CN115208463A - 一种基于相位谱分析的光采样多目标测频方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于相位谱分析的光采样多目标测频方法，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，包括锁模激光器MLL、光隔离器ISO、光衰减器OA、光耦合器OC、可调光延时线VODL、电功分器EC、稳相电缆对、马赫曾德尔调制器MZM、光电探测器PD、低通滤波器LPF、模数转换器ADC和数字信号处理模块DSP。通过使用具有不同时延的光脉冲对待测信号进行带通采样并对所得中频信号的功率谱和相位谱进行分析，根据两路中频信号的相位差和频率信息，即可恢复初始待测信号频率。本发明仅需使用一台锁模激光器，结构紧凑，成本低，且处理难度低，实时性强。该发明有望应用于军事及民用测频系统中。
Description
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实现多目标频率测量。
背景技术
微波频率的识别在现代军事和民用射频系统中至关重要，如无线通信、雷达系统和电子战。例如，在电子侦察接收机中，需要快速识别天线截获的未知微波信号的载波频率，然后再对其进行进一步处理。目前，频率测量任务一般是通过电子技术来实现的，电子技术可以实现高分辨率，但工作带宽相对较窄。虽然通过信道化技术可以进一步拓宽带宽，但会导致测频系统结构复杂、体积庞大、功耗高，不利于射频系统的小型化、集成化发展趋势。
微波光子技术采用光学手段实现射频信号的控制和处理，具备大瞬时带宽、低传输时延、抗电磁干扰等优点，采用光子学辅助的射频信号测量技术有望极大的改善当前测量系统的性能。光子辅助微波频率测量技术分为模拟和数字两种方式。采用模拟手段进行测频的方案包含频率-功率变换、频率-时间变换、频率-空间变换等方法，一般在单个系统中难以同时具备大瞬时带宽、高精度、高测量速度以及多目标测量能力；采用数字手段的方案以光采样下变频技术为核心，将射频信号下变频至中频进行处理，依托光子学大带宽的优势，可显著提高光子测频接收机的工作频段。
光采样下变频测频方法主要分为两类：第一类采用并行结构，通过不同重频光脉冲采样将射频信号下变频到不同中频，结合余数定理解算信号的射频频率；第二类使用单路光采样，在输入信号满足稀疏性的前提下，通过设计合适的观测矩阵并结合最优化算法，完成信号初始频率的恢复。但是前者需要使用多个不同重复频率的脉冲光源，会极大增加系统开销，后者采用压缩感知技术对信号进行处理，数据量巨大，处理复杂度较高，会降低系统实时性。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于相位谱分析的光采样多目标测频方法。在结构上，该方法仅需使用一台锁模激光器，系统结构紧凑，成本低，在处理难度上，只需要对功率谱和相位谱进行分析，简化了处理。该方法可应用于军事及民用测频系统中。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述方法包括锁模激光器MLL、光隔离器ISO、可调光衰减器VOA、光耦合器OC、可调光延时线VODL、电功分器EC、稳相电缆对、马赫曾德尔调制器MZM、光电探测器PD、低通滤波器LPF、模数转换器ADC和数字信号处理模块DSP；MLL输出的光脉冲信号经过光隔离器和可调光衰减器后送入光耦合器，光耦合器将光脉冲信号分为上下两路，上路直接送入MZM1，下路经过可调光延时线引入一定光延时后送入MZM2，天线接收的待测信号SUT经过电功分器和稳相电缆对分别加载到MZM1和MZM2，两个MZM都工作在正交点QTP，MZM1和MZM2的输出信号分别接光电探测器PD1和PD2进行光电转换，然后再分别接低通滤波器LPF1和LPF2后得到第1奈奎斯特区间内的中频信号，随后送入ADC进行模数转换，ADC输出的数字信号送入到数字信号处理模块进行分析处理，通过对ADC输出的信号进行傅里叶变换处理得到上下两路信号的功率谱和相位谱，根据功率谱找到中频频率，然后根据相位谱得到两路中频信号的相位差，可得到待测信号所在奈奎斯特区间，结合中频信号本身频率信息，即可恢复初始待测信号频率。
本发明在工作时包括以下步骤：
(1)从锁模激光器输出的光脉冲信号依次通过光隔离器和可调光衰减器，调节可调光衰减器改变光功率以避免马赫曾德尔调制器和光电探测器因过高光功率损坏；
(2)可调光衰减器的输出端连接光耦合器，将光脉冲信号分为上下两路，上路直接送入MZM1，下路送入可调光延时线，根据测频范围调节光延时大小，然后将可调光延时线输出的信号输入MZM2；
(3)将待测信号输入到电功分器，功分器的两路输出通过稳相电缆对分别加载到MZM1和MZM2，调节偏置电压使MZM1和MZM2偏置在正交点，对待测信号进行强度调制；
(4)将MZM1和MZM2的输出信号分别接光电探测器和低通滤波器，得到第1奈奎斯特区间的中频信号；
(5)从低通滤波器输出的上下两路中频信号被送入ADC进行模数转换；
(6)ADC输出的数字信号被送入数字处理模块进行傅里叶变换分析，得到信号的功率谱和相位谱，根据功率谱找到中频频率，然后根据相位谱得到两路中频信号的相位差，得到待测信号所在奈奎斯特区间，结合中频信号本身频率信息，恢复初始待测信号频率。
本发明提出了一种基于相位谱分析的光采样多目标测频方法，将锁模激光器输出的光脉冲信号分为两路，并给其中一路引入时延，使用待测信号对两路光脉冲信号进行强度调制，实现对待测信号的带通采样，然后经过光电探测器和低通滤波器后得到两路中频信号，最后通过模数转换和数字信号处理之后得到信号的功率谱和相位谱，根据两路中频信号的相位差和频率信息，即可恢复初始待测信号频率。
本发明在结构上仅需使用一台锁模激光器，不需要复杂的调制器和偏压设置，系统结构紧凑，成本低；在处理难度上，只需要对功率谱和相位谱进行分析，简化了处理，提高了实时性。该发明有望应用于军事及民用测频系统中。
附图说明
图1为本发明所提出的基于相位谱分析的光采样多目标测频方法的原理图。
图2为忽略噪声及器件相位平衡影响的理想实验条件下，第1到16奈奎斯特区间内的相移图，为了便于观看和理解，图中假设光脉冲重复率为2.5GHz，测频范围为20GHz，图中各字母符号含义见具体实施方式[0015]；
图3(a)中实线为实验测量的第7奈奎斯特带宽内的相移曲线，虚线为实线的线性拟合曲线，
图3(b)为将图(a)中实线减去虚线得到的由于PD1、PD2和ADC之间的器件相位平衡度不理想导致的相移；
图4为将光延时调节至17.85ps时26GHz测频范围内的多次相移测量结果，每个奈奎斯特带宽内测量了20个频点的相移，这20个频点对应中频从8MHz至293MHz，间隔15MHz，图中内嵌图为第81、第83、第85奈奎斯特区间测量相移的放大图，实心圆点表示实验数据，共5组，实线表示理论相移，虚线用来表示不同奈奎斯特区间的相移没有发生交叠。
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述的实施例。
图1为一种基于相位谱分析的光采样多目标测频方法，所述方法包括锁模激光器MLL、光隔离器ISO、可调光衰减器VOA、光耦合器OC、可调光延时线VODL、电功分器EC、稳相电缆对、马赫曾德尔调制器MZM、光电探测器PD、低通滤波器LPF、模数转换器ADC和数字信号处理模块DSP；MLL输出的光脉冲信号经过光隔离器和可调光衰减器后送入光耦合器，光耦合器将光脉冲信号分为上下两路，上路直接送入MZM1，下路经过可调光延时线引入一定光延时后送入MZM2，天线接收的待测信号SUT经过电功分器和稳相电缆对分别加载到MZM1和MZM2，两个MZM都工作在正交点QTP，MZM1和MZM2的输出信号分别接光电探测器PD1和PD2进行光电转换，然后再分别接低通滤波器LPF1和LPF2后得到第1奈奎斯特区间内的中频信号，随后送入ADC进行模数转换，ADC输出的数字信号送入到数字信号处理模块进行处理分析以恢复射频初始频率。
本实例中，方法的具体实施步骤是：
步骤一：锁模激光器产生重复频率为603MHz、平均功率为23dBm的光脉冲信号，光脉冲信号依次通过光隔离器和可调光衰减器，调节可调光衰减器将输出平均光功率调节至0dBm；
步骤二：可调光衰减器的输出端连接光耦合器，将光脉冲信号分为上下两路，上路直接送入MZM1，下路送入可调光延时线，然后将可调光延时线输出的信号输入MZM2，在MZM1和MZM2输入端的光脉冲信号可以表示为：
其中EU、EL分别表示上路和下路的光脉冲强度，Pp为脉冲峰值功率，Tr为采样光脉冲重复周期，等式右侧为脉冲的频域傅里叶展开表达式，cn为各次谐波的系数，fr为各次谐波的频率，且有fr＝1/Tr，谐波的系数与脉冲形状相关，τ表示下路引入的光延时。为避免相位超过180°发生相位翻转，在选取τ时，应满足
2πNmaxfrτ＜π
其中Nmax表示测频范围内最大奈奎斯特区间序号，假设测频范围为[0，F]，则有Nmax＝ceil(2F/fr)，其中ceil()为向上取整函数。实验中为实现26GHz测频范围，将τ调节至17.85ps。
步骤三：将射频源输出端口连接电功分器，射频源用于产生待测信号，功分器的两路输出通过稳相电缆对分别加载到MZM1和MZM2，调节偏置电压使MZM1和MZM2偏置在正交点，对待测信号进行强度调制。假设调制器输入信号为vin，考虑调制器的非线性，MZM在正交点的传输函数可以表示为
在小信号调制情况下，忽略三次及更高阶项，调制器输出可以表示为
在实际实验中，由于上下两路功分器输出端口与调制器之间的器件在幅度和相位响应上并不相同，MZM1和MZM2的输入待测信号在幅度和相位上不同。上式中使用Vin()和Vin′()来分别表示MZM1和MZM2输入的待测信号，并有
式中V0()和ΦU()表示上路功分器输出端口与调制器之间所使用器件的幅度和相位响应，V0′()和ΦL()表示下路功分器输出端口与调制器之间所使用器件的幅度和相位响应。
步骤四：将MZM1和MZM2的输出端分别连接光电探测器PD1和PD2进行拍频得到电信号，为方便分析，假设光脉冲是理想脉冲信号，即cn＝1，则PD1和PD2的输出可以表示为
步骤五：将PD1和PD2输出的电信号分别接入低通滤波器LPF1和LPF2，得到[0,fr/2]频率区间，即第1奈奎斯特区间内的信号，使用AU()和θU()表示PD1和ADC之间的器件幅度和相位响应，AL()和θL()表示PD1和ADC之间的器件幅度和相位响应，则LPF1和LPF2的输出可以表示为
其中fIF表示经光采样下变频后得到的信号频率，假设信号位于第N奈奎斯特区间，则有
对于系数k和M，有
上下两路信号之间的总相移可以表示为
式中包含四项，第一项为由两路功分器输出端口与调制器之间的器件相位响应不同所引起的相移，第二项为由光延时引起的相移，第三项为两路PD和ADC之间的器件相位响应不同所引起的相移，第四项为由信号中存在的噪声引起的相移，上述相移分别用
和
来表示。其中
是实现测频所需要的相移；
和
均包含由路径差导致的时延差所产生的相移和由器件相位平衡度不理想导致的相移两部分，
和中频信号频率相关，而中频信号频率在傅里叶变换获得功率谱之后可以得到，因此，
对总相移测量结果可以在数字信号处理模块中消除，
和待测信号初始频率有关，而初始频率未知，因此无法消除，会导致测量结果与理论值产生一定偏移；
为信号中存在的噪声引起的相移，会使总相移测量结果在一定范围内波动。为了减小
对相移测量结果的影响，在实验中使用了高相位平衡度电功分器、稳相电缆对和同型号调制器以减小时延差并提高相位平衡度；
步骤六：将LPF1和LPF2输出的两路信号依次连接ADC和数字信号处理模块，使用ADC对两路滤波器输出的中频信号进行采样，并将采样信号送入DSP模块进行傅里叶变换处理得到中频信号的功率谱和相位谱，根据功率谱找到中频频率，然后根据相位谱得到两路中频信号的相位差；
步骤七：在进行频率测量之前测量
以在数字信号处理模块消除
的影响。考虑到一般情况下，实验器件在低频相位平衡度比高频理想，为了减小
对
测量的影响，选取低频段的某个奈奎斯特区间测量。实验中选取第7奈奎斯特区间，从射频源依次输出1.817GHz至2.102GHz，间隔为15MHz，功率为0dBm的信号加载到调制器上，对应中频频率为8MHz至293MHz，重复步骤六即可对
进行测量；
步骤八：从射频源输出从0GHz至26GHz，功率为0dBm的射频信号，重复步骤六，测量频率测量范围内所有奈奎斯特区间的相移。
为便于理解频率测量原理，图2给出了忽略噪声且器件相位平衡影响的理想实验条件下，不同奈奎斯特区间内的相移图，图中假设光脉冲重复率为2.5GHz，测频范围为20GHz；图3(a)中实线为实验测量的第7奈奎斯特带宽内的相移曲线，测量了20个频点，对应中频从8MHz至293MHz，间隔15MHz，虚线为对实线的线性拟合，表示由路径差导致的时延差产生的相移，图3(b)为图3(a)中实线减去曲线后得到的由于PD1、PD2和ADC之间的器件相位平衡度不理想导致的相移；图4为将光延时调节至17.85ps时26GHz测频范围内的多次相移测量结果，每个奈奎斯特带宽内测量了20个频点的相移，这20个频点对应中频从8MHz至293MHz，间隔15MHz，图中内嵌图给出了第81、第83、第85奈奎斯特区间的放大图，实心圆点表示实验数据，共5组，即每个横坐标对应五个纵坐标，实线表示各个奈奎斯特区间的理论相移，虚线用来表示不同奈奎斯特区间的相移没有发生交叠，即不会产生频率解算模糊情况，可以看出，所测量得到的信号相移存在一定抖动，且与理论相移存在一定误差，这是信号中存在的噪声以及实验中上下两路所使用器件相位平衡度不理想导致的。
综上，本发明提出了一种基于相位谱分析的光采样多目标测频方法。在本方案中，仅使用一台锁模激光器即可实现多目标测频，不需要复杂的调制器和偏压设置，系统结构紧凑，成本低；在处理难度上，只需要对功率谱和相位谱进行分析，简化了处理，提高了实时性。
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，例如使用保偏光纤的两偏振态传输速度不同来实现光延时。此外，改变输入光载波波长、功率，改变光延时大小，改变实现强度调制所使用器件等为本发明的保护的范围。
Claims (1)
1.一种基于相位谱分析的光采样多目标测频方法，包括锁模激光器MLL、光隔离器ISO、可调光衰减器VOA、光耦合器OC、可调光延时线VODL、电功分器EC、稳相电缆对、马赫曾德尔调制器MZM、光电探测器PD、低通滤波器LPF、模数转换器ADC和数字信号处理模块DSP；其特征在于：MLL输出的光脉冲信号经过光隔离器和可调光衰减器后送入光耦合器，光耦合器将光脉冲信号分为上下两路，上路直接送入第一马赫曾德尔调制器MZM1，下路经过可调光延时线引入一定光延时后送入第二马赫曾德尔调制器MZM2，天线接收的待测信号SUT经过电功分器和稳相电缆对分别加载到第一马赫曾德尔调制器MZM1和第二马赫曾德尔调制器MZM2，两个MZM都工作在正交点QTP，第一马赫曾德尔调制器MZM1和第二马赫曾德尔调制器MZM2的输出信号分别接第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2进行光电转换，然后再分别接第一低通滤波器LPF1和第二光电探测器LPF2后得到第一奈奎斯特区间内的中频信号，随后送入ADC进行模数转换，ADC输出的数字信号送入到数字信号处理模块，通过对ADC输出的信号进行傅里叶变换处理得到上下两路信号的功率谱和相位谱，根据功率谱找到中频频率，然后根据相位谱得到两路中频信号的相位差，可得到待测信号所在奈奎斯特区间，结合中频信号本身频率信息，即可恢复初始待测信号频率。
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