基于空间光调制器与光脉冲干涉的相位编码信号产生系统及方法与流程

本发明属于微波信号产生的技术领域，具体涉及一种基于空间光调制器与光脉冲干涉的相位编码信号产生系统及方法。

背景技术：

在现代脉冲压缩雷达系统中，往往需要同时实现对目标距离和速度的测量。一般而言，雷达系统的距离分辨率与其发射信号的带宽成反比关系，速度分辨率则与雷达信号的时宽成反比。因此，在具有高距离和速度分辨率雷达系统中，需要发射同时具有大时宽和带宽的信号。从而定义信号的时间与带宽乘积为时间带宽积，以此来衡量雷达信号的性能。相位编码信号尤其是二相编码信号是一种广泛使用的雷达信号形式，该信号可以选择调相序列，使得信号具有“图钉型”的模糊函数，不受距离-多普勒耦合效应的影响。传统的电子学相位编码信号的产生方式是使用调相电路实现。在高分辨率的雷达距离测量和成像等应用中，这些电子器件的带宽会限制所产生信号的带宽(声表面波滤波器和压控振荡器的带宽一般在1～2ghz，数字合成产生的波形带宽也很难超过6ghz)，因而限制雷达系统的距离分辨率。这种情况下，微波光子技术以其大带宽以及抗电磁干扰等优势，被引入到相位编码信号的产生领域中，为宽带雷达信号的产生以及脉冲压缩雷达系统的性能提升提供了更多的可能性。

现有的相位编码信号的光子学的应用中，相位编码信号的光子学产生方案主要是基于偏振相关电光相位调制来实现。这类方案中，将在调制器的不同偏振方向上引入由编码信号控制的相位差，当编码相位为“0”时，两个正交偏振方向上相位差为“0”，否则为“π”。因此，在光电转换时使两个偏振态的信号拍频，即可产生相位编码信号。2008年chi等使用了偏振调制器(polarizationmodulator,polm)来进行偏振相关的相位调制，polm的特点在于信号同时调制在光载波的两个正交的偏振方向上，并且两偏振方向上调制系数互补，因而可以在两个偏振方向上通过引入受编码信号控制的相位差。这一方案中首先将载波调制在连续光上，并将上下两个射频边带移动到不同的偏振态上。随后使用编码信号在polm中在两个偏振方向上进行调制系数相反的相位调制，引入受编码序列控制的相位差，最终通过检偏和光电探测使得两个偏振方向上的信号拍频，产生相位编码的脉冲信号。这种方案的缺陷在于最终输出的信号仍含有残留的基带信号(h.chiandj.yao,“photonicgenerationofphase-codedmillimeter-wavesignalusingapolarizationmodulator”,ieeemicrowaveandwirelesscomponentsletters,2008,18(5),pp.371-373.)。

2013年，li等人提出了改进方案，其使用polm来进行载波信号的调制，并使载波信号上下边带分离，随后另外使用偏振相关的相位调制器来进行偏振相关的相位调制，最终产生了无背景噪声的相位编码信号(w.li,l.wang,m.liandn.zhu,“photonicgenerationofwidelytunableandbackground-freebinaryphase-codedradio-frequencypulses”,opticsletters,2013,38(17),pp.3441-3444.)。

上述基于电光调制器的相位编码信号产生方案具有相同的特点，即光链路的主要作用是实现对基带编码信号的相位调制以及上变频，最终产生的信号的带宽取决于被调制的基带编码信号的带宽。但是，由于基带编码信号往往使用电子伪随机码发生器产生，所产生相位编码信号的带宽仍然受到“电子瓶颈”的限制。

由于相位编码信号的产生对雷达系统的发展具有重要意义，因此，对相位编码信号的产生仍然需要进行研究改进。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种基于空间光调制器与光脉冲干涉的相位编码信号产生系统及方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

基于空间光调制器与光脉冲干涉的相位编码信号产生系统，其特征在于，包括锁模激光器、光学色散器件、光分路器、光纤延迟线、空间光调制器、光合波器和高速光电探测器，所述锁模激光器、光学色散器件、光分路器依次连接，所述光分路器与所述光纤延迟线的输入端、空间光调制器的输入端分别连接，所述所述光纤延迟线的输出端、空间光调制器的输出端分别与光合波器连接，所述光合波器与所述高速光电探测器连接。本系统产生的相位编码信号具有宽带、可调谐和可重构的特性。由于系统中仅使用了空间光调制器的相位调制功能，使该系统具有较低的系统损耗和较高的输出信号信噪比等优点。

进一步的，所述光分路器采用2×2光耦合器；和/或，所述光合波器采用2×2光耦合器。

进一步的，所述光纤延时线为电控可调延时线。

进一步的，所述高速光电探测器输出的宽带相位编码信号的中心频率由光纤延时线延时量与光学色散器件色散量的比值决定。

进一步的，所述高速光电探测器输出的宽带相位编码信号的时间带宽积由锁模激光器所产生的光脉冲时宽和空间光调制器的相位编码函数最小编码单元乘积的倒数决定。

进一步的，所述锁模激光器(1)为3db带宽范围，所述光合波器(6)以及高速光电探测器(7)的工作频带包含所述锁模激光器(1)的带宽范围。

本发明还公开了一种基于空间光调制器与光脉冲干涉的相位编码信号产生方法，包括以下步骤:

s1.产生超短光脉冲，利用锁模激光器发射出超短光脉冲；

s2.对超短光脉冲进行光学处理及分路为两路；

s3.将分路后输出的脉冲分别处理：一路经光纤延时线进行延时，一路经空间光调制器进行相位调制；

s4.将两路分别处理后的脉冲利用光合波器合为一路，两路相互干涉输出宽带可调谐的相位编码信号。

进一步的，所述步骤s2具体为：利用光学色散器件对超短光脉冲进行色散后，利用光分路器分为两路。

进一步的，所述宽带可调谐的相位编码信号的中心频率由光纤延迟线的延迟量和光学色散器件的色散量比值决定；

和/或，所述宽带可调谐的相位编码信号的时间带宽积由锁模激光器所产生的光脉冲时宽和空间光调制器的相位编码函数最小编码单元乘积的倒数决定。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

通过控制光纤延迟线的延时量、光学色散器件的色散量以及空间光调制器的相位谱，在光电探测器的输出端可以产生宽带可调谐的相位编码信号，系统具有低损耗和高信噪比等优点，能产生良好的相位编码信号。

附图说明

图1是本发明提供的基于空间光调制器与光脉冲干涉的相位编码信号产生系统结构图。

图2是本发明提供的空间光调制器与光脉冲干涉的相位编码信号产生系统空间光调制器的相位谱函数示意图。

图3是本发明实施例输入光脉冲类高斯型脉冲，半高全宽为300fs，中心频率为1550nm对应产生的相位编码信号时域波形图。

图4是本发明实施例输入光脉冲类高斯型脉冲，半高全宽为300fs，中心频率为1550nm对应产生的相位编码信号频谱图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明，使得本技术方案更加清楚、明白。

本发明提供了一种基于空间光调制器和光干涉的相位编码信号产生系统和方法，解决传统技术中的产生相位编码信号带宽受到电子器件限制的问题。相较于其他传统信号产生的方案，本发明的具有宽带可调谐和可重构的特性，并且由于仅使用空间光调制器的相位调制功能，具有较低的系统损耗和较高的输出信号信噪比。

如图1所示，本实施例公开了一种基于空间光调制器和光干涉的相位编码信号产生系统，主要由锁模激光器1、光学色散器件2、光分路器3、光纤延迟线4、空间光调制器5、光合波器6、高速光电探测器7组成。其中锁模激光器1产生的超短光脉冲经光学色散器件2的色散传播后，被光分路器3分为两路传输，其中一路由光纤延时线4引入了延时；另一路光脉冲则经空间光调制器5进行相位调制。最后经光合波器6和高速光电探测器7相互干涉，最终产生的宽带可调谐相位编码信号由高速光电探测器7的输出端口8输出。

在此宽带相位编码信号产生系统中，锁模激光器发射的超短光脉冲经光学色散器件的色散后被光分路器分为两路，使用光纤延时线调节其中一路的延时；另一路的光脉冲使用空间光调制器对其进行相位调制。随后两路脉冲通过光纤线缆输入到光合波器中耦合为一路。合波器输出端与高速光电探测器相连接，使两路脉冲发生相互干涉和光电转换，最终产生所需要的宽带相位编码信号。

本实施例中的光纤延时线具有可调谐的延时，最终输出相位编码信号的中心频率由此延时量决定。

光分路器、光合波器以及高速光电探测器的工作频带需要包含锁模激光器的3db带宽范围。所述的光电探测器的输出带宽需要大于所设计的相位编码信号的最大频率值。这一频率值由光学色散器件的色散量和空间光调制器的相位设置时码元的频域宽度共同决定。

本实施例中，作为一种优选的实施方式，光分路器3和光合波器6可分别由两个2×2光耦合器实现。

光学色散器件2的色散量为光纤延时线4的延时为△t。则最终产生的相位编码信号中心频率为fcenter和带宽b分别为：

其中△ω为空间光调制器相位设置时码元的频域宽度。

具体结合实际参数举例说明，若锁模激光器1所产生的光脉冲半高全宽为300fs，中心波长为1550nm。要产生一个中心频率约2.4ghz，带宽约为2ghz的相位编码信号，光学色散器件2的色散量需要为491ps²，光纤延迟线的延时量为7.42ps。空间光调制器5的相位设置如图2所示，频域编码的单个码元的频率宽度为4.06×10¹¹rad/s。最终输出的相位编码信号的时域波形如图3所示，其频谱如图4所示。最终输出脉冲宽度约为8.4ns。空间光调制器5的带宽约为40nm，精度为1ghz。高速光电探测器7的带宽为12ghz。

与系统对应的，本实施例还提供一种基于空间光调制器与光脉冲干涉的相位编码信号产生方法，包括以下步骤:

s1.产生超短光脉冲，利用锁模激光器发射出超短光脉冲；

s2.对超短光脉冲进行光学处理及分路为两路；

s3.将分路后输出的脉冲分别处理：一路经光纤延时线进行延时，一路经空间光调制器进行相位调制；

s4.将两路分别处理后的脉冲利用光合波器合为一路，两路相互干涉输出宽带可调谐的相位编码信号。

步骤s2的过程具体为：利用光学色散器件对超短光脉冲进行色散后，利用光分路器分为两路。

本方法中，宽带可调谐的相位编码信号的中心频率由光纤延迟线的延迟量和光学色散器件的色散量比值决定。宽带可调谐的相位编码信号的时间带宽积由锁模激光器所产生的光脉冲时宽和空间光调制器的相位编码函数最小编码单元乘积的倒数决定。

本方法的实现原理为：锁模激光器产生超短光脉冲经色散后被分为两路，其中一路经光纤延迟线产生时延，另一路由空间光调制器进行相位编码，最后经过光合波器和高速光电探测器时相互干涉，最终产生宽带可调谐的相位编码信号。

以上为本发明的优选实施方式，并不限定本发明的保护范围，对于本领域技术人员根据本发明的设计思路，可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。