CN115102649A - 一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法及系统，方法包括步骤：S1、产生周期性光脉冲序列；S2、对周期性光脉冲序列进行时域二次相位调制，以得到第一调制光脉冲序列；S3、将待测射频信号调制到第一调制光脉冲序列上，以得到第二调制光脉冲序列；S4、第二调制光脉冲序列经过满足逆时域Talbot效应的色散介质后，以得到第三调制光脉冲序列；S5、根据第三调制光脉冲序列的位置获取待测射频信号的频率信息。本发明能完成带宽GHz以上的实时频谱分析，利用频时映射关系通过简单的计算就能得到射频频谱信息。通过调节相位调制信号和色散介质的色散量，能将输出脉冲的周期放大很多倍，在同样的系统带宽下，提升系统的频谱分辨率。

Description

一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法及 系统

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法及系统。

背景技术

射频信号频谱分析是无线通信、雷达系统、电子战遥感检测等众多领域的基础。目前，电子学方法仍然是射频频谱测量中最直接典型的方法，然而，随着微波和射频技术的发展，宽带、实时的频谱分析方法成为频谱检测的发展趋势，目前最先进信号分析仪的实时频谱分析带宽仍在GHz以下，时间分辨率在μs范围内，基于电子技术的传统电频谱分析仪难以进一步提升观测带宽和采集帧率。

微波光子学技术的发展，为微波测量提供了新的思路。相比较电子学方法，微波光子测量系统具有天然的优势。光子学辅助测频方法利用光域的大带宽，通过电光调制器将射频变换到到光场来实现高性能的射频信号分析处理。其中，全光实时傅里叶变换是一种典型的微波光子测频方法。

(Saperstein R E,Panasenko D,Fainman Y.Demonstration of a microwavespectrum analyzer based on time-domain optical processing in fiber[J].Opticsletters,2004,29(5):501-503.)中提到一种时域卷积系统，通过使用单模光纤中的反常色散进行菲涅耳变换，然后使用匹配数量的色散补偿光纤对超短脉冲进行菲涅耳逆变换。菲涅耳变换后的波形经射频信号调制后，色散补偿光纤输出端的波形直接代表了超短光脉冲与射频频谱卷积后的结果，即射频信号的频谱信息。该方法的特征是利用一个超短脉冲源和成对大小相等、符号相反的色散，系统的频谱分辨率受到色散量的限制。

(de Chatellus H G,Cortés L R,

J.Optical real-time Fouriertransformation withkilohertz resolutions[J].Optica,2016,3(1):1-8.)中利用循环光频移方法将待测的微波信号加载到随时间不断频移的光载波上，实现光信号频谱向时域映射。利用声光调制器和光放大器组成循环光频移器执行光傅立叶变换，实现了高达30kHz的测量精度。此方案的缺点在于测量带宽受限于循环光频移环路的自由频程，一般只有几十MHz。

最近，一种基于时域Talbot效应的测频方法被提出，(Konatham S R,Maram R,Cortés L R,et al.Real-time gap-free dynamic waveform spectral analysis withnanosecond resolutions through analog signal processing[J].Naturecommunications,2020,11(1):1-12.)中通过简单的短脉冲采样和色散延迟，以连续和实时的方式沿时域映射输入任意波形的频谱。利用基于光子的平台对GHz带宽的微波信号进行了无隙实时频谱分析，其性能优于目前的傅里叶分析和测量仪器。然而，由于时域Talbot效应的限制，系统的测频带宽和频谱分辨率均正比于输入脉冲的重复频率，即输入脉冲重复频率越高，系统测频带宽越大，频谱分辨率越大(差)，使得该频谱分析方法需要在频谱分辨率和测频带宽折衷。在实际应用场景中，我们期望系统在具有大的测频带宽的前提下，拥有更小的频谱分辨率。

针对以上技术问题，故需对其进行改进。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法及系统，可在同样的系统带宽下，改善系统的频谱分辨率。

本发明采用以下技术方案：

一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法，包括步骤：

S1、产生周期性光脉冲序列；

S2、对周期性光脉冲序列进行时域二次相位调制，以得到第一调制光脉冲序列；

S3、将待测射频信号调制到第一调制光脉冲序列上，以得到第二调制光脉冲序列；

S4、第二调制光脉冲序列经过满足逆时域Talbot效应的色散介质后，以得到第三调制光脉冲序列；

S5、根据第三调制光脉冲序列的位置获取待测射频信号的频率信息。

作为优选方案，步骤S1中，产生的周期性光脉冲序列是变换受限的高斯脉冲，单个脉冲的时域表达式为：

其中，τ₀为高斯脉冲的半高全宽，t为时间。

作为优选方案，步骤S2中，所述第一调制光脉冲序列的表达式为：

其中，k为整数，表示周期序号，m为正整数，表示一个时域二次相位调制周期内的脉冲个数，L为0～m-1的整数，表示一个时域二次相位调制周期内的脉冲序号，j表示虚数，T表示周期性光脉冲序列的周期，g(·)表示周期性光脉冲序列的单个脉冲的时域表示，t为时间。

作为优选方案，步骤S3中，所述第二调制光脉冲序列的表达式为：

其中，k为整数，表示周期序号，m为正整数，表示一个时域二次相位调制周期内的脉冲个数，L为0～m-1的整数，表示一个时域二次相位调制周期内的脉冲序号，T表示周期性光脉冲序列的周期，j表示虚数，x(t)表示待测射频信号，g(·)表示周期性光脉冲序列的单个脉冲的时域表示，δ(·)表示冲击函数，*表示信号的卷积运算，t为时间。

作为优选方案，步骤S4中，所述第三调制光脉冲序列的表达式为：

其中，k为整数，表示周期序号，m为正整数，表示一个时域二次相位调制周期内的脉冲个数，j表示虚数，

表示正边带的相位，T表示周期性光脉冲序列的周期，

表示色散介质的色散量大小，ω_RF表示待测射频信号的角频率，

表示负边带的相位，g(·)表示周期性光脉冲序列的单个脉冲的时域表示，t为时间。

作为优选方案，

作为优选方案，色散介质的脉冲响应表示为：

作为优选方案，步骤S3中所述调制为双边带调制、载波抑制双边带调制、单边带调制中的任意一种模式。

作为优选方案，步骤S5中，根据第三调制光脉冲序列与周期中心的时间间隔计算得到待测射频信号的频率信息，计算公式为：

其中，ω_RF表示待测射频信号的角频率，Δt表示第三调制光脉冲序列与周期中心的时间间隔，

表示色散介质的色散量大小。

还提供一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知系统，基于上述的一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法，包括锁模光纤激光器、波形发生器、相位调制器、强度调制器、色散介质、光电探测器、示波器；

锁模光纤激光器、相位调制器、强度调制器、色散介质、光电探测器、示波器依次连接，波形发生器与相位调制器连接，待测信号输出端与强度调制器连接。

本发明的有益效果是：

本发明的基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法，与现有的射频频谱分析的方案相比，能完成带宽GHz以上的实时频谱分析，利用频时映射关系通过简单的计算就能得到射频频谱信息而无须经过复杂和耗时的数字信号处理过程。通过调节相位调制信号和色散介质的色散量，能将输出脉冲的周期放大很多倍，在同样的系统带宽下，提升系统的频谱分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法的流程图；

图2是利用本发明所述一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法测量单频信号的结果示意图；

图3是利用本发明所述一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法测量双频信号的结果示意图；

图4是本发明所述一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知系统的结构图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一：

参照图1，本实施例提供一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法，包括步骤：

S1、由锁模光纤激光器产生一路周期性光脉冲序列；

S2、通过任意波形发生器和相位调制器对周期性光脉冲序列进行时域二次相位调制，以得到第一调制光脉冲序列；

具体的，锁模光纤激光器产生的周期性光脉冲序列是变换受限的高斯脉冲，单个脉冲的时域表达式为：

其中，τ₀为高斯光脉冲的半高全宽，t为时间。我们假设重复频率为1/T的输入光脉冲序列具有相等的幅度和相位，其电场表达式可写为：

其中，k为整数，表示周期序号，T表示周期性光脉冲序列的周期。

输入脉冲序列首先被相位调制信号所调制，并且在每个脉冲的持续时间内，相位

都视为常数。m为正整数，表示一个时域二次相位调制周期内的脉冲个数，L为0～m-1的整数，表示一个时域二次相位调制周期内的脉冲序号。其中相位调制信号是周期性变化的，并且它的周期为mT。注意此处分子中的m-1并不唯一，而本实施例中选择使用m-1的原因是这可使得后续所需色散介质的色散量尽可能的小，从而简化实验设置，降低了对实验的要求。经过二次相位调制后的输出信号表达式，即所述第一调制光脉冲序列的表达式为为：

其中，j表示虚数。

S3、通过强度调制器将待测射频信号调制到第一调制光脉冲序列上，以得到第二调制光脉冲序列；

具体的，将第一调制光脉冲序列传入强度调制器，对待测射频信号x(t)进行采样。为简化分析，假定x(t)为单频信号，即x(t)＝cos(ω_RFt)，ω_RF表示待测射频信号的角频率，强度调制器工作在载波抑制双边带调制状态，调制后的脉冲序列可以表示为，即所述第二调制光脉冲序列的表达式为：

其中，δ(·)表示冲击函数，*表示信号的卷积运算。

S4、第二调制光脉冲序列经过满足逆时域Talbot效应的色散介质后，以得到第三调制光脉冲序列；

具体的：

采样信号

通过特定长度的色散进行传播，需要说明的是，此处采样信号为第三调制光脉冲序列的最高点。注意所选择色散介质的色散量与逆时域Talbot效应的阶数以及输入脉冲序列的周期有关，并且逆时域Talbot效应的阶数等于上述m的值，此处色散量

的大小选择为

色散介质的脉冲响应表示为

那么光脉冲序列经过色散介质的表达式为：

其中，τ表示积分时间变量。

利用傅里叶变换的性质，最终输出的信号可以表示为：

其中，ω_RF表示待测射频信号的角频率，

表示正边带的相位，

表示负边带的相位，与输出波形幅度无关。

S5、第三调制光脉冲序列经过光电探测器后在示波器上显示时域波形，并根据第三调制光脉冲序列的位置获取待测射频信号的频率信息。

为了避免输出端脉冲的混叠，在双边带调制情况下最大的时间偏移应满足Δt≤mT/2，由此，系统的采样带宽f_B由下式决定：

当示波器的带宽足够时，系统的频谱分辨率由下式决定：

该系统通过更改二次相位调制信号

和色散介质的色散量

并使之匹配满足m阶逆时域Talbot效应，使得输出信号的周期为输入脉冲序列的m倍，相应的，每个射频频率对应的脉冲时间位置

随着

的增大而增大，在系统带宽f_B不变的基础上，频谱分辨率Δf_RF将更小。

参照图2所示，为基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法用于测量单频信号的结果示意图，其中，频时映射后的脉冲周期大小为mT，每个射频频率对应两个对称的脉冲，因为已知色散量

读取脉冲到对称中心的时间差Δt₁，通过公式

就能得到射频角频率ω₁。

参照图3所示，为基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法用于测量双频信号的结果示意图，其中，频时映射后的脉冲周期大小为mT，每个射频频率对应两个对称的脉冲，读取脉冲到对称中心的时间差Δt₂，Δt₃，通过公式

就能得到射频角频率ω₂，ω₃。

本发明的基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法，与现有的射频频谱分析的方案相比，能完成带宽GHz以上的实时频谱分析，利用频时映射关系通过简单的计算就能得到射频频谱信息而无须经过复杂和耗时的数字信号处理过程。通过调节相位调制信号和色散介质的色散量，能将输出脉冲的周期放大很多倍，在同样的系统带宽下，提升系统的频谱分辨率。

实施例二：

参照图4所示，本实施例提供一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知系统，包括锁模光纤激光器、波形发生器、相位调制器、强度调制器、色散介质、光电探测器、示波器；

锁模光纤激光器、相位调制器、强度调制器、色散介质、光电探测器、示波器依次连接，波形发生器与相位调制器连接，待测信号输出端与强度调制器连接。

需要说明的是，本实施例提供的一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知系统，与实施例一类似，在此不多做赘述。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法，其特征在于，包括步骤：

S1、产生周期性光脉冲序列；

S2、对周期性光脉冲序列进行时域二次相位调制，以得到第一调制光脉冲序列；

S3、将待测射频信号调制到第一调制光脉冲序列上，以得到第二调制光脉冲序列；

S4、第二调制光脉冲序列经过满足逆时域Talbot效应的色散介质后，以得到第三调制光脉冲序列；

S5、根据第三调制光脉冲序列的位置获取待测射频信号的频率信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法，其特征在于，步骤S1中，产生的周期性光脉冲序列是变换受限的高斯脉冲，单个脉冲的时域表达式为：

其中，τ₀为高斯脉冲的半高全宽，t为时间。

3.根据权利要求1所述的一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法，其特征在于，步骤S2中，所述第一调制光脉冲序列的表达式为：

其中，k为整数，表示周期序号，m为正整数，表示一个时域二次相位调制周期内的脉冲个数，L为0～m-1的整数，表示一个时域二次相位调制周期内的脉冲序号，j表示虚数，T表示周期性光脉冲序列的周期，g(·)表示周期性光脉冲序列的单个脉冲的时域表示，t为时间。

4.根据权利要求1所述的一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法，其特征在于，步骤S3中，所述第二调制光脉冲序列的表达式为：

其中，k为整数，表示周期序号，m为正整数，表示一个时域二次相位调制周期内的脉冲个数，L为0～m-1的整数，表示一个时域二次相位调制周期内的脉冲序号，T表示周期性光脉冲序列的周期，j表示虚数，x(t)表示待测射频信号，g(·)表示周期性光脉冲序列的单个脉冲的时域表示，δ(·)表示冲击函数，*表示信号的卷积运算，t为时间。

5.根据权利要求1所述的一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法，其特征在于，步骤S4中，所述第三调制光脉冲序列的表达式为：

其中，k为整数，表示周期序号，m为正整数，表示一个时域二次相位调制周期内的脉冲个数，j表示虚数，

表示正边带的相位，T表示周期性光脉冲序列的周期，

表示色散介质的色散量大小，ω_RF表示待测射频信号的角频率，

表示负边带的相位，g(·)表示周期性光脉冲序列的单个脉冲的时域表示，t为时间。

6.根据权利要求5所述的一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法，其特征在于，

7.根据权利要求5所述的一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法，其特征在于，色散介质的脉冲响应表示为：

8.根据权利要求1所述的一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法，其特征在于，步骤S3中所述调制为双边带调制、载波抑制双边带调制、单边带调制中的任意一种模式。

9.根据权利要求1所述的一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法，其特征在于，步骤S5中，根据第三调制光脉冲序列与周期中心的时间间隔计算得到待测射频信号的频率信息，计算公式为：

其中，ω_RF表示待测射频信号的角频率，Δt表示第三调制光脉冲序列与周期中心的时间间隔，

表示色散介质的色散量大小。

10.一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知系统，基于权利要求1-9任一项所述的一种基于逆时域Talbot效应的高精度实时频谱感知方法，其特征在于，包括锁模光纤激光器、波形发生器、相位调制器、强度调制器、色散介质、光电探测器、示波器；

锁模光纤激光器、相位调制器、强度调制器、色散介质、光电探测器、示波器依次连接，波形发生器与相位调制器连接，待测信号输出端与强度调制器连接。

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