一种基于光电振荡器的超弱频偏信号检测系统及方法

1.本发明涉及超弱频偏信号探测领域，特别涉及一种基于光电振荡器的超弱频偏信号检测系统及方法。


背景技术：

2.随着通信技术的飞速发展，越来越多的领域加强了对频偏信号检测技术的重视。由于信号之间的频率偏移量携带着诸多信息，因此频偏信号检测显得尤为重要。除此之外，由于功率限制，在某些领域，如雷达、医疗、物联网、精密仪器控制、微观物理学等领域都对超弱频偏信号检测技术提出了迫切的需求。因此，开展对超弱频偏信号检测技术的研究有重要的科学意义和实际需求。解决此问题将有力推动各领域的发展，为国民经济发展做出贡献。


技术实现要素：

3.为解决上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种基于光电振荡器的超弱频偏信号检测系统及方法，包括激光发射模块、光电振荡器模块、锁相环路模块、超弱频偏信号检测模块。实现了高刷新率，高分辨率，高灵敏度的超弱频偏信号的检测；具有响应超弱信号的能力；可检测更大的频偏范围；对激光器的输出功率、线宽要求更低，为超弱频偏信号的检测提供更丰富的方式和更灵活的频谱数据分析选择。
4.为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于光电振荡器的超弱频偏信号检测系统，包括：激光发射模块、光电振荡器模块、锁相环路模块和超弱频偏信号检测模块；
5.所述激光发射模块用于发射激光，生成第一光信号和第二光信号；
6.所述光电振荡器模块用于获取第一光信号，得到光电振荡器的起振模式，同时输出第一电信号；
7.所述锁相环路模块用于稳定所述光电振荡器的所述起振模式的起振频率；
8.所述超弱频偏信号检测模块用于获取待检测超弱频偏光信号和所述第二光信号，生成拍频信号，并携带频偏信息反馈回所述光电振荡器模块；
9.所述锁相环路模块移动相位后的所述第一电信号与所述超弱频偏信号检测模块输出的所述拍频信号，耦合至所述光电振荡器模块，得到超弱频偏信号信息。
10.可选的，所述激光发射模块包括：激光器和光纤分束器；
11.所述激光器与所述光纤分束器连接；
12.所述激光器用于发射激光；
13.所述光纤分束器用于分解所述激光，得到第一光信号和第二光信号。
14.可选的，所述光电振荡器模块包括：电光调制器、第一光电探测器、第一电放大器、电滤波器和第二电放大器；
15.所述电光调制器、所述第一光电探测器、所述第一电放大器和所述电滤波器依次连接，所述第二电放大器与所述电光调制器连接；
16.所述电光调制器用于调制所述第一光信号；
17.所述第一光电探测器用于将调制后的所述第一光信号转换为电信号，生成第一电信号；
18.所述第一电放大器和所述第二电放大器用于为谐振腔提供增益；
19.所述电滤波器用于提供起振频率。
20.可选的，所述锁相环路模块包括：压控移相器、锁相环电路和环路滤波电路；
21.所述压控移相器与所述环路滤波电路连接，所述锁相环电路与所述环路滤波电路连接；
22.所述压控移相器用于移动第一电信号的相位；
23.所述锁相环电路用于分析所述第一电信号的频率和相位；
24.所述环路滤波电路用于对移动相位后的所述第一电信号的分路电信号进行滤波。
25.可选的，所述超弱频偏信号检测模块包括：光纤合束器、第二光电探测器和移相器；
26.所述光纤合束器、所述第二光电探测器和所述移相器依次连接；
27.所述光纤合束器用于合束所述第二光信号和所述待检测超弱频偏光信号，生成合束光信号；
28.所述第二光电探测器用于将所述合束光信号转换为电信号，生成所述拍频信号；
29.所述移相器用于调节所述拍频信号的相位。
30.可选的，所述锁相环路模块通过稳定所述光电振荡器谐振腔的腔长，进而稳定所述光电振荡器的所述起振模式的起振频率。
31.可选的，还包括功分器，所述功分器用于将移动相位后的所述第一电信号分成两路输出。
32.可选的，还包括电谱仪，所述电谱仪用于将所述所述拍频信号的频谱数据进行频偏反演分析，得到频偏信息。
33.本发明还提供了一种基于光电振荡器的超弱频偏信号检测方法，包括以下步骤：
34.获取第一光信号，得到光电振荡器的起振模式，同时输出第一电信号；
35.获取待检测超弱频偏光信号和第二光信号，生成拍频信号，
36.基于移动相位后的所述第一电信号与所述拍频信号，进行频谱分析，得到超弱频偏信号信息。
37.可选的，所述频谱分析中各频率的计算表达式为：
38.|f
1-f0|＝f
oeo
39.其中，f1为待检测超弱频偏光信号的频率，f0为输入激光的频率，f
oeo
为光电振荡器的起振频率。
40.可选的，所述超弱频偏信号信息的计算公式为：
41.f1＝|f
1-f
oeo
|
42.其中，f1为待检测超弱频偏光信号的频率，f0为输入激光的频率，f
oeo
为光电振荡器的起振频率。
43.本发明具有如下技术效果：
44.1.本发明实现了高刷新率，高分辨率，高灵敏度的超弱频偏信号的检测；
45.2.本发明通过谐振腔本振模式的放大作用，具有响应超弱频偏信号的性能，对超弱频偏信号的检测具有很高的探测灵敏度，甚至具有单光子探测能力；
46.3.本发明通过灵活调节光电振荡器(optoelectronic oscillator，oeo)谐振腔的起振频率，匹配超弱频偏信号和激光器之间的频率失谐量，从而提高了频移探测范围；
47.4.本发明在待测信号频率变化的情况下具有很高的刷新率，简化了现有超弱频偏信号检测中后期数据处理庞大的问题，且系统稳定，超弱频偏信号检测模块采用光纤结构，抗电磁干扰能力强。
附图说明
48.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
49.图1为本发明实施例一基于光电振荡器的超弱频偏信号检测系统原理图；
50.图2为本发明实施例二基于光电振荡器的超弱频偏信号检测方法流程图；
51.图3为本发明实施例三基于光电振荡器的超弱频偏信号检测系统原理图；
52.图1中：1、激光器；2、光纤分束器；3、电光调制器；4、第一光电探测器；5、第一电放大器；6、电滤波器；7、压控移相器；8、功分器；9、电耦合器；10、第二电放大器；11、锁相环电路；12、环路滤波电路；13、光纤合束器；14、第二光电探测器；15、移相器；16、电谱仪；
53.图3中：1、激光器；2、光纤分束器；3、电光调制器；4、第一光电探测器；5、第一电放大器；6、电滤波器；7、压控移相器；8、功分器；9、电耦合器；10、第二电放大器；11、锁相环电路；12、环路滤波电路；17、移相器；18、电谱仪。
具体实施方式
54.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做出创造性劳动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。
55.实施例一
56.如图1所示，本发明公开一种基于光电振荡器的超弱频偏信号检测系统，包括：激光发射模块、光电振荡器模块、锁相环路模块、超弱频偏信号检测模块、功分器、电耦合器和电谱仪；
57.所述激光发射模块包括：激光器1、光纤分束器2，所述激光器1与所述光纤分束器2连接。所述激光器1用于发射激光，所述光纤分束器2用于分解所述激光，得到第一光信号和第二光信号。
58.所述光电振荡器模块包括：电光调制器3、第一光电探测器4、第一电放大器5、电滤波器6和第二电放大器10，所述电光调制器3、第一光电探测器4、所述第一电放大器5和所述电滤波器6依次连接，所述第二电放大器10与所述电光调制器3连接。所述电光调制器3用于调制所述第一光信号，所述第一光电探测器4用于将调制后的所述第一光信号转换为电信
号，生成第一电信号，所述第一电放大器5和所述第二电放大器10用于为谐振腔提供增益，所述电滤波器6用于提供起振频率。
59.所述锁相环路模块包括：压控移相器7、锁相环电路11和环路滤波电路12，所述压控移相器7与所述环路滤波电路12连接，所述锁相环电路11与所述环路滤波电路连接。所述压控移相器7用于移动第一电信号的相位，所述锁相环电路11用于使相位和光电振荡器的起振频率与输入信号保持同步，所述环路滤波电路用于对所述第一电信号的分路电信号进行滤波。
60.所述超弱频偏信号检测模块包括：光纤合束器13、第二光电探测器14和移相器15，所述光纤合束器13、所述第二光电探测器14和所述移相器15依次连接。所述光纤合束器13用于合束所述第二光信号和所述待检测超弱频偏光信号，生成合束光信号，所述第二光电探测器14用于将所述合束光信号转换为电信号，生成所述拍频信号，所述移相器15用于调节所述拍频信号的相位。
61.所述功分器8用于将移动相位后的所述第一电信号分成两路输出，所述功分器8分别与所述压控移相器7和所述锁相环电路11连接。
62.所述电谱仪16用于将所述耦合过程中探测到的频谱数据进行频偏反演分析，得到频偏信息；所述电谱仪16与所述第二电放大器10连接。
63.所述电耦合器9用于将所述锁相环路模块输出的第一电信号与所述超弱频偏信号检测模块输出的所述拍频信号，耦合至所述光电振荡器模块，得到超弱频偏信号信息；所述电耦合器9分别与所述移相器15、所述功分器8和所述第二电放大器10连接。
64.激光发射器1发出的激光依次通过光纤分束器2、电光调制器3完成调制，通过第一光电探测器4实现光电转化后，依次进入第一电放大器5，电滤波器6，压控移相器7，功分器8，电耦合器9，第二电放大器10，最后经电光调制器3反馈回光电振荡器的谐振腔构成光电振荡器。
65.在本实施例中，激光发射器1发出的激光波长为λ0，频率为f0，激光经过光纤分束器2，将所述激光分解成两路，即第一光信号和第二光信号。所述第一光信号进入电光调制器3，被电光调制器3调制，调制后的第一光信号进入第一光电探测器4，将所述调制后的所述第一光信号转换为第一电信号，电滤波器6决定系统的起振频率，第一电放大器5和第二电放大器10为所述谐振腔提供增益。所述第一电信号依次通过第一电放大器5和电滤波器6之后，进入压控移相器7移动所述第一电信号的相位，移动相位后的第一电信号进入功分器8，所述功分器8将移动相位后的第一电信号分成两路电信号输出，其中一路电信号进入电耦合器9，并进入第二电放大器10，第二电放大器10输出的电信号反馈回电光调制器3，构成光电振荡器结构，调节系统的增益，使光电振荡器刚好起振，起振频率为f
oeo
；另一路电信号进入锁相环电路11，锁相环电路11分析这一路电信号的频率和相位，使其相位和光电振荡器的起振频率f
oeo
与输入的这一路信号保持同步，锁相环电路11的输出端与环路滤波电路12连接，所述环路滤波电路12用于对所述第一电信号的这一分路电信号进行滤波，经滤波后的误差电信号反馈输入到压控移相器7完成对光电振荡器谐振腔腔长的控制，目的是稳定起振频率f
oeo
。
66.在超弱频偏信号检测模块中，激光器1通过光纤分束器2分出的第二光信号与待测超弱频偏光信号共同进入光纤合束器13，光纤合束器13将所述第二光信号和所述待检测超
弱频偏光信号进行合束，生成合束光信号，所述待检测超弱频偏光信号频率未知，设定为f1，光纤合束器13的输出端与第二光电探测器14的输入端连接，将所述合束光信号转换为电信号，得到拍频信号，所述拍频信号频率为f
0-f1；所述拍频信号通过移相器15，通过调节移相器15的供电电压调节所述拍频信号的相位，使通过移相器的拍频信号以适当的相位输入至电耦合器9，电耦合器9的输出端与电谱仪16连接，电谱仪16将探测到的所述拍频信号的频谱数据进行频偏反演分析，得到频偏信息。
67.经由功分器8输出的电信号与经由移相器15输出的携带有所述频偏信息的拍频信号同时进入电耦合器9，通过电耦合器9耦合注入至所述光电振荡器的谐振腔，当注入光电振荡器谐振腔的信号与光电振荡器本振模式达到频率、相位匹配条件时，实现光电振荡器起振频率的放大。调节系统的起振频率，当电谱仪16上显示光电振荡器起振频率f
oeo
的功率最大时，意味着注入光电振荡器谐振腔的信号与光电振荡器起振模式满足频率、相位匹配条件，各频率满足如下等式：|f
1-f0|＝f
oeo
。
68.获取所述待检测超弱频偏信号相对于激光器1输出激光的频偏信息，由电谱仪16观察分析频谱，得到最终检测到的超弱频偏信号信息，公式为：f1＝|f
1-f
oeo
|。
69.实施例二
70.获取第一光信号，得到光电振荡器的起振模式，同时输出第一电信号；
71.获取待检测超弱频偏光信号和所述第二光信号，生成拍频信号，
72.基于移动相位后的所述第一电信号与所述拍频信号，进行频谱分析，得到超弱频偏信号信息。
73.具体的，在本实施例二中
74.步骤一：激光器1发出的激光波长为λ0，频率为f0，经过光纤分束器2分成第一光信号和第二光信号，其中所述第一光信号被电光调制器3调制；
75.步骤二：调制的所述第一光信号随后进入第一光电探测器4将所述调制后的第一光信号转变为电信号，生成第一电信号；
76.步骤三：所述第一电信号依次通过第一电放大器5，电滤波器6，压控移相器7，功分器8，电耦合器9，第二电放大器10，其中电滤波器6决定系统的起振频率，第一电放大器5和第二电放大器10为谐振腔提供增益；
77.步骤四：第二电放大器10输出的移动相位后的所述第一电信号反馈回电光调制器3，构成光电振荡器结构，调节系统的增益，使oeo刚好起振，起振频率为f
oeo
；
78.步骤五：光电振荡器从功分器8耦合输出，功分器8将移动相位后的所述第一电信号分成两路；
79.步骤六：功分器8分出的其中一路电信号进入锁相环电路11，分析所述功分器8分出的所述其中一路电信号的频率和相位；
80.步骤七：将所述功分器8分出的所述其中一路电信号传输至环路滤波电路12，然后反馈回压控移相器7的输入端完成对oeo腔长的控制，目的是稳定起振频率f
oeo
；
81.步骤八：所述第二光信号与频率为f1(未知频率)的待检测超弱频偏光信号共同输入至光纤合束器13，生成合束光信号；
82.步骤九：将所述合束光信号传输至第二光电探测器，将所述合束光信号转变为电信号，得到拍频信号，频率为f
0-f1；
83.步骤十：所述拍频信号通过移相器15，调节移相器15的供电电压，使输出的所述拍频信号以适当的相位输入至电耦合器9；
84.步骤十一：调节光电振荡器的起振频率，当电谱仪16上显示光电振荡器起振频率f
oeo
的功率最大时，意味着注入光电振荡器谐振腔的信号与光电振荡器起振模式满足频率、相位匹配条件，各频率满足如下等式：|f
1-f0|＝f
oeo
；
85.步骤十二：获取待检测超弱频偏光信号相对于激光器1输出激光的频偏信息，计算公式为：f1＝|f
1-f
oeo
|。
86.实施例三
87.如图3所示，本发明还公开一种基于光电振荡器的超弱频偏电信号检测系统，将实施例一中待检测的超弱频偏光信号改为待检测的超弱频偏电信号，基于实施例一的步骤，可以检测超弱频偏电信号信息。
88.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。