CN115015635A - 一种微波光子超宽带实时频谱测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波光子超宽带实时频谱测量方法。该方法基于微波光子频时映射测频的原理，构建了具有测量单频信号和复杂微波信号的能力的频谱感知系统，利用双平行双驱调制器和铌酸锂电调微环等实现抑制载波单边带调制和扫描型滤波器，将电磁频谱中的多个射频信号的频率转换为时间信息，实现对电磁频谱的感知和测量，频率测量范围覆盖100MHz到30GHz，并且具有80MHz的频率分辨率，全景带宽实时测量时间小于20us，可以识别点频、跳频信号、线性调频信号以及多种信号的组合，为未来宽带、实时和高分辨率电磁频谱测量提供了解决方案。
Description
技术领域
本发明属于微波光子学、电子对抗、频谱感知等领域，具体涉及一种基于电调铌酸锂微环的扫描滤波器和抑制载波单边带调制的微波光子宽带实时电磁频谱测量方法。
背景技术
随着技术的发展，电磁环境呈现出频率覆盖宽、瞬时带宽大、电磁信号类型多、信号动态范围大、信号功能复杂等典型特征。围绕电磁频谱宽带实时测量中对广域电磁环境测量的迫切需求，针对传统电子技术在频带范围、测量动态、测量精度、测量速度等方面面临的“窄”、“小”、“低”、“慢”的技术瓶颈，电磁频谱宽带实时测量将围绕广域频谱态势测量、动态频谱态势生成、频谱态势高效利用等方面展开，实现对广域复杂电磁频谱态势的大动态、超高速、高精度、宽频带测量，为未来电磁战提供技术体系支撑。
新兴的光子辅助微波测量技术已经被证明，在频率测量带宽、实时性以及抗干扰性等方面优于传统技术，且利用光子集成的优势，系统更容易实现集成化和小型化，对于机载、星载等SWaP受限平台至关重要。光子辅助微波测量技术是将电磁环境的微波信号频率信息映射到一个更容易测量的参数，如幅度、功率以及时间。采用频率-幅度映射的方式通过构造幅度比较函数(ACF)，实现频率到幅度的映射得到未知信号的频率信息。但频率-幅度映射同一时刻只能测量单一频率，不能同时测量电磁环境中同时存在的多个未知信号。而频率-时间映射方式可以实现复杂环境中多个不同频率不同功率信号的同时测量，频率-时间映射方式分为多种类型，包括可调谐法布里-珀罗干涉仪作为扫描接收机、大色散介质、周期色散介质以及移频环路等方式。
发明内容
有鉴于此，本发明基于微波光子频率时间映射原理，提出了一种利用电调铌酸锂微环扫描滤波器的宽带实时电磁频谱测量方法。本发明可以实现超宽带实时微波光子频时映射的电磁频谱感知，具有测量单频信号和复杂微波信号的能力，能够为未来宽带、实时和高分辨率电磁频谱测量提供解决方案。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种微波光子超宽带实时频谱测量方法，包括以下步骤：
步骤1，搭建微波光子超宽带实时频谱测量系统；所述微波光子超宽带实时频谱测量系统将待测信号通过DPMZM调制器调制到激光器发出的窄线宽光载波上，通过控制DPMZM调制器的上支路调制器、下支路调制器以及母调制器偏置电压来控制调制形式，调制后的信号通过EDFA放大器实现光域放大后，经过由锯齿波扫描控制的电调铌酸锂微环进行扫描滤波，然后经过EDFA放大器的再次放大后，进入光电探测器进行光电转换，最后通过采集卡进行数字信号处理；
步骤2，将电调铌酸锂微环加电预热至状态稳定，并在测量之前进行校准；依次输入100MHz-30GHz的微波频率，并记录采集卡对应的脉冲时间，得到微波频率与脉冲出现时间的线性函数关系；
步骤3，调节DPMZM调制器中上下两个支路的偏置电压，将上下两支路的工作点设置在最小工作点，利用90°电混频器将入射的宽带射频信号分成两路，然后调节母调制器的直流偏置，使其工作在正交工作点，实现抑制载波单边带调制；
步骤4，给电调铌酸锂微环加载周期锯齿波，电调铌酸锂微环的光谱漂移量与所加载锯齿波的电压成正比，在锯齿波的两个周期之间存在一个不连续的电压变化点，电压瞬间从最大值降到最小值，从而形成尖锐的光脉冲；
步骤5，通过光电探测器检测光脉冲，并用采集卡采集光电探测器所得到的时间脉冲信息，然后，通过数字域时间脉冲反推频率及误差估计，得到100MHz-30GHz内所有频率信号的感知信息。
进一步的，步骤5中，数字域时间脉冲反推频率及误差估计的具体方式为：
将t时刻的扫描频率定义为fs(t)，将t时刻的信号的频率定义为fin(t)；
计算在t时刻扫描频率与待测频率之间存在的频率偏差：
fd(t)＝fs(t)-fin(t)
用高斯函数描述输出功率与频率偏差的关系：
式中，Pout(t)是输出光功率，k是与滤波器带宽相关的参量，e是自然常数；
后续测量的扫描滤波器的频率分辨率为f分辨率，当fd(t)＝f分辨率时，Pout(t)＝0.5*Pout(t)，当fd(t)＝0时，Pout(t)最大；据此，推算出k的值；
根据k值，结合微波频率与脉冲出现时间的线性函数关系，推算出整个频谱范围内射频信号的频率感知信息。
本发明的有益效果在于：
1、本发明利用双平行双驱调制器和铌酸锂电调微环，实现了抑制载波单边带调制和扫描型滤波器，将电磁频谱中的多个射频信号的频率转换为时间信息，实现对电磁频谱的感知和测量。
2、本发明可以实现超宽带实时微波光子频时映射的电磁频谱感知，具有测量单频信号和复杂微波信号的能力，频率测量范围覆盖100MHz到30GHz，并且具有80MHz的频率分辨率，全景带宽实时测量时间小于20us，可以识别点频、跳频信号、线性调频信号以及多种信号的组合，能够为未来宽带、实时和高分辨率电磁频谱测量提供解决方案。
附图说明
图1为本发明实施例中微波光子宽带实时频谱测量方法的流程图。
图2为本发明实施例中采用的抑制载波单边带调制结构的示意图。
图3为本发明实施例中采用的宽带实时频谱测量链路的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
一种微波光子超宽带实时频谱测量方法。首先，搭建微波光子超宽带实时频谱测量系统；所述微波光子超宽带实时频谱测量系统将待测信号通过DPMZM调制器调制到激光器发出的窄线宽光载波上，通过控制DPMZM调制器的上支路调制器、下支路调制器以及母调制器偏置电压来控制调制形式，调制后的信号通过EDFA放大器实现光域放大后，经过由锯齿波扫描控制的电调铌酸锂微环进行扫描滤波，然后经过EDFA放大器的再次放大后，进入光电探测器进行光电转换，最后通过采集卡进行数字信号处理。然后，参照图1，实施如下步骤：
步骤1，将电调铌酸锂微环加电预热，等状态稳定，并在测量之前进行校准。通过依次输入100MHz-30GHz的微波频率，并记录对应的脉冲时间，得到微波频率funknown随脉冲出现时间的关系，即，得到funknown＝At+B中系数A和B的值；
步骤2，参照图2，调节上支路调制器DC1和下支路调制器DC2的偏置电压，将DPMZM调制器的工作点设置在最小工作点，利用90°电混频器将入射的宽带射频信号分成两路，然后调节母调制器的直流偏置DC3，使其工作在正交工作点，这时DPMZM调制器输出的载波由于相差相位，在合束时会相互抵消，实现抑制载波单边带调制。
步骤3，参照图3，给电调铌酸锂微环加载锯齿波周期控制信号，每个扫描周期内的加载电压可表示为U(t)＝a t+b；在电调模式下，根据推导可知，电调铌酸锂微环的光谱漂移量与所加载的电压成正比，在锯齿波信号的两个周期之间会存在一个不连续的电压变化点，电压瞬间从最大值降到最小值。这个时刻，电调铌酸锂微环的谐振峰会迅速回到初始位置，短时间内扫描了所有边带，从而形成了一个尖锐的光脉冲。
步骤4，参照图3，在单个扫描周期内，微环谐振器扫描滤波器的扫描频率随时间呈现一次函数关系，将t时刻的扫描频率定义为fs(t)，将t时刻的信号的频率定义为fin(t)。计算在t时刻扫描频率与待测频率之间会存在频率偏差，此频率偏差为fs(t)-fin(t),记为fd(t)。
步骤5，用高斯函数来描述输出功率与频率偏差的关系：
其中，Pout(t)是输出光功率，k是与滤波器带宽相关的参量。由于随后测量的扫描滤波器的频率分辨率为f分辨率，这意味着当fd(t)＝f分辨率时，Pout(t)＝0.5*Pout(t)，当fd(t)＝0时，Pout(t)最大，从而推算出k的值。
步骤6，根据k值，结合微波频率与脉冲出现时间的关系，将时间信息反推为频率信息，得到100MHz-30GHz内所有频率信号的感知信息。
该方法的原理如下：
首先，将包含多个频率的未知的微波信号通过单边带光强度调制器进行抑制载波单边带调制后，调节DC1和DC2的偏置电压，和母调制器的直流偏置DC3，使其DC1和DC2工作在正交工作点，DC3工作在正交偏置点，这时DPMZM调制器输出的载波由于相差相位，在合束时会相互抵消，而只剩下+1阶边带。另外，利用载波抑制单边带调制方式，可以将入射的宽带信号高效地转移到+1阶边带中，实现射频信号的高效转换。
然后，经过一个集成的光子扫描滤波器，扫描滤波器由一个电调的高Q值铌酸锂基微环谐振器实现，在无电压的情况下，激光波长与微环谐振器的共振初始对准。微环谐振器的驱动电压是一个周期性的锯齿函数，谐振漂移与驱动信号的电压成正比。当被周期性锯齿电压驱动时，微环谐振器的共振波长将经历周期性红移，变为周期性扫描滤波器。
当扫描滤波器与被测的信号光载波的边带匹配时，在相应的时间上会出现一个时域脉冲。经过光电检测器检测，未知的微波频率将被依次映射到时间脉冲上。实现对射频信号的频时映射，通过在数字域上处理形成的时间信息，最后得到超宽带高实时的电磁频谱感知测量结果。
总之，本发明基于微波光子频时映射测频的原理，实现了一种微波光子超宽带实时频谱测量方法，通过抑制载波单边带调制和频时映射实现超宽带实时的电磁频谱测量和感知。该方法构建了具有测量单频信号和复杂微波信号的能力的频谱感知系统，利用双平行双驱调制器和铌酸锂电调微环等实现抑制载波单边带调制和扫描型滤波器，将电磁频谱中的多个射频信号的频率转换为时间信息，实现对电磁频谱的感知和测量，频率测量范围覆盖100MHz到30GHz，并且具有80MHz的频率分辨率，全景带宽实时测量时间小于20us，可以识别点频、跳频信号、线性调频信号以及多种信号的组合，为未来宽带、实时和高分辨率电磁频谱测量提供了解决方案。
以上所述仅为本发明在实施例中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明保护范围之内。
Claims (2)
1.一种微波光子超宽带实时频谱测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，搭建微波光子超宽带实时频谱测量系统；所述微波光子超宽带实时频谱测量系统将待测信号通过DPMZM调制器调制到激光器发出的窄线宽光载波上，通过控制DPMZM调制器的上支路调制器、下支路调制器以及母调制器偏置电压来控制调制形式，调制后的信号通过EDFA放大器实现光域放大后，经过由锯齿波扫描控制的电调铌酸锂微环进行扫描滤波，然后经过EDFA放大器的再次放大后，进入光电探测器进行光电转换，最后通过采集卡进行数字信号处理；
步骤2，将电调铌酸锂微环加电预热至状态稳定，并在测量之前进行校准；依次输入100MHz-30GHz的微波频率，并记录采集卡对应的脉冲时间，得到微波频率与脉冲出现时间的线性函数关系；
步骤3，调节DPMZM调制器中上下两个支路的偏置电压，将上下两支路的工作点设置在最小工作点，利用90°电混频器将入射的宽带射频信号分成两路，然后调节母调制器的直流偏置，使其工作在正交工作点，实现抑制载波单边带调制；
步骤4，给电调铌酸锂微环加载周期锯齿波，电调铌酸锂微环的光谱漂移量与所加载锯齿波的电压成正比，在锯齿波的两个周期之间存在一个不连续的电压变化点，电压瞬间从最大值降到最小值，从而形成尖锐的光脉冲；
步骤5，通过光电探测器检测光脉冲，并用采集卡采集光电探测器所得到的时间脉冲信息，然后，通过数字域时间脉冲反推频率及误差估计，得到100MHz-30GHz内所有频率信号的感知信息。
2.根据权利要求1所述的一种微波光子超宽带实时频谱测量方法，其特征在于，步骤5中，数字域时间脉冲反推频率及误差估计的具体方式为：
将t时刻的扫描频率定义为fs(t)，将t时刻的信号的频率定义为fin(t)；
计算在t时刻扫描频率与待测频率之间存在的频率偏差：
fd(t)＝fs(t)-fin(t)
用高斯函数描述输出功率与频率偏差的关系：
式中，Pout(t)是输出光功率，k是与滤波器带宽相关的参量，e是自然常数；
后续测量的扫描滤波器的频率分辨率为f分辨率，当fd(t)＝f分辨率时，Pout(t)＝0.5*Pout(t)，当fd(t)＝0时，Pout(t)最大；据此，推算出k的值；
根据k值，结合微波频率与脉冲出现时间的线性函数关系，推算出整个频谱范围内射频信号的频率感知信息。
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| CN116418366A (zh) * | 2023-04-27 | 2023-07-11 | 山西大学 | 一种基于量子压缩感知的宽带跳频跟踪系统与方法 |
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