基于光电振荡器的弱信号探测放大系统及方法与流程

本发明涉及微波光子学技术领域，尤其涉及一种基于光电振荡器的弱信号探测放大系统及方法。

背景技术：

快速频率测量在雷达和电子站等系统中发挥着越来越大的作用，但是快速频率测量的前提是系统能够分辨出接收到的信号，尤其是对弱信号的探测，因此，能否对弱信号进行宽频带高功率的探测放大尤为重要。针对于弱信号的探测与放大问题，在它的电子解决方案中，使用了很窄的滤波器以及放大器，但是因为技术研制以及电放大器引入的噪声使得这种方案的实现尤为困难。微波光子学方法，因为其具有的大带宽，低损耗，抗干扰等优点，而被更多的人采用。但是，现有的方法中，基于注入锁定过程的oeo腔内无电带通滤波器的多模光电探测器进行弱信号的方案，只能对1～6ghz频率范围内的信号放大8db，探测灵敏度达到了-83dbm，存在探测的频率范围较小且放大效果也不是很明显的问题；基于布拉格光栅的可调谐的光电探测器系统进行射频信号探测放大的方案，能对1.5～5ghz频率范围内的信号放大10db，探测灵敏度达到了-91dbm，探测频率的测量误差达到了100mhz，但是，这种方法所能探测的频率范围受光栅的限制只有5.5ghz，且该方法采用损耗掉相位调制的一阶边带从而实现从相位调制到强度调制的转化从而实现对弱信号的放大的方案，在理论上存在着放大瓶颈。

除此之外，在具体的环境中往往是复杂多变的，接收到的弱信号往往不是单频的窄带的信号，往往还有宽带宽的信号甚至是多频信号，如何对这些也同时进行有效的探测以及放大也是一个非常重要的问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明开提供了一种基于光电振荡器的弱信号探测放大系统及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种基于光电振荡器的弱信号探测放大系统，包括：激光器(1)、分束器(2)、相位调制器(3)、高非线性光纤(4)、环形器(5)、光电探测器(7)、功分器(8)、耦合器(9)、电放大器(10)、强度调制器(11)、可调光衰减器(12)以及射频源(13)；

所述激光器(1)与所述分束器(2)连接，所述分束器(2)又分别与所述相位调制器(3)和强度调制器(11)连接，所述相位调制器(3)、环形器(5)、光电探测器(7)、功分器(8)、耦合器(9)以及电放大器(10)依次首尾连接形成环路，所述强度调制器(11)、可调光衰减器(12)以及环形器(5)依次连接，所述射频源(13)连接于所述强度调制器(11)上，所述高非线性光纤(4)连接于所述相位调制器(3)与环形器(5)之间。

在一些实施例中，所述分束器(2)用于将所述激光器(1)发出的光信号分为两部分，一部分光信号和接收的弱信号经过所述相位调制器(3)得到的正一阶边带和负一阶边带，与另一部分光信号和所述射频源(13)发出的微波信号经过强度调制器(11)得到的双边带泵浦光在高非线性光纤(4)产生的受激布里渊散射的损耗谱和增益谱重合时，所述接收的弱信号即被恢复。

在一些实施例中，所述激光器(1)、分束器(2)以及相位调制器(3)之间通过光纤连接；所述环形器(5)与光电探测器(8)之间通过光纤连接；所述分束器(2)、强度调制器(11)、可调光衰减器(12)、环形器(5)之间通过光纤连接。

在一些实施例中，所述光电探测器(7)、功分器(8)、耦合器(9)、电放大器(10)、相位调制器(3)之间以及所述射频源(13)与强度调制器(11)之间均通过电缆连接。

在一些实施例中，所述激光器(1)为窄线宽单波长激光器。

在一些实施例中，所述激光器(1)、分束器(2)、相位调制器(3)、高非线性光纤(4)、环形器(5)、光电探测器(7)、强度调制器(11)以及射频源(13)共同组成一个微波光子滤波器；所述微波光子滤波器的通频带由所述激光器(1)和增益谱或者损耗谱的波长差决定。

在一些实施例中，所述微波光子滤波器的变化周期与信号在所述相位调制器(3)、高非线性光纤(4)、环形器(5)、光电探测器(7)、功分器(8)、耦合器(9)以及电放大器(10)形成的环路中传输一周的延时相匹配，满足傅里叶域锁模条件：

nt＝tr

其中n为正整数，t为所述微波光子滤波器的变化周期，tr为信号在所述环路中传输一周的延时。

在一些实施例中，所述相位调制器(3)、高非线性光纤(4)、环形器(5)、光电探测器(7)、功分器(8)、耦合器(9)以及电放大器(10)形成的环路的色散为零，以使不同频率的信号在所述环路中具有相同的延时。

在一些实施例中，所述系统还包括掺铒光纤放大器；所述掺铒光纤放大器连接于所述环形器(5)与所述光电探测器(7)之间，用于对所述环形器(5)输出的光信号进行放大。

根据本发明的另一个方面，提供了一种采用上述实施例所提供的基于光电振荡器的弱信号探测放大系统的弱信号探测放大方法，所述方法包括：

激光器(1)发出光信号经分束器(2)分为两部分，一部分传输至相位调制器(3)，另一部分传输至强度调制器(11)；

射频源(13)发出微波信号传输至强度调制器(11)；

所述光信号在强度调制器(11)中被所述微波源信号进行载波抑制调制，产生两条一阶边带作为泵浦光传输至可调光衰减器(12)；

可调光衰减器(12)对所述泵浦光的功率进行调节并通过环形器(5)将所述泵浦光传输至高非线性光纤(4)产生受激布里渊散射以及分布于所述泵浦光左右两侧的损耗谱和增益谱；

弱信号经过耦合器(8)电放大器(10)传输至相位调制器(3)；

在所述相位调制器(3)所述光信号被所述弱信号进行相位调制，产生正一阶和负一阶两条边带进入所述高非线性光纤(4)；

在所述高非线性光纤(4)中所述泵浦光产生的增益谱增益所述负一阶边带，损耗谱损耗所述正一阶边带，使所述光信号由相位调制转化为强度调制，得到增益和损耗后的新的光信号通过环形器(5)传输至光电探测器(7)拍频；

所述光电探测器(7)将所述新的光信号转换为电信号，传送给功分器(8)；

所述功分器(8)将所述电信号输出与接收到的弱信号耦合后反馈至相位调制器射频端口；

通过分析所述功分器(8)输出的电信号的功率，得到所述弱信号放大后的频率。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本发明提供的基于光电振荡器的弱信号探测放大系统及方法，通过采用频率可快速连续调谐的射频源，发出周期性变化的微波信号，使得本系统可以实现单频微波信号，宽带微波信号以及多频信号的高速探测，使该系统的探测范围更大；

(2)本发明提供的基于光电振荡器的弱信号探测放大系统及方法，通过布里渊散射增益谱的具有的增益特性，以及射频源发出的微波信号和激光器发出的光信号经过强度调制器调制产生的两条一阶边带作为泵浦光，双边带泵浦可以更有效的提高光电振荡器对弱信号的增益效果；

(3)本发明提供的基于光电振荡器的弱信号探测放大系统及方法，通过布里渊散射增益谱(损耗谱)具有的选择特性，实现了在更复杂的探测环境中探测弱信号；

(4)本发明提供的基于光电振荡器的弱信号探测放大系统及方法，采用边带作为泵浦光，使得信号光与泵浦光之间存在着固定的相位关系，避免了信号光和泵浦光都是独立光源的而导致泵浦光的波长漂移产生误差的情况，可以得到弱信号较高精度的探测。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于光电振荡器的弱信号探测放大系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于光电振荡器的弱信号探测放大方法的流程图；

图3a为本发明实施例提供的相位调制器相位调制的结果示意图；

图3b为本发明实施例提供的强度调制器载波抑制调制的结果示意图；

图3c为本发明实施例提供的基于受激布里渊散射的微波光子滤波器的原理图。

上述附图中，附图标记含义具体如下：

1-激光器；2-分束器；3-相位调制器；4-高非线性光纤；5-环行器；6-掺铒光纤放大器；7-光电探测器；8-功分器；9-耦合器；10-电放大器；11-强度调制器；12-可调光衰减器；13-射频源。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于光电振荡器的弱信号探测放大系统，如图1所示，图1为本发明实施例提供的基于光电振荡器的弱信号探测放大系统的结构示意图，该基于光电振荡器的弱信号探测放大系统包括：

激光器1、分束器2、相位调制器3、高非线性光纤4、环形器5、光电探测器7、功分器8、耦合器9、电放大器10、强度调制器11、可调光衰减器12以及射频源13，其中：

激光器1与分束器2连接，分束器2的一个端口与相位调制器3连接，分束器2的另一个端口与强度调制器11连接，相位调制器3、环形器5、光电探测器7、功分器8、耦合器9以及电放大器10依次首尾连接形成环路；强度调制器11、可调光衰减器12以及环形器5依次连接；射频源13连接于所述强度调制器11上；高非线性光纤4连接于相位调制器3与环形器5之间。

在本实施例中，激光器1、分束器2以及相位调制器3之间通过光纤连接，环形器5与光电探测器8之间通过光纤连接，分束器2、强度调制器11、可调光衰减器12、环形器5的之间通过光纤连接；光电探测器7、功分器8、耦合器9、电放大器10、相位调制器3之间以及射频源13与强度调制器10之间均通过电缆连接。

本实施例中，弱信号通常指功率低于0db的信号。

在本实施例中，分束器2用于将激光器1发出的光信号分为两部分，一部分光信号和接收的弱信号经过所述相位调制器3得到的正一阶边带和负一阶边带，与另一部分光信号和所述射频源13发出的微波信号经过强度调制器11得到的双边带泵浦光在高非线性光纤4产生的受激布里渊散射的损耗谱和增益谱重合时，接收的弱信号即被恢复。

具体地，一部分光信号经过相位调制器3被接收到的弱信号调制后得到的正一阶边带和负一阶边带，另一部分光信号经过强度调制器被所述射频源13发出的微波信号进行载波抑制调制后，得到的两条一阶边带作为泵浦光进入高非线性光纤4产生受激布里渊散射，在高非线性光纤4中，当两条泵浦光产生的受激布里渊散射的损耗谱和增益谱恰好与相位调制器中得到的一阶边带重合时，则实现了光载波从相位调制到强度调制的转化，所接收到的弱信号即被恢复。其中，激光器1为窄线宽单波长激光器；射频源13为频率可快速连续调节射频源，高非线性光纤4为具有光学非线性的高q微波储能元件，其长度为数米至数十千米。

在本实施例中，可调光衰减器12通过控制泵浦光的光功率控制对边带的增益大小，从而使弱信号得到探测与放大。可调光衰减器12还可以连接于高非线性光纤4和环形器5之间。

本发明提供的基于光电振荡器的弱信号探测放大系统，通过采用频率可快速连续调谐的射频源，发出的微波信号可以周期性变化，所以本系统可以实现宽带微波信号与多频信号的高速探测，使得该系统的探测范围更大；通过受布里渊散射增益谱具有的增益特性和激光器发出的光信号被射频源发出的微波信号进行载波抑制调制得到的双边带泵浦，可以更有效的提高光电振荡器对弱信号的增益效果；通过受布里渊散射增益谱(损耗谱)具有的选择特性，实现了在更复杂的探测环境中探测弱信号。

在本实施例中，激光器1、分束器2、相位调制器3、高非线性光纤4、环形器5、光电探测器7、强度调制器11以及射频源13共同组成一个微波光子滤波器；微波光子滤波器的通频带由扫频激光器1和增益谱或者损耗谱的波长差决定。其中：

微波光子滤波器的变化周期与信号在相位调制器3、高非线性光纤4、环形器5、光电探测器7、功分器8、耦合器9以及电放大器10形成的环路中传输一周的延时相匹配，满足傅里叶域锁模条件：

nt＝tr

其中n为正整数，t为所述微波光子滤波器的变化周期，tr为信号在所述环路中传输一周的延时。

在本实施例中，相位调制器3、高非线性光纤4、环形器5、光电探测器7、功分器8、耦合器9以及电放大器10形成的环路的色散控制到零，以使不同频率的信号在该环路中具有相同的延时。

在本实施例中，该基于光电振荡器的弱信号探测放大系统还可以包括以掺铒光纤放大器5，其连接于环形器4与光电探测器6之间，用于对环形器4输出的光信号进行放大。

在本实施例中，功分器8用于将光电探测器7由光信号转化得打的电信号分为两部分，一部分用于输出，另一部分传输至耦合器9与弱信号耦合传给电放大器10。

本发明提供的基于光电振荡器的弱信号探测放大系统，采用边带作为泵浦光，使得信号光与泵浦光之间存在着固定的相位关系，避免了信号光和泵浦光都是独立的而导致泵浦光的波长漂移产生误差的情况，可以得到弱信号较高精度的探测。

根据本发明的另一个方面，提出了一种基于光电振荡器的弱信号探测放大方法，如图2所示，图2为本发明实施例提供的基于光电振荡器的弱信号探测放大系统的弱信号探测放大方法，该方法包括如下步骤：

步骤s101，激光器发出光信号由分束器分为两部分，一部分传输至相位调制器，另一部分传输至强度调制器。

在步骤s101之前，该方法还包括：将光电振荡器调至阈值状态。

步骤s102，射频源发出微波信号传输至强度调制器。

优选的，射频源为频率可快速连续调节的射频源，因此射频源发出的微波信号的频率呈周期性变化。

步骤s103，光信号在强度调制器中被微波信号进行载波抑制调制，产生两条一阶边带作为泵浦光传输至可调光衰减器。如图3b图所示，图3b为强度调制器的载波抑制调制结果示意图。

双边带的泵浦光可以更好的提高光电振荡器对弱信号的增益效果。

步骤s104，可调光衰减器对泵浦光的功率进行调节并通过环形器将泵浦光传输至高非线性光纤产生受激布里渊散射得到分布于泵浦光左右两侧的损耗谱和增益谱。

具体的，泵浦光在高非线性光纤中激发后产生受激布里渊散射，同时会产生分布在泵浦光左右两侧带宽约为几十兆赫兹的损耗谱和增益谱。其中，泵浦光和受激布里渊散射区的增益谱和损耗谱对应的频率相差约10ghz。

步骤s105，弱信号经过耦合器和电放大器传输至相位调制器射频端口。

步骤s106，在相位调制器中光信号被弱信号进行相位调制，产生正一阶和负一阶两条边带进入高非线性光纤。如图3a所示，图3a为相位调制器的调制结果示意图。

步骤s107，在高非线性光纤中泵浦光产生的增益谱增益负一阶边带，损耗谱损耗正一阶边带，使光信号由相位调制转化为强度调制，将增益和损耗后的新的光信号通过环形器传输至光电探测器拍频。此时接收到的弱信号即被恢复出来。

具体的，通过周期性快速调谐射频源发出的微波的中心频率，使光电振荡器中的微波光子滤波器的变化周期与信号在光电振荡器环路中传输一周的延时相匹配，满足傅里叶域锁模条件：

nt＝tr

其中，n是正整数，t是微波光子滤波器的变化周期，tr是信号在光电振荡器环路中传输一周的延时。从而实现傅里叶域锁模光电振荡器，可产生扫频微波信号。在扫频的过程中当受布里渊散射的增益谱损耗谱恰好与被接收到的弱信号相位调制后的光信号的负正一阶边带重合时，受激布里渊散射的增益谱损耗谱可增益损耗相位调制器调制产生的负正一阶边带，经受激布里渊散射的增益谱增益损耗谱损耗后的调制信号如图3c所示。正、负一阶边带的大小不再相等，通过调节可调光衰减器控制增益谱损耗谱对边带的增益损耗效果，因此相位调制转换成了强度调制。

本发明提供的基于光电振荡器的弱信号探测放大方法，通过布里渊散射增益谱的具有的增益特性，以及双边带泵浦可以更有效的提高光电振荡器对弱信号的增益效果；通过布里渊散射损耗谱具有的选择特性，实现了在更复杂的探测环境中探测弱信号。

步骤s108，光电探测器将新的光信号转换为电信号，传送给功分器。

步骤s109，功分器将电信号输出，并通过耦合器与接收到的弱信号耦合后反馈至相位调制器射频端口。

步骤s1010，通过分析功分器输出的电信号的功率，得到弱信号放大后的频率。

具体的，通过实时监测系统产生的扫频信号的功率变化是否异常，当弱信号进入系统后被系统探测并放大，此时该处因为有新信号产生而功率提升，通过射频源频率与时间的对应关系可快速得出此时对应的射频源的频率大小f，f′＝f-f0即是我们接收到的弱信号的频率,其中f0是布里渊频移的大小，一般是10ghz左右。

本发明提供的基于光电振荡器的弱信号探测放大方法通过采用频率可快速连续调谐的射频源，可以将接收到的单频、多频、宽带弱信号被恢复并得到放大，使得该系统的探测范围更大；并且因为信号光与泵浦光之间存在着固定的相位关系，避免了信号光和泵浦光都是独立的而导致泵浦光的波长漂移产生误差的情况，可以得到较高精度的探测结果。

进一步的，由于提出的光电振荡器环路中不需要电的滤波器，环路所产生的微波信号的频率仅取决于可调节激光器的发光波长和受激布里渊散射对应波长的差值，因此可实现微波信号的宽带调谐。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其结构进行简单地熟知地替换，如：可将两个泵浦光产生的不对滤波产生作用的另外两条增益谱损耗谱进行滤除，只采用一条边带作为泵浦光，电放大器改换为光纤放大器对整个环路提供增益；也在光路中直接加入光放大器对信号进行放大，在相位调制器与高非线性光线之间增加一个光隔离器。并且，所附的附图是简化过且作为例示用。附图中所示的器件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且器件的配置可能更为复杂。

需要说明的是，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。