滤波器频谱响应中陷波点阶数。
8.根据权利要求7所述的基于微波光子滤波器的分辨率可调光学传感解调装置，其特征在于，根据微波光子滤波器频率响应中自由光谱范围变化率的公式得，随着两个抽头的延时差变大，自由光谱范围变化率也将变小，即解调分辨率下降；由于调整可调延时线的长度即调整两个抽头的延时差，重新改变分辨率，所以可通过根据控制器读取到的第三光信号中波长值来调整可调延时线的长度以实现持续高分辨率的解调或者仅是调整解调分辨率。
9.基于微波光子滤波器的分辨率可调光学传感解调方法，其特征在于，设有控制器和顺序连接的光源、光耦合器、微波光子滤波器以及网络分析仪，所述微波光子滤波器包括单边带调制器、偏振控制器、光分束器、啁啾光纤光栅、可调延时线、光合束器以及光电探测器，包括以下步骤：
光源产生用于输出待解调的光信号，其信号为第一光信号，同时作为微波光子滤波器的光载波；
光耦合器将第一光信号分为第二光信号和第三光信号，第二光信号输入微波光子滤波器，第三光信号输入控制器；
微波光子滤波器接收第二光信号、第一电信号以及第三电信号，将处理后的第一电信号输出为第二电信号；
网络分析仪输出第一电信号到所述单边带调制器中并接收第二电信号进行分析，得到微波光子滤波器的频率响应特性；
控制器分析第三光信号，并根据第三光信号信息调整可调延时线的长度，以实现持续的高分辨率解调；
所述单边带调制器接收第二光信号和网络分析仪输出的第一电信号，将第一电信号调制到第二光信号上，并输出第四光信号；所述第四光信号是载波与正一阶或负一阶边带组成的单边带调制信号；
所述偏振控制器接收第四光信号并调整第四光信号的偏振方向，输出为第五光信号；
所述光分束器接收第五光信号，并将第五光信号分为第六光信号和第八光信号；
所述啁啾光纤光栅为微波光子滤波器的第一个抽头，内部包含光纤环形器，接收第六光信号，输出为第七光信号；不同光波长的第六光信号将在啁啾光纤光栅内经历不同长度的路径；
所述光纤环形器接收第六光信号，并将其输入到啁啾光纤光栅，同时接收啁啾光纤光栅反射的光信号，并将反射回的光信号输出为第七光信号；
所述可调延时线为微波光子滤波器的第二个抽头，其内部包含一段光纤，光纤长度根据实际进行调整，用于接收第八光信号和控制器输出的第三电信号，其输出信号为第九光信号；调整可调延时线的长度即调整微波光子滤波器两个抽头的信号延时差；
所述光合束器接收第七光信号和第九光信号，将两路信号合并为第十光信号输出；
所述光电探测器接收第十光信号并将其转换为第二电信号，同时作为微波光子滤波器的输出信号；
所述光分束器实际器件为偏振分束器或光耦合器；所述光合束器的实际器件为偏振合束器或光耦合器；
所述光分束器和光合束器的实际器件组合效果需满足使第十信号光为具有垂直偏振态的两束光，因此实际器件的组合有：
光分束器为光耦合器和光合束器为偏振合束器；
光分束器为偏振分束器和光合束器为偏振合束器；
光分束器为偏振分束器和光合束器为光耦合器。
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