CN114720780A - 一种高功率高频微波场强传感方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于受激布里渊散射效应的单边带变频放大高功率高频微波场强传感方法及装置。本发明为解决现有采用电学微波场强传感探头对高功率高频空间微波信号进行探测时存在单一天线频段覆盖窄而采用多天线的方式导致的成本高、系统体积大的问题。本发明装置包括激光发射模块、光本振模块、可调泵浦模块、微波光放大模块、光学电场传感探头、光接收变频模块、微波功率检测模块及数据采集处理与显示模块。利用受激布里渊散射放大的方法实现待测信号光的低噪放大，利用光载微波信号全光混频的方法实现待测信号的下变频，从而实现了采用低频检波器和低速数据采集卡便可测量高频高功率微波信号的电场强度。

Description

一种高功率高频微波场强传感方法及装置

技术领域

本发明属于光学传感和微波测量领域，具体涉及一种基于受激布里渊散射效应的单边带变频放大高功率高频微波场强传感方法及装置。

背景技术

在微波技术研究中，高频（300MHz~40GHz）高功率微波辐射电场强度的测量是一项重要的研究内容。现有高功率高频微波电场强度测量技术多采用远场电学测量方法，即在天线辐射远场区域内采用喇叭天线接收微波功率，经耦合、衰减等环节对微波功率进行测量，根据微波功率与电场强度之间的数学关系便可得到待测微波辐射电场强度。对高功率微波测量而言，天线接收的微波功率往往达到数百kW，使得接收天线及其后续元器件存在严重串扰而引入测量误差，且容易发生器件击穿。对超宽带微波信号，需要采用不同频段的天线来探测同一宽带微波信号，且频段越宽，频率越高，天线种类越多，这导致探测设备结构复杂且成本高昂。

实现高功率高频微波信号场强的高精度实时测量在现代航空航天和国防系统中具有广阔的应用前景。纯光学设计的微波光子学传感探头能够突破传统电学测量方法的限制，测量更高频和更高功率的微波信号，但如果不经任何处理，直接去检测探头测量到的高频信号，必须配套使用高频分析仪器，高频测试设备的使用将增加系统的成本，并且体积较大的频谱和波形分析设备也很难在测试现场得到大量推广。此外，基于电光效应的电场传感器的传感信号较弱，一般都需要增加光放大或微波放大设备来实现信号的检测。因此在尽量降低设备量的情况下如何对待测信号进行变频和放大检测就显得尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：对高功率高频空间微波信号进行探测时存在成本高、系统设备复杂的问题，提供了一种基于光纤受激布里渊散射效应的单边带变频放大高功率高频微波场强传感方法及装置。

本发明提供一种高功率高频微波场强传感装置，所述装置包括：

激光发射模块、光本振模块、可调泵浦模块、微波光放大模块、光学电场传感探头、光接收变频模块、微波功率检测模块及数据采集处理与显示模块；

所述激光发射模块，分别与光本振模块和可调泵浦模块通过光法兰进行连接，用于提供两路线偏振光信号；

所述光本振模块，与所述激光发射模块进行连接，用于加载本振射频信号，从而形成一光载本振信号；

所述可调泵浦模块，与所述激光发射模块进行连接，通过载波抑制调制生成一频率可调的光调制边带，并通过光放大器产生一频率可调的斯托克斯光增益谱；

所述微波光放大模块，有四个光接口，分别标记为1,2,3,4端口，1端口与所述光本振模块连接，2端口与所述光学电场传感探头连接，3端口与所述可调泵浦模块连接，4端口与所述光接收变频模块连接，所述微波光放大模块用于对所传感的高频微波信号进行光调制边带放大；

所述光学电场传感探头，与所述微波光放大模块连接，并放置于待测微波电场辐射的空间中。

所述光接收变频模块，与所述微波光放大模块进行连接，用于对接收到的光信号进行光电转换并对高频微波信号进行变频；

所述微波功率检测模块，与所述光接收变频模块进行连接，用于对接收到的微波信号进行功率检测；

所述数据采集处理与显示模块，与所述功率检测模块连接，用于对所述功率检测模块输出的直流电压信号进行数据采集，根据采集到的电压计算得到所测量的高功率高频微波场的场强大小并显示该场强值。

优选的，所述激光发射模块包含：

窄线宽激光器和保偏光纤耦合器；

所述窄线宽激光器输出的线偏振光通过光法兰与所述保偏光纤耦合器的输入端连接，所述保偏光纤耦合器根据其自身的耦合比对所述窄线宽激光器输出光功率进行一定比例的光功率分配，输出两路线偏振光，从而有两个光输出端口，分别称为第一支路和第二支路；

优选的，所述光本振模块包含：

第一微波信号源、第一电光强度调制器和第一调制器控制器；

所述第一电光强度调制器的光输入端口通过光法兰与激光发射模块的第一支路端口连接，第一电光强度调制器的光输出端口通过光法兰与微波光放大模块进行连接，第一微波信号源的射频输出端口通过高频同轴电缆与第一电光强度调制器的射频输入端口连接，第一电光强度调制器的直流偏置电压控制端口及输出光功率监控端口与第一调制器控制器进行连接。所述第一电光强度调制器也可以采用电光相位调制器，在此情况下就不需要第一调制器控制器。

优选的，所述可调泵浦模块包含：

第二微波信号源、第二电光强度调制器、第二调制器控制器和光放大器

所述第二电光强度调制器的光输入端口通过光法兰与激光发射模块的第二支路端口连接，第二电光强度调制器的光输出端口通过光法兰与光放大器连接，光放大器光输出端口与微波光放大模块进行连接，第二微波信号源的射频输出端口通过高频同轴电缆与第二电光强度调制器的射频输入端口连接，第二电光强度调制器的直流偏置电压控制端口及输出光功率监控端口与第二调制器控制器进行连接。

优选的，所述微波光放大模块包含：

第一光纤环行器、高非线性光纤和第二光纤环行器

所述第一光纤环形器有三个光纤接口，分别为411、412和413，第一光纤环形器输入端口411通过微波光放大模块的1端口与光本振模块连接。所述第一光纤环形器的光输出端口412通过微波光放大模块的2端口与光学电场传感探头连接，所述第一光纤环形器的端口413与所述高非线性光纤连接。所述第二光纤环形器有三个光纤接口，分别为421、422和423，第二光纤环形器输入端口421通过微波光放大模块的3端口与可调泵浦模块连接。所述第二光纤环形器的光输出端口422与高非线性光纤连接，所述第二光纤环形器的端口423通过微波光放大模块的4端口与光接收变频模块连接。

优选的，所述光接收变频模块包含：

高速光电探测器、带通滤波器和低噪放。

所述高速光电探测器与微波光放大模块的4端口连接，高速光电探测器输出端口与带通滤波器输入端口连接，带通滤波器输出端口与低噪放输入端口连接。

优选的，所述光学电场传感探头为基于电光晶体电光效应的反射式光学电场传感探头，该传感探头有一个光接口，采用全绝缘介质材料制作，并标记有最佳灵敏度方向。

光学电场传感探头与所述微波光放大模块连接，并放置于待测微波电场辐射的空间中。

优选的，所述微波功率检测模块包含：

微波检波器和信号调理电路。

所述微波检波器接收光接收变频模块输出的高频微波信号，微波检波器输出端口与信号调理电路连接，信号调理电路对微波检波器输出的直流信号进行滤波和放大。

优选的，所述数据采集处理与显示模块包含数据采集及显示电路和屏幕

所述数据采集处理与显示模块与微波功率检测模块连接，用于采集微波功率检测模块输出的直流电压值，通过该模块计算出待测高功率微波的场强大小并显示结果。

本发明还提供一种高功率高频微波场强传感方法，其采用了如上所述的传感装置，其中，包括如下步骤：

S1：利用标准电场对光学电场传感探头和本发明的高功率高频微波场强传感装置进行测量准确度的标定，形成标定数据；

S2：利用频谱仪测量本发明装置中所用高非线性光纤的布里渊频移值。

S3：装置上电后，光本振模块和可调泵浦模块中的电光强度调制器控制器分别控制相对应的电光强度调制器，使光本振模块中的第一电光强度调制器工作在正交点，使可调泵浦模块中的第二电光强度调制器工作在载波抑制点处。

S4：将光学电场传感探头放置于待测高频微波场中，并调整探头的位置，使高频微波电场场强方向与传感探头标记的最佳灵敏度方向平行。

S5：调节光本振模块中第一微波源的频率，使得该频率等于待测微波信号频率与所述光接收变频模块输出的中频信号频率的差值。

S6：调节可调泵浦模块中的第二微波源的频率使得其与待测微波信号的频率差值等于高非线性光纤的受激布里渊频移值。

S7：根据数据采集处理与显示模块输出的电压值调节可调泵浦模块输出光功率的大小，从而提高光接收变频模块输出中频信号的功率，使得数据采集处理与显示模块采集到的信号的电压值大于微波功率检测模块检测灵敏度。

S8：微调可调泵浦模块中的第二微波源的频率，使得数据采集处理与显示模块采集到的信号电压值最大。

S9：根据检测信噪比再次调节可调泵浦模块输出光功率的大小，使得数据采集处理与显示模块采集到的信号的电压值处于微波功率检测模块输出电压动态范围的中间值附近。

S10：微波光放大模块对待测信号进行放大，并在光接收变频模块中对高频待测微波信号进行下变频至中频信号。光接收变频模块输出的中频待测信号经微波功率检测模块后输出与待测电场强度成线性关系的电压值，数据采集处理与显示模块采集到该电压并根据标定的光学电场传感探头数据得到待测高功率高频微波场场强值。

相对于现有微波场强测量技术，本发明所述的高功率高频微波场强传感方法与装置，具有以下几个优点：

1相对于传统的微波高频电场测量方法，本发明具有超宽带特性，不需要更换不同频率的天线，本发明使用的光学电场传感探头的频率响应大于40GHz，适合超宽带高频微波场的探测。

2本发明使用的光学电场传感探头为非金属全绝缘介质材料，具有非常大的抗微波损伤阈值，因此特别适合高功率微波电场的探测。

3采用微波天线测量高功率微波电场的方法，需要使用多级微波耦合器和微波衰减器，微波器件之间在高功率微波信号传输情况下会产生很大串扰，从而极大影响测量准确性。本发明将微波信号通过光学电场传感探头调制到光域上，由于光器件隔离度远大于微波器件，这就从根本上消除了微波信号的串扰带来的测量不准确性。

4本发明采用受激布里渊散射放大的方法实现待测信号光的低噪放大；采用光变频将高频待测微波信号频率下变频至几百MHz至1GHz的中频信号，这样就可以采用低频微波检波器获得待测高频微波信号的电场强度值，降低了检测仪器带宽要求。

综上，本发明利用光子学技术，通过电光传感器将待测微波信号加载到光波上，利用受激布里渊散射放大的方法实现待测信号光的低噪声放大，利用光载微波信号全光混频的方法实现待测信号的下变频，从而实现了采用低频微波检波器和低速数据采集卡便可实现对高频高功率微波信号电场强度的测量，具有测量速度快，测试装置成本低，并且不受环境因素影响等优点。

附图说明

图1是本发明所述高功率高频微波场强传感装置结构示意图。

图2是光本振模块输出信号频率分布图。

图3是本发明所述可调泵浦模块输出的调制边带泵浦光及其在高非线性光纤中产生的斯托克斯增益谱频率分布图。

图4是本发明所述光学电场传感探头反射光信号中的本振和待测微波信号频率成份分布图。

图5是本发明所述微波光放大模块中待测微波信号光调制边带放大原理示意图。

图6是本发明所述光接收变频模块中光变频过程示意图。

图7是第一光纤环形器和第二光纤环形器端口标号示意图。

具体实施方式

下面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过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

提供一种高功率高频微波场强传感装置，如图1所示，所述装置包括：

激光发射模块10、光本振模块20、可调泵浦模块30、微波光放大模块40、光学电场传感探头50、光接收变频模块60、微波功率检测模块70及数据采集处理与显示模块80；

所述激光发射模块10，分别与光本振模块20和可调泵浦模块30通过光法兰进行连接，用于提供两路线偏振光信号；

所述光本振模块20，与所述激光发射模块10进行连接，用于加载本振射频信号，从而形成一光载本振信号；

所述可调泵浦模块30，与所述激光发射模块10进行连接，通过载波抑制调制生成一频率可调的光调制边带，并通过光放大器产生一频率可调的斯托克斯光增益谱；

所述微波光放大模块40，有四个光接口，分别标记为1,2,3,4端口，1端口与所述光本振模块20连接，2端口与所述光学电场传感探头50连接，3端口与所述可调泵浦模块30连接，4端口与所述光接收变频模块60连接，所述微波光放大模块40用于对所传感的高频微波信号进行光调制边带放大；

所述光学电场传感探头50与微波光放大模块40连接，并放置于待测微波电场辐射的空间中。

所述光接收变频模块60，与所述微波光放大模块40进行连接，用于对接收到的光信号进行光电转换并对高频微波信号进行变频；

所述微波功率检测模块70，与所述光接收变频模块60进行连接，用于对接收到的微波信号进行功率检测；

所述数据采集处理与显示模块80，与所述微波功率检测模块70连接，用于对所述功率检测模块输出的直流电压信号进行数据采集，根据采集到的电压计算得到所测量的高功率高频微波场的场强大小并显示该场强值。

优选的，所述激光发射模块10包含：

窄线宽激光器11和保偏光纤耦合器12；

所述窄线宽激光器11输出的线偏振光通过光法兰与所述保偏光纤耦合器12的输入端连接，所述保偏光纤耦合器12根据其自身的耦合比对所述窄线宽激光器11输出光功率进行相同比例的光功率分配，输出两路线偏振光，从而有两个光输出端口；

激光发射模块10输出的两路线偏振光分别称为第一支路和第二支路，第一支路与光本振模块20连接，第二支路与可调泵浦模块30连接。

保偏光纤耦合器12的耦合比可根据可调泵浦模块的增益进行选择。

优选的，所述光本振模块20包含：

第一电光强度调制器21、第一微波信号源22和第一调制器控制器23；

所述第一电光强度调制器21的光输入端口通过光法兰与激光发射模块10的第一支路输出端口连接，第一电光强度调制器21的光输出端口通过光法兰与微波光放大模块40进行连接，第一微波信号源22的射频输出端口通过高频同轴电缆与第一电光强度调制器21的射频输入端口连接，第一电光强度调制器21的直流偏置电压控制端口及输出光功率监控端口与第一调制器控制器23进行连接。所述第一电光强度调制器21也可以采用电光相位调制器，在此情况下就不需要第一调制器控制器23。

激光发射模块10第一支路输出的线偏振光通过光本振模块20光输入端口进入第一电光强度调制器21，第一电光强度调制器21在第一微波信号源22输出的频率为f _LO 的本振信号的调制下对输入的线偏振光进行调制而产生一本振光载微波信号，输出频率为f ₀ ±f _LO 的本振光，该光载微波信号通过光本振模块输出端输出。图2为光本振模块输出信号的调制边带频率分布图

优选的，所述可调泵浦模块30包含：

第二电光强度调制器31、第二微波信号源32、第二调制器控制器33和光放大器34；

所述第二电光强度调制器31的光输入端口通过光法兰与激光发射模块10的第二支路输出端口连接，第二电光强度调制器31的光输出端口通过光法兰与光放大器34连接，光放大器34输出光端口与微波光放大模块40进行连接，第二微波信号源32的射频输出端口通过高频同轴电缆与第二电光强度调制器31的射频输入端口连接，第二电光强度调制器31的直流偏置电压控制端口及输出光功率监控端口与第二调制器控制器33进行连接。

激光发射模块10第二支路输出的线偏振光通过可调泵浦模块30输入端进入第二电光强度调制器31，第二电光强度调制器31在第二微波信号源32的控制下对输入的激光进行调制，调制频率为f _m ，调制后的光束经过光放大器34放大后输出的光束作为泵浦光，

第二微波信号源32输出频率为f _m 的微波信号经第二电光强度调制器31输入端，在第二电光强度调制器31上实现对光载波信号的双边带载波抑制调制，在光域上产生频率为f ₀ ±f _m 的频率可调边带，图3为所述第二支路光载波被第二微波信号源32调制后并经光放大器34放大后的频率可调的边带泵浦光及其由于受激布里渊效应在高非线性光纤中所产生的斯托克斯增益谱的频率分布图。当第二微波信号源32输出频率的f _m 发生变化时，边带泵浦光的频率和斯托克斯增益谱的中心频率将发生变化。

优选的，如图7所示，所述微波光放大模块40包含：

第一光纤环行器41、高非线性光纤42和第二光纤环行器43

所述第一光纤环形器41有三个光纤接口，分别为411、412和413，第一光纤环形器41输入端口411通过微波光放大模块40的1端口与光本振模块20输出端口连接。所述第一光纤环形器41的光输出端口412通过微波光放大模块40的2端口与光学电场传感探头50连接，所述第一光纤环形器41的端口413与所述高非线性光纤42连接。所述第二光纤环形器43有三个光纤接口，分别为421、422和423，第二光纤环形器43输入端口421通过微波光放大模块40的3端口与可调泵浦模块30输出端口连接。所述第二光纤环形器43的光输出端口422与所述高非线性光纤42连接，所述第二光纤环形器的端口423通过微波光放大模块40的4端口与光接收变频模块60连接。

优选的，光学电场传感探头50为基于电光晶体电光效应的反射式光学电场传感器，该传感探头有一个光接口，采用全绝缘介质材料制作，并标记有最佳灵敏度方向。

光学电场传感探头50与所述微波光放大模块40连接，并放置于待测微波电场辐射的空间中。

光本振模块20输出的频率为f ₀ ±f _LO 的光载本振信号通过微波光放大模块40中的第一光纤环形器41进入光学电场传感探头中，频率为f _RF 的待测微波信号在空间中辐射到光学电场传感探头50上，由于电光效应，频率为f _RF 的待测微波信号通过该光学电场传感探头50加载到光本振信号上并反射回至微波光放大模块40的2端口。光学电场传感探头输出光的频率携带了频率为f _LO 的本振信号和频率为f _RF 的待测射频信号，该信号的光谱图分布图如图4所示。

从所述微波光放大模块40输出端口2接收到的光学电场传感探头输出的信号进入第一光纤环形器41的端口412并通过所述第一光纤环形器41的端口413输出而进入所述高非线性光纤42中。可调泵浦模块输出的携带了频率可调边带的泵浦光通过微波光放大模块40中的第二光纤环形器43输入端口421接收并通过所述第二光纤环形器的端口422输出进入高非线性光纤42中。由于受激布里渊散射效应，从所述可调泵浦模块输出的频率可调边带泵浦光在高非线性光纤中产生频率可调的斯托克斯增益谱，该可调斯托克斯增益与从光学电场传感探头输出的光在高非线性光纤42中同向传输。

优选的，所述光接收变频模块60包含：

高速光电探测器61、带通滤波器62和低噪放63。

所述高速光电探测器61光输入端口与微波光放大模块40的4端口连接，高速光电探测器61输出端口与带通滤波器62输入端口连接，带通滤波器62输出端口与低噪放63输入端口连接。

携带本振信号和待测微波信号的光通过微波光放大模块40放大后进入所述高速探测器61，上述两个信号在所述高速探测器61中产生混频从而将高频待测微波信号下变频至中频信号并经所述高速探测器61输出。所述带通滤波器62将所述高速探测器61输出的中频信号之外的高频和低频杂散信号滤除并输出中频信号，所述中频信号通过低噪放63放大以提高其功率。

优选的，所述微波功率检测模块70包含：

微波检波器71和信号调理电路72。

所述微波检波器71接收来自光接收变频模块60输出的高频微波信号，微波检波器71输出端口与信号调理电路72连接，信号调理电路72对微波检波器71输出的直流信号进行滤波和放大。

所述微波检波器71检测所述待测中频信号的功率，所述微波检波器71输出电压信号的幅值正比于待测微波信号的电场强度，因此通过得到的所述微波检波器71输出电压信号幅值以及光学电场传感探头的校准数据就可以得到待测微波信号的场强大小。

优选的，所述数据采集处理与显示模块80，其主要功能为：

所述数据采集处理与显示模块与微波功率检测模块70连接，用于采集所述微波功率检测模块70输出的直流电压值，该模块通过光学电场传感探头的校准数据以及测量到的直流电压值计算出待测高功率微波的场强大小并显示结果。

本发明还提供一种基于高功率高频微波场强传感装置的传感方法，其采用了如上所述的传感装置，其中，该方法包括如下步骤：

S1：利用标准电场对光学电场传感探头和本发明的高功率高频微波场传感装置进行测量准确度的标定，形成标定数据；

S2：利用频谱仪测量本发明装置中所用高非线性光纤的布里渊频移值。

S3：装置上电后，光本振模块20和可调泵浦模块30中的电光强度调制器控制器分别控制相对应的电光强度调制器，使光本振模块中的第一电光强度调制器工作在正交点，使可调泵浦模块中的第二电光强度调制器工作在载波抑制点处。

S4：将光学电场传感探头50放置于待测高频微波场中，并调整探头的位置，使高频微波电场场强方向与传感探头标记的最佳灵敏度方向平行。

S5：调节光本振模块中第一微波源的频率，使得该频率等于待测微波信号频率与所述光接收变频模块输出的中频信号频率的差值。

S6：调节可调泵浦模块30中的第二微波源32的频率使得其与待测微波信号的频率差值等于高非线性光纤42的受激布里渊频移值。

S7：根据数据采集处理与显示模块80输出的电压值调节可调泵浦模块30输出光功率的大小，从而提高光接收变频模块60输出中频信号的功率，使得数据采集处理与显示模块80采集到的信号的电压值大于微波功率检测模块70检测灵敏度。

S8：微调可调泵浦模块30中的第二微波源32的频率，使得数据采集处理与显示模块80采集到的信号电压值最大。

S9：根据检测信噪比再次调节可调泵浦模块30输出光功率的大小，使得数据采集处理与显示模块80采集到的信号的电压值处于微波功率检测模块70输出电压动态范围的中间值附近。

S10：微波光放大模块40对待测信号进行放大，并在光接收变频模块60中对高频待测微波信号进行下变频至中频信号。光接收变频模块60输出的中频待测信号经微波功率检测模块70后输出与待测电场强度成线性关系的电压值，数据采集处理与显示模块80采集到该电压并根据标定的反射式光学电场传感探头数据得到待测高频微波场场强值。

光发射模块10中的窄线宽激光器11的输出波长取决于光学电场传感探头的工作波长，一般为C波段中的任意一个波长。

微波光放大模块40中的高非线性光纤42可以用普通单模光纤代替，采用普通单模光纤会增加光纤长度。光纤的长度可根据光放大器34输出光功率及微波功率检测模块70的探测灵敏度来确定

光学电场传感探头50中，通过电光效应将待测微波信号的频率f _RF 、强度等信息调制到光载波上。

可调泵浦模块30中的第二微波源32提供频率为f _m 的扫频信号源，实现斯托克斯增益谱的频率调节，从而实现对一定带宽内待测微波信号的放大；

步骤S5和S7中，分别粗调和微调第二微波源32输出信号频率，使其与待测微波信号的频率差值等于高非线性光纤42的受激布里渊频移值。具体为：在高非线性光纤42中，从光学电场传感探头输出的携带频率为f _LO 的本振信号和频率为f _RF 的待测微波信号与从可调泵浦模块输出的经光放大后的具有两个调制边带的泵浦光f ₀ ±f _m 在高非线性光纤42中相向传输，由于受激布里渊效应，频率为f ₀ ±f _m 的信号将分别产生反向传输的斯托克斯增益谱和前向传输的反斯托克斯增益谱。当扫频信号频率f _m 与待测信号频率f _RF 的频差等于高非线性光纤42的受激布里渊散射频移f _B 时，即当|f _m -f _RF |=f _SBS 时，待测微波信号频率等于扫频信号的增益谱峰值频率点，从而使得扫频泵浦光的能量转移到待测微波信号上，从而实现待测微波信号的单边带调制放大。而本征信号f _LO 由于不处在扫频信号f _m 的受激布里渊散射增益谱范围内而未得到放大。待测微波信号在微波光放大模块中通过斯托克斯增益谱实现光放大原理示意图如图5所示。

步骤S9中，光接收变频模块60对待测高频微波信号进行了下变频至中频处理，具体为：在高速光电探测器中61，待测信号和本振信号由光信号转换成电信号，两个电信号形成拍频，得到频率为|f _LO -f _RF |的中频信号和|f _LO +f _RF |的和频信号，经带通滤波器滤出|f _LO - f _RF |的中频信号，从而实现了待测信号的全光下变频。待测微波信号全光变频示意图如图6所示。

步骤S9中，微波功率检测模块70完成对中频信号的功率测量和信号调理。具体为：高速光电探测器61中下变频后的中频信号后进入微波检波器71，微波检波器71输出的直流电压信号通过信号调理电路72实现对直流电压信号的滤波和放大，经过滤波和放大后的电压信号通过数据采集处理与显示模块进行采集并显示结果。由于微波检波器输出电压信号的幅值正比于待测微波信号的电场强度，因此通过得到的微波功率检测模块输出电压信号幅值以及光学电场传感探头的校准数据就可以得到待测微波信号的场强值。

本实施方法是基于高非线性光纤的受激布里渊散射移频放大技术，当泵浦光和信号光在高非线性光纤中相向传输时，泵浦光由于受激布里渊散射效应而产生一相对入射光反向传输的斯托克斯增益谱，该斯托克斯增益谱与信号光同向传输，当泵浦光频率和信号光中待测微波信号频率的频差等于高非线性光纤的布里渊频移时，泵浦光能量将转移到信号光中从而实现对待测微波信号的放大。在此基础上，在高速探测器中实现本征频率信号和待测微波频率信号的拍频，即可实现对待测微波信号的变频放大测量。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种高功率高频微波场强传感装置，所述装置包括：激光发射模块、光本振模块、可调泵浦模块、微波光放大模块、光学电场传感探头、光接收变频模块、微波功率检测模块及数据采集处理与显示模块；

所述激光发射模块，分别与光本振模块和可调泵浦模块通过光法兰进行连接，用于提供两路线偏振光信号；

所述光本振模块，与所述激光发射模块进行连接，用于加载本振射频信号，从而形成一光载本振信号；

所述可调泵浦模块，与所述激光发射模块进行连接，通过载波抑制调制生成一频率可调的光调制边带，并通过光放大器产生一频率可调的斯托克斯光增益谱；

所述微波光放大模块，与所述光本振模块和可调泵浦模块连接，用于对所传感的高频微波信号进行光调制边带放大；

所述光学电场传感探头，与所述微波光放大模块连接，并放置于待测微波电场辐射的空间中；

所述光接收变频模块，与所述微波光放大模块进行连接，用于对接收到的光信号进行光电转换并对高频微波信号进行变频；

所述微波功率检测模块，与所述光接收变频模块进行连接，用于对接收到的微波信号进行功率检测；

所述数据采集处理与显示模块，与所述功率检测模块连接，用于对所述功率检测模块输出的直流电压信号进行数据采集，根据采集到的电压计算得到所测量的高频微波场的场强大小并显示该场强值。

2.根据权利要求1所述的一种高功率高频微波场强传感装置，其特征在于，所述激光发射模块包含窄线宽激光器和保偏光纤耦合器，所述窄线宽激光器输出的线偏振光通过光法兰与所述保偏光纤耦合器的输入端连接，所述保偏光纤耦合器根据其自身的耦合比对所述窄线宽激光器输出光功率进行一定比例的光功率分配，输出两路线偏振光，从而有两个光输出端口，分别称为第一支路和第二支路。

3.根据权利要求1所述的一种高功率高频微波场强传感装置，其特征在于，所述光本振模块包含第一微波信号源、第一电光强度调制器和第一调制器控制器，所述第一电光强度调制器的光输入端口通过光法兰与激光发射模块的第一支路端口连接，第一电光强度调制器的光输出端口通过光法兰与微波光放大模块进行连接，第一微波信号源的射频输出端口通过高频同轴电缆与第一电光强度调制器的射频输入端口连接，第一电光强度调制器的直流偏置电压控制端口及输出光功率监控端口与第一调制器控制器进行连接。

4.根据权利要求1所述的一种高功率高频微波场强传感装置，其特征在于，所述可调泵浦模块包含第二微波信号源、第二电光强度调制器、第二调制器控制器和光放大器，所述第二电光强度调制器的光输入端口通过光法兰与激光发射模块的第二支路端口连接，第二电光强度调制器的光输出端口通过光法兰与光放大器连接，光放大器输出光端口与微波光放大模块进行连接，第二微波信号源的射频输出端口通过高频同轴电缆与第二电光强度调制器的射频输入端口连接，第二电光强度调制器的直流偏置电压控制端口及输出光功率监控端口与第二调制器控制器进行连接。

5.根据权利要求1所述的一种高功率高频微波场强传感装置，其特征在于，所述微波光放大模块包含第一光纤环行器、高非线性光纤和第二光纤环行器，有四个光接口，分别标记为1,2,3,4端口；所述第一光纤环形器有三个光纤接口，分别为411、412和413，第一光纤环形器输入端口411通过微波光放大模块的1端口与光本振模块连接；所述第一光纤环形器的光输出端口412通过微波光放大模块的2端口与光学电场传感探头连接，所述第一光纤环形器的端口413与所述高非线性光纤连接；所述第二光纤环形器有三个光纤接口，分别为421、422和423，第二光纤环形器输入端口421通过微波光放大模块的3端口与可调泵浦模块连接；所述第二光纤环形器的光输出端口422与高非线性光纤连接，所述第二光纤环形器的端口423通过微波光放大模块的4端口与光接收变频模块连接。

6.根据权利要求1所述的一种高功率高频微波场强传感装置，其特征在于，所述光接收变频模块包含高速光电探测器、带通滤波器和低噪放，所述高速光电探测器与微波光放大模块连接，高速光电探测器输出端口与带通滤波器输入端口连接，带通滤波器输出端口与低噪放输入端口连接。

7.根据权利要求1所述的一种高功率高频微波场强传感装置，其特征在于，所述微波功率检测模块包含微波检波器和信号调理电路，所述微波检波器接收来自光接收变频模块输出的高频微波信号，微波检波器输出端口与信号调理电路连接，信号调理电路对微波检波器输出的直流信号进行滤波和放大。

8.根据权利要求1所述的一种高功率高频微波场强传感装置，其特征在于，所述数据采集处理与显示模块，所述数据采集处理与显示模块与微波功率检测模块连接，用于采集微波功率检测模块输出的直流电压值，通过该模块计算出待测高功率微波的场强大小并显示结果。

9.一种高功率高频微波场强传感方法，其采用了如权利要求1-8任一项所述的传感装置，其中，所述方法包括如下步骤：

S1：利用标准电场对光学电场传感探头和高功率高频微波场强传感装置进行测量准确度的标定，形成标定数据；

S2：利用频谱仪测量高功率高频微波场强传感装置中所用高非线性光纤的布里渊频移值；

S3：装置上电后，光本振模块和可调泵浦模块中的电光强度调制器控制器分别控制相对应的电光强度调制器，使光本振模块中的第一电光强度调制器工作在正交点，使可调泵浦模块中的第二电光强度调制器工作在载波抑制点处；

S4：将光学电场传感探头放置于待测高频微波场中，并调整探头的位置，使高频微波电场场强方向与传感探头标记的最佳灵敏度方向平行；

S5：调节光本振模块中第一微波源的频率，使得该频率等于待测微波信号频率与所述光接收变频模块输出的中频信号频率的差值；

S6：调节可调泵浦模块中的第二微波源的频率使得其与待测微波信号的频率差值等于高非线性光纤的受激布里渊频移值；

S7：根据数据采集处理与显示模块输出的电压值调节可调泵浦模块输出光功率的大小，从而提高光接收变频模块输出中频信号的功率，使得数据采集处理与显示模块采集到的信号的电压值大于微波功率检测模块检测灵敏度；

S8：微调可调泵浦模块中的第二微波源的频率，使得数据采集处理与显示模块采集到的信号电压值最大；

S9：根据检测信噪比再次调节可调泵浦模块输出光功率的大小，使得数据采集处理与显示模块采集到的信号的电压值处于微波功率检测模块输出电压动态范围的中间值附近；

S10：微波光放大模块对待测信号进行放大，并在光接收变频模块中对高频待测微波信号进行下变频至中频信号；光接收变频模块输出的中频待测信号经微波功率检测模块后输出与待测微波辐射电场强度成线性关系的电压值，数据采集处理与显示模块采集到该电压并根据标定的光学电场传感探头数据得到待测高功率高频微波场场强值。

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