CN113890605B - 基于光学啁啾链的受激布里渊散射微波频率测量装置及方法 - Google Patents

基于光学啁啾链的受激布里渊散射微波频率测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于光学啁啾链的受激布里渊散射微波频率测量装置及方法，该装置包括：第一激光器、耦合器、脉冲光调制光路、探测光调制光路、SBS作用介质和探测器；所述第一激光器输出的光束经过所述耦合器分为第一光束和第二光束；所述第一光束经过所述脉冲光调制光路形成携带待测频率的微波信号的泵浦脉冲光；所述第二光束经过所述探测光调制光路产生光学啁啾链调制的探测光；所述泵浦脉冲光和所述探测光分别从所述SBS作用介质的两端注入，在所述SBS作用介质中发生SBS作用；所述探测器对时域信号采集测量其中心频率，结合所述SBS作用介质的布里渊频移值，确定所述待测频率的微波信号的频率值。实现高精度单发信号瞬时频率测量。

Description

基于光学啁啾链的受激布里渊散射微波频率测量装置及方法
技术领域
本发明属于光学测量领域，具体涉及一种基于光学啁啾链的受激布里渊散射微波频率测量装置及方法。
背景技术
瞬时频率测量是一种用于检测微波信号频率的技术，它具有宽带宽，速度快，灵活性高等优点，已广泛应用于无线通信和电子战争等领域。在电子战争中，进行敌我信号对抗之前，及时截获敌方雷达信号，并快速准确地识别出敌方雷达的工作频段和调制特性，将有利于我方取得先机。因此，及时快速且准确地估计微波信号频率，对于防御、雷达警报和电子情报都至关重要。
微波光子学瞬时频率测量技术是将电域的微波信号转换到光域进行处理，因此相较于电子瞬时频率测量，微波光子学瞬时频率测量技术突破了电学手段的带宽限制，损耗更低，具有抗电磁干扰能力，易于多路合成和分解，能灵活地形成网络结构，为传统的射频系统赋予更大的附加价值，实现了其困难甚至无法实现的功能。现有的微波光子学瞬时频率测量技术根据实现频率测量的光学过程可以分为光学干涉型、偏振型、光学滤波型、频率-幅度映射型、光学混频型及布里渊散射型。其中，布里渊散射型瞬时频率测量技术利用布里渊光谱的频域特性来进行频率测量。然而，现有布里渊瞬时频率测量技术需要反复扫频解调待测信号频率，耗时长，同时需要利用电学手段，重复不断的将截获的微波信号片段加载到光域，降低了其测量速度，限制了其动态测量能力；另外，频率-幅度映射曲线的测量方法降低了频率测量的精度。
因此，突破扫频对频率测量速度的限制并提高频率测量精度，填补微波光子学瞬时频率测量中高精度单发信号瞬时频率测量的空白成为当务之急。
发明内容
本发明为解决上述问题，提出了一种基于光学啁啾链的受激布里渊散射微波频率测量装置及方法，以解决现有技术的上述缺陷。
本发明提供了一种基于光学啁啾链的受激布里渊散射微波频率测量装置，其特征在于，该装置包括：第一激光器、耦合器、脉冲光调制光路、探测光调制光路、SBS作用介质和探测器；
所述第一激光器输出的光束经过所述耦合器分为第一光束和第二光束；
所述第一光束经过所述脉冲光调制光路形成携带待测频率的微波信号的泵浦脉冲光；
所述第二光束经过所述探测光调制光路产生光学啁啾链调制的探测光；
所述泵浦脉冲光和所述探测光分别从所述SBS作用介质的两端注入，在所述SBS作用介质中发生SBS作用；
所述探测器对时域信号采集测量其中心频率，结合所述SBS作用介质的布里渊频移值，确定所述待测频率的微波信号的频率值。
可选地，所述第一激光器为波长为λ0的分布式反馈激光器。
可选地，所述脉冲光调制光路包括：第一电光调制器、声光调制器、脉冲发生器、掺铒光纤放大器和第一光纤环形器；
所述第一电光调制器将待测频率的微波信号加载在所述第一光束上；
携带待测频率的微波信号的光束和所述脉冲发生器提供的脉冲信号经过所述声光调制器调制成泵浦脉冲光；
所述泵浦脉冲光经过掺铒光纤放大器放大后通过所述第一光纤环形器从所述SBS作用介质一端输入。
可选地，所述探测光调制光路包括：第二电光调制器、啁啾链信号发生器、第二光纤环形器和第二激光器；
所述第二光束和啁啾链信号发生器产生的啁啾链微波信号经过第二电光调制器调制为上下边带的光学啁啾链信号；
所述上下边带的光学啁啾链信号经过第二光纤环形器注入到所述第二激光器中，调节所述第二激光器的中心频率与下边带的光学啁啾链信号的中心频率重合，对所述下边带的光学啁啾链信号进行注入锁定；
锁定后的所述下边带的光学啁啾链信号再经过所述第二光纤环形器作为探测光从所述SBS作用介质另一端输入。
可选地，所述的微波频率测量装置，还包括设置在所述探测光调制光路和SBS作用介质之间的隔离器，所述隔离器防止所述脉冲光调制光路产生的泵浦脉冲光进入所述探测光调制光路的器件。
可选地，所述SBS作用介质为单模光纤。
可选地，所述第一电光调制器工作在最低工作点。
本发明还提供基于光学啁啾链的受激布里渊散射微波频率测量方法，该方法包括：
将第一激光器输出的光束分为第一光束和第二光束；
所述第一光束经过脉冲光调制光路形成携带待测频率的微波信号的泵浦脉冲光；
所述第二光束经过探测光调制光路产生光学啁啾链调制的探测光；
所述泵浦脉冲光和所述探测光分别从所述SBS作用介质的两端注入，在所述SBS作用介质中发生SBS作用；
对时域信号采集测量其中心频率，结合所述SBS作用介质的布里渊频移值，确定所述待测频率的微波信号的频率值。
可选地，所述第一光束经过脉冲光调制光路形成携带待测频率的微波信号的泵浦脉冲光的步骤包括：
通过第一电光调制器将待测频率的微波信号加载在所述第一光束上；
携带待测频率的微波信号的光束和脉冲信号经过所述声光调制器调制成泵浦脉冲光；
所述泵浦脉冲光经过掺铒光纤放大器放大后通过第一光纤环形器从所述SBS作用介质一端输入。
可选地，所述第二光束经过探测光调制光路产生光学啁啾链调制的探测光的步骤包括：
所述第二光束和啁啾链微波信号经过第二电光调制器调制为上下边带的光学啁啾链信号；
所述上下边带的光学啁啾链信号经过第二光纤环形器注入到所述第二激光器中，调节所述第二激光器的中心频率与下边带的光学啁啾链信号的中心频率重合，对所述下边带的光学啁啾链信号进行注入锁定；
锁定后的所述下边带的光学啁啾链信号再经过所述第二光纤环形器作为探测光从所述SBS作用介质另一端输入。
综上，本发明具有如下有益效果：
本发明的一种基于光学啁啾链的受激布里渊散射微波率测量装置，实现高精度单发信号瞬时频率测量。将光学啁啾调制技术与布里渊频率测量技术相结合，将未知频率微波信号加载在泵浦光上同时对其脉冲调制，探测光进行光学啁啾调制，带有频率调制的泵浦脉冲光与光学啁啾链相互作用，在时域恢复得到布里渊频谱，通过对时域信号的采集可以直接解调出该频谱的中心频移，结合光纤的布里渊频移值，从而直接测得泵浦脉冲光的调制频率，即未知微波信号频率。光学啁啾调制技术与传统的扫频方案相比极大缩短测量时间。同时，直接频率解调的方法也大大提高了频率测量精度，能够达到在1GHz的瞬时带宽内实现了低于1MHz的频率测量精度，对于单一频率的测量时间缩短到160ns。
附图说明
图1是示出本发明的基于光学啁啾链的受激布里渊散射微波频率测量装置的示意图；
图2是示出本发明的基于光学啁啾链的受激布里渊散射微波频率测量的原理图；
图3是示出本发明的基于光学啁啾链的受激布里渊散射微波频率测量方法的流程图。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
如图1所示，本发明的实施例公开了一种基于光学啁啾链的受激布里渊散射微波频率测量装置，包括：第一激光器、耦合器、脉冲光调制光路、探测光调制光路、SBS作用介质和探测器；
所述第一激光器输出的光束经过所述耦合器分为第一光束和第二光束；
所述第一光束经过所述脉冲光调制光路形成携带待测频率的微波信号的泵浦脉冲光；
所述第二光束经过所述探测光调制光路产生光学啁啾链调制的探测光；
所述泵浦脉冲光和所述探测光分别从所述SBS作用介质的两端注入，在所述SBS作用介质中发生SBS作用；
所述探测器对时域信号采集测量其中心频率，结合所述SBS作用介质的布里渊频移值，确定所述待测频率的微波信号的频率值。
如图2所示，待测微波信号的频率通过调制加载在泵浦光上，随后调制成脉冲序列，探测光调制成光学啁啾链，二者相向分别从受激布里渊散射(Stimulated BrillouinScattering,SBS)作用介质两端注入，发生受激布里渊散射作用，泵浦脉冲光和光学啁啾链调制的探测光，加载未知频率微波信号的连续光被脉冲光调制光路调制成泵浦脉冲光，未知频率微波信号加载在泵浦脉冲上光，使每个脉冲具有不同的频率。从而，带有未知频率的泵浦脉冲光与光学啁啾链调制的探测光依次在SBS作用介质中发生SBS 作用，由于光学啁啾的线性频时关系，在时域产生布里渊频谱，对时域信号采集测量其中心频率，结合光纤的布里渊频移值，即可测量得到对应的泵浦脉冲频率值，即当前未知信号的频率值，从而可以实现频率的高精度瞬时频率测量。泵浦脉冲光相当于对未知信号的采样，而每个脉冲—啁啾对都能对当前采样得到的频率进行测量，所以利用多个脉冲—啁啾对就能完成微波信号的频率测量，测量过程无需微波信号重复出现。
图2中，由于光学啁啾链的线性时间-频率关系，布里渊频谱将在时域快速重构。其中，光学啁啾链由若干光学啁啾单元首尾链接而成，光学啁啾单元内的频率随时间线性扫频，起始频率为v0，终止频率为vN。脉冲序列相当于对连续的待测微波信号的频率采样，因此每个脉冲的调制频率都不同，这里用f0,f1,……fN区分表示。为了保证产生的光学啁啾链受激布里渊散射信号不重叠，需要控制脉冲调制信号与光学啁啾链调制信号时序同步以及SBS作用介质的长度，保证光学啁啾链中的每个光学啁啾单元只与一个泵浦脉冲相互作用，使光纤中只出现光学啁啾链受激布里渊散射信号。当加载在泵浦脉冲光上的待测微波信号频率发生改变时，光学啁啾链受激布里渊散射作用信号主峰将在时域左右移动，光学啁啾链中的每个光学啁啾单元都能完成一次频率测量，控制光学啁啾链的啁啾周期即可控制一个频率测量的时间。而对光学啁啾链受激布里渊散射作用信号的主峰频率解调，即可得到泵浦脉冲光上加载的微波信号频率测量值。从而实现超快高精度微波频率测量。
本发明实施例中，所述第一激光器为波长为λ0的分布式反馈激光器。
本发明实施例中，所述脉冲光调制光路包括：第一电光调制器、声光调制器、脉冲发生器、掺铒光纤放大器和第一光纤环形器；
所述第一电光调制器将待测频率的微波信号加载在所述第一光束上；
携带待测频率的微波信号的光束和所述脉冲发生器提供的脉冲信号经过所述声光调制器调制成泵浦脉冲光；
所述泵浦脉冲光经过掺铒光纤放大器放大后通过所述第一光纤环形器从所述SBS作用介质一端输入。
本发明实施例中，所述探测光调制光路包括：第二电光调制器、啁啾链信号发生器、第二光纤环形器和第二激光器；
所述第二光束和啁啾链信号发生器产生的啁啾链微波信号经过第二电光调制器调制为上下边带的光学啁啾链信号；
所述上下边带的光学啁啾链信号经过第二光纤环形器注入到所述第二激光器中，调节所述第二激光器的中心频率与下边带的光学啁啾链信号的中心频率重合，对所述下边带的光学啁啾链信号进行注入锁定；
锁定后的所述下边带的光学啁啾链信号再经过所述第二光纤环形器作为探测光从所述SBS作用介质另一端输入。
如图2所示，所述第二光束和啁啾链信号发生器产生的啁啾链微波信号经过第二电光调制器调制为上下边带的光学啁啾链信号；上下边带的光学啁啾链信号通过第二光纤环形器进入第二激光器中，调节第二激光器的温度和电流，使得第二激光器的中心频率与下边带的光学啁啾链信号的中心频率重合，然后第二激光器经过第二光纤环形器输出的光实现了对下边带的光学啁啾链信号进行注入锁定。
本发明实施例中，所述的微波频率测量装置，还包括设置在所述探测光调制光路和SBS作用介质之间的隔离器，所述隔离器防止所述脉冲光调制光路产生的泵浦脉冲光进入所述探测光调制光路的器件。
本发明实施例中，所述SBS作用介质为单模光纤。
本发明实施例中，所述第一电光调制器工作在最低工作点。
本发明实施例的微波频率测量装置分为上下两路，上路产生携带未知频率微波信号的泵浦脉冲光，下路产生光学啁啾链调制的探测光。本发明实施例中使用的SBS作用介质为单模光纤。波长在λ0(对应频率v0)附近的分布式反馈激光器作为光源(可以使用波长为1550nm的激光器)。第一激光器输出的光经耦合器，分为两束。上路经第一电光调制器将未知频率微波信号加载在连续光上(未知频率微波信号的频率范围设定在16.5 GHz～17.5GHz内)，经声光调制器调制成泵浦脉冲光(脉冲宽度40ns)，经掺铒光纤放大器放大后，通过光纤环形器从SBS作用介质一段输入。脉冲信号由脉冲发生器提供，第一电光调制器工作在最低工作点。下路光经第二电光调制器调制为上下边带的光学啁啾链信号(频率为6GHz左右)，啁啾链微波信号由啁啾链信号发生器提供(啁啾信号宽度1GHz)，无内置隔离器的分布式反馈激光器作为第二激光器经环形器注入到上下边带的光学啁啾链信号中，对其下边带进行注入锁定，最终作为探测光信号从SBS作用介质另一端输入，隔离器是防止功率较高的脉冲光进入第二电光调制器。泵浦脉冲光和探测光同时注入到SBS作用介质中发生SBS 作用，得到的布里渊信号经环形器输出，光电探测器探测后由采集卡采集。
如图3所示，基于光学啁啾链的受激布里渊散射微波频率测量方法，包括：
步骤1、将第一激光器输出的光束分为第一光束和第二光束；
步骤2、所述第一光束经过脉冲光调制光路形成携带待测频率的微波信号的泵浦脉冲光；
步骤3、所述第二光束经过探测光调制光路产生光学啁啾链调制的探测光；
步骤4、所述泵浦脉冲光和所述探测光分别从所述SBS作用介质的两端注入，在所述SBS作用介质中发生SBS作用；
步骤5、对时域信号采集测量其中心频率，结合所述SBS作用介质的布里渊频移值，确定所述待测频率的微波信号的频率值。
本发明实施例中，步骤2中所述第一光束经过脉冲光调制光路形成携带待测频率的微波信号的泵浦脉冲光包括：
通过第一电光调制器将待测频率的微波信号加载在所述第一光束上；
携带待测频率的微波信号的光束和脉冲信号经过声光调制器调制成泵浦脉冲光；
所述泵浦脉冲光经过掺铒光纤放大器放大后通过第一光纤环形器从所述SBS作用介质一端输入。
本发明实施例中，步骤3中所述第二光束经过探测光调制光路产生光学啁啾链调制的探测光的步骤包括：
所述第二光束和啁啾链微波信号经过第二电光调制器调制为上下边带的光学啁啾链信号；
所述上下边带的光学啁啾链信号经过第二光纤环形器注入到所述第二激光器中，调节所述第二激光器的中心频率与下边带的光学啁啾链信号的中心频率重合，对所述下边带的光学啁啾链信号进行注入锁定；
锁定后的所述下边带的光学啁啾链信号再经过所述第二光纤环形器作为探测光从所述SBS作用介质另一端输入。
光学啁啾链由若干光学啁啾段组成，每个光学啁啾段的频率分布为ν：
Figure BDA0003281016780000111
其中，v0——啁啾段初始频率；
vN——啁啾段截止频率；
fchirp——啁啾段频率范围；
tchirp——啁啾周期；
t——啁啾段内时刻。
本发明实施例中需要保证啁啾段频率范围能够测量尽量大的未知频率信号范围，从而保证频率测量具有足够的瞬时带宽。泵浦脉冲光依次与探测光的各个光学啁啾段发生SBS作用，采集的探测光中，每个啁啾段都能得到完整的布里渊增益谱，在无需信号平均的情况下，对频率的单次测量时间只与啁啾周期有关。
本发明实施例的基于光学啁啾链的受激布里渊散射微波频率测量装置和方法具有如下有点：
本发明实施例能够实现瞬时频率测量，其测量时间只和啁啾段的啁啾周期有关，测量的瞬时带宽只和啁啾段的频率范围有关。
本发明实施例需要单发微波信号即可完成频率测量，泵浦脉冲光相当于对未知信号的采样，而每个脉冲—啁啾对都能对当前采样得到的频率进行测量，所以利用多个脉冲—啁啾对就能完成微波信号的频率测量，测量过程无需微波信号重复出现。
本发明实施例频率测量精度高，可以直接测量得到微波信号频率。通过直接对时域信号的采集及拟合即可直接测得微波信号的频率，避免了强度测量频率受到信噪比的影响，而引入的误差。
装置灵活性强，SBS作用介质利用单模光纤即可实现高精度频率测量，无需制备复杂的SBS作用介质，易于实验装置的复现和重构。

Claims (6)

1.基于光学啁啾链的受激布里渊散射微波频率测量装置，其特征在于，该装置包括：第一激光器、耦合器、脉冲光调制光路、探测光调制光路、SBS作用介质和探测器；
所述第一激光器输出的光束经过所述耦合器分为第一光束和第二光束；
所述第一光束经过所述脉冲光调制光路形成携带待测频率的微波信号的泵浦脉冲光；
所述第二光束经过所述探测光调制光路产生光学啁啾链调制的探测光；
所述泵浦脉冲光和所述探测光分别从所述SBS作用介质的两端注入，在所述SBS作用介质中发生SBS作用；
所述探测器对时域信号采集测量其中心频率，结合所述SBS作用介质的布里渊频移值，确定所述待测频率的微波信号的频率值；
所述脉冲光调制光路包括：第一电光调制器、声光调制器、脉冲发生器、掺铒光纤放大器和第一光纤环形器；
所述第一电光调制器将待测频率的微波信号加载在所述第一光束上；
携带待测频率的微波信号的光束和所述脉冲发生器提供的脉冲信号经过所述声光调制器调制成泵浦脉冲光；
所述泵浦脉冲光经过掺铒光纤放大器放大后通过所述第一光纤环形器从所述SBS作用介质一端输入；
所述探测光调制光路包括：第二电光调制器、啁啾链信号发生器、第二光纤环形器和第二激光器；
所述第二光束和啁啾链信号发生器产生的啁啾链微波信号经过第二电光调制器调制为上下边带的光学啁啾链信号；
所述上下边带的光学啁啾链信号经过第二光纤环形器注入到所述第二激光器中，调节所述第二激光器的中心频率与下边带的光学啁啾链信号的中心频率重合，对所述下边带的光学啁啾链信号进行注入锁定；
锁定后的所述下边带的光学啁啾链信号再经过所述第二光纤环形器作为探测光从所述SBS作用介质另一端输入。
2.根据权利要求1所述的微波频率测量装置，其特征在于，所述第一激光器为波长为λ0的分布式反馈激光器。
3.根据权利要求1所述的微波频率测量装置，其特征在于，还包括设置在所述探测光调制光路和SBS作用介质之间的隔离器，所述隔离器防止所述脉冲光调制光路产生的泵浦脉冲光进入所述探测光调制光路的器件。
4.根据权利要求1所述的微波频率测量装置，其特征在于，所述SBS作用介质为单模光纤。
5.根据权利要求1所述的微波频率测量装置，其特征在于，所述第一电光调制器工作在最低工作点。
6.基于光学啁啾链的受激布里渊散射微波频率测量方法，其特征在于，该方法包括：
将第一激光器输出的光束分为第一光束和第二光束；
所述第一光束经过脉冲光调制光路形成携带待测频率的微波信号的泵浦脉冲光；
所述第二光束经过探测光调制光路产生光学啁啾链调制的探测光；
所述泵浦脉冲光和所述探测光分别从SBS作用介质的两端注入，在所述SBS作用介质中发生SBS作用；
对时域信号采集测量其中心频率，结合所述SBS作用介质的布里渊频移值，确定所述待测频率的微波信号的频率值；
所述第一光束经过脉冲光调制光路形成携带待测频率的微波信号的泵浦脉冲光的步骤包括：
通过第一电光调制器将待测频率的微波信号加载在所述第一光束上；
携带待测频率的微波信号的光束和脉冲信号经过声光调制器调制成泵浦脉冲光；
所述泵浦脉冲光经过掺铒光纤放大器放大后通过第一光纤环形器从所述SBS作用介质一端输入；
所述第二光束经过探测光调制光路产生光学啁啾链调制的探测光的步骤包括：
所述第二光束和啁啾链微波信号经过第二电光调制器调制为上下边带的光学啁啾链信号；
所述上下边带的光学啁啾链信号经过第二光纤环形器注入到第二激光器中，调节所述第二激光器的中心频率与下边带的光学啁啾链信号的中心频率重合，对所述下边带的光学啁啾链信号进行注入锁定；
锁定后的所述下边带的光学啁啾链信号再经过所述第二光纤环形器作为探测光从所述SBS作用介质另一端输入。
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