CN113965271B - 基于微波光子技术的振荡器实现系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微波光子技术的振荡器实现系统，包括：第一振荡环路，用以将接收的光信号转换成电信号并在对电信号进行放大和滤波后将其传输至调制器中；第二振荡环路，用以将接收的光信号转换成电信号,对电信号进行放大后发射至空间并在空间传输延时后进入第二振荡环路另一端，当电信号进入至第二振荡环路另一端时，第二振荡环路对电信号进行放大和过滤后将其传输至调制器中；通用线路，其设置在所述第一振荡环路和第二振荡环路之间，用以将进入系统的光载波转换成光信号。其中，本发明在第二振荡环路中加入所述射频发射天线和射频接收天线，用以射频信号空间传输振荡信号的长延时，避免采用长光纤的同时又实现低相噪。

Description

基于微波光子技术的振荡器实现系统

技术领域

本发明涉及微波光子技术领域，尤其涉及一种基于微波光子技术的振荡器实现系统。

背景技术

基准信号是多种微波测量系统工作的基础，其性能水平直接影响整个系统性能。相位噪声是衡量信号频谱纯度的关键指标。在通信系统中，相位噪声会影响矢量调制信号的矢量调制误差并恶化误码率。在雷达系统中，相位噪声会影响雷达相参积累增益和强杂波环境中目标检测能力。因此，采用低相噪基准源对于提升上述系统综合性能的有效途径。现有基准信号源有石英晶体类、光钟类或各种原子钟类等。前者多工作在低频段，通过对其倍频产生高频发射信号时相噪会严重恶化；后两类需要较为苛刻的工作环境，难以适应雷达等装备恶劣的工作环境。

光电振荡器是基于光纤和电路所构成混合振荡腔实现的一种高质量微波源，充分发挥光纤低损耗优势，通过长光纤构建的高储能环路实现超低相噪基准信号的产生。由于光纤传输信号状态易受环境温度和压力的影响，导致光电振荡器输出信号的长期频率稳定性不佳，限制了光电振荡器走向实用。近年来，有不同稳定光电振荡器的专利被提出，比如：中国专利公开号：CN108879295B公开了一种高稳定度光电振荡器及控制方法，包括：高稳定度光电振荡器，包括激光器、调制单元、偏振单元、第一FP标准具、第二FP标准具、光电转换单元、放大单元、滤波单元、耦合单元组成的振荡回路。调制激光信号分解为第一、第二偏振光信号，分别经第一FP标准具和第二FP标准具生成两路峰值波长不同的光信号，经光电转换单元输出微波振荡信号合并输入至放大单元；再经滤波单元、耦合单元送至调制单元。本发明还包含控制方法，调节第一偏振光、第一FP标准具、第二偏振光、第二FP标准具的角度、位置，使所述微波振荡信号的Q值最大，由此可见，所述所光电振荡器采用技术途径主要有利用光学微腔或FP腔等光传输介质代替光纤、为振荡环路加上锁相控制或采用集成波导实现等，但稳定效果还有待检验。

此外，光电振荡器是光子技术和微波技术结合产物，用以发挥出微波技术精细优势，通过光电振荡器实现对环境温度、位移、压力和射频信号等物理量的传感，例如：中国专利公开号：CN110530497A公开了一种基于光电振荡器的干涉型光纤振动传感解调系统和方法，包括：系统主要包括：光源、电光调制器、干涉型振动传感单元、偏振控制器、起偏器、光电探测器、微波放大器、功分器和频率监测单元。本发明通过采用电光调制器件产生相位相关偏振正交的不同频率分量载波和一阶单边带，然后利用偏振特性将其分离开，使其分别沿着干涉型振动传感单元中的两个干涉臂进行传输，从而将含有待测振动信号的相位差转换为具有高Q值的光电振荡器微波振荡频率的变化，因此通过监测光电振荡器输出微波信号的频率变化即可解调出待测振动信号。由此可见，所述基于光电振荡器的干涉型光纤振动传感解调系统和方法多实现光电振荡器自身附近物理量的测量，难以实现对远距离物体物理量的感知。

发明内容

为此，本发明提供一种基于微波光子技术的振荡器实现系统，用以克服现有技术中光电振荡器振荡稳定性低问题。

为实现上述目的，本发明提供一种基于微波光子技术的振荡器实现系统，其特征在于，采用双环路微波光子技术振荡器包括：

第一振荡环路，用以将接收的光信号转换成电信号并在对电信号进行放大和滤波后将其传输至调制器中；

第二振荡环路，用以将接收的光信号转换成电信号,对电信号进行放大后发射至空间并在空间传输延时后进入第二振荡环路另一端，当电信号进入至第二振荡环路另一端时，第二振荡环路对电信号进行放大和过滤后将其传输至调制器中；

通用线路，其设置在所述第一振荡环路和第二振荡环路之间，用以将进入系统的光载波转换成光信号。

进一步地，所述通用线路包括：

激光器，用以输出光载波；

双驱强度调制器，双驱强度调制器输入端与所述激光器输出端相连，用以光载波调制成光信号；

1X2光耦合器，1×2光耦合器输入端与所述双驱强度调制器输出端相连，用以将光信号耦合，并分别分配至第一振荡环路和第二振荡环路。

进一步地，所述第一振荡环路包括：

第一光电探测器，第一光电探测器输入端与所述1×2光耦合器输出端相连，用将光信号转化成电信号；

第一射频放大器，第一射频放大器输入端与所述第一光电探测器输出端相连，用以将转换后得到的电信号放大；

1×2电耦合器，1×2电耦合器输入端与第一射频放大器输出端相连，用以将放大后的信号进行耦合；

第一射频滤波器，第一射频滤波器输入端与所述1×2电耦合器输出端相连，用以将放大后的信号进行滤波，并输出至所述双驱强度调制器完成第一振荡环路闭环。

进一步地，所述第二振荡环路包括：

第二光电探测器，第二光电探测器输入端与所述1×2光耦合器输出端相连，用将光信号转化成电信号；

第二射频放大器，第二射频放大器输入端与第二光电探测器输出端相连，用以将转换后得到的电信号放大；

射频发射天线，射频发射天线输入端与所述第二射频放大器输出端相连，用以将电信号发射至空间；

射频接收天线，射频接收天线输出端与所述第二射频放大器输入端相连，用以接收所述射频发射天线发射至空间的信号；

第三射频放大器，第二射频放大器输入端与所述射频接收天线输出端相连,用以将接收后得到的电信号放大；

第二射频滤波器，第二射频滤波器输入端与第三射频放大器输出端相连，用以将放大后的信号滤波，并输出至所述双驱强度调制器完成第二振荡环路闭环。

进一步地，所述通用线路中，所述激光器为半导体激光器或光纤激光器；

所述双驱强度调制器为强度调制器、相位调制器或上述两种任意数量的级联或并联组合；

所述1×2光耦合器也可采用1×3光耦合器代替。

进一步地，所述第一振荡环路和第二振荡环路中，

所述第一射频滤波器和所述第二射频滤波器均为可调谐滤波器；

所述射频发射天线和射频接收天线的实现方式为阵元或阵列。

进一步地，所述第二振荡环路中，所述射频发射天线通过直射或经特定物体反射后将电信号输送至射频接收天线。

进一步地，当所述系统采用单环路微波光子技术振荡器该系统包括第二振荡环路和通用线路。

进一步地，所述微波光子技术振荡器通过集成实现，当所述射频发射天线经特定物体反射后将电信号输送至射频接收天线时，整个或部分微波光子技术振荡器通过光电混合集成实现。

进一步地，所述第一环路或第二环路中均设有多个射频放大器，在所述第一环路中还设有频谱仪；当所述第一环路中设有频谱仪时，当所述微波光子技术振荡器起振时，所述频谱仪观测到射频信号频率和相位噪声，当目标位移发生移动时，第二环路腔长发生变化，第二环路中振荡电信号的频率和相位噪声发生变化，此时建立振荡频率f振荡或相位噪声PN振荡与目标位移之间D目标的关系式，关系式如下所示：

f振荡orPN振荡∝D目标

建立完成后，利用所述频谱仪观测该种变化以实现目标位移的感知。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明在第二振荡环路中加入所述射频发射天线和射频接收天线，用以射频信号空间传输振荡信号的长延时，避免采用长光纤的同时又实现低相噪，进一步提高了基于微波光子技术的振荡器振荡稳定性。

进一步地，所述激光器为半导体激光器或光纤激光器；所述双驱强度调制器为强度调制器、相位调制器或上述两种任意数量的级联或并联组合；所述1×2光耦合器也可采用1×3光耦合器代替，所述第一射频滤波器和所述第二射频滤波器均为可调谐滤波器，通过对器件的调节，进一步提高了基于微波光子技术的振荡器振荡稳定性。

进一步地，所述射频发射天线和射频接收天线的实现方式为阵元或阵列，通过对实现方式的调节，进一步提高了基于微波光子技术的振荡器振荡稳定性。

进一步地，本发明在构建第二振荡环路长腔时利用射频信号的空间传播代替其长光纤中的传输，避免了环境变化对光纤的影响进而对振荡状态的影响，且光电振荡器的剩余部分易于集成，进一步提升了整个振荡器的稳定性。

进一步地，本发明提出的基于空间光电振荡器的目标位移传感方法，充分利用微波在空间中传输低损耗特性，实现对远距离目标的位移感知，进一步提高了基于微波光子技术的振荡器振荡稳定性。

附图说明

图1为本发明所述基于微波光子技术的振荡器实现系统一个具体实施例的结构框图；

图2为本发明所述基于微波光子技术的振荡器实现系统目标位移传感方法的一个具体实施例的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1所示，其本发明所述基于微波光子技术的振荡器实现系统一个具体实施例的结构框图，其结构包括：

第一振荡环路，用以将接收的光信号转换成电信号并在对电信号进行放大和滤波后将其传输至调制器中；

第二振荡环路，用以将接收的光信号转换成电信号、对电信号进行放大后发射至空间并在空间传输延时后进入第二振荡环路另一端，当电信号进入至第二振荡环路另一端时，第二振荡环路对电信号进行放大和过滤后将其传输至调制器中；

通用线路，其设置在所述第一振荡环路和第二振荡环路之间，用以将进入系统的光载波转换成光信号；

请继续参阅图1所示，其为本发明所述通用线路包括：激光器、双驱强度调制器和1×2光耦合器，其中，激光器用以输出光载波；双驱强度调制器输入端与所述激光器输出端相连，用以光载波调制成光信号；1×2光耦合器输入端与所述双驱强度调制器输出端相连，用以将光信号耦合，并分别分配至第一振荡环路和第二振荡环路。

请继续参阅图1所示，本发明所述第一振荡环路包括：第一光电探测器、第一射频放大器、1×2电耦合器和第一射频滤波器，其中，第一光电探测器输入端与所述1×2光耦合器输出端相连，用将光信号转化成电信号，第一射频放大器输入端与所述第一光电探测器输出端相连，用以将转换后得到的电信号放大；1×2电耦合器输入端与所述第一射频放大器输出端相连，用以将放大后的信号进行耦合；第一射频滤波器输入端与所述1×2电耦合器输出端相连，用以将放大后的信号进行滤波，并输出至所述双驱强度调制器完成第一振荡环路闭环。

请继续参阅图1所示，本发明所述第二振荡环路包括：第二光电探测器、第二射频放大器、射频发射天线、射频接收天线、第三射频放大器和第二射频滤波器，其中，第二光电探测器输入端与所述1×2光耦合器输出端相连，用将光信号转化成电信号；第二射频放大器输入端与第二光电探测器输出端相连，用以将转换后得到的电信号放大；射频发射天线输入端与所述第二射频放大器输出端相连，用以将电信号发射至空间；射频接收天线输出端与所述第二射频放大器输入端相连，用以接收所述射频发射天线发射至空间的信号；第三射频放大器输入端与所述射频接收天线输出端相连,用以将接收后得到的电信号放大；第二射频滤波器输入端与第三射频放大器输出端相连，用以将放大后的信号滤波，并输出至所述双驱强度调制器完成第二振荡环路闭环。

请继续参阅图1所示，本发明所述基于微波光子技术的振荡器的工作原理为：

激光器产生的光载波进入所述双驱电光调制器，双驱电光调制器经接收的光载波调制成光信号，并将光信号输出入所述1×2光耦合器耦合，并分别分配至所述第一振荡环路和所述第二振荡环路，进入第一振荡环路的光信号将直接进入所述光电探测器，光电探测器光信号转化成电信号送入所述射频放大器放大，放大后的信号经1×2电耦合器耦合，进入所述射频滤波器滤波，滤波后的电信号进入所述双驱强度调制器完成第一个环路的闭环；进入第二个振荡环路的光信号也直接进入该环路中的所述光电探测器进行光电转换，转换后得到的电信号经所述射频放大器放大后进入所述射频发射天线，射频发射天线将电信号发射至空间，在空间传输一定延时后的信号进入所述射频接收天线，射频接收天线将接收信号送至所述射频放大器，射频放大器将放大后的接收信号送至所述射频滤波器滤波，滤波后进入双驱强度调制器完成所述第二个环路的闭环，当所述第一振荡环路和第二振荡环路满足起振条件时，通过实现低相噪微波基准信号的振荡，利用所述1×2电耦合器或1×2光耦合器将环路中所振荡基准信号引出。

请参阅图2所示，其为本发明所述基于微波光子技术的振荡器实现系统目标位移传感方法的一个具体实施例的结构框图，其结构包括：

第一振荡环路，用以将接收的光信号转换成电信号并在对电信号进行放大和滤波后将其传输至调制器中；

第二振荡环路，用以将接收的光信号转换成电信号、对电信号进行放大后发射至空间并在空间传输延时后进入第二振荡环路另一端，当电信号进入至第二振荡环路另一端时，第二振荡环路对电信号进行放大和过滤后将其传输至调制器中；

通用线路，其设置在所述第一振荡环路和第二振荡环路之间，用以将进入系统的光载波转换成光信号；

请继续参阅2图所示，其为本发明所述通用线路包括：激光器、双驱强度调制器和1×2光耦合器，其中，激光器用以输出光载波；双驱强度调制器输入端与所述激光器输出端相连，用以光载波调制成光信号；1×2光耦合器输入端与所述双驱强度调制器输出端相连，用以将光信号耦合，并分别分配至所述第一振荡环路和所述第二振荡环路。

请继续参阅图2所示，本发明所述第一振荡环路包括：第一光电探测器、第一射频放大器、1×2电耦合器、第一射频滤波器和频谱仪，其中，第一光电探测器输入端与所述1×2光耦合器输出端相连，用将光信号转化成电信号，第一射频放大器输入端与所述第一光电探测器输出端相连，用以将转换后得到的电信号放大；1×2电耦合器输入端与所述第一射频放大器输出端相连，用以将放大后的信号进行耦合；第一射频滤波器输入端与所述1×2电耦合器一侧输出端相连，用以将放大后的信号进行滤波，并输出至所述双驱强度调制器完成第一振荡环路闭环，频谱仪的输入端与所述1×2电耦合器另一侧输出端相连，用以观测实现目标位移变化的感知。

请继续参阅图2所示，本发明所述第二振荡环路包括：第二光电探测器、第二射频放大器、射频发射天线、射频接收天线、第三射频放大器和第二射频滤波器，其中，第二光电探测器输入端与所述1×2光耦合器输出端相连，用将光信号转化成电信号；第二射频放大器输入端与第二光电探测器输出端相连，用以将转换后得到的电信号放大；射频发射天线输入端与所述第二射频放大器输出端相连，用以将电信号发射至空间；射频接收天线输出端与所述第二射频放大器输入端相连，用以接收所述射频发射天线发射至空间的信号；第三射频放大器输入端与所述射频接收天线输出端相连,用以将接收后得到的电信号放大；第二射频滤波器输入端与第三射频放大器输出端相连，用以将放大后的信号滤波，并输出至所述双驱强度调制器完成第二振荡环路闭环。

请继续参阅图2所示，本发明所述基于微波光子技术振荡器的目标位移传感系统工作原理为：

激光器产生的光载波进入所述双驱电光调制器，双驱电光调制器经接收的光载波调制成光信号，并将光信号输出入所述1×2光耦合器耦合，并分别分配至所述第一振荡环路和所述第二振荡环路，进入第一振荡环路的光信号将直接进入所述光电探测器，光电探测器光信号转化成电信号送入所述射频放大器放大，放大后的信号经1×2电耦合器耦合，进入所述射频滤波器滤波，滤波后的电信号进入所述双驱强度调制器完成第一个环路的闭环；进入第二个振荡环路的光信号也直接进入该环路中的所述光电探测器进行光电转换，转换后得到的电信号经所述射频放大器放大后进入所述射频发射天线，射频发射天线将电信号发射至空间，在空间传输一定延时后的信号进入所述射频接收天线，射频接收天线将接收信号送至所述射频放大器，射频放大器将放大后的接收信号送至所述射频滤波器滤波，滤波后进入双驱强度调制器完成所述第二个环路的闭环，当所述微波光子技术振荡器起振时，所述频谱仪观测到射频信号频率和相位噪声，当目标位移发生移动时，第二环路腔长发生变化，第二环路中振荡电信号的频率和相位噪声发生变化，此时建立振荡频率f振荡或相位噪声PN振荡与目标位移之间D目标的关系式，关系式如下所示：

f振荡orPN振荡∝D目标

建立完成后，利用所述频谱仪观测该种变化以实现目标位移的感知。

由此衍生出的一种目标位移传感方法：上述微波光子技术的振荡器中空间信号传输的路径是反射形式，即所述射频发射天线发射去的电信号至待测目标，待测目标反射回电信号进入所述射频接收天线，当目标位置移动后，环路腔长会发生变化，会引起环路中振荡频率和振荡信号相位噪声发生变化，利用频谱仪测出上述变化即可实现对目标位移的测量。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于微波光子技术的振荡器实现系统，其特征在于，采用双环路微波光子技术振荡器包括：

第一振荡环路，用以将接收的光信号转换成电信号并在对电信号进行放大和滤波后将其传输至调制器中；

第二振荡环路，用以将接收的光信号转换成电信号,对电信号进行放大后发射至空间并在空间传输延时后进入第二振荡环路另一端，当电信号进入至第二振荡环路另一端时，第二振荡环路对电信号进行放大和过滤后将其传输至调制器中；

通用线路，其设置在所述第一振荡环路和第二振荡环路之间，用以将进入系统的光载波转换成光信号；

所述通用线路包括：

激光器，用以输出光载波；

双驱强度调制器，双驱强度调制器输入端与所述激光器输出端相连，用以光载波调制成光信号；

1X2光耦合器，1×2光耦合器输入端与所述双驱强度调制器输出端相连，用以将光信号耦合，并分别分配至第一振荡环路和第二振荡环路；

所述第一振荡环路包括：

第一光电探测器，第一光电探测器输入端与所述1×2光耦合器输出端相连，用将光信号转化成电信号；

第一射频放大器，第一射频放大器输入端与所述第一光电探测器输出端相连，用以将转换后得到的电信号放大；

1×2电耦合器，1×2电耦合器输入端与第一射频放大器输出端相连，用以将放大后的信号进行耦合；

第一射频滤波器，第一射频滤波器输入端与所述1×2电耦合器输出端相连，用以将放大后的信号进行滤波，并输出至所述双驱强度调制器完成第一振荡环路闭环；

所述第二振荡环路包括：

第二光电探测器，第二光电探测器输入端与所述1×2光耦合器输出端相连，用将光信号转化成电信号；

第二射频放大器，第二射频放大器输入端与第二光电探测器输出端相连，用以将转换后得到的电信号放大；

射频发射天线，射频发射天线输入端与所述第二射频放大器输出端相连，用以将电信号发射至空间；

射频接收天线，射频接收天线输出端与所述第二射频放大器输入端相连，用以接收所述射频发射天线发射至空间的信号；

第三射频放大器，第二射频放大器输入端与所述射频接收天线输出端相连,用以将接收后得到的电信号放大；

第二射频滤波器，第二射频滤波器输入端与第三射频放大器输出端相连，用以将放大后的信号滤波，并输出至所述双驱强度调制器完成第二振荡环路闭环。

2.根据权利要求1所述基于微波光子技术的振荡器实现系统，其特征在于，所述通用线路中，所述激光器为半导体激光器或光纤激光器；

所述双驱强度调制器为强度调制器、相位调制器或上述两种任意数量的级联或并联组合；

所述1×2光耦合器也可采用1×3光耦合器代替。

3.根据权利要求2所述基于微波光子技术的振荡器实现系统，其特征在于，所述第一振荡环路和第二振荡环路中，

所述第一射频滤波器和所述第二射频滤波器均为可调谐滤波器；

所述射频发射天线和所述射频接收天线的实现方式为阵元或阵列。

4.根据权利要求3所述基于微波光子技术的振荡器实现系统，其特征在于，所述第二振荡环路中，所述射频发射天线通过直射或经特定物体反射后将电信号输送至射频接收天线。

5.根据权利要求4所述基于微波光子技术的振荡器实现系统，其特征在于，当所述系统采用单环路微波光子技术振荡器该系统包括第二振荡环路和通用线路。

6.根据权利要求5所述基于微波光子技术的振荡器实现系统，其特征在于，所述微波光子技术振荡器通过集成实现，当所述射频发射天线经特定物体反射后将电信号输送至射频接收天线时，整个或部分微波光子技术振荡器通过光电混合集成实现。

7.根据权利要求6所述基于微波光子技术的振荡器实现系统，其特征在于，所述第一振荡环路或第二振荡环路中均设有多个射频放大器，在所述第一振荡环路中还设有频谱仪；当所述第一振荡环路中设有频谱仪时，当所述微波光子技术振荡器起振时，所述频谱仪观测到射频信号频率和相位噪声，当目标位移发生移动时，第二环路腔长发生变化，第二环路中振荡电信号的频率和相位噪声发生变化，此时建立振荡频率f_振荡或相位噪声PN_振荡与目标位移之间D_目标的关系式，关系式如下所示：

f_振荡orPN_振荡∝D_目标

建立完成后，利用所述频谱仪观测该种变化以实现目标位移的感知。

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