一种基于受激布里渊散射效应的光子辅助微波信号时频分析装置及方法

一种基于受激布里渊散射效应的光子辅助微波信号时频分析装置及方法
1.技术领域
2.本发明属于微波信号测量技术领域，具体涉及一种基于受激布里渊散射效应的光子辅助微波信号时频分析装置及方法。


背景技术：

3.微波参数测量被广泛应用于通信、雷达、射电天文等领域，微波参数测量系统的性能往往会影响整个射频微波系统的性能。对未知微波信号进行时频分布测量属于微波参数测量的一种。信号的时频分布能提供很多信息，包括：1、待测信号在整个射频频谱中的位置与所占用频谱资源；2、待测信号与干扰信号或其他非期望信号的识别；3、待测信号的动态变化，对待测信号时频信息实时监控等。因此准确实时地获取未知信号的时频分布具有重要的现实意义且被积极地研究。
4.常用的时频分析方法包括短时傅里叶变换、小波变换、维格纳分布等，其中短时傅里叶变换和小波变换属于线性时频分析方法，维格纳分布属于非线性方法（proc. ieee, 77(7): 941
‑
981, 1989）。虽然这些方法已经被广泛应用，但是在电域实现以上方法需要先利用模数转换器对信号进行采样。高精度、高采样速率的模数转换器制造难度大，往往限制了时频分析的带宽与速度。此外，在采样后要进行数字信号处理，因此这些方法在跟踪超过几微秒的频谱变化方面效率低下，而且在测量带宽超过ghz范围的信号时面临挑战（ieee j. select. areas commun., 17(4): 539
‑
550, 1999）。压缩感知技术可在欠采样的情况下实现信号重建，减少数据传输量，能用于提高时频分析的带宽，但复杂的算法也限制了时频分析的实时性（ieee trans.signal processing, 59(9): 4053
‑
4085, 2011）。所以，需要探索不同于传统电域的时频分析手段来对微波信号进行测量。
5.全光短时傅里叶变换提供了几乎实时捕获和识别快速稀有或瞬态事件的光谱成分的可能性，使人们能够观察到非平稳信号的时频演化，但目前对全光短时傅里叶变换的研究还很少。早期的全光时频分析方案中，将待测的微波信号调制在一系列啁啾光脉冲上，通过级联线性啁啾光纤布拉格光栅阵列作为一个带通滤波器来提取特定的频率，并提供色散来分离时域中的不同频率（ieee photon. technol. lett., 23(20): 1439
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1441, 2011）。目前，有学者提出了一种结构简单的动态波形时频分析方案，将被测信号调制在光脉冲上，然后再加载到长度约为50千米的色散补偿光纤上。不同频率的光脉冲在色散补偿光纤中传输后在时域上被分离，实验证明其频率分辨率在340mhz左右（nat. commun., 11(1): 2020, art. no. 3309.）。在此基础上，有学者采用了带宽放大的电光转换，大大降低了对高频分辨率全光短时傅里叶变换的色散要求，也大大降低了传输延迟，用于时频分析的频率分辨率可达60mhz（j. lightw. technol., 39(6): 1051
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1053, 2021）。上述进行时频分析的方案满足了实时性要求，但频率分辨率难以达到更高的水平，因此，如何对微波信
号进行大带宽高分辨率的时频分析是一项极具现实意义与应用价值的问题。


技术实现要素：

6.为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种基于受激布里渊散射效应的光子辅助微波信号时频分析的装置及方法。通过设置合理的边带调制方式、受激布里渊增益谱的频率位置和步进频信号的参数，可以在无需高速模数转换器的情况下，对微波信号进行大带宽、高分辨率的时频分析。本发明在降低整个系统成本的同时，增加了系统的可调谐性和可行性，具有重要的现实意义和应用价值。
7.本发明为解决其技术问题采用如下方案：一种基于受激布里渊散射效应的光子辅助微波信号时频分析装置，特点是该装置包括连续波激光器、第一光隔离器、光耦合器、第一双平行马赫曾德尔调制器、第一任意波形发生器、第一掺铒光纤放大器、马赫曾德尔调制器、电耦合器、第一射频信号源、第二任意波形发生器、第二光隔离器、单模光纤、第二双平行马赫曾德尔调制器、第二射频信号源、90
°
电混合器、第二掺铒光纤放大器、光环形器及光电探测器；所述连续波激光器的输出端口与第一光隔离器的输入端口相连，所述第一光隔离器的输出端口与光耦合器的输入端口相连，所述光耦合器的输出端口分别与第一、第二双平行马赫曾德尔调制器的光学输入端口相连；所述第一双平行马赫曾德尔调制器的射频输入端口与第一任意波形发生器的输出端口相连，所述第一双平行马赫曾德尔调制器的光学输出端口与第一掺铒光纤放大器的输入端口相连，所述第一掺铒光纤放大器的输出端口与马赫曾德尔调制器的光学输入端口相连，所述马赫曾德尔调制器的射频输入端口与电耦合器的输出端口相连，所述电耦合器的输入端口分别与第二任意波形发生器和第一射频信号源的输出端口相连，所述马赫曾德尔调制器的光学输出端口与第二光隔离器的输入端口相连，所述第二光隔离器的输出端口与单模光纤的一端相连，所述单模光纤的另一端与光环形器的端口ⅱ相连；所述第二双平行马赫曾德尔调制器的射频输入端口与90
°
电混合器的输出端口相连，所述90
°
电混合器的输入端口与第一射频信号源的输出端口相连，所述第二双平行马赫曾德尔调制器的光学输出端口与第二掺铒光纤放大器的输入端口相连，所述第二掺铒光纤放大器的输出端口与光环形器的端口ⅰ相连；所述光环形器的端口ⅲ与光电探测器的光学输入端口相连；通过对光电探测器输出的波形进行分割处理即可得到待测信号的时频特征图。
8.所述装置中，加载到第一双平行马赫曾德尔调制器的步进频信号的步进周期为待测信号周期的整数倍，通过控制第一任意波形发生器产生的步进频信号的参数即步进频率间隔和步进次数，来控制时频分析的频率分辨率和分析带宽，不同步进周期提取的信号频率分量由该周期的步进频信号的频率与受激布里渊增益谱中心频率的差值决定。
9.所述装置中，第二掺铒光纤放大器输出的泵浦光与马赫曾德尔调制器输出的探测光在单模光纤中相互作用而产生的受激布里渊增益谱的中心频率位置与第二双平行马赫曾德尔调制器上调制的单音信号的频率大小一一对应，调节该单音信号的频率值来控制时频分析的频段。
10.所述装置中，光电探测器产生的频时映射脉冲包括的信息：步进周期序列数、产生时刻及幅度；不同步进周期中产生的脉冲所表示的频率大小不同，电脉冲的产生时刻表示待测信号在该时刻具有可测得的频率分量，而电脉冲的幅度与待测信号的某时刻频率分量
的强度呈正相关的关系。
11.一种采用上述装置的微波信号时频分析方法，该方法包括如下步骤：1)连续波激光器输出频率为f0的线偏光，先通过第一光隔离器，然后通过光耦合器被平均分成两部分后分别注入到第一、第二双平行马赫曾德尔调制器中；2)第一任意波形发生器发出的两路正交步进频信号分别用来驱动第一双平行马赫曾德尔调制器的两个子调制器，调节调制器偏置电压，使得两个子调制器均偏置在最小偏置点，同时偏置电压对主调制器引入90
°
相移，则第一双平行马赫曾德尔调制器可输出步进频信号的抑制载波单边带调制信号；3)将第一双平行马赫曾德尔调制器输出的抑制载波单边带调制信号经过第一掺铒光纤放大器放大后注入到马赫曾德尔调制器中，由待测信号和特定频率大小的参考信号经过电耦合器耦合后进行驱动，调节马赫曾德尔调制器偏置点进行抑制载波双边带调制；4)将马赫曾德尔调制器输出的光信号通过第二光隔离器后注入到单模光纤中作为受激布里渊散射效应的探测光；5)将用来控制分析频段的单音信号注入90
°
电混合器并分成两路，分别用来驱动第二双平行马赫曾德尔调制器的两个子调制器，调节调制器偏置电压，使得两个子调制器均偏置在最小偏置点，同时偏置电压对主调制器引入90
°
相移，则第二双平行马赫曾德尔调制器的输出得到与该单音信号频率一一对应的抑制载波单边带调制信号；6)将第二双平行马赫曾德尔调制器输出的抑制载波单边带调制信号经过第二掺铒光纤放大器后，经光环形器端口ⅰ反向注入到单模光纤中作为受激布里渊散射效应的泵浦光；7)将光环形器端口ⅲ输出的光信号注入光电探测器中进行光电转换，对光电探测器输出的波形进行分割处理即可得到待测信号的时频特征图。
12.本发明提出了一种基于受激布里渊散射效应的光子辅助微波信号时频分析的装置和方法。通过合理设置边带调制方式、受激布里渊增益谱的频率位置和步进频信号的参数，可以在无需高速模数转换器的情况下，对微波信号进行大带宽、高分辨率的时频分析。本发明在降低整个系统成本的同时，增加了系统的可调谐性和可行性，具有重要的现实意义和良好的应用前景。
附图说明
13.图1为本发明装置结构示意图；图2为利用本发明对带宽为3.9 ghz的线性调频信号的时频分析图；图3为利用本发明进行时频分析的频率分辨率图；图4为利用本发明分别对非线性调频信号、随机跳频信号、步进频信号和双啁啾线性调频信号的时频分析图。
具体实施方式
14.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过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
15.参见图1，本发明装置包括：连续波激光器1、第一光隔离器2、光耦合器3、第一任意波形发生器4、第一双平行马赫曾德尔调制器5、第一掺铒光纤放大器6、第二任意波形发生器7、第一射频信号源8、电耦合器9、马赫曾德尔调制器10、第二光隔离器11、单模光纤12、第二射频信号源13 、90
°
电混合器14、第二双平行马赫曾德尔调制器15、第二掺铒光纤放大器16、光环形器17及光电探测器18。
16.所述连续波激光器1的输出端口与第一光隔离器2的输入端口连接，所述第一光隔离器2的输出端口与光耦合器3的输入端口相连，所述光耦合器3的输出端口分别与第一双平行马赫曾德尔调制器5和第二双平行马赫曾德尔调制器15的光学输入端口相连，所述第一双平行马赫曾德尔调制器5的射频输入端口与第一任意波形发生器4的输出端口相连，所述第一双平行马赫曾德尔调制器5的光学输出端口与第一掺铒光纤放大器6的输入端口相连，所述第一掺铒光纤放大器6的输出端口与马赫曾德尔调制器10的光学输入端口相连，所述马赫曾德尔调制器10的射频输入端口与电耦合器9的输出端口相连，所述电耦合器9的输入端口分别与第二任意波形发生器7和第一射频信号源8的输出端口相连，所述马赫曾德尔调制器10的光学输出端口与第二光隔离器11的输入端口相连，所述第二光隔离器11的输出端口与单模光纤12 的一端相连，所述单模光纤12的另一端与光环形器17的端口ⅱ相连；所述第二双平行马赫曾德尔调制器15的两个射频输入端口与90
°
电混合器14的两个输出端口相连，所述90
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电混合器14的输入端口与第二射频信号源13的输出端口相连；所述第二双平行马赫曾德尔调制器15的光学输出端口与第二掺铒光纤放大器16的输入端口相连，所述第二掺铒光纤放大器16的输出端口与光环形器17的端口ⅰ相连；所述光环形器17的端口ⅲ与光电探测器18的光学输入端口相连。
17.本发明进行光子辅助微波时频分析，具体步骤是：步骤一、连续波激光器输出频率为f0的线偏光，先通过第一光隔离器，然后通过光耦合器被平均分成两部分后分别注入到第一、第二双平行马赫曾德尔调制器中；步骤二、第一任意波形发生器发出的两路正交步进频信号分别用来驱动第一双平行马赫曾德尔调制器的两个子调制器，调节调制器偏置电压，使得两个子调制器均偏置在最小偏置点，同时偏置电压对主调制器引入90
°
相移，则第一双平行马赫曾德尔调制器可输出步进频信号的抑制载波单边带调制信号；步骤三、将第一双平行马赫曾德尔调制器输出的抑制载波单边带调制信号经过第一掺铒光纤放大器后注入到马赫曾德尔调制器中，由待测信号和参考信号经过电耦合器耦合后进行驱动，调节调制器偏置点进行抑制载波双边带调制；步骤四、将马赫曾德尔调制器输出的光信号通过第二光隔离器后注入到单模光纤中作为受激布里渊散射效应的探测光；步骤五、将所需的特定频率的单音信号注入90
°
电混合器并分成两路，分别用来驱动第二双平行马赫曾德尔调制器的两个子调制器，调节调制器偏置电压，使得两个子调制器均偏置在最小偏置点，同时偏置电压对主调制器引入90
°
相移，则第二双平行马赫曾德尔调制器的输出得到该信号的抑制载波单边带调制信号；步骤六、将第二双平行马赫曾德尔调制器输出的抑制载波单边带调制信号经过第二掺铒光纤放大器后，进入光环形器端口ⅰ通过端口ⅱ反向注入到单模光纤中作为受激布里渊散射效应的泵浦光；
步骤七、将光环形器端口ⅲ输出的光信号注入光电探测器中进行光电转换，根据以下原则对光电探测器输出的波形进行处理：1、在一个步进周期内，经步进频信号调制后的光载波频率与受激布里渊增益谱的中心频率的差值为该步进周期内可频时映射出脉冲的频率大小，可知在不同的步进序列，步进频信号的频率大小不同而受激布里渊的位置不变，故两者相对位置不同，进而得出若不同的步进序列中，光电探测产生了频时映射的电脉冲，这些脉冲代表的信号频率不同。
18.2、频时映射发生在待测信号调制的光边带与受激布里渊对齐的时刻，因此若在一个步进周期中的不同时刻产生了多个的电脉冲，则说明信号在产生脉冲对应的多个时刻具有大小为该步进周期中光边带频率与受激布里渊增益谱中心频率的频率差的频率成分。
19.3、若待测信号调制的光边带与受激布里渊的增益谱对齐时，待测信号在此频率的分量较强，则频时映射能产生一个较强的脉冲，可知脉冲的幅度与信号频率分量的强度有正相关性。
20.综上，提取整个步进信号周期的脉冲可完整表示信号的时间与频率分布，将脉冲按步进周期进行分割后可得到包含时频信息的矩阵，进而可得到待测信号的时频特征图。
实施例
21.本实施例的具体实现过程是：步骤一、光源产生工作波长约为1553.349nm，功率约为15dbm的单频光，先通过第一光隔离器，然后通过光耦合器被平均分成两部分后分别输入到第一、第二双平行马赫曾德尔调制器的光学输入端口。
22.步骤二、第一任意波形发生器发射的两路正交步进频信号初始频率、步进频率与步进次数分别为50 mhz、5mhz与780，步进周期与待测信号的周期设置一致，此处设为2μs。将这两个正交步进频信号加载在第一双平行马赫曾德尔调制器的两个射频输入端口，调节其上的偏置电压，使其调制方式为抑制载波下单边带。这样在上路可以得到一个随时间频率步步递减的光载波。
23.步骤三、将第一双平行马赫曾德尔调制器输出的抑制载波单边带调制信号经过第一掺铒光纤放大器后注入到马赫曾德尔调制器中。待测信号为一宽带周期信号，周期为2 μs，带宽在0.1 ghz
ꢀ–ꢀ
4.0 ghz之间，由第二任意波形发生器发射。参考信号频率为0.1 ghz，由第一射频信号源发射。将待测信号和参考信号经过电耦合器耦合后加载到马赫曾德尔调制器的射频口，调节调制器偏置点进行抑制载波双边带调制。
24.步骤四、将马赫曾德尔调制器输出的光信号通过第二光隔离器后注入到单模光纤中作为受激布里渊散射效应的探测光。
25.步骤五、将第二射频信号源发射的频率为10.85 ghz的单音信号注入90
°
电混合器并分成两路，分别用来驱动双平行马赫曾德尔调制器的两个子调制器，调节调制器偏置电压，使得两个子调制器均偏置在最小偏置点，同时偏置电压对主调制器引入90
°
相移，则第二双平行马赫曾德尔调制器的输出得到该信号的抑制载波单边带调制信号。
26.步骤六、将第二双平行马赫曾德尔调制器输出的抑制载波单边带调制信号经过第二掺铒光纤放大器后，进入光环形器端口ⅰ通过端口ⅱ反向注入到单模光纤中作为受激布里渊散射效应的泵浦光；
步骤七、将光环形器端口ⅲ输出的光信号注入光电探测器中进行光电转换，对光电转换的波形进行处理，即可得到待测信号的时频图。
27.将待测信号设为带宽3.9 ghz、周期2μs的线性调频信号，对系统进行带宽测试，测试得到的时频分析如图2所示，由图可知，系统能对带宽在3.9ghz内的信号进行时频分析。
28.将步进频信号的步进频率分别设置为5mhz、25 mhz、50 mhz、100 mhz，对同一线性调频信号进行分析，可以得到不同分辨率的时频分析，且时频分析的频率分辨率可根据实际情况及进行调节，分析结果如图3所示，图3(a)到图3 (d)分别为步进频率设置为5mhz、25 mhz、50 mhz、100 mhz的分析结果。由图3四张分析结果图比较可知，当步进频率设置较小时，时频分析得到的图像更为平滑，即具有更高的频率分辨率。
29.利用链路对不同种类的微波信号进行分析，图4所示的时频分布分别为对非线性调频信号、跳频信号、步进频信号、双啁啾线性调频信号的分析结果。由图4(a)可知，在分析非线性调频信号时，信号较低频率的分量更强，这与对信号通过短时傅里叶变换进行时频分析得到的结果一致；由图4(b)和图4(c)可知，在分析跳频信号与步进频信号这种频率不连续的信号时，信号的频率分量有时会无法完全对准受激布里渊增益谱的中心频率，因此时频分析得到的频率分量强度不同；由图4(d)可知，对双啁啾线性调频信号的分析结果说明系统可以分析同一时刻的多个频率成分。
30.综上，本发明利用时分受激布里渊链路实现了对微波信号的时频分析，结构简单、紧凑，具有大而可调的分析带宽与可调节的时频分析频率分辨率，避免了高频电器件与高速模数转换器的使用，降低了成本，有较好的应用前景。
31.总之，以上所述实施方案仅为本发明的较佳实施例而已，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变形和替换。例如，分析带宽由步进频信号所能达到的最高频率制约，这里由于实验条件的限制，最高只能对带宽为3.9 ghz的微波信号进行分析，可使用最高频率更高的步进频信号以达到更高的分析带宽，这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。