CN114050873A - 基于色散补偿技术的远程微波频率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

提供一种基于色散补偿技术的远程微波频率测量装置，包括中心站、中间链路和远端天线单元。中心站内设有连续波激光器、光隔离器、第一光环形器、色散补偿光纤、第一偏振控制器、偏振分束器、第一光电探测器和第二光电探测器。中间链路含有上行链路和下行链路。远端天线单元设有第二光环形器、第二偏振控制器、双偏振马赫增德尔调制器和天线。还提供一种基于色散补偿技术的远程微波频率测量方法。本发明能够确保中心的隐蔽性和安全性，提高系统稳定性，简化系统结构，不仅实现了对同一个接收信号频率测量范围的灵活控制，同时可以实现不同天线单元接收的信号工作在同一个测频范围内，提高中心站信号处理的能力。

Description

基于色散补偿技术的远程微波频率测量装置及方法

技术领域

本发明属于微波光子频率测量领域，具体涉及一种基于光纤色散补偿技术的光子学辅助远程频率测量方法及其装置。

背景技术

在电子战中，如何从复杂电磁环境中快速、准确识别发射端电子设备信号类型，频率测量是一项必不可少的工作。传统基于电子学的测频方法由于受到电子器件的制造工艺的限制，测频范围只能达到18GHz，难以满足大带宽的频率测量，且结构复杂。近年来，由于微波光子技术兼具微波技术的灵活、易调控和光子技术的大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优势，大量研究人员开始考虑用微波光子学技术实现频率测量。该技术的基本原理是将微波信号加载到光载波上，通过电光转换后在光色散介质中传输，经过滤波、放大等处理后在接收端进行光电转换恢复出接收的微波信号。近年来，已见许多有关于基于微波光子学的频率测量技术的报道，其核心原理是将微波信号的频率信息与其他信号参数进行映射，由于这种映射关系是单调的响应，可以得到频率信息与信号参数一一对应的关系。比如：频率-时间映射，频率-空间映射，频率-幅度映射，四波混频以及受激布里渊散射效应等，这些方法在测频精度和测频范围上较传统电子学方法有了很大提高，体现出很多的优势，尤其是基于频率与幅度的关系进行测频是当前研究热点。X.Y.Li，A.J.Wen，X.M.Ma，et al.“Photonic microwave frequency measurement with a tunable range based on adual-polarization modulator”，OSA.Appl.Optics，vol.55，pp.8727-8731(2016)，利用双偏振调制器，结合光纤色散特性，使用PC和Pol调整光的偏振态，构造一个可调谐的频率测量方案。该方案系统机构简单，可实现2-28GHz的测量范围内误差仅0.2GHz，但是该方案对偏振稳定性有很大要求。在实际应用中，射频(RF)接收机通常暴露在敌人的探测波束下，直接拦截相关信号实现频率的测量，许多方案只考虑器件的易于集成化而忽略了接收器的安全性问题。Z.Y.Zhao，K.Zhu，L.Y.Lu，et al.“Instantaneous microwave frequencymeasurement using few-mode fiber-based microwave photonic filters”，Opt.Exp.，vol.28，pp.37353-37361(2020)，提出利用少模光纤实现远距离的瞬时微波频率测量，即通过电缆或单模光纤(SMF)将廉价的天线单元(AU)和昂贵的信号处理单元(SPU)分离，让信号处理单元远离天线接收单元，使其更加隐蔽免受敌方攻击。然而，上述方案存在一定的局限性。一是测频的范围只能达到0.5-17.5GHz，测频范围小且测频范围不可调谐，对于多个天线接收单元，无法满足同时工作在同一测频范围内；二是实验中使用了两个激光源且入射波长不等，增加了系统的复杂度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于色散补偿技术的远程微波频率测量装置，包括：中心站、中间链路和远端天线单元；其中

中心站内，设有连续波激光器LD、光隔离器Isolator、第一光环形器OC1、色散补偿光纤DCF、第一偏振控制器PC1、偏振分束器PBS、第一光电探测器PD_X和第二光电探测器PD_Y；

中间链路含有上行链路和下行链路，包括第一单模光纤SMF1、第二单模光纤SMF2、第一掺饵光纤放大器EDFA和第二掺饵光纤放大器EDFA；

远端天线单元，设有第二光环形器OC2、第二偏振控制器PC2、双偏振马赫增德尔调制器DPol-DMZM和天线；

在中心站，激光器产生的光载波经过第一光环形器的端口1输入，由端口3输出，沿下行链路经第一单模光纤SMF1和第一掺铒光纤放大器EDFA传输放大后到达远端天线单元；光隔离器位于激光器输出端与第一光环形器OC1端口1之间，只允许光载波沿着同一方向射出，防止光路反射；在远端天线单元，光载波输入第二偏振控制器PC2，由于光载波为线偏振光，因此通过控制第二偏振控制器PC2来对准双偏振马赫增德尔调制器主轴方向，第二偏振控制器PC2输出端连接到双偏振马赫增德尔调制器的3-dBY分支耦合器将光载波平均功分到双偏振马赫增德尔调制器两个支路；通过天线接收到的未知射频RF信号也分别加载到双偏振马赫增德尔调制器两个支路，分别对双偏振马赫增德尔调制器两个支路接收到的光载波进行调制；双偏振马赫增德尔调制器包括两个并联的双驱动马赫增德尔调制器、90°偏振旋转器PR和偏振束合器PBC；其中双驱动马赫增德尔调制器包括第一马赫增德尔调制器子调制器11和第二马赫增德尔调制器子调制器22，且每个子调制器包含2个射频输入口和2个直流偏置口；在第一马赫增德尔调制器子调制器11中，天线传输的未知射频RF信号加载到2个射频输入口，调节第一马赫增德尔调制器子调制器11的直流偏置电压值，第一马赫增德尔调制器子调制器11工作在正交偏置点，实现对第一马赫增德尔调制器子调制器11已接收到的光载波的双边带调制，获得第一调制光信号；在第二马赫增德尔调制器子调制器22中，天线传输的未知射频RF信号只加载到其中一路射频输入口，不施加偏置电压，实现对第二马赫增德尔调制器子调制器22已接收到的光载波的相位调制，获得第二调制光信号，且第二调制光信号经过90°偏振旋转器旋转后，实现与第一马赫增德尔调制器子调制器11输出的第一调制光信号正交，两路调制光信号经过偏振束合器合为一束正交偏振复用光；正交偏振复用光经过第二光环形器的端口2、端口3后，沿上行链路依次经第二单模光纤SMF2、第二掺饵光纤放大器EDFA的传输放大，之后送回远处的中心站；在中心站，接收到的正交偏振复用光经第一光环形器的端口2输入，由端口3输出，经过一段色散补偿光纤后，第一偏振控制器控制正交偏振复用光的偏振方向对准偏振分束器，由偏振分束器对正交偏振复用光进行偏振解复用处理，使两路偏振态分开；偏振分束器输出的两路信号分别由第一光电探测器输PD_X、第二光电探测器PDY进行光电检测；使用电功率计分别测量经第一光电探测器输PD_X、第二光电探测器PDY光电转换后的光电检测信号功率值，分别定义为P₁，P₂；使用所得两支路功率的比值构造出幅值比较函数ACF＝P₂/P₁，即能够通过公式反求出微波频率的大小。

还提供一种基于色散补偿技术的远程微波频率测量方法，其采用上述的基于色散补偿技术的远程微波频率测量装置，该方法具体包括下列步骤：

首先假定激光器产生光载波信号E_in(t)＝E₀exp(jω_ct)，待测射频信号为V_RF(t)＝Vsin(ω_RFt)；其中E₀、ω_c分别为光载波信号的振幅和角频率，V、ω_RF分别为待测射频信号的幅度和角频率；

第一步：产生连续的线偏振光：在中心站，连续波激光器LD将光载波输入到第一光环形器OC1端口1，从连接第一单模光纤的端口3输出，经过第一单模光纤和第一掺铒光纤放大器的传输放大，传送至远端的天线接收单元；光隔离器位于激光器输出端与第一光环形器OC1端口1之间，只允许光载波沿着同一方向射出，防止光路反射；

第二步：调制处理：由中心站输入的光载波经第二光环形器OC2端口1进入远端天线单元，光载波继而由第二光环形器OC2端口2输出给第二偏振控制器，由第二偏振控制器经3-dB的Y分支耦合器将光载波功分两路到双偏振马赫增德尔调制器DPol-DMZM的第一马赫增德尔调制器子调制器11和第二马赫增德尔调制器子调制器22；同时，在第一马赫增德尔调制器子调制器11和第二马赫增德尔调制器子调制器22中将天线截获的未知射频信号调制到各自接收到的光载波上；分别调节两个子调制器直流偏置电压，使得第一马赫增德尔调制器子调制器11实现对已接收到的光载波的双边带调制，第二马赫增德尔调制器子调制器22实现对已接收到的光载波的相位调制，且第二马赫增德尔调制器子调制器22输出的调制信号经过90°的偏振旋转器PR旋转，实现与第一马赫增德尔调制器子调制器11输出的调制光信号正交；定义来自第一马赫增德尔调制器子调制器11的调制光信号工作在x偏振方向，来自第二马赫增德尔调制器子调制器2的调制光信号工作在y偏振方向；在小信号调制下，双偏振马赫增德尔调制器DPol-DMZM两个输出端口的调制信号表达式如下：

其中，

是调制指数，V_π为半波电压，J_n(m)为n阶第一类贝塞尔函数，

分别表示在x偏振方向的调制光信号和第二马赫增德尔调制器子调制器22在y偏振方向的调制光信号，

分别表示两个正交偏振分量的单位向量，j代表虚数单位；通过公式(1)发现，经过强度调制和相位调制后的信号频谱函数都包含3个分量，输出光谱主要包括载波频率ω_c和正负一阶边带频率ω_c±ω_RF，边带之间频率间隔为ω_RF；两正交分量通过偏振合束器PBC合成一路后经过第二单模光纤和第二掺饵光纤放大器回传中心站，仍保持正交偏振态；

第三步：利用光纤的色散效应，使调制光信号产生与频率相关的功率衰落：偏振复用光信号经过长度为L₁的第二单模光纤SMF后，由于光纤的色散效应，光载波和正负一阶边带处引入额外相移，偏振复用光信号的表达式为：

其中，

表示由单模光纤色散引起的相移，β₂₁＝-λ²D₁/2πc为单模光纤的二阶色散系数，L₁为单模光纤长度，D₁为单模光纤色散值，λ、c分别表示入射光波波长和真空光速；

第四步：色散补偿光纤DCF进行色散补偿：到达中心站后，偏振复用光信号通过第二光环形器OC2的端口2传输到端口3，再经过一段色散补偿光纤DCF产生相移，实现色散补偿；此时，偏振复用光信号表示为：

其中，

表示色散补偿光纤引起的相移，β₂₂＝-λ²D₂/2πc为色散补偿光纤的二阶色散系数，L₂为色散补偿光纤长度，D₂为色散补偿光纤色散值；

第五步：光信号转换为电信号：经过一段色散补偿光纤传输后的偏振复用光信号，经第一偏振控制器PC1对准后，偏振分束器PBS将两路调制的正交偏振态信号再次分开，一路输出给第一光电探测器PD_X，另一路输出给第二光电探测器PD_Y；由于第一光电探测器PD_X、第二光电探测器PD_Y的带宽有一定的限制，因此忽略链路和器件的损耗和高阶分量，滤除直流分量后，得到两路光电检测信号功率值分别为：

其中，R_i(i＝1，2)分别为第一、第二光电探测器的响应度，f＝ω_RF/2π即待测微波信号频率；根据幅值比较函数ACF定义，在小信号调制情况下J0(m)≈1，ACF表示为：

其中K表示光链路中总的损耗量，在这里认为两路光在各自传输时总的损耗量是相等的，K＝1；由等式(6)知，当光载波固定时，幅值比较函数ACF只与待测信号频率和传输光纤参数有关，与射频功率、光功率均无关；由等式(4)和(5)可知，经第一光电探测器PD_X和第二光电探测器PD_Y两支路输出的的光电检测信号功率具有互补性，当传输光纤参数固定时，计算出ACF的一个单调映射区间，且在单调区间内，ACF值与待测信号的频率满足一一对应关系；由此，最大单调区间为tan函数的第一个单调递增区间(0-π/2)，最大测频点f_peak

本发明的方法和装置能够确保中心的隐蔽性和安全性，提高系统稳定性，简化系统结构，不仅实现了对同一个接收信号频率测量范围的灵活控制，同时可以实现不同天线单元接收的信号工作在同一个测频范围内，提高中心站信号处理的能力。

附图说明

图1为本发明基于色散补偿技术的光学辅助远程频率测量装置结构示意图；

图2为本发明中上下支路功率及ACF函数曲线仿真图；

图3为本发明中没有色散补偿时频率测量范围性能仿真图；

图4为本发明中色散补偿技术实现测频范围可调谐和不同天线单元同时工作在同一测频范围的性能仿真图；

图5(a)、(b)示出软件仿真色散补偿技术实现远程频率测量的灵活性并进行理论值和仿真值对比，计算绝对频率测量误差。

具体实施方式

本发明提供一种可调谐的基于色散补偿技术的远程测量频率方法和装置，下面结合附图做进一步说明。

如图1所示，基于色散补偿技术的远程微波频率测量装置包括：中心站、中间链路和远端天线单元。

中心站内，设有连续波激光器LD、光隔离器Isolator、第一光环形器OC1、色散补偿光纤DCF、第一偏振控制器PC1、偏振分束器PBS、第一光电探测器PD_X和第二光电探测器PD_Y。

中间链路含有上行链路和下行链路，包括第一单模光纤SMF1、第二单模光纤SMF2、第一掺饵光纤放大器EDFA和第二掺饵光纤放大器EDFA。

远端天线单元，设有第二光环形器OC2、第二偏振控制器PC2、双偏振马赫增德尔调制器DPol-DMZM和天线。

在中心站，激光器产生的光载波经过第一光环形器的端口1输入，由端口3输出，沿下行链路经第一单模光纤SMF1和第一掺铒光纤放大器EDFA传输放大后到达远端天线单元；光隔离器位于激光器输出端与第一光环形器OC1端口1之间，只允许光载波沿着同一方向射出，防止光路反射。在远端天线单元，光载波输入第二偏振控制器PC2，由于光载波为线偏振光，因此通过控制第二偏振控制器PC2来对准双偏振马赫增德尔调制器主轴方向，第二偏振控制器PC2输出端连接到双偏振马赫增德尔调制器的3-dBY分支耦合器将光载波平均功分到双偏振马赫增德尔调制器两个支路。通过天线接收到的未知射频RF信号也分别加载到双偏振马赫增德尔调制器两个支路，分别对双偏振马赫增德尔调制器两个支路接收到的光载波进行调制。双偏振马赫增德尔调制器包括两个并联的双驱动马赫增德尔调制器(第一马赫增德尔调制器子调制器11和第二马赫增德尔调制器子调制器22，且每个子调制器包含2个射频输入口和2个直流偏置口)、90°偏振旋转器PR和偏振束合器PBC。在第一马赫增德尔调制器子调制器11中，天线传输的未知射频RF信号加载到2个射频输入口，调节第一马赫增德尔调制器子调制器11的直流偏置电压值，第一马赫增德尔调制器子调制器11工作在正交偏置点，实现对第一马赫增德尔调制器子调制器11已接收到的光载波的双边带调制，获得第一调制光信号；在第二马赫增德尔调制器子调制器22中，天线传输的未知射频RF信号只加载到其中一路射频输入口，不施加偏置电压，实现对第二马赫增德尔调制器子调制器22已接收到的光载波的相位调制，获得第二调制光信号，且第二调制光信号经过90°偏振旋转器旋转后，实现与第一马赫增德尔调制器子调制器11输出的第一调制光信号正交，两路调制光信号经过偏振束合器合为一束正交偏振复用光。正交偏振复用光经过第二光环形器的端口2、端口3后，沿上行链路依次经第二单模光纤SMF2、第二掺饵光纤放大器EDFA的传输放大，之后送回远处的中心站。在中心站，接收到的正交偏振复用光经第一光环形器的端口2输入，由端口3输出，经过一段色散补偿光纤后，第一偏振控制器控制正交偏振复用光的偏振方向对准偏振分束器，由偏振分束器对正交偏振复用光进行偏振解复用处理，使两路偏振态分开。偏振分束器输出的两路信号分别由第一光电探测器输PD_X、第二光电探测器PD_Y进行光电检测。使用电功率计分别测量经第一光电探测器输PD_X、第二光电探测器PD_Y光电转换后的光电检测信号功率值，分别定义为P₁，P₂。使用所得两支路功率的比值构造出幅值比较函数ACF＝P₂/P₁，即可通过公式反求出微波频率的大小。

本发明还提供一种基于色散补偿技术的远程微波频率测量方法：双偏振马赫增德尔调制器DPol-DMZM包括两个并联的双驱动马赫增德尔调制器(第一马赫增德尔调制器子调制器11和第二马赫增德尔调制器子调制器22)、3-dB的Y分支耦合器、偏振束合器PBC和90°偏振旋转器PR。线偏振光入射到双偏振马赫增德尔调制器后被3-dB的Y分支耦合器功分两路。在第一马赫增德尔调制器子调制器11中，频率为f的未知射频信号施加到第一马赫增德尔调制器子调制器11的两个射频端口，通过调节直流偏置电压和上下臂加载的频率为f的未知射频信号间相位差，使得第一马赫增德尔调制器子调制器11偏置在正交偏置点上，实现对第一马赫增德尔调制器子调制器11已接收到的光载波的双边带DSB调制。在第二马赫增德尔调制器子调制器22中，频率为f的未知射频信号只加载到第二马赫增德尔调制器子调制器22的两个射频端口的其中一路射频输入口，且不需在直流偏置电压下实现第二马赫增德尔调制器子调制器22已接收到的光载波的相位调制。同时，经过第二马赫增德尔调制器子调制器22的调制光信号经过偏振旋转器PR旋转90°，与第一马赫增德尔调制器子调制器11中调制光信号正交。两路调制光信号经过偏振束合器PBC合为一束正交偏振复用光。

该方法具体包括下列步骤：

为方便说明，首先假定激光器产生光载波信号E_in(t)＝E₀exp(jω_ct)，待测射频信号为V_RF(t)＝Vsin(ω_RFt)。其中E₀、ω_c分别为光载波信号的振幅和角频率，V、ω_RF分别为待测射频信号的幅度和角频率。

第一步：产生连续的线偏振光：在中心站，连续波激光器LD将光载波输入到第一光环形器OC1端口1，从连接第一单模光纤的端口3输出，经过第一单模光纤和第一掺铒光纤放大器的传输放大，传送至远端的天线接收单元。光隔离器位于激光器输出端与第一光环形器OC1端口1之间，只允许光载波沿着同一方向射出，防止光路反射。

第二步：调制处理：由中心站输入的光载波经第二光环形器OC2端口1进入远端天线单元，光载波继而由第二光环形器OC2端口2输出给第二偏振控制器，由第二偏振控制器经3-dB的Y分支耦合器将光载波功分两路到双偏振马赫增德尔调制器DPol-DMZM的第一马赫增德尔调制器子调制器11和第二马赫增德尔调制器子调制器22。同时，在第一马赫增德尔调制器子调制器11和第二马赫增德尔调制器子调制器22中将天线截获的未知射频信号调制到各自接收到的光载波上。分别调节两个子调制器直流偏置电压，使得第一马赫增德尔调制器子调制器11实现对已接收到的光载波的双边带调制，第二马赫增德尔调制器子调制器22实现对已接收到的光载波的相位调制，且第二马赫增德尔调制器子调制器22输出的调制信号经过90°的偏振旋转器PR旋转，实现与第一马赫增德尔调制器子调制器11输出的调制光信号正交。定义来自第一马赫增德尔调制器子调制器11的调制光信号工作在x偏振方向，来自第二马赫增德尔调制器子调制器2的调制光信号工作在y偏振方向。在小信号调制下，双偏振马赫增德尔调制器DPol-DMZM两个输出端口的调制信号表达式如下：

其中，

是调制指数，V_π为半波电压，J_n(m)为n阶第一类贝塞尔函数，

分别表示在x偏振方向的调制光信号和第二马赫增德尔调制器子调制器22在y偏振方向的调制光信号，

分别表示两个正交偏振分量的单位向量，j代表虚数单位。通过公式(1)可以发现，经过强度调制和相位调制后的信号频谱函数都包含3个分量，输出光谱主要包括载波频率ω_c和正负一阶边带频率ω_c±ω_RF，边带之间频率间隔为ω_RF。两正交分量通过偏振合束器PBC合成一路后经过第二单模光纤和第二掺饵光纤放大器回传中心站，仍保持正交偏振态。

第三步：利用光纤的色散效应，使调制光信号产生与频率相关的功率衰落：偏振复用光信号经过长度为L₁的第二单模光纤SMF后，由于光纤的色散效应，光载波和正负一阶边带处引入额外相移，偏振复用光信号的表达式为：

其中，

表示由单模光纤色散引起的相移，β₂₁＝-λ²D₁/2πc为单模光纤的二阶色散系数，L₁为单模光纤长度，D₁为单模光纤色散值，λ、c分别表示入射光波波长和真空光速。

第四步：色散补偿光纤DCF进行色散补偿：到达中心站后，偏振复用光信号通过第二光环形器OC2的端口2传输到端口3，再经过一段色散补偿光纤DCF产生相移，实现色散补偿。此时，偏振复用光信号表示为：

其中，

表示色散补偿光纤引起的相移，β₂₂＝-λ²D₂/2πc为色散补偿光纤的二阶色散系数，L₂为色散补偿光纤长度，D₂为色散补偿光纤色散值。

第五步：光信号转换为电信号：经过一段色散补偿光纤传输后的偏振复用光信号，经第一偏振控制器PC1对准后，偏振分束器PBS将两路调制的正交偏振态信号再次分开，一路输出给第一光电探测器PD_X，另一路输出给第二光电探测器PD_Y。由于第一光电探测器PD_X、第二光电探测器PD_Y的带宽有一定的限制，因此忽略链路和器件的损耗和高阶分量，滤除直流分量后，得到两路光电检测信号功率值分别为：

其中，R_i(i＝1，2)分别为第一、第二光电探测器的响应度，f＝ω_RF/2π即待测微波信号频率。根据幅值比较函数ACF定义，在小信号调制情况下J0(m)≈1，ACF可表示为：

其中K表示光链路中总的损耗量，在这里认为两路光在各自传输时总的损耗量是相等的，K＝1。由等式(6)可知，当光载波固定时，幅值比较函数ACF只与待测信号频率和传输光纤参数有关，与射频功率、光功率均无关。由等式(4)和(5)可知，经第一光电探测器PD_X和第二光电探测器PD_Y两支路输出的的光电检测信号功率具有互补性，当传输光纤参数固定时，可以计算出ACF的一个单调映射区间，且在单调区间内，ACF值与待测信号的频率满足一一对应关系，如图2所示。可以看出，最大单调区间(即最大频率测量范围)为tan函数的第一个单调递增区间(0-π/2)，最大测频点f_peak

由公式(7)可以看出，该方案可以实现可调谐的频率测量。在实际应用中，不可能一直调节入射光波波长或者改变单模光纤的长度来实现测频范围的调整，然而，通过在中心站调整色散补偿光纤的长度可以实现对测频范围的调整。对于单个天线接收单元可以实现更灵活的频率测量；对于多个天线接收单元，可以满足同时工作在同一个测频范围内，在中心站实现对多个不同频率的天线单位接收信号的处理。

本发明具有以下优点：

1、基于色散补偿技术实现远程的可调谐微波频率测量方案，为有效保护中心站，将信号处理单位和信号接收单元分离，确保中心的隐蔽性和安全性。

2、基于色散补偿技术实现远程的可调谐微波频率测量方案，在信号接收端采用双偏振马赫增德尔调制器，利用单个集成的电光调制器件将信号调制在不同的偏振光上。一方面，提高了系统稳定性；另一方面，经过不同调制的信号在不同的偏振态下同时进行远距离传输，简化了系统结构。

3、基于色散补偿技术实现远程的可调谐微波频率测量方案，利用光纤的色散补偿技术，不仅实现了对同一个接收信号频率测量范围的灵活控制，同时可以实现不同天线单元接收的信号工作在同一个测频范围内，提高中心站信号处理的能力。

为验证本发明具有大带宽的可调谐测频性能，利用optisystem14.0以及matlab2019b进行仿真。

设置连续波激光器波长为1550nm，功率为5dBm，线宽为0.5MHz，单模光纤色散系数D₁＝17ps/nm/km。为便于对比，图3为选取5个远程天线接收单元U1、U2、U3、U4和U5，距离中心站距离(即单模光纤长度)分别为L1＝2.1km，L2＝4.1km，L3＝6.1km，L4＝8.1km和L5＝10.1km时，没有加色散补偿光纤时，所对应的测频范围分别为41.82GHz，29.93GHz，24.53GHz，21.29GHz和19.07GHz；

图4是选取两个远程天线接收单元U4和U5，距离中心站距离L4＝8.1km，L5＝10.1km。在中心站，连接一段色散补偿光纤，色散补偿系数D2＝-160ps/nm/km，L＝0.5km，测频范围分别由21.29GHz和19.07GHz提升到32.90GHz和26.09GHz。调整色散补偿光纤长度实现每个远端接收天线单元测频范围灵活调整是可行的；同理，改变色散补偿系数，同样可以实现对测频范围的调整。只需合理调整色散补偿光纤的长度和色散补偿系数，可实现不同的天线接收单元工作在同一测频范围内。

图5(a)是以U5为例进行软件仿真和理论数值对比，软件仿真验证了理论分析的正确性和可行性，在8GHz-32.9GHz的频率范围内，测量的频率与输入射频频率高度一致，如图5(b)所示，绝对频率测量误差小于200MHz。

Claims (2)

1.一种基于色散补偿技术的远程微波频率测量装置，包括：中心站、中间链路和远端天线单元；其特征在于

中心站内，设有连续波激光器LD、光隔离器Isolator、第一光环形器OC1、色散补偿光纤DCF、第一偏振控制器PC1、偏振分束器PBS、第一光电探测器PD_X和第二光电探测器PD_Y；

中间链路含有上行链路和下行链路，包括第一单模光纤SMF1、第二单模光纤SMF2、第一掺饵光纤放大器EDFA和第二掺饵光纤放大器EDFA；

远端天线单元，设有第二光环形器OC2、第二偏振控制器PC2、双偏振马赫增德尔调制器DPol-DMZM和天线；

在中心站，激光器产生的光载波经过第一光环形器的端口1输入，由端口3输出，沿下行链路经第一单模光纤SMF1和第一掺铒光纤放大器EDFA传输放大后到达远端天线单元；光隔离器位于激光器输出端与第一光环形器OC1端口1之间，只允许光载波沿着同一方向射出，防止光路反射；在远端天线单元，光载波输入第二偏振控制器PC2，由于光载波为线偏振光，因此通过控制第二偏振控制器PC2来对准双偏振马赫增德尔调制器主轴方向，第二偏振控制器PC2输出端连接到双偏振马赫增德尔调制器的3-dBY分支耦合器将光载波平均功分到双偏振马赫增德尔调制器两个支路；通过天线接收到的未知射频RF信号也分别加载到双偏振马赫增德尔调制器两个支路，分别对双偏振马赫增德尔调制器两个支路接收到的光载波进行调制；双偏振马赫增德尔调制器包括两个并联的双驱动马赫增德尔调制器、90°偏振旋转器PR和偏振束合器PBC；其中双驱动马赫增德尔调制器包括第一马赫增德尔调制器子调制器11和第二马赫增德尔调制器子调制器22，且每个子调制器包含2个射频输入口和2个直流偏置口；在第一马赫增德尔调制器子调制器11中，天线传输的未知射频RF信号加载到2个射频输入口，调节第一马赫增德尔调制器子调制器11的直流偏置电压值，第一马赫增德尔调制器子调制器11工作在正交偏置点，实现对第一马赫增德尔调制器子调制器11已接收到的光载波的双边带调制，获得第一调制光信号；在第二马赫增德尔调制器子调制器22中，天线传输的未知射频RF信号只加载到其中一路射频输入口，不施加偏置电压，实现对第二马赫增德尔调制器子调制器22已接收到的光载波的相位调制，获得第二调制光信号，且第二调制光信号经过90°偏振旋转器旋转后，实现与第一马赫增德尔调制器子调制器11输出的第一调制光信号正交，两路调制光信号经过偏振束合器合为一束正交偏振复用光；正交偏振复用光经过第二光环形器的端口2、端口3后，沿上行链路依次经第二单模光纤SMF2、第二掺饵光纤放大器EDFA的传输放大，之后送回远处的中心站；在中心站，接收到的正交偏振复用光经第一光环形器的端口2输入，由端口3输出，经过一段色散补偿光纤后，第一偏振控制器控制正交偏振复用光的偏振方向对准偏振分束器，由偏振分束器对正交偏振复用光进行偏振解复用处理，使两路偏振态分开；偏振分束器输出的两路信号分别由第一光电探测器输PD_X、第二光电探测器PD_Y进行光电检测；使用电功率计分别测量经第一光电探测器输PD_X、第二光电探测器PD_Y光电转换后的光电检测信号功率值，分别定义为P₁，P₂；使用所得两支路功率的比值构造出幅值比较函数ACF＝P₂/P₁，即能够通过公式反求出微波频率的大小。

2.一种基于色散补偿技术的远程微波频率测量方法，其采用如权利要求1所述的基于色散补偿技术的远程微波频率测量装置，其特征在于，该方法具体包括下列步骤：

首先假定激光器产生光载波信号E_in(t)＝E₀exp(jω_ct)，待测射频信号为V_RF(t)＝Vsin(ω_RFt)；其中E₀、ω_c分别为光载波信号的振幅和角频率，V、ω_RF分别为待测射频信号的幅度和角频率；

第一步：产生连续的线偏振光：在中心站，连续波激光器LD将光载波输入到第一光环形器OC1端口1，从连接第一单模光纤的端口3输出，经过第一单模光纤和第一掺铒光纤放大器的传输放大，传送至远端的天线接收单元；光隔离器位于激光器输出端与第一光环形器OC1端口1之间，只允许光载波沿着同一方向射出，防止光路反射；

第二步：调制处理：由中心站输入的光载波经第二光环形器OC2端口1进入远端天线单元，光载波继而由第二光环形器OC2端口2输出给第二偏振控制器，由第二偏振控制器经3-dB的Y分支耦合器将光载波功分两路到双偏振马赫增德尔调制器DPol-DMZM的第一马赫增德尔调制器子调制器11和第二马赫增德尔调制器子调制器22；同时，在第一马赫增德尔调制器子调制器11和第二马赫增德尔调制器子调制器22中将天线截获的未知射频信号调制到各自接收到的光载波上；分别调节两个子调制器直流偏置电压，使得第一马赫增德尔调制器子调制器11实现对已接收到的光载波的双边带调制，第二马赫增德尔调制器子调制器22实现对已接收到的光载波的相位调制，且第二马赫增德尔调制器子调制器22输出的调制信号经过90°的偏振旋转器PR旋转，实现与第一马赫增德尔调制器子调制器11输出的调制光信号正交；定义来自第一马赫增德尔调制器子调制器11的调制光信号工作在x偏振方向，来自第二马赫增德尔调制器子调制器2的调制光信号工作在y偏振方向；在小信号调制下，双偏振马赫增德尔调制器DPol-DMZM两个输出端口的调制信号表达式如下：

其中，

是调制指数，V_π为半波电压，J_n(m)为n阶第一类贝塞尔函数，

分别表示在x偏振方向的调制光信号和第二马赫增德尔调制器子调制器22在y偏振方向的调制光信号，

分别表示两个正交偏振分量的单位向量，j代表虚数单位；通过公式(1)发现，经过强度调制和相位调制后的信号频谱函数都包含3个分量，输出光谱主要包括载波频率ω_c和正负一阶边带频率ω_c±ω_RF，边带之间频率间隔为ω_RF；两正交分量通过偏振合束器PBC合成一路后经过第二单模光纤和第二掺饵光纤放大器回传中心站，仍保持正交偏振态；

第三步：利用光纤的色散效应，使调制光信号产生与频率相关的功率衰落：偏振复用光信号经过长度为L₁的第二单模光纤SMF后，由于光纤的色散效应，光载波和正负一阶边带处引入额外相移，偏振复用光信号的表达式为：

其中，

表示由单模光纤色散引起的相移，β₂₁＝-λ²D₁/2πc为单模光纤的二阶色散系数，L₁为单模光纤长度，D₁为单模光纤色散值，λ、c分别表示入射光波波长和真空光速；

第四步：色散补偿光纤DCF进行色散补偿：到达中心站后，偏振复用光信号通过第二光环形器OC2的端口2传输到端口3，再经过一段色散补偿光纤DCF产生相移，实现色散补偿；此时，偏振复用光信号表示为：

其中，

表示色散补偿光纤引起的相移，β₂₂＝-λ²D₂/2πc为色散补偿光纤的二阶色散系数，L₂为色散补偿光纤长度，D₂为色散补偿光纤色散值；

第五步：光信号转换为电信号：经过一段色散补偿光纤传输后的偏振复用光信号，经第一偏振控制器PC1对准后，偏振分束器PBS将两路调制的正交偏振态信号再次分开，一路输出给第一光电探测器PD_X，另一路输出给第二光电探测器PD_Y；由于第一光电探测器PD_X、第二光电探测器PD_Y的带宽有一定的限制，因此忽略链路和器件的损耗和高阶分量，滤除直流分量后，得到两路光电检测信号功率值分别为：

其中，R_i(i＝1，2)分别为第一、第二光电探测器的响应度，f＝ω_RF/2π即待测微波信号频率；根据幅值比较函数ACF定义，在小信号调制情况下J0(m)≈1，ACF表示为：

其中K表示光链路中总的损耗量，在这里认为两路光在各自传输时总的损耗量是相等的，K＝1；由等式(6)知，当光载波固定时，幅值比较函数ACF只与待测信号频率和传输光纤参数有关，与射频功率、光功率均无关；由等式(4)和(5)可知，经第一光电探测器PD_X和第二光电探测器PD_Y两支路输出的的光电检测信号功率具有互补性，当传输光纤参数固定时，计算出ACF的一个单调映射区间，且在单调区间内，ACF值与待测信号的频率满足一一对应关系；由此，最大单调区间为tan函数的第一个单调递增区间(0-π/2)，最大测频点f_peak

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