基于微波光子处理的微波频谱分析仪的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于微波光子处理的微波频谱分析仪。本发明主要通过光子晶体将连续光信号频谱域转换为时间域，以获得被测微波频谱图，在本发明中：被测微波信号经电光调制器调制到光波上，该光波依次经过光纤准直器和傅里叶变换透镜，被聚焦到一个具有瞬时光谱烧孔特性的光子晶体中对其进行光谱烧孔，使得光子晶体的吸收谱曲线与所述调制光的频谱曲线一致；同时，另一束频率被周期线性调制的光束通过分束器后，一束依次经过光纤准直器和傅里叶透镜后，聚焦到被光谱烧孔的位置，其透射光与分束器的另一束光在探测器上相干后被探测输出，并经采集卡转换后与前述周期线性信号一起被输出到信号处理器处理，最终获得被测微波的频谱分布图。
【专利说明】基于微波光子处理的微波频谱分析仪
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及基于微波光子学处理的微波频谱分析仪，通过使用具有瞬时光谱烧孔的光子晶体来存储被微波调制后的光信号的光谱，然后通过读取光束获取和处理该光谱的以获得被测微波频谱分布。
【背景技术】
[0002]微波光子学是一门专门研究微波和光信号之间相互作用的交叉性学科，常常应用在宽带无线接入网络、传感网络、雷达、卫星通信、仪表仪器测量和国防军事等领域中。具有低损耗宽频带的光电系统对微波信号的传输和处理有很强的吸引力，同时，高容量光通信系统的发展在光收发机中需要微波技术。这两个分支促成了微波光子学研究领域的发展。近年来，基于新的微波光子学技术的各种应用和研究得到了长足的发展，主要分为两个方向，一个为工作于微波毫米波频率的有源光电子器件的研究，另一个方向则是指利用光子学的技术和方法产生、传输、处理、测量、控制和分配微波信号等。相较于传统的电子学方法而言，光子学方法具有体积小，质量轻，带宽大，损耗低和抗电磁干扰等优点，其关键在于将接收到的微波信号通过电光转换先调制到光载波上，随后在光域使用光子信号处理器和光纤进行相应的处理和传输，最后再由光电转换解调出所需的微波信号。
[0003]基于光子晶体的光谱烧孔技术是一种广泛应用于宽带信息存储领域的成熟技术。所谓的光谱烧孔效应，就是在某些光子晶体材料中存在这样一种特性：当一束强的单频激光通过这种晶体时，它可以选择性地将一群与共振频率相对应的原子激发至饱和状态，这时若有另一束频率扫描的弱探测光通过该介质，则在它的吸收光谱的相应位置上将出现一个凹陷。光子晶体材料的这种特点可用于光信号频谱的存储与读取中。
[0004]微波频谱分析仪是微波测量仪器中最为基础、最常用的仪器之一，广泛应用于电子对抗、航空航天、移动通信、广播电视、科研生产等各种领域，是军用和民用电子测试不可或缺的设备。随着这些应用越来越向更高频率发展，为解决频率资源不足的问题，它的测量范围已从RF频段扩展到微波频段。从原理上讲，微波频谱分析仪一般分为两种类型。一种是快速傅里叶变换分析仪，它是一种动态信号分析仪，在一个特定时间周期内对信号进行快速傅里叶变换以获得频率、幅度和相位信息的，能够分析周期和非周期信号，但是其工作频谱范围受到系统对微波信号的采样率的限制，而无法实现对较高的微波信号进行频谱的分析功能。另一种是微波扫频调谐式分析仪，它是一种超外差接收机或是可调预选接收机，能对信号或由信号变换来的中频信号进行实时分析，测量范围一般可达50GHz以上。近年来，随着对微波测量频率范围、灵敏度等指标不断提高，超外差式频谱分析仪以其较高的频率分辨率、较快的测量速度、相对较低的成本而得到广泛应用。
[0005]频谱仪在测量仪器中属于高产值产品，开发投入较高，市场上的中高档产品一直都为国外大公司所有。多数国产频谱分析仪性能较低，适用频段范围窄，只能占有部分低端市场。本发明中，采用基于微波光子学处理，通过将被测微波信号调制到光波，再利用具有瞬时光谱烧孔的光子晶体的处理，最终获得被测微波信号的频谱分布图。
【发明内容】
[0006]本发明提出了一种新型的基于微波光子学处理的微波频谱分析仪:具有高达数十GHz的工作带宽，但却可以用很低带宽的光子探测器来提取所需的被测微波信号的频谱分布；通过将微波调制到光波上，利用光子晶体的光谱烧孔效应进行光信息处理，可极大降低测距系统对硬件计算能力的要求；由于光子晶体的在某些波段范围内具有很宽的平坦的光谱烧孔范围，且其光谱分辨率可达MHz量级，因此本发明系统具有很高的工作频率范围和频谱分辨率。
[0007]在本发明中:被测微波信号经电光调制器调制到光波上，该光波依次经过光纤准直器和傅里叶变换透镜，被聚焦到一个具有瞬时光谱烧孔特性的光子晶体上，进入光子晶体的光束对光子晶体进行光谱烧孔，使得光子晶体的吸收谱曲线与所述调制光的频谱曲线一致；同时，另一束频率被周期线性调制的光束通过分束器后，其中的一束依次经过光纤准直器和傅里叶透镜后，聚焦到光子晶体中经历光谱烧孔的位置，其透射光与分束器的另一束光在探测器上相干后被探测输出，并经采集卡获取后与前述周期线性信号一起被输出到信号处理器处理，最终获得被测微波的频谱分布图。
[0008]本发明主要采光子晶体的瞬时光谱烧孔存储技术实现对被测微波信号的频谱分析功能，具体采用如下技术方案:
[0009]发明提出如图1所示的基于微波光子学处理的微波频谱分析仪，其基本思想是利用光子晶体对经被测微波光调制后的光束的频谱进行光谱烧孔后存储，然后利用一束频率扫描读取光束对存储在光子晶体中的调制光束光谱以时域的形式读取出来，并利用外差探测技术转换为电信号，在经过采集卡采集与处理最终获取被测微波信号的频谱分布。所述的基于微波光子学处理的微波频谱分析仪由高稳定激光器，电光调制器，光纤准直器，傅里叶透镜，低温恒温装置，光子晶体，光吸收器，信号发生器，驱动电路，可调谐窄线宽激光器，光纤分束器，分光棱镜，聚焦透镜，光电探测器，采集卡，以及信号处理器组成。
[0010]在本发明中，系统各个部分说明如下:
[0011](I)所述的高稳定激光器产生频率恒定的窄线宽连续波光信号，被测微波信号通过电光调制器对所述的窄线宽连续光信号进行调制，使得电光调制器输出的调制光信号中含有被测微波信号频谱分布信息；
[0012](2)所述的光子晶体在调制光信号的频谱范围内具有瞬时的均匀光谱烧孔特性，调制光信号经光纤准直器和傅里叶透镜后，对放置在低温恒温装置中的光子晶体进行光谱烧孔处理，使得光子晶体的吸收谱曲线与调制光信号的频谱曲线同构；
[0013](3)所述的信号发生器，产生周期锯齿波电压后通过驱动电路对可调谐窄线宽激光器进行频率调制，使得可调谐窄线宽激光器的输出光束频率为周线性期变化；
[0014](4)所述的光纤分束器，用于将可调谐窄线宽激光器的输出光束分成两束，其中一束作为探测参考光束，另一束作为读取光束经过光纤准直器和傅里叶透镜后，被聚焦到光子晶体中，而由于光子晶体的吸收谱曲线与调制光信号的光谱同构，因此当进入光子晶体的读取光束的频率线性变化，即可读取光子晶体被调制光信号进行光谱烧孔后的吸收谱曲线，实现将调制光信号的频谱转换到时间域；
[0015](5)所述的分光棱镜，将所述的透过光子晶体并通过傅里叶透镜的读取光束与所述探测参考光束合，然后经过聚焦透镜，最终在光电探测器上相干后被探测获得；[0016](6)所述的信号处理器，获得光电探测器输出并经采集卡转换后的数据，并结合信号发生器产生的周期锯齿波电压，进行分析即可获得被测微波信号的频谱分布图。[0017](7)所述的可调谐窄线宽激光器的波长调谐范围应该包括调制光信号的波长范围，且所述的读取光束的光功率远远小于调制光信号的光功率。[0018](8)所述的光吸收器主要用于将透过光子晶体的调制光信号全部吸收，防止反射方和散射光再次进入光子晶体，而系统中的低温恒温装置在保持光子晶体低温恒温的同时，具有均匀光学透射窗口，以使得所述的调制光信号和读取光束透过。[0019]本发明的主要特色：运用光子晶体的光谱烧孔技术，实现光子晶体对被测微波调制光信号频谱的存储和读取技术，最终实现微波信号频谱测量与分析目的的一种新型微波频谱分析仪。[0020]本发明的效益与应用前景：可应用于遥感、精密测量、安全监测，宽带无线接入网络、传感网络、雷达、卫星通信、仪表仪器测量和国防军事等领域实现微波信号频谱分析的目的。【专利附图】
【附图说明】[0021]图1为本发明基于微波光子学处理的微波频谱分析仪组成图[0022]图2为光子晶体信号存储与读取过程图。【具体实施方式】[0023]如图1所示,发射端激光器1可采用Koheras公司的Adjustik E15连续波窄线宽光纤激光器，所产生的光束进入Covega公司的40GHz相位型的电光调制器2,并被测微波信号3所调制，被测微波信号3的最大频率不超过电光调制器2的调制带宽。电光调制器2 输出的调制后的光束经扩束准直器4-1和傅里叶透镜5-1后，聚焦进入放置在低温恒温装置6中的光子晶体7，对光子晶体产生瞬时光谱烧孔，使得调制后的光束的频谱信息被存储在光子晶体7。光子晶体7为一种Tm+3Er+3 ：YAG晶体，低温恒温装置6为Cryomech公司产生的PT-407型低温制冷装置，可以实现最低4K 一下的低温恒温环境。调制后的光束在光子晶体中透射出来的光束进入到光吸收器8，被吸收以防止反射和散射。[0024]光子晶体7对调制后的光束的存储与读取过程如图2所示，图2 (a广（d)依次表示光子晶体7的吸收谱曲线，进入光子晶体7的光谱曲线，光子晶体7经过光谱烧孔后的吸收谱曲线，探测器输出信号强度曲线。[0025]读取所用的可调谐窄线宽激光器11为NewFocus公司产生的TLB-6328型激光器， 该激光器被一个信号发生器9产生的一个锯齿波通过 驱动电路10来进行频率的线性调制。 可调谐窄线宽激光器11输出频率随时间线性周期改变的光束进入光纤分束器12中被分成两路。其中一路光信号作为读取光束依次经过准直透镜4-2和傅里叶透镜5-1后聚焦到光子晶体7中经历过光谱烧孔的位置。读取光束在经过光子晶体7的透射光束经过傅里叶透镜5-2,与光纤分束器12输出的另一路光信号,通过分光棱镜13稱合到一起，并经聚焦透镜14聚焦到光电探测器15上。光电探测器15的输出信号再经过采集卡16和信号处理器 17，最终即可获得被测微波信号的频谱分布。
【权利要求】
1.一种基于微波光子处理的微波频谱分析仪，包括: 高稳定激光器(1)，电光调制器(2)，光纤准直器(4)，傅里叶透镜(5)，低温恒温装置(6)，光子晶体(7)，光吸收器(8)，信号发生器(9)，驱动电路(10)，可调谐窄线宽激光器(11)，光纤分束器(12),分光棱镜(13),聚焦透镜(14),光电探测器(15),米集卡(16),信号处理器(17); 所述的基于微波光子处理的微波频谱分析仪，其特征在于: (a)所述的高稳定激光器产生频率恒定的窄线宽连续波光信号，被测微波信号通过电光调制器对所述的窄线宽连续光信号进行调制，使得电光调制器输出的调制光信号中含有被测微波信号频谱分布信息； (b)所述的光子晶体在调制光信号的频谱范围内具有瞬时的均匀光谱烧孔特性，调制光信号经光纤准直器和傅里叶透镜后，对放置在低温恒温装置中的光子晶体进行光谱烧孔处理，使得光子晶体的吸收谱曲线与调制光信号的频谱曲线同构； (c)所述的信号发生器，产生周期锯齿波电压后通过驱动电路对可调谐窄线宽激光器进行频率调制，使得可调谐窄线宽激光器的输出光束频率为周线性期变化； (d)所述的光纤分束器，用于将可调谐窄线宽激光器的输出光束分成两束，其中一束作为探测参考光束，另一束作为读取光束经过光纤准直器和傅里叶透镜后，被聚焦到光子晶体中，而由于光子晶体的吸收谱曲线与调制光信号的光谱同构，因此当进入光子晶体的读取光束的频率线性变化，即可读取光子晶体被调制光信号进行光谱烧孔后的吸收谱曲线，实现将调制光信号的频谱转换到时间域； (e)所述的分光棱镜，将所述的透过光子晶体并通过傅里叶透镜的读取光束与所述探测参考光束合，然后经过聚焦透镜，最终在光电探测器上相干后被探测获得； (f)所述的信号处理器，获得光电探测器输出并经采集卡转换后的数据，并结合信号发生器产生的周期锯齿波电压，进行分析即可获得被测微波信号的频谱分布图。
2.根据权利要求1所述的基于微波光子处理的微波频谱分析仪，所述的可调谐窄线宽激光器的波长调谐范围应该包括调制光信号的波长范围。
3.根据权利要求1所述的基于微波光子处理的微波频谱分析仪，所述的读取光束的光功率远远小于调制光信号的光功率。
4.根据权利要求1所述的基于微波光子处理的微波频谱分析仪，所述的光吸收器主要用于将透过光子晶体的调制光信号全部吸收，防止反射方和散射光再次进入光子晶体。
5.根据权利要求1所述的基于微波光子处理的微波频谱分析仪，所述的低温恒温装置在保持光子晶体低温恒温的同时，具有均匀光学透射窗口，以使得所述的调制光信号和读取光束透过。
【文档编号】G01R23/17GK103837742SQ201210480073
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月22日 优先权日:2012年11月22日
【发明者】何云涛, 黄海平, 付新宇, 江月松 申请人:北京航空航天大学