一种高灵敏大带宽光子微波频率测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微波光子技术领域，具体涉及一种高灵敏大带宽光子微波频率测量装置及方法。
【背景技术】
[0002]微波频率测量是射电天文学、电子战等领域的一项重要技术。随着微波术的快速发展，微波工作的频段节节攀升，几乎跨越了 2MHz至300GHz的频段。传统的电子频率测量方法，如多信道法、鉴频法、干涉仪比相法、驻波鉴相法等，因受到受混频器、滤波器等器件的电子瓶颈和瞬时带宽限制，难以能满足未来深空探测、电子对抗等应用中对未知微波信号监测的大范围、快速准确测量的要求。
[0003]光子学与微波学相结合而产生的微波光子技术为微波频率的大范围准确测量提供了良好的手段，可以充分利用光的大带宽、低损耗、可调谐、可复用等优势，同时具有良好的抗电磁干扰性能。目前基于微波光子技术实现微波频率测量的方法主要分为三种:(1)基于频率到空间映射的光子微波频率测量；(2)基于频率到时间映射的光子微波频率测量；(3)基于频率到功率映射的光子微波频率测量。
[0004]在先技术[1](S.T.Winnall, A.C.Lindsay, M.W.Austin, J.Canning andA.Mitchell, “A microwave channelizer and spectroscope based on an integratedoptical Bragg-grating Fabry - Perot，，，IEEE Transact1ns on Microwave Technologyand Techniques, Vol.54, N0.2, pp.868-872，Feb.2006)研究了基于频率到空间映射的光子微波频率测量方法。利用集成波导光栅法布里-珀罗腔(BGFP)和集成波导菲涅尔透镜将光载微波信号在频域上分割成很多路的窄带信号，这些窄带信号在空间分开，通过光电探测器阵列接收每一路的窄带信号，实现微波频率测量。受集成波导光栅法布里-珀罗腔(BGFP)和集成波导菲涅尔透镜的分光能力所限，该方案未能实现大频率范围的微波频率测量。
[0005]在先技术[2](L.V.T.Nguyen, “Microwave photonic technique for frequencymeasurement of simultaneous signals，，，IEEE Photonics Technology Letters, Vol.21,N0.10, pp.642-644, May 2009)研究了基于频率到时间映射的光子微波频率测量方法。利用啁啾光纤光栅的色散特性，将接收到的宽频微波信号调制到光载波上，进入啁啾光纤光栅传输，不同频率的光因色散在啁啾光纤光栅中传播速度不同，产生的时间上升沿也不同，通过判决上升沿检测输入微波信号的频率。该测量方法需要高速的光开关作为频率测量的参考门，系统结构复杂；可测的微波频率范围受啁啾光纤光栅色散值的限制，同时由于受到啁啾光纤光栅延时抖动的影响，测量误差大。
[0006]在先技术[3](X.Han, S.Zhang, C.Tong, N.Shi, Y.Gu, M.Zhao, “A photonicapproach to microwave frequency measurement with extended range based on phasemodulat1n”, Chinese Optics Letters, Vol.11, N0.5, 050604, May 2013)研究了基于频率到功率映射的光子微波频率测量方法。利用光纤色散导致输出微波信号功率随传输光纤距离改变而发生变化的特性，构建了输入微波信号频率与输出微波信号功率比值的映射关系。通过微波功率探测并做比值数据处理，获得输入微波信号的频率值。尽管采用了两级光纤传输通道构建微波频率与输出微波功率比值的映射关系，使频率测量范围获得了有效提升，但是随着输入微波信号功率的降低，该方法的测量误差会增大，难以实现对微弱微波信号的探测。
【发明内容】
[0007]本发明提供一种高灵敏大带宽光子微波频率测量装置及方法，有效解决【背景技术】中光子微波频率测量的灵敏度低、测量范围小等问题。
[0008]本发明的技术方案是:一种高灵敏大带宽光子微波频率测量装置，包括可调谐激光器1、电光相位调制器2、光放大器3、光学陷波滤波器4、光电探测器5、电放大器6、电分路器7、电合路器8、微波功率计9和数据采集与控制单元10 ;
[0009]所述的可调谐激光器1、电光相位调制器2、光放大器3、光学陷波滤波器4和光电探测器5依次通过光纤连接；
[0010]所述的光电探测器5、电放大器6、电分路器7和电合路器8依次通过电缆连接；所述的电光相位调制器2、光放大器3、光学陷波滤波器4、光电探测器5、电放大器6、电分路器7和电合路器8依次连接构成环路；
[0011 ] 所述的电合路器7的第三端口 73与微波功率计9通过电缆连接；
[0012]所述的可调谐激光器1和微波功率计9通过数据线与数据采集与控制单元10相连；
[0013]所述的光学陷波滤波器4的滤波响应是中心有陷波的带通滤波波形，陷波的中心频率为fN。
[0014]—种用高灵敏大带宽光子微波频率测量装置实现高灵敏光子微波频率测量的方法，步骤如下:
[0015]可调谐激光器1输出频率为fe的光载波输入至电光相位调制器2的光输入端口，待测微波信号经电合路器8的第二端口 82输入至电光相位调制器2的射频输入端口，在电光相位调制器2中微波信号调制到光载波上；电光相位调制器2输出相位调制光载微波信号；相位调制光载微波信号经光放大器3放大后进入光学陷波滤波器4 ;光学陷波滤波器4滤除相位调制光载微波信号的低频边带，输出单边带信号；单边带信号传输进入光电探测器5进行光电转换；光电探测器5输出的微波电信号经电放大器6放大后进入电分路器7的第一端口 71 ;电分路器7的第二端口 72输出的微波电信号进入电合路器8的第三端口 83 ;电合路器8的第一端口 81输出的微波电信号输入至电光相位调制器2的射频输入端口。
[0016]数据采集与控制单元10输出控制信号调节可调谐激光器1输出光载波的频率fc，使其满足以下关系
[0017]fc= f RF+fN ⑴
[0018]在满足公式⑴的条件下，待测微波信号在电光相位调制器2、光放大器3、光学陷波滤波器4、光电探测器5、电放大器6、电分路器7和电合路器8连接构成的环路中往返传输。
[0019]电分路器7的第三端口 73输出的微波电信号传输至微波功率计9 ;微波功率计9探测得到该微波的功率值由数据线传输至数据采集与控制单元10。
[0020]当上述环路的增益大于损耗时，该微波信号的功率值高于系统噪声，数据采集与控制单元10根据可调谐激光器1输出的光载波频率fe和光学陷波滤波器的陷波中心频率fN，由公式(1)计算得到待测微波信号的频率值
[0021]fRF= f c-fN ⑵
[0022]根据公式(2)确定输入的待测微波信号的频率。
[0023]在满足公式⑴的条件下，电光相位调制器2、光放大器3、光学陷波滤波器4、光电探测器5、电放大器6、电分路器7和电合路器8构成振荡环路。光放大器4和电放大器7对在振荡环路中传输的信号具有循环功率放大的作用，实现输入待测微弱微波信号的测量，因此具有极高的灵敏度。
[0024]所述的光学陷波滤波器4，由光环形器41和相移光纤光栅42构成。
[0025]所述高灵敏大带宽光子微波频率测量装置，其实现大带宽光子微波频率测量的原理如下:
[0026]该装置能够实现频率测量的范围由可调谐激光器1输出光载波频率&的调节范围和光学陷波滤波器4的滤波响应带宽和陷波中心频率fN决定。电光相位调制器2输出的光载微波信号在光学陷波滤波器4的滤波响应带宽之内，通过光学陷波滤波器4滤除光载微波的低频边带，由光电探测器5进行光电转换输出微波电信号。微波电信号经电分路器7、电合路器8进入振荡环路，经过环路的循环振荡，环路增益大于损耗，电分路器7的第三端口 73输出微波电信号，传输至微波功率计9。数据采集与控制单元10采集到微波功率计9探测得到的微波信号功率值，由公式(2)确定待测微波信号的频率。光学陷波滤波器4的滤波响应带宽在几百GHz，可调谐激光器的输出光载波频率调谐范围亦为几百GHz，因此该装置实现了大带宽范围内微波信号频率的测量。
[0027]本发明的有益效果是:
[0028](1)本发明高灵敏大带宽光子微波频率测量装置及方法，采用电光相位调制器、光放大器、光学陷波滤波器、光电探测器、电放大器、电分路器和电合路器构成振荡环路，光放大器和电放大器对在振荡环路中传输的信号具有循环功率放大的作用，实现输入待测微弱微波信号的测量，具有极高的灵敏度。
[0029](2)本发明高灵敏大带宽光子微波频率测量装置及方法，利用可调谐激光器输出光载波的频率与光学陷波滤波器的陷波中心频率的差值来确定待测微波信号的频率，该装置中无电滤波