CN113938210A - 一种频率双啁啾微波波形产生方法及其设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种频率双啁啾微波波形产生方法及其设备，属于光学及微波技术领域。方法包括：步骤S1：产生光载波和调制信号，并将光载波进行相位调制后产生幅度相同、相位相反的一阶边带相位调制信号；步骤S2：将相位调制信号的一个一阶边带滤除，实现相位调制到强度调制的转换；步骤S3：使滤除了一个一阶边带的相位调制信号的频率变化周期与其在光电振荡环路的环程时间同步或是环程时间的整数倍，实现傅里叶域锁模；步骤S4：将滤除了一个一阶边带的相位调制信号延时储能后转变为双通带微波信号，并将其分为两路，一路作为调制信号形成光电振荡环路，另一路作为射频信号输出。本发明的装置实现了频率连续可调谐的多频段线性双啁啾微波波形的产生。
Description
技术领域
本发明属于光学及微波技术领域，更具体地，涉及一种频率双啁啾微波波形产生方法及其设备。
背景技术
光电振荡器(Optoelectronic Oscillator，OEO)，以低损耗的光纤为储能元件，使得延时储能过程在光域完成，基于光电混合的正反馈回路，将光信号直接转换为微波信号，具有超高的频谱纯净度，克服了传统微波振荡器随振荡信号频率升高而相位噪声显著劣化的缺陷。在OEO中，激光器发出的光信号作为微波信号的载体，微波信号通过电光调制器加载到光域，然后在长光纤中进行延时储能，延时后光信号由光电探测器拍频完成信号的光电转换，恢复出微波信号，经过微波放大器进行功率放大，微波滤波器滤波，滤波后的功分器分为两路，一路作为信号输出，另外一路输入至调制器形成闭合的光电反馈环路，实现正反馈振荡。
线性啁啾微波波形是用于现代雷达和无线通信系统的宽带啁啾波形之一，因为它的时间带宽积非常大，通过脉冲压缩可以提高雷达的距离分辨率，从而保持较大的探测距离。然而，线性啁啾微波波形具有较大的距离-多普勒耦合的刀口型模糊函数，这会导致雷达的距离分辨率降低。双啁啾的微波波形可以有效解决这一问题。双啁啾信号由同一周期内两个互补的啁啾信号组成，一个是上啁啾，一个是下啁啾。利用频率相反的两个啁啾信号的到达时间信息，可以消除距离-多普勒耦合的影响，实现移动目标的距离和速度同时测量。
目前已公开的产生双啁啾微波波形的方法，主要依赖于高频电子设备产生一个基带单啁啾波形，然后利用双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)、双偏振正交相移键控(DP-QPSK)调制器或两个级联的MZMs等方法，对该信号进行频率上转换，实现产生频率啁啾的微波波形。这些方法虽然能够产生频率比较高的啁啾微波信号，但是因为采用的仍然是电子设备，受到电子瓶颈的制约，产生的信号带宽受到极大的限制。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种频率双啁啾微波波形产生方法及其设备，其目的在于产生频率连续可调谐的多频段线性双啁啾微波波形。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种频率双啁啾微波波形产生方法，包括如下步骤：
步骤S1：产生光载波和调制信号，并将光载波进行相位调制后产生幅度相同、相位相反的一阶上边带与下边带相位调制信号；
步骤S2：将相位调制信号的一个一阶边带滤除，实现相位调制到强度调制的转换；
步骤S3：使滤除了一个一阶边带的相位调信号的频率变化周期与其在光电振荡环路的环程时间同步或是环程时间的整数倍，实现傅里叶域锁模；
步骤S4：将滤除了一个一阶边带的相位调制信号延时储能后转变为双通带微波信号，恢复出频率双啁啾微波信号，并将其分为两路，一路作为调制信号形成光电振荡环路，另一路作为射频信号输出。
进一步地，在步骤S2中，通过改变光载波的波长，使得相位调制信号的通带中心频率可调。
进一步地，还包括：步骤S1中，对光载波和相位调制信号进行偏振态调整。
进一步地，还包括：步骤S4中，对滤除了一个一阶边带的相位调制信号和双通带微波信号进行功率放大。
按照本发明的另一个方面，提供了一种频率双啁啾微波波形产生设备，包括：
激光器，用于发射连续光作为光载波；
相位调制器，接收电功分器一路输出的微波信号作为调制信号，对光载波信号进行相位调制，产生幅度相同、相位相反的一阶上边带与下边带相位调制信号；
高Q值谐振器，通过调节所述高Q值谐振器的FSR，使所述高Q值谐振器的两个窄带宽凹陷落在对应频段内，从而将所述相位调制信号的一个一阶边带滤除，实现相位调制到强度调制的转换；通过在所述高Q值谐振器上施加周期性电信号，使所述高Q值谐振器的变化频率与相位调制信号在光电振荡环路的环程时间同步或是环程时间的整数倍，实现傅里叶域锁模；
标准单模光纤，用于将滤除了一个一阶边带的相位调制信号延时储能；
光电探测器，用于将延时储能后的相位调制信号转变为双通带微波信号，恢复出频率双啁啾微波信号；
电功分器，用于将频率双啁啾微波信号分为两路，一路通过射频链路输出到相位调制器作为调制信号，形成光电振荡环路；另一路作为射频信号输出。
进一步地，在所述高Q谐振器上设有光学移相器，用于改变高Q值谐振器的谐振频率。
进一步地，所述高Q值谐振器是微球、微盘或微环。
进一步地，所述激光器为波长可调谐激光器。
进一步地，还包括：
第一偏振控制器，用于对光载波进行偏振态调整；
第二偏振控制器，用于对经过相位调制器调制后的相位调制信号进行偏振态调整。
进一步地，还包括：
光放大器，用于将经过高Q值谐振器输出的滤除了一个一阶边带的相位调信号的功率放大；
可调光衰减器，用于调节延时储能后的相位调制信号的光功率；
电放大器，用于将恢复出的频率双啁啾微波信号的功率放大。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明的方法及装置，利用高Q值谐振器在频带内的两个窄带宽凹陷谱分别滤除相位调制信号的一个一阶边带，打破相位调制信号的±1阶边带幅度平衡，实现相位调制到强度调制的转换，进行选模；通过使高Q值谐振器的谐振周期与整个振荡环路的环程时间同步或是环程时间的整数倍，使得不同时间其窄带宽凹陷滤波的中心频率不同，实现傅里叶域锁模，产生频率随时间变化的频率啁啾微波波形，打破了传统OEO中模式建立时间的限制，实现快速扫描。
(2)作为优选，通过改变周期性电信号的幅度大小，从而改变高Q值谐振器的FSR，使得高Q值谐振器的两个窄带宽凹陷对应的频段改变，改变相位调制信号的通带频率，进而使得产生的线性啁啾微波波形的带宽可调。
(3)作为优选，通过改变所述光学移相器的移相大小，改变光载波波长与高Q谐振器谐振峰的相对频率差，进而可以改变双通带微波光子滤波器的两个通带频率。
(4)作为优选，通过改变激光器的中心波长，改变光载波的位置，从而改变相位调制信号的通带中心频率，进而使得产生的线性啁啾微波波形的中心频率可调。
(5)作为优选，通过调节第一偏振控制器和第二偏振控制器的偏振态可以调控双通带微波信号的两个通带的幅度，使最终产生的双啁啾波幅度一致。
总而言之，本发明的装置中，激光器、相位调制器、加载了驱动电信号的高Q值谐振器与光电探测器构成了一个窄带宽、中心频率可调谐的双通带扫频微波光子滤波器，保证振荡环路中双模同时起振以及频率可调谐，实现了频率连续可调谐的多频段线性双啁啾微波波形的产生。
附图说明
图1是本发明实施例提供的频率双啁啾微波波形产生设备的结构示意图。
图2是本发明实施例中的高Q值谐振器实现相位到强度调制转换的原理示意图。
图3是本发明实施例中的双通带扫频微波光子滤波器的结构示意图。
图4是本发明实施例中的双啁啾线性微波波形的仿真图。
图5是本发明实施例中的从双啁啾线性微波波形恢复的时间频率图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为激光器，2为第一偏振控制器，3为相位调制器，4为第二偏振控制器，5为高Q值谐振器，6为光放大器，7为标准单模光纤，8为可调光衰减器，9为光电探测器，10为电放大器，11为电功分器，12为射频链路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
如图1所示，本发明提供了一种频率双啁啾微波波形产生设备，主要包括：
激光器1，用于发射连续光作为光载波。本实施例中的激光器可以为固定波长激光器或波长可调谐激光器。
第一偏振控制器2，用于对光载波进行偏振态调整，使得光载波的偏振态和相位调制器3的偏振方向保持一致，从而使相位调制器3达到最好的调制状态。
相位调制器3，接收电功分器11一路输出的微波信号作为调制信号，对经过第一偏振控制器2进行偏振态调整后的光载波信号进行相位调制，产生幅度相同、相位相反的一阶上边带与下边带相位调制信号，实现微波信号到光信号的转换。
第二偏振控制器4，对经过相位调制器3调制后的相位调制信号进行偏振态调整，使得最终产生的微波信号的两个通带的幅度一致，产生的幅度一致的双啁啾波。
高Q值谐振器5，将偏振态调整后的相位调制信号的其中一个一阶边带滤除，实现相位调制到强度调制的转换，进行选模使得本实施例中整个装置起振。具体的，如图2所示，利用其直通端在频带内的两个窄带宽凹陷谱滤除其中两个边带，当相位调制信号的±1阶边带中的某一个一阶边带恰好落入该凹陷谱中，该边带就会被滤掉，打破相位调制信号的±1阶边带幅度平衡，实现相位调制到强度调制的转换，从而进行频率选择，选择本实施例中整个装置的起振频率，得到一个窄带宽、宽带可调谐的相位调制信号。
光放大器6，将得到的窄带宽、宽带可调谐的相位调制信号提供增益，放大该相位调制信号的功率。
标准单模光纤7，用于将功率放大后的相位调制信号延时储能。本实施例中，标准单模光纤为长光纤，可以使输出的微波信号具有很低的相位噪声，使得到宽带可调谐的微波信号具有较高的质量。长光纤使得在光电振荡器腔内振荡的频率间隔更小，使产生的啁啾微波信号频率近似连续变化。
可调光衰减器8，用于调节将延时储能后的相位调制信号的光功率，以免其功率过大损坏光电探测器9。
光电探测器9，用于将经过可调光衰减器8调节之后的相位调制信号转变为双通带微波电信号，恢复出被抑制了边带对应频率的微波信号，即恢复出频率双啁啾微波信号。该微波信号的频率为光载波频率和高Q值谐振器凹陷处频率的差值。
电放大器10，用于为恢复出的频率双啁啾微波信号提供电增益，放大该信号的功率。在本发明实例中，电放大器是一个低相位噪声微波放大器。
电功分器11，用于接收功率放大后的频率双啁啾微波信号，并将该微波信号分为两路，一路通过射频链路12输出到相位调制器3作为调制信号，形成本发明装置的正反馈环路；另一路作为射频信号输出，输出的射频信号波形为双啁啾线性微波波形。不同频率的微波信号同时在腔内振荡，在输出端得到快速啁啾的微波信号。
工作时，激光器1发射连续光作为光载波；通过调节第一偏振控制器2改变进入相位调制器3的光信号的偏振态，从而使相位调制器3达到最佳工作状态；相位调制器3在电功分器11输出的一路微波信号的作用下对经过偏振态调整后的光载波进行相位调制，产生相位相反的一阶上边带与下边带，实现微波信号到光信号的转换；得到的相位调制信号经过第二偏振控制器4进行偏振态调控，进入高Q值谐振器5，滤除其中一个一阶边带，滤除了一个一阶边带的相位调制信号进入光放大器6进行功率放大后进入标准单模光纤7进行延时储能；延时储能后进入可调光衰减器8调控光功率；之后进入光电探测器9实现光电转换得到微波信号；该微波信号经过低相位噪声电放大器10放大微波信号的功率，放大后的微波信号经过电功分器11，一路反馈至相位调制器3的射频端口，构成光电振荡环路的正反馈环路，另一部作为射频信号输出，输出的射频信号波形为双啁啾线性微波波形。
如图3所示，在上述过程中，激光器、相位调制器、加载了驱动电信号的高Q值谐振器与光电探测器构成了一个窄带宽、中心频率可调谐的双通带扫频微波光子滤波器。
具体的，通过设置高Q值谐振器的自由光谱范围(Free spectral range，FSR)，使高Q值谐振器的两个窄带宽凹陷落在对应的频段内，实现相位调制到强度调制转换，进入光电探测器经过光电转换后，通过拍频还原被抑制的边带对应的频率，同一时刻将会得到两个起振频率，实现窄带宽、中心频率可调谐的双通带微波光子滤波。由于同一时刻，本实施例中的装置的环路有两个起振频率同时起振，当振荡稳定后，可以形成双啁啾线性微波波形。
该双通带微波光子滤波器的两个通带的频率由可调谐激光器和高Q值谐振器凹陷位置对应频率的差值决定；在高Q值谐振器上设置有光学移相器，通过改变高Q值谐振器上的光学移相器的移相大小，即改变光载波波长与高Q值谐振器谐振峰的相对频率差，就可以改变双通带微波光子滤波器的双通带频率。即改变产生的线性啁啾微波信号的中心频率。
在高Q值谐振器上施加有周期性驱动电信号，该驱动电信号的周期T与本发明整个装置的环程时间T0同步或是环程时间的整数倍(即T＝NT0其中，N为正整数)，使得不同时间其窄带宽凹陷滤波的中心频率不同，即不同时刻双通带微波光子滤波器的通带中心频率不同，可以实现傅里叶域锁模。由于该双通带微波光子滤波器在同一时刻有两个起振频率，且施加的驱动电信号是周期变化的，故产生的微波信号的通带中心频率也是周期性变化的，因此产生频率随时间变化的双频率啁啾微波波形，打破了传统OEO中模式建立时间的限制，实现快速的频率扫描。
通过改变驱动电信号的峰峰值，从而改变高Q值谐振器的FSR，使得高Q值谐振器的两个窄带宽凹陷对应的频段改变，改变双通带微波光子滤波器的通带频率，进而使得产生的线性啁啾微波波形的带宽可调。当激光器为波长可调谐激光器时，通过改变激光器的中心波长，改变光载波的位置，从而改变微波光子滤波器的通带中心频率，进而使得产生的线性啁啾微波波形的中心频率可调。在其它实施例中，激光器也可以为固定波长激光器，通过在激光器后增加移频器来更改激光器的波长，使得产生的线性啁啾微波波形的中心频率变化。
在这个过程中，通过调整第二偏振控制器的偏振态或同时调整第一偏振控制器和第二偏振控制器的偏振态来调节双通带微波光子滤波器的两个通频带的幅度，使得双通带微波光子滤波器的两个通带的幅度一致，最终产生的幅度一致的双啁啾波。
高Q值谐振器可以是微球、微盘或微环等超高品质因子(Q值)的谐振器，本实施例中，优选高Q值谐振器为微环。
如图4所示，为本发明实施例的装置输出的射频信号波形为双啁啾线性微波波形。从双啁啾线性微波波形恢复得到的时间频率关系如图5所示，可以看出产生的微波信号频率随时间线性变化，不同时刻输出的信号具有两个不同的频率，且具有相同的啁啾率。输出的啁啾微波信号具有可调谐性，其中心频率可通过改变激光器的中心波长调节，带宽也可通过控制施加到高Q值谐振器上电信号的幅度来进行调节。
本发明的装置能够产生线性调频微波信号，通过在传统OEO环路中插入一个双通带扫频微波光子滤波器，使扫频微波光子滤波器的周期与整个光电振荡环路的环程时间同步或是环程时间的倍数，即不同时刻扫频微波光子滤波器的中心频率不同，从而实现傅里叶域锁模。本发明装置主要的优势在于打破了传统OEO环路中模式的建立时间，实现了快速的频率扫描；其次，传统OEO中，相邻模式之间的相位关系是不固定的，通过傅里叶域锁模能够使相邻的本征模式之间相位差固定，从而能够降低信号的相位噪声。
双通带扫频微波光子滤波器主要功能是实现一个大范围频率连续可调谐，利用微波光子带通滤波器代替传统的电带通滤波器，保证整个光电振荡环路可以起振的同时实现大的扫频范围，且该扫频微波光子滤波器的中心频率就是本发明光电振荡环路起振产生的线性微波信号的中心频率。
本发明提供了一种频率双啁啾微波波形产生方法，包括如下步骤：
步骤S1：产生光载波和调制信号，并将光载波进行相位调制后产生幅度相同、相位相反的一阶上边带与下边带相位调制信号；
具体的，可以对光载波和相位调制信号进行偏振态调整；
步骤S2：将相位调制信号的一个一阶边带滤除，实现相位调制到强度调制的转换；
具体的，可以通过改变光载波的波长，使得相位调制信号的通带中心频率可调；
步骤S3：使滤除了一个一阶边带的相位调信号的频率变化周期与其在光电振荡环路的环程时间同步或是环程时间的整数倍，实现傅里叶域锁模；
步骤S4：将滤除了一个一阶边带的相位调制信号延时储能后转变为双通带微波信号，恢复出频率双啁啾微波信号，并将其分为两路，一路作为调制信号形成光电振荡环路，另一路作为射频信号输出。
具体的，还可以对滤除了一个一阶边带的相位调制信号和双通带微波信号进行功率放大。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种频率双啁啾微波波形产生方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：产生光载波和调制信号，并将光载波进行相位调制后产生幅度相同、相位相反的一阶上边带与下边带相位调制信号；
步骤S2：将相位调制信号的一个一阶边带滤除，实现相位调制到强度调制的转换；
步骤S3：使滤除了一个一阶边带的相位调信号的频率变化周期与其在光电振荡环路的环程时间同步或是环程时间的整数倍，实现傅里叶域锁模；
步骤S4：将滤除了一个一阶边带的相位调制信号延时储能后转变为双通带微波信号，恢复出频率双啁啾微波信号，并将其分为两路，一路作为调制信号形成光电振荡环路，另一路作为射频信号输出。
2.根据权利要求1所述的频率双啁啾微波波形产生方法，其特征在于，在步骤S2中，通过改变光载波的波长，使得相位调制信号的通带中心频率可调。
3.根据权利要求2所述的频率双啁啾微波波形产生方法，其特征在于，还包括：步骤S1中，对光载波和相位调制信号进行偏振态调整。
4.根据权利要求3所述的频率双啁啾微波波形产生方法，其特征在于，还包括：步骤S4中，对滤除了一个一阶边带的相位调制信号和双通带微波信号进行功率放大。
5.一种频率双啁啾微波波形产生设备，其特征在于，包括：
激光器(1)，用于发射连续光作为光载波；
相位调制器(3)，接收电功分器(11)一路输出的微波信号作为调制信号，对光载波信号进行相位调制，产生幅度相同、相位相反的一阶上边带与下边带相位调制信号；
高Q值谐振器(5)，通过调节所述高Q值谐振器的FSR，使所述高Q值谐振器的两个窄带宽凹陷落在对应频段内，从而将所述相位调制信号的一个一阶边带滤除，实现相位调制到强度调制的转换；通过在所述高Q值谐振器(5)上施加周期性电信号，使所述高Q值谐振器(5)的变化频率与相位调制信号在光电振荡环路的环程时间同步或是环程时间的整数倍，实现傅里叶域锁模；
标准单模光纤(7)，用于将滤除了一个一阶边带的相位调制信号延时储能；
光电探测器(9)，用于将延时储能后的相位调制信号转变为双通带微波信号，恢复出频率双啁啾微波信号；
电功分器(11)，用于将频率双啁啾微波信号分为两路，一路通过射频链路(12)输出到相位调制器(3)作为调制信号，形成光电振荡环路；另一路作为射频信号输出。
6.根据权利要求5所述的频率双啁啾微波波形产生设备，其特征在于，在所述高Q谐振器上设有光学移相器，用于改变高Q值谐振器的谐振频率。
7.根据权利要求6所述的频率双啁啾微波波形产生设备，其特征在于，所述高Q值谐振器(5)是微球、微盘或微环。
8.根据权利要求7所述的频率双啁啾微波波形产生设备，其特征在于，所述激光器(1)为波长可调谐激光器。
9.根据权利要求8所述的频率双啁啾微波波形产生设备，其特征在于，还包括：
第一偏振控制器(2)，用于对光载波进行偏振态调整；
第二偏振控制器(4)，用于对经过相位调制器(3)调制后的相位调制信号进行偏振态调整。
10.根据权利要求5-9任意一项所述的频率双啁啾微波波形产生设备，其特征在于，还包括：
光放大器(6)，用于将经过高Q值谐振器(5)输出的滤除了一个一阶边带的相位调信号的功率放大；
可调光衰减器(8)，用于调节延时储能后的相位调制信号的光功率；
电放大器(10)，用于将恢复出的频率双啁啾微波信号的功率放大。
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