CN201830267U - 采用移相梳状滤波阵列的光子型数字微波测频装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用移相梳状滤波阵列的光子型数字微波测频装置。载波抑制型单边带调制下，待测微波信号加载到一个连续激光光源上生成单个光边带，然后输入到移相梳状滤波阵列中；该滤波阵列包含N个并行的梳状滤波响应，其中自由频谱区均为FSR且相邻梳状滤波响应的相对相移量为π/N；对N个梳状滤波响应及参考臂的输出光功率进行检测、对比和判决后，获得N比特数字编码的测频结果，其测频范围和分辨率分别为FSR和FSR/(2N)。给出了以单个高双折射元件构建移相梳状滤波阵列的具体装置。本实用新型既具有光子型技术的优点，又易与各种数字接收处理设备融合和兼容，应用前景十分广泛。

Description

采用移相梳状滤波阵列的光子型数字微波测频装置

技术领域

本实用新型涉及微波检测、微波光子学、光滤波领域，尤其是光子技术型数字测频技术。

背景技术

在微波工程及应用领域，针对微波信号或系统的测量技术至关重要，涉及频率、相位、幅度、调制制式、到达方向等多个参量，其中频率作为反映信号时变特性的参量首当其冲地受到广泛关注。目前，微波测频的技术路线主要有电子型技术和光子型技术两种。电子型技术经过长期的发展在分辨率和稳定性上具有优势；然而，基于微波光子学的光子型技术在宽带瞬时性能、低损耗、抗电磁干扰方面有着明显的优势，尤其是当今待测的微波频段越来越高(高达几百GHz)。

因而，光子型微波测频方案成为研究热点，以光功率检测类型方案(其显著优势是仅需要低速的光电探测器)为代表，诸如采用光信道化器的方案、采用光梳状滤波器的方案、采用光纤光栅的方案、采用光域混频的方案等：1).F.A.Volkening，“Photonic channelized RFreceiver employing dense wavelength division multiplexing，”USA Patent7245833B1，Jul.2007；2).H.Chi，X.Zou，and J.Yao，“An approach tothe measurement of microwave frequency based on optical powermonitoring，”IEEE Photonics Technology Letters，vol.20，no.14，pp.1249-1251，2008；3).Z.Li，B.Yang，H.Chi，X.Zhang，S.Zheng，and X.Jin.“Photonic instantaneous measurement of microwave frequency usingfiber Bragg grating，”Optics Communications，vol.283，no.3，pp.396-399.2010.4).L.A.Bui，M.D.Pelusi，T.D.Vo，N.Sarkhosh，H.Emami，B.J.Eggleton，and A.Mitchell，“Instantaneous frequencymeasurement system using optical mixing in highly nonlinear fiber，”Optics Express，vol.17，no.25，pp.22983-22991，Dec.2009。这些方案充分体现了光子型技术在瞬时测频带宽上的优势。

需要指出的是：上述诸多方案的测频输出结果是模拟信号，也就是模拟化微波测频。而当前数字化测频输出或数字化接收机已成为一种主流趋势：人们可以直接从测频输出的数字化数据中获得信息，无需额外的高速模数转换器；易于与日益普遍的数字信号处理/分析软件和模块兼容，便于进一步分析和处理；此外，数字化测频输出数据便于长期存储。尽管已有光子型方案报道了数字测频输出(诸如彭越，张洪明，姚敏玉，“光脉冲欠采样宽带数字测频方法的设计与分析”光电工程，vol.35，no.3，pp.68-72，2008.)；但其需要引入额外的模数转换器和Multiple Signal Classification算法才能获得数字输出，而不是直接得到数字编码输出，过程略显复杂。

为同时实现简易光子型和数字化微波测频途径，直接获得数字编码的测频输出，本实用新型公布了一种新颖的测频装置。

实用新型内容

鉴于以上陈述的已有方案在直接数字化测频方面的不足，采用移相梳状滤波阵列的光子型数字微波测频方法，包含由连续光源、载波抑制型单边带调制模块、移相梳状滤波阵列、参考臂、光探测模块、对比和判决模块组成的检测设备；所述移相梳状滤波阵列由N个梳状滤波响应构成，各梳状滤波响应形状一致且自由频谱区都为FSR，相邻两个梳状滤波响应的相对相位差为π/N，N为正整数；待测微波信号经载波抑制型单边带调制模块加载到连续光源上生成单个一阶光边带，再输入到移相梳状滤波阵列和参考臂中进行并行滤波处理，然后经光探测模块、对比和判决模块获得数字化测频结果：输出结果为N比特的数字编码，测频范围和测频分辨率分别为FSR和FSR/(2N)。

本实用新型的目的在于为以上方法的实施提供核心装置。

本实用新型的目的通过如下手段来实现。

采用移相梳状滤波阵列的光子型数字微波测频装置，由连续光源、载波抑制型单边带调制模块、移相梳状滤波阵列、参考臂、光探测模块、对比和判决模块依次组成；所述的移相梳状滤波阵列装置由单个高双折射元件连接多个并联型偏振控制器和检偏器的组合构成。

实际执行过程为：待测微波信号经载波抑制型单边带调制模块对激光光源的输出光信号进行外调制，生成单个一阶光边带；这个光边带同时耦合进入移相梳状滤波阵列中多个并行梳状滤波响应中、以及一个参考臂中。所采用的移相梳状滤波阵列，它由N个并行的梳状滤波响应构成，第i(1≤i≤N)个滤波响应表示如下：

$F_i\left(f\right)=\frac{1}{2}[1+\sin (\frac{2\mathrm{\πf}}{\mathrm{FSR}}+{\mathrm{\θ}}_i)]$

或 $F_i\left(f\right)=\frac{1}{2}[1+\cos (\frac{2\mathrm{\πf}}{\mathrm{FSR}}+{\mathrm{\θ}}_i)],1\≤i\≤N---\left(1\right)$

其中f为光频率(单位为Hz)。这里，所有梳状滤波响应具有相同的自由频谱区FSR(单位为Hz)，但同时各个梳状滤波响应拥有一个不同的初始相移值θ_i＝(i-1)π/N(即相邻两个梳状滤波响应之间存在一个相对相移量π/N)，因而构成移相梳状滤波阵列。

经移相梳状滤波响应阵列滤波后，微波频率信息转换成光功率信息；在光探测模块中，采用并联的光探测器检测参考臂和各梳状滤波响应的输出光功率，然后在对比和判决模块中进行对比，得到对应于第i(1≤i≤N)个梳状滤波响应的光功率比值函数R_i(f_m)：

$R_i\left(f_m\right)=\frac{1}{2}[1+\sin (\frac{2\mathrm{\π}{f}_m}{\mathrm{FSR}}+{\mathrm{\θ}}_i)]$

或 $R_i\left(f_m\right)=\frac{1}{2}[1+\cos (\frac{2\mathrm{\π}{f}_m}{\mathrm{FSR}}+{\mathrm{\θ}}_i)],1\≤i\≤N---\left(2\right)$

其中f_m为待测微波频率(单位为Hz)。同样在对比和判决模块中，对N个光功率比值函数进行判决，从而获得数字编码的测频结果：测频输出为N比特数字编码，测频范围为整个FSR，测频分辨率为FSR/(2N)。

为实现上述方法，核心在于移相梳状滤波阵列，本实用新型为之提出了一种具体的实施装置：移相梳状滤波阵列由单个高双折射元件连接多个并联型偏振控制器和检偏器的组合构成。高双折射元件为多个梳状滤波响应提供相同的自由频谱区；而并联组合中的偏振控制器和检偏器为多个梳状滤波响应引入相对相移量。

经过上述设计后，本实用新型具有如下优点：兼备光子型技术的宽带瞬时性能等优点、数字化输出的兼容性和灵活性优点。采用移相梳状滤波阵列，既以光子型技术在整个FSR区域实现了无模糊测频，具有大瞬时带宽和强抗干扰能力等特点；同时，又实现了数字编码的测频结果输出，无需额外的模数转换过程，可以直接与数字信号处理软件和模块兼容，以及便于长期存储。

附图说明：

图1.本实用新型所涉及方法的系统框图。

图2.移相梳状滤波阵列的梳状滤波响应及光载波位置示意图。

图3.本实用新型所涉及方法中微波测频的数字编码原理。

图4.实施装置中采用一个高双折射元件构建移相梳状滤波阵列。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施作进一步的描述。

如图1所示，本实用新型装置由连续激光光源10，载波抑制型单边带调制模块20，光耦合器30，移相梳状滤波阵列40，参考臂50，光探测模块60、对比和判决模块70构成。

从激光光源10出发，其输出光进入载波抑制型单边带调制模块20，该模块由一个电光调制器(强度调制器或相位调制器)和一个带通滤波器顺序连接而成；待测微波信号(频率为fm)在电光调制器中对输出光信号进行外调制，然后经带通滤波器后仅得到单个一阶光边带。此单个光边带经过耦合器30同时注入到移相梳状滤波阵列40和参考臂50中。

移相梳状滤波响应阵列40由N(N为正整数)个梳状滤波响应并联构成，第i(1≤i≤N)个滤波响应在数学上可表达为：

$F_i\left(f\right)=\frac{1}{2}[1+\sin (\frac{2\mathrm{\πf}}{\mathrm{FSR}}+{\mathrm{\θ}}_i)]$

或 $F_i\left(f\right)=\frac{1}{2}[1+\cos (\frac{2\mathrm{\πf}}{\mathrm{FSR}}+{\mathrm{\θ}}_i)],1\≤i\≤N---\left(3\right)$

其中f(单位为Hz)为光频率，FSR(单位为Hz)为梳状滤波响应的自由频谱区，θ_i为各个梳状滤波响应的初始相移量。这里，所有的梳状滤波响应具有完全一致的FSR，同时它们各自携带一个不同的初始相移量θ_i＝(i-1)π/N，如图2所述。由公式(3)和图1、2不难看出，相邻两个梳状滤波响应之间的相对相移量为π/N，故而构成移相梳状滤波阵列。

当激光光源10的输出频率f0对准第一个梳状滤波响应的零相位时(见图2)，经移相梳状滤波阵列40滤波处理和光探测模块60(由一系列低速光探测器组成)检测后，第i(1≤i≤N)个滤波响应对应的与频率相关的光功率函数为：

$P_i\left(f_m\right)=\frac{1}{2}{P}_0[1+\sin (\frac{2\mathrm{\π}{f}_m}{\mathrm{FSR}}+{\mathrm{\θ}}_i)]$

或 $P_i\left(f_m\right)=\frac{1}{2}{P}_0[1+\cos (\frac{2\mathrm{\π}{f}_m}{\mathrm{FSR}}+{\mathrm{\θ}}_i)],1\≤i\≤N---\left(4\right)$

其中f_m为待测微波频率(单位为Hz)，P₀为参考臂光功率。在对比和判决模块70中，利用除法器将各梳状滤波响应的输出光功率与参考臂的光功率对比，获得的第i(1≤i≤N)个光功率比值函数R_i(f_m)如下：

$R_i\left(f_m\right)=\frac{1}{2}[1+\sin (\frac{2\mathrm{\π}{f}_m}{\mathrm{FSR}}+{\mathrm{\θ}}_i)]$

或 $R_i\left(f_m\right)=\frac{1}{2}[1+\cos (\frac{2\mathrm{\π}{f}_m}{\mathrm{FSR}}+{\mathrm{\θ}}_i)],1\≤i\≤N---\left(5\right)$

这些光功率比值函数可以消除接收的微波功率对微波测频结果的负面影响。基于公式(5)描述的光功率比值函数，在对比和判决模块70中利用判决器(以0.5为判决阈值)进行数字编码。其过程如下：获得由公式(5)描述的一系列光功率比值函数后，基于阈值进行判决；光功率比值小于0.5判决为数字“0”，光功率比值大于0.5判决为数字“1”，从而得到N比特数字编码的测频输出，同时整个自由频谱区FSR被划分为2N个区域。因而，测频范围为整个FSR，测频分辨率为FSR/(2N)；调整梳状滤波响应的FSR和并联数目N，相应的测频范围FSR和测频精度FSR/(2N)可以灵活调整；当N取值较大时，本实用新型可以获得很高的测频分辨率。

以N＝5为例对本实用新型的数字化测频过程的原理加以说明。如图3所述：整个FSR划分为10个区间，测频分辨率为FSR/10，测频输出为5比特数字编码(10个区间的数字编码分别为“11111、11110、11100、11000、10000、0000、00001、00011、00111、01111”)。

另外，本实用新型的核心是采用移相梳状滤波阵列40，这里给出了一种实施移相梳状滤波阵列40的具体装置。如图4所述，该具体装置由一个偏振控制器401、一个高双折射元件402、一个耦合器403、以及多个由偏振控制器404_i和检偏器405_i(1≤i≤N)的组合构成。由耦合器30输出的单个光边带被偏振控制器401调整，以与高双折射元件快轴(或慢轴)成45°角的偏振方向入射到高双折射元件中，引入相对时延(相对时延的倒数即为FSR)。从高双折射元件402出射的光信号经耦合器403分成N路，同时注入到由偏振控制器404_i和检偏器405_i组成的第i(1≤i≤N)个并联支路中；在各并联支路中，分别通过偏振控制器404_i和检偏器405_i调整注入光信号的偏振态方向和初始相位，从而获得多个并行的移相梳状滤波响应：自由频谱区均为FSR、初始相移量为(i-1)π/N，其中1≤i≤N。此核心装置用于构建本实用新型装置，实现数字化微波测频。

综合以上陈述，本实用新型具有如下特征。1).采用移相梳状滤波阵列实施微波测频，在实现光子技术型测频的基础上，测频结果直接为的数字编码输出，无需额外的模数转换及编码器件；2).测频范围、和测频分辨率分别为FSR、FSR/(2N)，可以通过调整梳状滤波阵列的FSR和滤波响应数目N对它们加以灵活调谐。

以上所陈述的仅仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，在不脱离本实用新型方法和核心装置实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色也应包含在本实用新型的保护范围以内。

Claims (1)

1.采用移相梳状滤波阵列的光子型数字微波测频装置，其特征在于，由连续光源、载波抑制型单边带调制模块、移相梳状滤波阵列、参考臂、光探测模块、对比和判决模块依次组成；所述的移相梳状滤波阵列装置由单个高双折射元件连接多个并联型偏振控制器和检偏器的组合构成。

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