CN115480100A - 基于铌酸锂电光f-p腔的频谱分析系统 - Google Patents

Abstract

基于铌酸锂电光F‑P腔的频谱分析系统，属于涉及微波信号频谱分析领域。解决了现有的微波光子频谱分析方法难以兼顾分辨率、频谱范围和测量时间的问题。电光调制器将待测射频信号调制到单频载波光上，形成调制后的信号光送至铌酸锂电光F‑P腔；信号发生器用于生成幅值实时变化的给定电压并施加在铌酸锂电光F‑P腔上，在各时刻的给定电压下铌酸锂电光F‑P腔的透射谱发生平移；铌酸锂电光F‑P腔根据当前给定电压下所对应的透射谱对接收的调制后的信号光进行过滤，输出具有n个波长的混合光，并对其进行波长分离，并对n个独立波长的光进行光电探测，对所有采用时刻探测得到的电信号进行频谱分析。主要用于对微波信号进行频谱分析。

Description

基于铌酸锂电光F-P腔的频谱分析系统

技术领域

本发明涉及微波信号频谱分析领域。

背景技术

随着电子技术的飞速发展，无论是人类普通的生活工作环境，还是军事战场环境，电磁环境日益复杂，这对电磁波的感知和分析系统提出越来越高的要求，朝着高频段、大带宽的方向发展。未来信号的瞬时带宽将达到几GHz甚至几十GHz级别，而且持续时间很短。当多种信号同时存在时，要求频谱分析系统能够完成对几十GHz范围的信号快速测量分析。

频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量。频谱分析仪依信号处理方式的不同，一般有两种类型：即时频谱分析仪(Real-Time Spectrum Analyzer)与扫描调谐频谱分析仪(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer)。即时频谱分析仪的带宽有限，其测量微波频谱范围较小，而且扫描调谐频谱分析仪的扫描速率较慢，难以对瞬时短信号进行测量分析。

电磁波为微波信号，一般来说微波信号的频谱范围特别宽，可覆盖几十个GHz，甚至上百GHz的范围；一般传统的电子系统对频谱进行分析时，比如传统的电子频谱仪，电子示波器，一般很难覆盖微波信号频谱范围；然后，即使可实现覆盖，最常用的方式为逐个扫频的方式，其需要花费很长时间才能把一个宽频谱的这个电信号或者微波信号的频谱分析出来。

微波光子学具有大带宽、低损耗、无电磁干扰、体积小与重量轻等优点。因此，目前常利用微波光子技术将微波频谱分析转化为光频谱分析来解决对高频段、大带宽、短时长信号分析的难题。但是目前大多数的微波光子频谱分析方法不仅结构复杂，而且存在着分辨率、频谱范围、测量时间难以完全兼顾的问题。因此，以上问题亟需解决。

发明内容

本发明目的是为了解决现有的微波光子频谱分析方法难以兼顾分辨率、频谱范围和测量时间的问题，本发明提供了一种基于铌酸锂电光F-P腔的频谱分析系统。

基于铌酸锂电光F-P腔的频谱分析系统，包括激光器、电光调制器、铌酸锂电光F-P腔、解波分复用器、信号发生器、n个探测器、n个采样器和处理器；n为整数；

电光调制器用于将待测射频信号调制到激光器输出的单频载波光上，形成调制后的信号光，并将该调制后的信号光送至铌酸锂电光F-P腔；

信号发生器用于生成幅值实时变化的给定电压并施加在铌酸锂电光F-P腔上，在各时刻的给定电压下铌酸锂电光F-P腔的透射谱发生平移；且铌酸锂电光F-P腔的透射谱每平移一次作为一个采样时刻，并在各时刻下等间距平移；

铌酸锂电光F-P腔根据当前给定电压下所对应的透射谱对接收的调制后的信号光进行过滤，输出具有n个波长的混合光，并将具有n个波长的混合光送至解波分复用器进行波长分离，获得的n个独立波长的光并分别送至相应的n个探测器进行光电转化，n个探测器输出的电信号分别通过n个采样器进行采样后送至处理器；

处理器根据每个采样时刻内所对应的n个电信号进行频谱分析，从而获得待测射频信号的频率谱。

优选的是，处理器对每个采样时刻内所对应的n个电信号进行解析，获得每个电信号的强度，并根据每个电信号的强度获得每个采样时刻所对应的频率谱，根据所有采样时刻的频率谱获得待测射频信号的频率谱。

优选的是，调制后的信号光为由单频载波光及位于单频载波光两侧的边带光构成。

优选的是，给定电压为锯齿波电压。

优选的是，铌酸锂电光F-P腔的透射谱平移的间距小于该透射谱中相邻两个梳齿间的间距。

优选的是，铌酸锂电光F-P腔的透射谱的总移动距离之和，等于铌酸锂电光F-P腔的透射谱中相邻两个梳齿间的间距。

优选的是，铌酸锂电光F-P腔的自由光谱范围FSR与解波分复用器的信道宽度相同。

优选的是，激光器输出单频载波光的波长为1550nm。

优选的是，调制后的信号光E_out(t)为：

其中，J₁为贝塞尔函数；β为调制深度，w_c为单频载波光的圆频率，w为待测射频信号的频率，t为时间。

原理分析：

射频信号是电信号，对其进行频谱分析时，将电信号转到光域上进行处理，故需通过激光器和电光调制器电信号调制到单频光信号(即：窄带光)上，获得调制后的信号光，该调制后的信号光为宽带光，相当于把电频率转化到光频率上了，也即：将待分析光信号转到光域上，后续对光域上信号进行分析，也即：相当于对光成分的信号进行分析，且分析的过程中采用铌酸锂电光F-P腔实现，铌酸锂电光F-P腔相当于是一个周期性的滤波器，铌酸锂电光F-P腔的透射谱中每个梳齿透过一种波长的光或者一种频率的光，但是其是周期性的过滤，也可称为周期性采样，也即；透射谱中可同时可透射多种特定波长的光，且多种特定波长光的波长间隔相同，通过外界给定电压下实时改变施加在铌酸锂电光F-P腔上的电压，使得每时刻的给定电压下铌酸锂电光F-P腔的透射谱发生平移，此时，另一批多种特定波长的光通过，如此反复，至透射谱平移的总距离等于铌酸锂电光F-P腔的透射谱中相邻两个梳齿间的间距时，完成对待测射频信号的扫描；

铌酸锂电光F-P腔输出的具有n个波长的混合光送至解波分复用器进行波长分离，获得的n个独立波长的光并分别送至相应的n个探测器进行光电转化，n个探测器输出的电信号分别通过n个采样器进行采样后送至处理器进行频谱分析，从而获得待测射频信号的频率谱。

本发明带来的有益效果是，本发明所述的基于铌酸锂电光F-P腔的频谱分析系统将待测射频信号，从其电信号转化为光域上进行分析，并通过控制施加在铌酸锂电光F-P腔上的给定电压幅值控制透射谱平移，并进行周期性的扫描，扫描速度及测量频谱范围进一步提高，其中，电光效应的响应时间为ps量级，几乎在瞬间完成，可以不考虑。光在cm量级电光F-P腔内来回反射形成多光束干涉的渡越时间在ns量级，是影响电光F-P腔扫描速度的主要因素。本发明铌酸锂电光F-P腔正常工作需要进行电压扫描，其电压扫描周期可达到μs量级，故本发明测量时间快，也即扫描时间快。

频谱分析系统的频谱的分辨率由铌酸锂电光F-P腔的透射谱通带的半高全宽决定，通过其改变透射谱通带的半高全宽调节频谱分析系统的频谱的分辨率，从而达到本发明频谱分析系统对频谱分辨率、频谱范围和测量时间同时兼顾的目的。

附图说明

图1是本发明所述基于铌酸锂电光F-P腔的频谱分析系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于铌酸锂电光F-P腔的频谱分析系统，包括激光器1、电光调制器2、铌酸锂电光F-P腔3、解波分复用器4、信号发生器5、n个探测器5、n个采样器6和处理器7；n为整数；

电光调制器2用于将待测射频信号调制到激光器1输出的单频载波光上，形成调制后的信号光，并将该调制后的信号光送至铌酸锂电光F-P腔3；

信号发生器5用于生成幅值实时变化的给定电压并施加在铌酸锂电光F-P腔3上，在各时刻的给定电压下铌酸锂电光F-P腔3的透射谱发生平移；且铌酸锂电光F-P腔3的透射谱每平移一次作为一个采样时刻，并在各时刻下等间距平移；

铌酸锂电光F-P腔3根据当前给定电压下所对应的透射谱对接收的调制后的信号光进行过滤，输出具有n个波长的混合光，并将具有n个波长的混合光送至解波分复用器4进行波长分离，获得的n个独立波长的光并分别送至相应的n个探测器5进行光电转化，n个探测器5输出的电信号分别通过n个采样器6进行采样后送至处理器7；

处理器7根据每个采样时刻内所对应的n个电信号进行频谱分析，从而获得待测射频信号的频率谱。

应用时，施加在铌酸锂电光F-P腔3上的给定电压幅值不断改变，相当于用透射谱中一个周期性梳齿对待测射频信号的频谱进行扫描采样，多次采样这样可以完整地获取到信号的频谱。

任意采样时刻，调制后的信号光进入到铌酸锂F-P腔3内，对应铌酸锂F-P腔3周期性透射谱通带内的那些波长的光将被允许通过，而铌酸锂F-P腔3的透射谱通带外的光则被禁止通过。而从铌酸锂F-P腔3透射出来的光经过解波分复用器4将不同波长的光输入在相应的探测器5上，进行光电转换，得到的电信号被送入采样器7中进行采样，最后将采集到的电信号送至处理器7中进行频谱分析。

更进一步的，处理器7对每个采样时刻内所对应的n个电信号进行解析，获得每个电信号的强度，并根据每个电信号的强度获得每个采样时刻所对应的频率谱，根据所有采样时刻的频率谱获得待测射频信号的频率谱。

本优选实施方式中，每个电信号的强度与相应波长的光的波长、频率以及强度存在对应关系，故对电信号的强度进行分析，即可获得调制后的信号光中，相应位置的频率及强度，也即获得整个待测射频信号的频谱信息，并且对电信号的强度进行分析获得频谱信息的分析可通过现有技术手段进行实现。

更进一步的，调制后的信号光为由单频载波光及位于单频载波光两侧的边带光构成。

更进一步的，给定电压为锯齿波电压。

更进一步的，铌酸锂电光F-P腔3的透射谱平移的间距小于该透射谱中相邻两个梳齿间的间距。

更进一步的，铌酸锂电光F-P腔3的透射谱的总移动距离之和，等于铌酸锂电光F-P腔3的透射谱中相邻两个梳齿间的间距。

更进一步的，铌酸锂电光F-P腔3的自由光谱范围FSR与解波分复用器4的信道宽度相同。

本优选实施方式中，将铌酸锂电光F-P腔3的自由光谱范围FSR与解波分复用器4的信道宽度相同，使得二者之间存在对应关系。对铌酸锂电光F-P腔3施加扫描电压即可实现全范围内测频，且可以测量信号的强度大小。其测频精度取决于铌酸锂电光F-P腔3的半高全宽。

更进一步的，激光器1输出单频载波光的波长为1550nm。

更进一步的，调制后的信号光E_out(t)为：

其中，J₁为贝塞尔函数；β为调制深度，w_c为单频载波光的圆频率，w为待测射频信号的频率，t为时间。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (9)

1.基于铌酸锂电光F-P腔的频谱分析系统，其特征在于，包括激光器(1)、电光调制器(2)、铌酸锂电光F-P腔(3)、解波分复用器(4)、信号发生器(5)、n个探测器(5)、n个采样器(6)和处理器(7)；n为整数；

电光调制器(2)用于将待测射频信号调制到激光器(1)输出的单频载波光上，形成调制后的信号光，并将该调制后的信号光送至铌酸锂电光F-P腔(3)；

信号发生器(5)用于生成幅值实时变化的给定电压并施加在铌酸锂电光F-P腔(3)上，在各时刻的给定电压下铌酸锂电光F-P腔(3)的透射谱发生平移；且铌酸锂电光F-P腔(3)的透射谱每平移一次作为一个采样时刻，并在各时刻下等间距平移；

铌酸锂电光F-P腔(3)根据当前给定电压下所对应的透射谱对接收的调制后的信号光进行过滤，输出具有n个波长的混合光，并将具有n个波长的混合光送至解波分复用器(4)进行波长分离，获得的n个独立波长的光并分别送至相应的n个探测器(5)进行光电转化，n个探测器(5)输出的电信号分别通过n个采样器(6)进行采样后送至处理器(7)；

处理器(7)根据每个采样时刻内所对应的n个电信号进行频谱分析，从而获得待测射频信号的频率谱。

2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂电光F-P腔的频谱分析系统，其特征在于，处理器(7)对每个采样时刻内所对应的n个电信号进行解析，获得每个电信号的强度，并根据每个电信号的强度获得每个采样时刻所对应的频率谱，根据所有采样时刻的频率谱获得待测射频信号的频率谱。

3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂电光F-P腔的频谱分析系统，其特征在于，调制后的信号光为由单频载波光及位于单频载波光两侧的边带光构成。

4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂电光F-P腔的频谱分析系统，其特征在于，给定电压为锯齿波电压。

5.根据权利要求1所述的基于铌酸锂电光F-P腔的频谱分析系统，其特征在于，铌酸锂电光F-P腔(3)的透射谱平移的间距小于该透射谱中相邻两个梳齿间的间距。

6.根据权利要求1所述的基于铌酸锂电光F-P腔的频谱分析系统，其特征在于，铌酸锂电光F-P腔(3)的透射谱的总移动距离之和，等于铌酸锂电光F-P腔(3)的透射谱中相邻两个梳齿间的间距。

7.根据权利要求1所述的基于铌酸锂电光F-P腔的频谱分析系统，其特征在于，铌酸锂电光F-P腔(3)的自由光谱范围FSR与解波分复用器(4)的信道宽度相同。

8.根据权利要求1所述的基于铌酸锂电光F-P腔的频谱分析系统，其特征在于，激光器(1)输出单频载波光的波长为1550nm。

9.根据权利要求1所述的基于铌酸锂电光F-P腔的频谱分析系统，其特征在于，调制后的信号光E_out(t)为：

其中，J₁为贝塞尔函数；β为调制深度，w_c为单频载波光的圆频率，w为待测射频信号的频率，t为时间。

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