利用相位调制器实现瞬时频率测量的装置及方法与流程

本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，尤其涉及一种基于相位调制器的微波信号瞬时频率测量装置。

背景技术：

在电子战领域中，为实现截获和识别来自于敌方的雷达或通信系统的辐射信息，首先需要估计其电子系统的工作频率。通过瞬时测频技术可快速地实现对辐射源频率的估计，以便于实现电子侦察、进攻和防御。

传统的电域瞬时测频系统一般通过微波干涉实现对频率估计。采用微波干涉技术的瞬时频率测量系统需要使用射频功分器和射频传输线，而这限制了系统工作频率的扩展。随着现代雷达系统逐渐向更高频段延伸，电域测频系统将不再适用。

微波光子技术可以解决传统电子学方法很难甚至无法解决的问题。采用微波光子技术辅助的瞬时频率测量系统，可以工作在更高频段，具有更低损耗、更小尺寸和抗电磁干扰等优点。因此，基于微波光子技术的瞬时频率测量技术有望在未来电子战领域发挥重要的作用。

本发明提出了一种结构简单的微波光子辅助瞬时频率测量系统。利用铌酸锂相位调制器对TE和TM光模式调制效率不一致的特性，将已调光信号分为上下两个支路，利用单模光纤的色散特性，可以分别在上下两支路构造出变化趋势相反的两个功率衰落函数。通过比较两路信号的功率比值，可以快速的估计出入射微波信号的频率值。该装置结构简单，仅需要一个光源和一个相位调制器，易于实现。

技术实现要素：

本发明的技术解决方案是：利用相位调制器实现瞬时频率测量的装置，其特征在于：所述装置包括分布反馈激光器、偏振控制器、相位调制器、标准单模光纤、光分路器、起偏器以及光电探测器、矢量网络分析仪。激光器的输出端经过第一偏振控制器与相位调制器相连，相位调制的输出端与标准单模光纤相连，光纤输出端口与光分路器相连，光分路器的第一输出端口与光接收机1相连，光分路器的第二输出端口分别依次连接偏振控制器和起偏器，最后注入光接收机2。

上述相位调制器为Z轴切割相位调制器，对TM光模式的调制效率明显高于TE光模式。

上述光接收机由一个波导集成PIN二极管和一个跨阻放大器构成。

利用相位调制器实现瞬时微波频率测量的方法包括以下步骤：

(1)由激光器输出的波长为λ的线偏振光经过偏振控制器注入到相位调制器中，调节偏振控制器使得入射线偏振光与相位调制器的主轴呈45°；

(2)未知频率的待测微波信号经相位调制器的射频端口加载到相位调制器上，调制输出TM与TE的偏振复用信号；

(3)偏振复用信号经过5km标准单模光纤传输；

(4)利用光分路器将经光纤传输的偏振复用光信号均等分成上下两个支路；

(5)上支路的光信号直接注入光接收机；

(6)下支路的光信号先经过偏振控制器，然后在起偏器处实现TE与TM偏振信号的干涉，经过干涉后的光波为线偏振光，进入光接收机。

(7)通过调节下支路的偏振控制器，可同时改变起偏器的主轴与TE和TM偏振态的夹角，以及TE与TM两个偏振态之间的相对相移，实现上下两支路的频率响应函数具有相反的变化趋势。

(8)通过计算上下两支路的电信号功率比，可以唯一的确定出待测微波信号的频率值。

本发明提出了一种结构简单的微波光子辅助瞬时频率测量装置。该装置利用铌酸锂相位调制器对TE和TM光模式的调制效率不同的特性，将已调光信号分为上下两个支路，利用单模光纤的色散特性，可以分别在上下两支路构造出变化趋势相反的两个频率响应函数，通过比较上下支路的功率，可以构造一个具有较大斜率的幅度比较函数，进而实现更大带宽范围内的高精度瞬时频率测量。

该方法仅需要一个相位调制器，因此不需要偏压控制电路。单激光源的配置使得系统不需要光波分复用装置，且测频精度不受光源功率浮动的影响。

该方法不需要射频功分器或电混频器等频率受限的器件，系统的测频范围仅受光发射机和光接收机的带宽限制。

附图说明

图1为本发明基于相位调制器的瞬时频率测量原理图；

图2为实验测试中，上下两支路的频率响应函数图；

图3为实验测试中，得到的上下两支路功率比值曲线图；

图4为实验测试中，频率测量结果；

图5为实验测试中，频率测量误差结果图。

具体实施方式

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：

如图1所示，本实施例中，装置包括：分布反馈激光器、偏振控制器1、矢量网络分析仪、相位调制器、光分路器、偏振控制器2、起偏器、光接收机1和光接收机2。激光器的输出端口与偏振控制器1的输入端口相连，偏振控制器的输出与相位调制器的输入端口相连，射频信号源的输出与相位调制器的射频端口相连。相位调制器的输出端口与光纤的输入端口相连，光纤的输出端口与光分路器的输入端口相连，光分路器的上支路输出直接与光接收机1相连，光分路器的下支路输出分别依次连接偏振控制器2和起偏器，起偏器的输出端口与光接收机的输入端口相连。通过调节两个偏振控制器，上下两支路的频率响应函数具备相反的变化趋势，通过计算功率比值即可估计射频信号的输入功率。

在本实例中，方法的具体实施步骤是：

步骤一、激光器产生工作波长λ为1552nm的光载波经偏振控制器1后输入到半波电压为7V的Z轴切割相位调制器。调整偏振控制器1使得输入的线偏振光与相位调制器的主轴呈45°。矢量网络分析仪的射频输出与相位调制器的射频端口相连，输出射频功率设置为-3dBm。

步骤二、调制后的偏振复用信号输入到5km标准单模光纤中，光纤的色散系数为17ps/nm/km。

步骤三、光纤输出的光信号分为上下两个支路。上支路直接与光接收机1相连，下支路输出依次与偏振控制器2、起偏器和光接收机2相连。调节偏振控制器2使得在两个偏振态之间引入的相对相移为0.8π，偏振方向与起偏器夹角为0.14π。

步骤四、光接收机的输出端与矢量网络分析仪的射频输入端相连。利用矢量网络分析仪可以得到上下两支路的频率响应曲线，如图2所示。

步骤五、根据所得的频率响应曲线，利用上下两支路的功率比值可以构造出幅度比较函数，如图3所示。利用所测得数据建立频率与射频功率比对应的查找表。

步骤六、为了验证测量系统的可行性，将输入的射频信号功率改为-20dBm，改变输入信号的频率，并记录上下两支路的功率。利用已建立的查找表，通过查表搜索实现频率的估计。测量结果如图4所示，对应的测量误差如图5所示，误差小于±0.3GHz。

综上，本发明利用铌酸锂相位调制器实现了对微波信号的瞬时频率测量，该装置结构简单易于实现，价格低廉，不受电子瓶颈影响。此外，由于仅采用了单个激光源，系统不需要波分复用装置，且测量精度不受光源功率波动的影响。该方案仅需要一个相位调制器，不存在由环境影响而产生的偏压漂移问题，故不需要复杂的偏压控制电路。通过构造两个变化趋势相反的频率响应函数，该方案可实现大范围高精度的微波频率测量。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例，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，相位调制器不限于Z轴切割，光载波波长、光纤的长度、色散值、偏振态等的调整也应视为本发明保护的范围。