CN113759172B - 基于微波频率梳的宽带、实时微波光子频率测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于微波频率梳的宽带、实时微波信号实时频率测量装置和方法，该装置利用微波频率梳生成模块生成频率间隔可调、单根梳齿幅度可控的微波频率梳作为受激布里渊散射效应中的泵浦信号，利用受激布里渊散射效应的增益谱与衰减谱的同时作用于已知带宽和频率的扫频信号，实现增益与频率的映射关系，该方案可以实时的对待测信号的频率进行测量，并且由于增益与衰减的比值关系，可以消除待测信号功率起伏对测量精度的影响。
Description
技术领域
本发明涉及宽带微波光子频率测量系统，具体是一种基于微波频率梳的宽带、实时微波光子频率测量装置及方法。
背景技术
电子侦察主要目的是获取敌方电磁辐射信号的频率、功率、调制、方向和距离等信息，并对敌方目标进行识别、分析和定位，为占据军事非对称优势提供重要情报支持。其中电磁辐射信号的频率信息至关重要，是决定能否成功夺取制电磁权的首要因素。因此，用于侦获电磁辐射信号频率信息的瞬时频率测量技术被视为电子战的“眼睛”和“耳朵”。随着战场电磁环境变得更加密集、复杂和捷变。具备更宽工作带宽、更快响应速度以及能够探测更多信号类型的瞬时频率测量技术至关重要。此外，瞬时频率测量技术在高分辨率传感、高速通信、太空探测以及搜索靶标导航等民用领域也具有重要应用。
当前瞬时频率测量主要采用混频或信道化接收等电子技术来实现，具有高分辨率和高灵活性特征，但受电子器件带宽瓶颈限制，存在频带范围窄、瞬时带宽小、抗电磁干扰能力差等缺点。且目前主要通过牺牲硬件、计算或时间资源来换取高精度，给系统体积、成本和功耗带来挑战。相比之下，基于微波光子技术的瞬时频率测量技术将微波技术精细灵活与光子技术高速宽带有机结合，具有频带范围宽、带宽潜力大、功耗低及抗电磁干扰能力强等优点，能够满足现代化电子战争的需求。龙鑫等【Xin Long,Weiwen Zou,and JianpingChen,“Broadband instantaneous frequency measurement based on stimulatedBrillouin scattering,”Optics Express,vol.25,no.3,pp.2206-2214,2017.】提出了一种基于受激布里渊散射的瞬时频率测量方法，实现了对宽带微波信号的瞬时频率测量。然而，该方法没有解决实时测量的问题，不适用于电子战等需要对敌方微波信号进行实时截取和处理，进而需要马上采取相应的干扰和打击等措施的应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有微波光子测频技术的不足，提出一种基于微波频率梳的宽带微波信号实时频率测量装置和方法，该装置利用微波频率梳生成模块生成频率间隔可调、单根梳齿幅度可控的微波频率梳作为受激布里渊散射效应中的泵浦信号，利用受激布里渊散射效应的增益谱与衰减谱同时作用于已知带宽和频率的扫频信号，实现布里渊增益与频率的映射关系，得到增益与频率的变化曲线(即ACF曲线)，然后借助该ACF曲线实现对待测信号的测量，该方案在获得ACF曲线后，可以实时的对待测信号的频率进行测量，并且由于增益与衰减的比值关系，可以消除待测信号功率起伏对测量精度的影响。
本发明的技术方案如下：
一种基于微波频率梳的宽带、实时微波光子频率测量装置，其特点在于包括光源模块，第一光功分模块、第二光功分模块，第一偏振控制模块、第二偏振控制模块、第三偏振控制模块、第四偏振控制模块、第一光电调制模块、第二光电调制模块、第一光放大模块、第二光放大模块、第一环形器模块、第二环形器模块、第一探测模块、第二探测模块、光纤、第一光滤波模块、第二光滤波模块、数字信号处理模块和微波频率梳信号产生模块；
所述光源模块的输出端与所述的第一光功分模块的输入端相连，该第一光功分模块的第一输出端与所述的第一偏振控制模块的输入端相连，该第一偏振控制模块的输出端与所述的第一光电调制模块的输入端相连，该第一光电调制模块的输出端与所述的第一光放大模块的输入端相连，该第一光放大模块的输出端与所述的第二偏振控制模块的输入端相连，该第二偏振控制模块的输出端与所述的第一环形器模块的1端口相连，该第一环形器模块的2端口与光纤的一端相连，所述的第一光功分模块的第二输出端与所述的第三偏振控制模块的输入端相连，该第三偏振控制模块的输出端与所述的第二光电调制模块的的输入端相连，该第二光电调制模块的输出端与所述的第二光放大模块的输入端相连，该第二光放大模块的输出端与所述的第四偏振控制模块的输入端相连，该第四偏振控制模块(11)的输出端与所述的第二环形器模块的1端口相连，该第二环形器模块的2端口与光纤的另一端相连；
所述的第二环形器模块的3端口与所述的第二光功分模块的输入端口相连，该第二光功分模块的输出端分别与所述的第一光滤波模块和第二光滤波模块的输入端相连，所述的第一光滤波模块的输出端经第一探测模块与数字信号处理模块的第一输入端相连，所述的第二光滤波模块的输出端经第二探测模块与数字信号处理模块的第二输入端相连；
所述的微波频率梳产生模块的输出端与光电调制模块的射频信号输入端相连；该微波频率梳产生模块生成的频率梳满足频率间隔可调谐，单根梳齿幅度可调谐；
所述的第一环形器模块的3端口与光谱仪或探测仪相连，在初次设置时用以观测泵浦光和探测光的频谱情况。
一种如上述基于微波频率梳的宽带、实时微波光子频率测量装置的测量方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：
步骤1.由光源模块输出光信号经第一光功分模块分为上下二路，即泵浦光信号和探测光信号；
步骤2.由微波频率梳产生模块的1通道产生的频率间隔小于所述光纤的布里渊增益谱(BGS)线宽、幅度单调变化的微波频率梳信号，通过第一光电调制模块加载到由所述的光源模块产生的泵浦光信号上；经所述的第一光放大模块放大，通过所述的第二偏振控制模块进行偏振态控制后，经由第一环形器模块的1端口进入、2端口输出至光纤的一端；
步骤3.由微波频率梳产生模块的2通道产生的带宽大于待测信号带宽且小于布里渊频移(BFS)、载频等于布里渊频移的线性调频信号，通过第二光电调制模块加载到由光源模块产生的探测光信号上；经所述的第二光放大模块放大，通过所述的第四偏振控制模块进行偏振态控制后，经由第二环形器模块的1端口进入、2端口输出至光纤的另一端；
步骤4.经调制偏振态后的泵浦光信号和探测光信号在光纤中发生受激布里渊散射效应，探测光频谱中的低频分量被放大，高频分量被衰减；
步骤5.由第二环形器模块的3端口输出的被增益和衰减的探测光信号经过第二光功分模块分为两路，一路通过第一光滤波模块滤出被增益放大的低频段信号，经第一探测模块得到电信号，并输入至数字信号处理模块；另一路通过第二光滤波模块滤出被衰减减小的高频段信号，经第二探测模块得到电信号，并输入至数字信号处理模块。
步骤6.所述的数字信号处理模块进行点对点比值处理，得到增益与频率的映射关系曲线(ACF)；
步骤7.将所述的线性调频信号替换为待测微波信号进入第二光电调制模块，重复步骤4-7，得到的增益与ACF曲线进行比对得到待测信号的频率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：实时的测量接收到的待测频率信号，而现有技术都是基于将待测信号完整取下之后进行的周期性频率侦测。本发明将频率梳创造性的应用于受激布里渊散射效应测频系统尚属首次，解决了测频的实时性问题，而且将频率梳应用于此解决该问题具备突出的实质性测频特点和超出常规的技术效果。
附图说明
图1为本发明实施例的整体架构图
图2为本发明测频原理频谱示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步限定，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1为本发明实施例的整体架构图，如图所示，
1)光源模块1产生窄线宽激光光波，光波被光功分模块2分为上下两支路，功分模块可以是50:50的光耦合器；上支路作为泵浦光，下支路作为探测光；
2)由微波频率梳产生模块20的1通道产生频率间隔小于光纤13的布里渊增益谱谱宽的、幅度单调变化的微波频率梳信号通过第一光电调制模块4加载到由光源模块1产生的泵浦光信号上；
3)由步骤3产生的泵浦光信号经过光放大模块5进行放大，并经过第三偏振控制模块6进行偏振态控制，经由第一环形器模块7的1端口进入，从2端口输出进入光纤13中；所述的第一环形器模块7的3口输出端与光谱仪或探测模块相连，在初次设置时用以观测泵浦光和探测光的频谱情况；
4)系统开机第一次由微波频率梳产生模块20的2通道产生的具有大于待测信号带宽且小于布里渊频移(BFS)、载频等于布里渊频移的已知参数线性调频信号经过第二光电调制模块9加载到由光源模1产生的探测光信号上进行测频曲线的标定；
5)由步骤4产生的探测光信号经过第二光放大模块10进行放大，并经过第四偏振控制模块11进行偏振态控制，经由第二环形器模块12的1端口进入，从2端口输出进入光纤13的另一端；
6)由步骤3和步骤5生成的泵浦光信号和探测光信号在光纤13中发生受激布里渊散射效应，探测光频谱中的低频分量被放大，高频分量被衰减；
7)由第二环形器模块12的3端口输出的分别被增益和衰减的探测光信号经过第二光功分模块14分为两路，一路通过第一光滤波模块15，一路通过第二光滤波模块17，分别滤出被增益放大的低频段信号和被衰减减小的高频段信号；
8)由步骤7得到的两路光信号分别经过第一探测模块16和第二探测模块18，得到电信号，两路电信号输入数字信号处理模块19进行点对点比值处理，得到增益与频率的映射关系曲线(ACF)；
8)将步骤4中的线性调频信号替换为待测信号，重复步骤4-7，得到的增益与ACF曲线进行比对得到待测信号的频率。
系统中频谱的相互作用过程如图2所示，由微波频率梳产生模块20产生的微波频率梳经由第一光电调制模块4调制在泵浦光的两侧，一侧作为布里渊增益源，另一侧作为布里渊衰减源，增益源与衰减源分别与步骤4生成的线性调频信号进行反应，经由第一滤波器模块15和第二滤波器模块17滤出的增益信号与衰减信号通过数字信号处理模块19进行比值处理，作用后产生的比值与频率的对应关系作为ACF曲线，为后面的未知信号测频提供比对依据。
微波频率梳产生模块20是基于任意波形发生器产生的经过特定编码而产生的，任意波形发生器是购买得到的，但是特定编码的微波频率梳是根据该测频系统特定设计的，并非是常规或购买得到的。另外，待测信号从模块9射频输入端输入。光源模块可以是半导体激光器，输出波长1550nm、1480nm、1310nm、980nm等；调制器模块可以是强度调制器、单边带调制器等；光源放大模块可以是掺铒光纤放大器、SOA等；光滤波模块可以是有源光滤波器、无源光滤波器；光电探测模块可以是带宽为50MHz-20GHz的任意探测器。本发明可以实时的测量接收到的待测频率信号。
Claims (2)
1.一种基于微波频率梳的宽带、实时微波光子频率测量装置，其特征在于包括光源模块(1)，第一光功分模块(2)、第二光功分模块(14)，第一偏振控制模块(3)、第二偏振控制模块(6)、第三偏振控制模块(8)、第四偏振控制模块(11)、第一光电调制模块(4)、第二光电调制模块(9)、第一光放大模块(5)、第二光放大模块(10)、第一环形器模块(7)、第二环形器模块(12)、第一探测模块(16)、第二探测模块(18)、光纤(13)、第一光滤波模块(15)、第二光滤波模块(17)、数字信号处理模块(19)和微波频率梳产生模块(20)；
所述光源模块(1)的输出端与所述的第一光功分模块(2)的输入端相连，该第一光功分模块(2)的第一输出端与所述的第一偏振控制模块(3)的输入端相连，该第一偏振控制模块(3)的输出端与所述的第一光电调制模块(4)的输入端相连，该第一光电调制模块(4)的输出端与所述的第一光放大模块(5)的输入端相连，该第一光放大模块(5)的输出端与所述的第二偏振控制模块(6)的输入端相连，该第二偏振控制模块(6)的输出端与所述的第一环形器模块(7)的1端口相连，该第一环形器模块(7)的2端口与光纤(13)的一端相连，所述的第一光功分模块(2)的第二输出端与所述的第三偏振控制模块(8)的输入端相连，该第三偏振控制模块(8)的输出端与所述的第二光电调制模块(9)的输入端相连，该第二光电调制模块(9)的输出端与所述的第二光放大模块(10)的输入端相连，该第二光放大模块(10)的输出端与所述的第四偏振控制模块(11)的输入端相连，该第四偏振控制模块(11)的输出端与所述的第二环形器模块(12)的1端口相连，该第二环形器模块(12)的2端口与光纤(13)的另一端相连；
所述的第二环形器模块(12)的3端口与所述的第二光功分模块(14)的输入端口相连，该第二光功分模块(14)的输出端分别与所述的第一光滤波模块(15)和第二光滤波模块(17)的输入端相连，所述的第一光滤波模块(15)的输出端经第一探测模块(16)与数字信号处理模块(19)的第一输入端相连，所述的第二光滤波模块(17)的输出端经第二探测模块(18)与数字信号处理模块(19)的第二输入端相连；
所述的微波频率梳产生模块(20)的1通道输出端与第一光电调制模块(4)的射频信号输入端相连，所述的微波频率梳产生模块(20)的2通道输出端与第二光电调制模块(9)的射频信号输入端相连；
所述的第一环形器模块(7)的3端口与光谱仪或探测仪相连，在初次设置时用以观测泵浦光和探测光的频谱情况。
2.一种利用权利要求1所述的基于微波频率梳的宽带、实时微波光子频率测量装置的测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1.由光源模块(1)输出光信号经第一光功分模块(2)分为二路，即泵浦光信号和探测光信号，所述的泵浦光信号经第一偏振控制模块(3)进入第一光电调制模块(4)，所述的探测光信号经第三偏振控制模块(8)进入第二光电调制模块(9)；
步骤2.由微波频率梳产生模块(20)的1通道生成的产生频率间隔小于所述光纤(13)的布里渊增益谱谱宽的、幅度单调变化的微波频率梳信号，通过第一光电调制模块(4)加载到由所述的光源模块(1)产生的泵浦光信号上；经所述的第一光放大模块(5)放大，通过所述的第二偏振控制模块(6)进行偏振态控制后，经由第一环形器模块(7)的1端口进入、2端口输出至光纤(13)的一端；
步骤3.由微波频率梳产生模块(20)的2通道生成的具有大于待测信号带宽且小于布里渊频移的载频等于布里渊频移的线性调频信号，通过第二光电调制模块(9)加载到由光源模块(1)产生的探测光信号上；经所述的第二光放大模块(10)放大，通过所述的第四偏振控制模块(11)进行偏振态控制后，经由第二环形器模块(12)的1端口进入、2端口输出至光纤(13)的另一端；
步骤4.经调制偏振态后的泵浦光信号和探测光信号在光纤(13)中发生受激布里渊散射效应，探测光频谱中的低频分量被放大，高频分量被衰减；
步骤5.由第二环形器模块(12)的3端口输出的被增益和衰减的探测光信号经过第二光功分模块(14)分为两路，一路通过第一光滤波模块(15)滤出被增益放大的低频段信号，经第一探测模块(16)得到电信号，并输入至数字信号处理模块(19)；另一路通过第二光滤波模块(17)滤出被衰减减小的高频段信号，经第二探测模块(18)得到电信号，并输入至数字信号处理模块(19)；
步骤6.所述的数字信号处理模块(19)进行点对点比值处理，得到增益与频率的映射关系曲线；
步骤7.将所述的线性调频信号替换为待测微波信号进入第二光电调制模块(9)，重复步骤4-7，得到的增益与频率的映射关系曲线进行比对得到待测信号的频率。
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