CN114389707A - 一种频率可灵活选择的多波段线性调频信号生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频率可灵活选择的多波段线性调频信号生成方法，该方法涉及微波技术领域和光通信技术领域。所述方法如说明书附图图1所示，包括激光器LD、双偏振二进制相移键控调制器DP‑BPSK、任意波形发生器AWG、掺铒光纤放大器EDFA、偏振控制器PC、起偏器POL和光电探测器PD。本振信号通过DP‑BPSK上臂的DD‑MZM1进行相位调制，IF‑LFM信号通过DP‑BPSK下臂的DD‑MZM2进行抑制载波双边带调制；调节PC，控制两偏振态之间的相位差，随后经过POL和光电探测后即可得到多波段线性调频信号。本发明不仅克服了电域技术的电子瓶颈，还增加了频率灵活调谐的特性；多波段信号同时生成使得系统在多波段雷达中、分布式雷达系统中有潜在的应用价值。

Description

一种频率可灵活选择的多波段线性调频信号生成方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域以及微波技术领域，主要涉及利用光子学技术产生线性调频信号。
背景技术
探测环境的日益复杂对雷达探测提出了更高的要求，当雷达系统探测目标时，探测距离和距离分辨率是同时需要考虑的指标，为增大探测距离需提升发射平均功率，探测信号的脉冲宽度需比较大，为提升距离分辨率，探测信号需具有大的带宽，这对于一般的信号是相互矛盾的，因此脉冲压缩信号应运而生。线性调频信号是现代雷达系统中广泛用于脉冲压缩的微波波形之一，数十年来受到越来越多的关注，由于其脉冲压缩性能好，不会因为目标物的速度引起脉冲损失，受到了广泛的应用。尽管利用电子技术产生线性调频信号的技术已经十分成熟，但是目前电域器件的电子瓶颈限制了未来雷达多波段，大带宽的发展趋势，同时其电磁干扰严重，系统体积功耗大等问题也限制了雷达系统的发展和应用场景。
得益于微波光子多波段、大带宽、功耗低、体积小、抗电磁干扰等一系列优势，线性调频信号的光学生成逐渐成为了研究的热点。采用光学技术，可在多波段范围内产生具有灵活调谐性的线性调频信号，在雷达探测系统中，多波段信号还可以执行多种功能(识别、跟踪、映射等)。
目前已报道的生成线性调频信号最常用的方法为两类。一类为基于空间光学的生成方案，一类为基于光纤光学的生成方案。在第一种方案中，虽然系统灵活，可扩展性强，然而自由空间与光纤耦合将会增加系统的损耗和复杂度，系统通常会面临体积大和损耗大的问题。在第二种方案中，不需要空间光处理，系统将更加稳定；利用电光调制器灵活的调制方式和可变的系统结构，可以简单有效的获取线性调频信号，大大提高生成信号的时宽带宽积；然而大多数方案功能单一，且只能在单个频率下生成线性调频信号，难以应用在多波段雷达系统中。
发明内容
为了解决技术背景中所存在的问题，本发明提出了一种频率可灵活选择的多波段线性调频信号生成方法。该方法仅使用一个集成电光调制器即可同时产生多波段的线性调频信号，简化了系统结构，降低系统传输损耗；多波段信号同时产生可以方便其用于多波段雷达等领域。
采用双偏振二进制相移键控DP-BPSK调制器对光载波进行相位调制和抑制载波的双边带调制，经过调制器内部的偏振旋转器和偏振光束合成器偏可使两路光信号的偏振态相互正交并复用；光电转换模块采用光电探测器，不需要使用平衡光电探测器的情况下消除本地振荡信号的自外差，因此更加稳定和简单。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述装置包括1激光源LD、2双偏振二进制相移键控调制器DP-BPSK、3双驱动马赫增德尔调制器DD-MZM、4 90°偏振旋转器PR、5移相器PS、6偏振光束合成器PBC、7任意波形发生器AWG、8掺铒光纤放大器EDFA、9偏振控制器PC、10起偏器POL、11光电探测器PD。光源的输出端与DP-BPSK调制器的输入端连接。本振信号LO分为两路，加载在DP-BPSK上臂DD-MZM1调制器的两个射频输入端。AWG产生的中频线性调频信号IF-LFM信号分为两路，一路加载在DP-BPSK下臂DD-MZM2调制器的一个射频输入端，另一路通过移相器180度相移后加载在DD-MZM2调制器的另一个射频输入端，随后通过PR与DD-MZM1的输出连接PBC的两个输入端，PBC的输出端与EDFA的输入端相连，EDFA的输出端连接PC，PC的输出端与POL相连，随后POL的输出端连接PD的输入端，PD的输出端可连接示波器或频谱仪分析。
其中DP-BPSK由两个并行的双驱动马赫曾德尔调制器DD-MZM1和DD-MZM2以及90°偏振旋转器PR和偏振合束器PBC集成，每个双驱动马赫增德尔调制器有两个射频输入端。
本发明在工作时包括以下步骤：
(1)从光源发出波长为λ的光载波输入到DP-BPSK调制器中；
(2)本振信号LO输入到DP-BPSK调制器的射频输入端口；
(3)调节DP-BPSK调制器的偏置电压、输入射频信号的功率，上路可以输出相位调制信号(光载波和正负一阶、正负二阶光边带)，下路输入IF-LFM信号，输出抑制载波双边带信号(正负一阶)，上下两路光信号的偏振态相互正交；
(4)将经过EDFA放大的信号注入PC，以旋转偏振态的方向，将偏振旋转角设定为45°，并在两个偏振方向之间引入相位差
Figure BDA0002728818800000021
POL用于将偏振复用的光信号合成为线性偏振信号；
(5)从POL输出的光信号连接PD的输入端口，通过调节PC引入的相位差
Figure BDA0002728818800000022
经过光电探测后，将得到频率可选的多波段线性调频信号。
本发明提出了一种频率可灵活选择的多波段线性调频信号生成方法，使用DP-BPSK调制器分别实现了LO信号的相位调制和LFM信号的抑制载波双边带调制，这两路光信号偏振态相互正交。将调制器输出的偏振复用信号输入PC和POL，设定偏振旋转角，在两个偏振方向之间引入相位差
Figure BDA0002728818800000023
随后经过光电探测，便可实现多波段线性调频信号的生成，设置相位差为0°、90°、45°即可得到双波段、三波段和五波段线性调频信号。即不同条件下可获得频率灵活选择的多频带线性调频信号。
本发明结构简单，仅采用一个集成调制器，避免了光路分离所引入的相位噪声，从而保证了系统的稳定度。此外，一方面，整个系统不包含多波长激光源或滤波器，从而使系统获得更大的工作频率范围。另一方面，提出的信号发生器可以同时产生频率可灵活选择的多波段线性调频信号，从而在分布式相干雷达系统中找到合适的应用。
附图说明
图1为频率可选的多波段线性调频信号的光学产生器的原理图。
图2为(a)DP-BPSK输出信号的对应光谱和(b)信号经过POL后的对应光谱，
Figure BDA0002728818800000031
是POL引入的相移。
图3为(a)LO信号的光谱图和(b)IF-LFM信号的光谱图。
图4(a)为相位差设置为45°时，生成的五个频段(2GHz、6.5GHz、11GHz、15.5GHz、20GHz)的LFM信号的电谱图，图4(b)为相位差设置为0°时，生成的两个频段(6.5GHz、11GHz)的LFM信号电谱图，图4(c)为相位差设置为90°时，生成的三个频段(2GHz、15.5GHz、20GHz)的LFM信号电谱图。
图5为将两个偏振方向之间的相位差分别设置为(a)45°、(b)0°和(c)90°时获得的多频带LFM信号的时频图。
图6(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别为2GHz、6.5GHz、11GHz、15.5GHz、20GHz频段的LFM信号(i)波形图、(ii)时频图和(iii)自相关结果图。
图7(a)为相位差设置为45°时，生成的五个频段(1GHz、3.5GHz、6GHz、8.5GHz、11GHz)的LFM信号的电谱图，图7(b)为相位差设置为0°时，生成的两个频段(3.5GHz、6GHz)的LFM信号电谱图，图7(c)为相位差设置为90°时，生成的三个频段(1GHz、8.5GHz、11GHz)的LFM信号电谱图。
图8为将两个偏振方向之间的相位差分别设置为(a)45°、(b)0°和(c)90°时获得的多频带LFM信号的时频图。
图9(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别为1GHz、3.5GHz、6GHz、8.5GHz、11GHz频段的LFM信号(i)波形图、(ii)时频图和(iii)自相关结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作流程，但本发明的保护范围不限于下属的实施例。
图1为频率可灵活选择的多波段线性调频信号生成方法原理图。装置包括1激光源LD、2双偏振二进制相移键控调制器DP-BPSK、3双驱动马赫增德尔调制器DD-MZM、4 90°偏振旋转器PR、5移相器PS、6偏振光束合成器PBC、7任意波形发生器AWG、8掺铒光纤放大器EDFA、9偏振控制器PC、10起偏器POL、11光电探测器PD。DP-BPSK实现对两路光信号的偏振复用，上臂DD-MZM1工作在最大传输点MATP，对本振信号LO进行相位调制。下臂DD-MZM2调制器工作在最小传输点MITP，对AWG产生的IF-LFM信号进行抑制载波双边带调制，图2(a)为DP-BPSK调制器输出的正交偏振复用信号光谱图。随后将放大后的信号注入PC，以旋转偏振态的方向，并在两个偏振方向之间引入相位差。在PC之后，使用POL将偏振复用的光信号合成为线性偏振的光信号，图2(b)为POL的输出光信号，经过PD光电转换后可连接示波器或频谱仪分析。
本实例中，具体包括以下步骤：
步骤一：光源产生工作波长为1550.1nm，功率为16dBm的连续光波，该连续光波作为载波输入到DP-BPSK调制器；
步骤二：模拟信号发生器输出频率为9GHz、功率为23dBm的正弦本振信号，然后，LO信号被分为两部分，并直接注入DP-BPSK调制器上臂DD-MZM1的两个RF端口，调节子调制器偏置电压在使其在最大传输点MATP上工作以实现相位调制。任意波形发生器AWG生成载波频率为2GHz，带宽为0.5GHz的IF-LFM信号，功率为-2dBm。由一对差分输出端口将输出的IF-LFM信号直接注入DD-MZM2的两个RF端口，调节子调制器偏压使其在最小传输点MITP工作，用于载波抑制的双边带调制；
步骤三：调制器输出的光信号被EDFA放大，噪声系数为4.5dB。EDFA在自动功率控制模式下工作，输出功率为10.5dBm，用于补偿光链路损耗；
步骤四：将放大后的信号注入PC，以旋转偏振态的方向，并在两个偏振方向之间分别引入相位差0°、45°和90°。在PC之后，使用POL将偏振复用的光信号合成为线性偏振的光信号；
步骤五：线性偏振光信号注入PD中(响应度0.74A/W)以进行光电转换。用频谱分析仪观察其电谱图，在示波器中记录波形，用MATLAB进行处理和自相关计算；
步骤六：重复步骤二到步骤五，将IF-LFM信号和LO信号的载波频率分别更改为1GHz和5GHz，验证生成信号的载波频率可调谐性；
图3(a)为DP-BPSK上臂输出的本振信号LO相位调制的光谱图，图3(b)为DP-BPSK下臂输出的IF-LFM信号的光谱；图4(a)(b)(c)为设置两个偏振态之间的相位差等于45°，0°和90°分别获得所有五个波段、两个波段和三个波段的LFM信号电谱图，所生成的信号覆盖了多个频带，例如S(2GHz)，C(6.5GHz)，X(11GHz)，Ku(15.5GHz)和Ka(20GHz)频带；图5(a)(b)(c)分别为经过短时傅里叶变换后获得的五个波段、两个波段和三个波段的LFM信号，S(2GHz)，X(11GHz)和Ka(20GHz)频带处是正啁啾信号，而C(6.5GHz)和Ku(15.5GHz)频带处为负啁啾信号，选择的频带功率约为比已淘汰的频段高20dB，证明了所获得信号的良好的频带选择能力；图6(a)-(e)为2GHz-20GHz频段的LFM信号(i)波形图、(ii)时频图和(iii)生成信号的自相关结果图。在图6(iii)中示出了所产生的信号的自相关峰，以评估所获得的信号的脉冲压缩能力。每个自相关结果显示半高全宽(FWHM)分别为0.72ns，0.73ns，0.72ns，0.75ns和0.73ns，分别对应于脉冲压缩比(PCRs)1389、1370、1389，1333和1370。此外，每个自相关峰的峰边带抑制比(PSR)为7.29dB，7.52dB，7.47dB，7.32dB和7.34dB。自相关结果表明，所获得的信号具有良好的脉冲压缩能力。图7(a)(b)(c)为设置两个偏振态之间的相位差等于45°、0°和90°分别获得所有五个波段、两个波段和三个波段的LFM信号，IF-LFM信号和LO信号的载波频率分别更改为1GHz和5GHz，生成LFM信号的频段分别为1GHz，3.5GHz，6GHz，8.5GHz和11GHz，验证了所生成信号的载波频率的可调谐性；图8(a)(b)(c)分别为经过短时傅里叶变换后获得的五个波段、两个波段和三个波段的LFM信号，LFM信号分别在1.5GHz，3.5GHz，6GHz，8.5GHz和11GHz产生，发现所得信号具有良好的频带选择能力；图9为(a)-(e)为对应1GHZ-11GHZ频段的LFM信号(i)波形图、(ii)时频图和(iii)生成信号的自相关结果图，(a)-(e)每个自相关结果的FWHM为0.73ns，0.74ns，0.72ns，0.75ns和0.74ns，分别对应于1370、1351、1389、1333和1351的PCR。此外，每个自相关峰值的PSR分别为7.22dB，7.46dB，7.51dB，7.35dB和7.32dB。再一次显示出所得信号良好的脉冲压缩能力。
在本方案中，仅使用一个集成调制器，避免引入的相位噪声对信号的影响，增强了系统的稳定性。一方面，整个系统不包含多波长激光源或滤波器，从而使系统获得更大的工作频率范围。另一方面，提出的信号生成方法可以同时产生频率灵活选择的多波段LFM信号，从而应用范围更广，在多波段雷达、分布式相干雷达系统等领域中有应用价值。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同的变形和替换，例如使用分离的器件来实现DP-BPSK调制器的功能。此外，改变输入光载波波长、功率，改变本振信号功率，改变IF-LFM信号功率等为本发明的保护的范围。

Claims (1)

1.一种频率可灵活选择的多波段线性调频信号生成方法，包括激光器LD、双偏振二进制相移键控调制器DP-BPSK、任意波形发生器AWG、移相器PS、掺铒光纤放大器EDFA、偏振控制器PC、起偏器POL和光电探测器PD，其中DP-BPSK内部是由Y型分光器、两个并行的双驱动马赫曾德尔调制器DD-MZM1和DD-MZM2、90°偏振旋转器PR和偏振合束器PBC集成；其特征在于：LD输出的光载波进入DP-BPSK，本振信号LO分为两路，分别输入DD-MZM1的两个射频驱动端口，调节偏置电压，使DD-MZM1工作在最大点MATP，实现相位调制，AWG产生的中频线性调频信号IF-LFM分为两路，分别驱动DD-MZM2的两个射频端口，其中一路经过PS移相180°，调节偏置电压，使DD-MZM2工作在最小点MITP，实现抑制载波双边带调制，DD-MZM1和DD-MZM2输出的两路光信号通过90°偏振旋转器后偏振态相互正交，随后这两路光信号经过PBC合束后输出，DP-BPSK的输出端与EDFA相连，EDFA的输出端与PC相连，设定偏振旋转角，在两个偏振方向之间引入相位差
Figure FDA0002728818790000011
随后连接POL，将偏振复用的光信号合成为线性偏振的光信号，随后连接PD经过光电探测后，即可得到多波段线性调频信号,通过调节PC使相位差
Figure FDA0002728818790000012
分别为0°、90°和45°即可得到双波段、三波段和五波段线性调频信号，即调节PC改变相位差
Figure FDA0002728818790000013
可获得频率灵活选择的多波段线性调频信号。
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