CN115219786A - 一种基于光子学的压缩感知测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光子学的压缩感知测量方法及装置，方法包括：射频信号和伪随机信号加载到第一、第二马赫曾德尔调制器得到第一、第二光信号；第一、第二光信号正交后合束为有第一、第二偏振态的正交光信号；调整正交光信号并输至偏振分束器使正交光信号第一、第二偏振态与偏振分束器第一、第二输出端主轴分别成第一、第二、第三、第四角度；第一、第二输出端输出的第一、第二光场输至平衡光电探测器得到光电流；光电流近似计算得到射频信号和伪随机信号混频结果。本发明用简单装置在远低于奈奎斯特采样定率下识别高频信号，不需预先测量光链路参数，不需设定特殊调制系数，简单易行且有效降低成本和损耗，可广泛应用于雷达、通信等实际系统中。

Description

一种基于光子学的压缩感知测量方法及装置

技术领域

本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种基于光子学的压缩感知测量方法及装置。

背景技术

在现代电子战或者无线通信领域，截获微波信号并且准确识别其频率具有重要意义。在实际应用中，需要这种识别能在较宽的频率范围内实现，且同时要求低成本、低功率损耗、高准确率以及良好的实时性。传统手段将截获的信号首先通过模数转换器转换成数字信号，然后由快速傅里叶变换计算得出其频率。根据奈奎斯特采样定律，想要恢复出原始信号包含的信息，需要采样率至少是截获信号所含频率成分中最大频率的两倍。这样，当采样率很大的时候，传统手段中的模数转换器在储存和实时处理数据时存在困难。

当截获信号频域满足稀疏的情况下，截获信号的频率信息可以在极低的采样率条件下，由压缩感知这一方法来恢复。压缩感知包括测量过程和重建过程，测量过程包括截获的射频信号与伪随机序列相乘(混频)、低通滤波(积分)以及下采样；重建过程，是由基追踪算法、正交匹配追踪等算法将原始信号恢复。整个测量过程的重点在于截获信号与伪随机序列相乘的混频，在电域中混频时，工作带宽和中心频率都会受到严重的限制。微波光子学具有低损耗、良好的调谐能力、抗电磁干扰等优势，因而有很多基于光子学的压缩感知方案被提出。然而，现有的方案往往涉及复杂的系统结构，或者除了截获的射频信号与伪随机序列相乘之外还有其他干扰项的产生，或者需要测量光学链路的参数，这些缺点限制了基于光子学的压缩感知方案的应用范围。

发明内容

基于上述问题，本发明提供一种基于光子学的压缩感知测量方法及装置，使用简单装置，在远低于奈奎斯特采样定率的条件下即可实现对高频信号的识别。

本发明提供一种基于光子学的压缩感知测量方法，包括：

将射频信号加载到第一马赫曾德尔调制器，得到第一光信号，将伪随机信号加载到第二马赫曾德尔调制器，得到第二光信号；

将第一光信号与第二光信号正交后合束为正交光信号，所述正交光信号具有两个偏振态，分别为第一偏振态及第二偏振态，其中，第一偏振态与第一光信号偏振态相同，第二偏振态与第二光信号偏振态相同；

调整所述正交光信号，并输入至偏振分束器中，所述偏振分束器包括第一输出端及第二输出端，其中，所述正交光信号第一偏振态与第一输出端的主轴成第一角度，所述正交光信号第一偏振态与第二输出端的主轴成第二角度，所述正交光信号第二偏振态与第一输出端的主轴成第三角度，所述正交光信号第二偏振态与第二输出端的主轴成第四角度；

将所述第一输出端输出的第一光场及第二输出端输出的第二光场输入至平衡光电探测器，得到光电流；

对所述光电流进行近似计算，得到所述射频信号和伪随机信号的混频结果。

进一步地，方法还包括：将线性偏振的光信号分成第一线性偏振光信号和第二线性偏振光信号，所述第一线性偏振光信号输入到第一马赫曾德尔调制器，所述第二线性偏振光信号输入到第二马赫曾德尔调制器。

进一步地，正交光信号第一偏振态E_x(t)与第二偏振态E_y(t)的表达式分别为：

E_x(t)＝E₀exp(j2πf₀t){exp[jβ₁cos(2πft)+jπ/2]+exp[-jβ₁cos(2πft)-jπ/2]}

＝-2E₀exp(j2πf₀t)sin[β₁cos(2πft)]

E_y(t)＝E₀exp(j2πf₀t){exp[jβ₂r(t)+jπ/2]+exp[-jβ₂r(t)-jπ/2]}

＝-2E₀exp(j2πf₀t)sin[β₂r(t)]

其中β₁＝πV₁/Vπ和β₂＝πV₂/Vπ为射频信号和伪随机信号对应的调制系数，Vπ为第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器的半波电压，V₁、V₂为射频信号和伪随机信号的振幅，r(t)为由{+1，-1}组成的伪随机序列。

进一步地，第一输出端输出的第一光场E₁(t)及第二输出端输出的第二光场E₂(t)满足：

进一步地，所述光电流i(t)的表达式为：

其中，E₁(t)^*和E₂(t)^*分别是第一光场E₁(t)和第二光场E₂(t)的共轭。

进一步地，所述对所述光电流进行近似计算，得到所述射频信号和伪随机信号的混频结果包括：

i(t)∝16J₁(β₁)cos(2πft)sin[β₂r(t)]

≈16J₁(β₁)cos(2πft)β₂r(t)

其中J₁(β₁)是应用贝塞尔展开后对应的一阶系数。

本发明的另一方面提供一种基于光子学的压缩感知测量装置，包括：

第一马赫曾德尔调制器，用于将射频信号调制得到第一光信号；

第二马赫曾德尔调制器，用于将伪随机信号调制得到第二光信号；

偏振合束器，用于将第一光信号与第二光信号合束为正交光信号；

偏振分束器，用于将正交光信号按照一定功率比值分到两个偏振态上，输出第一光场及第二光场；

平衡光电探测器，内置两个光电探测器，用于将所述第一光场及第二光场转换为光电流。

进一步地，装置还包括：

激光器，用于产生线性偏振的光信号；

耦合器，用于将线性偏振的光信号分成第一线性偏振光信号和第二线性偏振光信号。

进一步地，装置还包括：

任意波形发生器，用于产生伪随机序列；

电压源，用于控制第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器，使其都处于最小偏置点；

偏振控制器，用于调整正交光信号偏振角度。

进一步地，第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器采用推挽式连接。

本发明提供的一种基于光子学的压缩感知测量方法及装置，具有如下有益效果：

(1)只使用一个调制器，结构简单，便于集成并应用于不同领域，具有广阔的应用前景。

(2)使用简单的光电调制方式，不需要通过设置特定的功率来满足不同的调制系数，大大降低了操作难度。

(3)利用平衡光电探测器直接消除了直流成分，不需要额外添加使用隔直器等电学器件，结构紧凑，具有良好的适用范围。

附图说明

图1为本发明的一种基于光子学的压缩感知测量方法流程图；

图2为本发明的一种基于光子学的压缩感知测量装置示意图；

图3A为本发明实施例中截获的射频信号仿真得到的时域波形图；

图3B为本发明实施例中截获的射频信号仿真得到的频谱图；

图3C为本发明实施例中伪随机序列仿真得到的在较长时间尺度内的时域波形图；

图3D为本发明实施例中伪随机序列仿真得到的在较短时间尺度内的时域波形图；

图4A为本发明实施例中截获的射频信号通过随机混频模块后仿真得到的时域波形图；

图4B为本发明实施例中通过低通滤波模块后仿真得到的时域波形图；

图4C为本发明实施例中通过下采样模块后仿真得到的时域波形图；

图5A为本发明实施例中通过正交匹配追踪方法后仿真得到的恢复信号的时域波形图；

图5B为本发明实施例中通过快速傅里叶变换后仿真得到的恢复信号的频谱图。

图中：

1-偏振复用马赫曾德尔调制器；101-耦合器；102-第一马赫曾德尔调制器；103-第二马赫曾德尔调制器；104-偏振旋转器；105-偏振合束器；2-随机混频模块；201-激光器；202-任意波形发生器；203-电压源；204-偏振控制器；205-偏振分束器；206-平衡光电探测器；3-低通滤波模块；4-下采样模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部内容。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

本发明提供一种基于光子学的压缩感知测量方法及装置，使用简单装置，在远低于奈奎斯特采样定率的条件下即可实现对高频信号的识别。

如图1所示为本发明的一种基于光子学的压缩感知测量方法流程图。包括：

S101，将射频信号和伪随机信号加载到第一、第二马赫曾德尔调制器上，得到第一、第二光信号；

S102，将第一、第二光信号正交后合束为有第一、第二偏振态的正交光信号；

S103，调整正交光信号并输至偏振分束器中，使正交光信号第一、第二偏振态与偏振分束器第一、第二输出端主轴分别成第一、第二、第三、第四角度；

S104，将第一、第二输出端输出的第一、第二光场输入至平衡光电探测器得到光电流；

S105，对光电流近似计算得到射频信号和伪随机信号混频结果。

图2为本发明的一种基于光子学的压缩感知测量装置。

本发明的一个实施例具体包括如下步骤：

将激光器201产生的线性偏振的光信号表示为E₀exp(j2πf₀t)，E₀和f₀分别为光载波的振幅和频率，t代表时间，j代表虚数单位。将该线性偏振态的光场通过耦合器101，分成第一线性偏振光信号和第二线性偏振光信号，第一线性偏振光信号输入到第一马赫曾德尔调制器102，第二线性偏振光信号输入到第二马赫曾德尔调制器103。

根据截获的射频信号的频率f，振幅V₁，将其表示为V₁cos(2πft)，如图3A、3B所示分别为截获的射频信号仿真得到的时域波形图和频谱图，将其作为射频信号通过射频输入端口加载到偏振复用马赫曾德尔调制器1中的第一马赫曾德尔调制器102上。

使用任意波形发生器202产生伪随机序列V₂r(t)，如图3C、3D所示分别为伪随机序列在较长时间尺度内、较短时间尺度内的时域波形图，将其作为伪随机信号通过射频输入端口加载到偏振复用马赫曾德尔调制器1中的第二马赫曾德尔调制器103上。

第一马赫曾德尔调制器102和第二马赫曾德尔调制器103均包括一个射频输入端口以及两个偏置电压输入端口，在其各自的两个偏置电压输入端口分别接电压源203的正负极，调节电压源203，使其各自的两个偏置电压输入端口之间的电压为π，从而使第一马赫曾德尔调制器102和第二马赫曾德尔调制器都处于最小偏置点。

将第一马赫曾德尔调制器102输出端输出的第一光信号输入到偏振合束器105，将第二马赫曾德尔调制器103输出端输出的第二光信号通过偏振旋转器104，使得第二光信号与第一光信号正交，输入到偏振合束器105。通过偏振合束器105后，正交的第一光信号和第二光信号合束为正交光信号。正交光信号具有两个偏振态，即第一偏振态及第二偏振态，其中第一偏振态与第一光信号偏振态相同，第二偏振态与第二光信号偏振态相同。

正交光信号第一偏振态E_x(t)与第二偏振态E_y(t)的表达式分别为：

E_x(t)＝E₀exp(j2πf₀t){exp[jβ₁cos(2πft)+jπ/2]+exp[-jβ₁cos(2πft)-jπ/2]}

＝-2E₀exp(j2πf₀t)sin[β₁cos(2πft)]

E_y(t)＝E₀exp(j2πf₀t){exp[jβ₂r(t)+jπ/2]+exp[-jβ₂r(t)-jπ/2]}

＝-2E₀exp(j2πf₀t)sin[β₂r(t)]

其中β₁＝πV₁/Vπ和β₂＝πV₂/Vπ为射频信号和伪随机信号对应的调制系数，Vπ为第一马赫曾德尔调制器102和第二马赫曾德尔调制器103的半波电压，V₁、V₂为射频信号和伪随机信号的振幅，r(t)为由{+1，-1}组成的伪随机序列。

紧接着偏振复用马赫曾德尔调制器1的是偏振控制器204和偏振分束器205。将上述正交光信号输入到偏振控制器204和偏振分束器205，旋转偏振控制器204，使正交光信号第一偏振态与偏振分束器205的第一输出端的主轴成45°、与第二输出端的主轴成45°，使正交光信号第二偏振态与偏振分束器205的第一输出端的主轴成45°、与第二输出端的主轴成135°，则偏振分束器205第一输出端输出的第一光场E₁(t)及第二输出端输出的第二光场E₂(t)满足：

将第一光场及第二光场输入至平衡光电探测器206，平衡光电探测器206内置两个光电探测器，将光信号转换为电信号，得到光电流。光电流的表达式：

其中，E₁(t)^*和E₂(t)^*分别是第一光场E₁(t)和第二光场E₂(t)的共轭。

然后对光电流进行近似计算：在小信号调制的条件下，只考虑贝塞尔展开的第一项，另外假设r(t)很小，sin(β₂r(t))约等于β₂r(t)，那么上式可以表示为：

i(t)∝16J₁(β₁)cos(2πft)sin[β₂r(t)]

≈16J₁(β₁)cos(2πft)β₂r(t)

其中J₁(β₁)是应用贝塞尔展开后对应的一阶系数。

至此，我们得到了如上式所示射频信号和伪随机信号的混频结果，没有其他的干扰项，其仿真结果如图4A所示。

将混频后的信号通过低通滤波模块完成积分，滤除高频分量：

将低通滤波模块的长度设置为P(P＝N/M)，形状设置为矩形或者高斯型，低通滤波模块表示为h(n)，n＝1，2，…P，则矩阵H可以表示为：

其仿真结果如图4B所示。

将上述模拟信号通过下采样模块，将得到的数字信号每P个采样点保留一个采样点，具体过程表示为：

D_ij＝δ(i-j/M)，i＝1…M，j＝1…N

其仿真结果如图4C所示。

至此，压缩感知包含的观测过程已经完成。压缩感知的重构过程主要是依赖各种算法，常见的有基匹配追踪、正交匹配追踪等。

图5A给出了使用正交匹配追踪算法之后，得到的恢复信号时域波形图；图5B为通过快速傅里叶变换得到的频谱图。

本发明提供一种基于光子学的压缩感知测量装置，按照上述一种基于光子学的压缩感知测量方法，在远低于奈奎斯特采样定率的条件下即可实现对高频信号的识别。

本发明实施例的一种基于光子学的压缩感知测量装置，包括随机混频模块2、低通滤波模块3以及下采样模块4。随机混频模块2用于实现输入信号与伪随机序列的相乘；低通滤波模块3用于滤除高阶频率分量；下采样模块4用于在采样率远低于奈奎斯特采样率的条件下，将模拟信号转换为数字信号。

上述随机混频模块2包括：激光器201，用于产生线性偏振的光信号；耦合器101，用于将线性偏振的光信号分成第一线性偏振光信号和第二线性偏振光信号；偏振复用马赫曾德尔调制器1，用于分别在两个偏振态上实现射频信号以及伪随机信号的电光调制；任意波形发生器202，用于产生伪随机序列；电压源203，用于控制第一马赫曾德尔调制器102和第二马赫曾德尔调制器103，使其都处于最小偏置点；偏振控制器204，用于调整正交光信号偏振角度；偏振分束器205，用于将正交光信号按照一定功率比值分到两个偏振态上，输出第一光场及第二光场；平衡光电探测器206，内置两个光电探测器，用于将所述第一光场及第二光场转换为光电流，即两个光电探测器得到的电信号可以直接做减法，得到光电流。

上述偏振复用马赫曾德尔调制器1包括：耦合器101；第一马赫曾德尔调制器102；第二马赫曾德尔调制器103；偏振旋转器104；偏振合束器105；其中，

耦合器101用于将线性偏振的光信号分成第一线性偏振光信号和第二线性偏振光信号；第一马赫曾德尔调制器102用于将射频信号调制得到第一光信号；第二马赫曾德尔调制器103用于将伪随机信号调制得到第二光信号；偏振旋转器104用于将第二马赫曾德尔调制器103输出端输出的第二光信号的偏振态旋转90°，使之与第一光信号正交；偏振合束器105用于将第一光信号与第二光信号合束为正交光信号。

在该实施例中，第一马赫曾德尔调制器102和第二马赫曾德尔调制器103均包括一个射频输入端口以及两个偏置电压输入端口，均分别有上、下两个支路臂。第一马赫曾德尔调制器102和第二马赫曾德尔调制器103采用推挽式连接，两支路臂之间的调制系数相反。

本发明提供的一种基于光子学的压缩感知测量方法及装置，具有如下有益效果：

(1)只使用一个调制器，结构简单，便于集成并应用于不同领域，具有广阔的应用前景。

小型化、低功耗是微波光子学发展的必然趋势，所以能在实现原有功能的基础上满足集成的要求十分有意义。本发明的链路简单，不涉及长距离光纤、宽谱光源、光谱滤波器等较大的器件，这对集成来讲，可能性更高。一些现有的技术方案虽然不涉及上述较大型的器件，但是往往使用两个或多个分立的调制器，这给元器件集成增加了困难。本方案使用的偏振复用马赫曾德尔调制器虽然由两个调制器构成，但是整体已经是集成化的元器件，相当于是一个调制器，结构简单，便于集成并应用于不同领域，具有广阔的应用前景。

(2)使用简单的光电调制方式，不需要通过设置特定的功率来满足不同的调制系数，大大降低了操作难度。

现有的光学混频方案在涉及调制器完成测量目的时，需要将入射待测射频信号的功率调到一个特殊值，进而满足所需的特定条件，这一点在实际应用中很受限制。因为在实际应用中，一般都有实时性的要求，比如电子战、通讯中，接收机接收到信号后，要在很短时间内测量出这个信号的频率信息。如果需要特定的功率值才能进行后续的测量，那可能要引入功率检测反馈系统，这将导致系统繁杂，也会大大增加时间，使实用性受到限制。

(3)利用平衡光电探测器直接消除了直流成分，不需要额外添加使用隔直器等电学器件，结构紧凑，具有良好的适用范围。

一般地，光电探测器输出的光电流包含着直流成分，若想把这个直流成分去除，常规的方案是在光电探测器的输出口加上隔直器，滤除直流成分，或者用交流耦合-光电探测器。本发明技术方案使用的平衡光电探测器，内置两个小的光电探测器，这两个小的探测器输出的电流相减后，再作为总的输出。这样通过巧妙设计，就可以使输出的电流不包含直流成分。另外，也有些方案是通过预先测量链路参数来消除直流等干扰项，这就给实际应用带来了诸多不便。

综上所述，本发明提供一种基于光子学的压缩感知测量方法及装置，使用简单装置，在远低于奈奎斯特采样定率的条件下即可实现对高频信号的识别。本发明的优势是结构简单，不需要设置特定的功率来满足不同的调制系数，不需要预先测量光学链路的参数，混频之后除了想要的乘积项之外，没有干扰项，具有低成本，低功耗、良好的适用能力等众多优势，可应用于电子战或者通信系统中。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光子学的压缩感知测量方法，其特征在于，包括：

将射频信号加载到第一马赫曾德尔调制器，得到第一光信号，将伪随机信号加载到第二马赫曾德尔调制器，得到第二光信号；

将第一光信号与第二光信号正交后合束为正交光信号，所述正交光信号具有两个偏振态，分别为第一偏振态及第二偏振态，其中，第一偏振态与第一光信号偏振态相同，第二偏振态与第二光信号偏振态相同；

调整所述正交光信号，并输入至偏振分束器中，所述偏振分束器包括第一输出端及第二输出端，其中，所述正交光信号第一偏振态与第一输出端的主轴成第一角度，所述正交光信号第一偏振态与第二输出端的主轴成第二角度，所述正交光信号第二偏振态与第一输出端的主轴成第三角度，所述正交光信号第二偏振态与第二输出端的主轴成第四角度；

将所述第一输出端输出的第一光场及第二输出端输出的第二光场输入至平衡光电探测器，得到光电流；

对所述光电流进行近似计算，得到所述射频信号和伪随机信号的混频结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，方法还包括：将线性偏振的光信号分成第一线性偏振光信号和第二线性偏振光信号，所述第一线性偏振光信号输入到第一马赫曾德尔调制器，所述第二线性偏振光信号输入到第二马赫曾德尔调制器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述正交光信号第一偏振态E_x(t)与第二偏振态E_y(t)的表达式分别为：

E_x(t)＝E₀exp(j2πf₀t){exp[jβ₁cos(2πft)+jπ/2]+exp[-jβ₁cos(2πft)-jπ/2]}

＝-2E₀exp(j2πf₀t)sin[β₁cos(2πft)]

E_y(t)＝E₀exp(j2πf₀t){exp[jβ₂r(t)+jπ/2]+exp[-jβ₂r(t)-jπ/2]}

＝-2E₀exp(j2πf₀t)sin[β₂r(t)]

其中β₁＝πV₁/Vπ和β₂＝πV₂/Vπ为射频信号和伪随机信号对应的调制系数，Vπ为第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器的半波电压，V₁、V₂为射频信号和伪随机信号的振幅，r(t)为由{+1，-1}组成的伪随机序列。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一输出端输出的第一光场E₁(t)及第二输出端输出的第二光场E₂(t)满足：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光电流i(t)的表达式为：

其中，E₁(t)^*和E₂(t)^*分别是第一光场E₁(t)和第二光场E₂(t)的共轭。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述光电流进行近似计算，得到所述射频信号和伪随机信号的混频结果包括：

i(t)∝16J₁(β₁)cos(2πft)sin[β₂r(t)]

≈16J₁(β₁)cos(2πft)β₂r(t)

其中J₁(β₁)是应用贝塞尔展开后对应的一阶系数。

7.一种基于光子学的压缩感知测量装置，其特征在于，包括：

第一马赫曾德尔调制器，用于将射频信号调制得到第一光信号；

第二马赫曾德尔调制器，用于将伪随机信号调制得到第二光信号；

偏振合束器，用于将第一光信号与第二光信号合束为正交光信号；

偏振分束器，用于将正交光信号按照一定功率比值分到两个偏振态上，输出第一光场及第二光场；

平衡光电探测器，内置两个光电探测器，用于将所述第一光场及第二光场转换为光电流。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，装置还包括：

激光器，用于产生线性偏振的光信号；

耦合器，用于将线性偏振的光信号分成第一线性偏振光信号和第二线性偏振光信号。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，装置还包括：

任意波形发生器，用于产生伪随机序列；

电压源，用于控制第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器，使其都处于最小偏置点；

偏振控制器，用于调整正交光信号偏振角度。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器采用推挽式连接。

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