一种基于光电振荡环路的微波信号产生方法及微波信号源

1.本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种基于光电振荡环路的微波信号产生方法及微波信号源。


背景技术：

2.宽带周期信号是指具有一定带宽且幅值、频率或者相位随时间重复变化的信号，广泛应用于射频雷达探测、无线传感、微波成像、激光雷达等多个领域。常见的宽带周期信号主要有线性调频信号、捷变频信号、跳频信号、相位编码信号等,其中线性调频信号和步进捷变频信号是指频率随时间按特定函数关系变化的微波信号，是雷达探测、成像感知等系统中极为重要的脉冲压缩信号形式，具有时宽带宽积大的特点，能有效解决雷达等系统作用距离和距离分辨率之间的矛盾。要进一步提升雷达探测性能，雷达所发射的线性调频或步进捷变频脉冲波形需具有极高的相参性，因为具有相参性的脉冲波形可以进行脉冲积累，优化脉冲压缩信噪比，提升动态范围。此前，线性调频信号和步进捷变频信号主要是在微波域通过压控振荡器或者直接频率合成的方式产生。但由于电子瓶颈的限制，基于传统微波技术产生的线性调频信号和步进捷变频信号存在着中心频率低、带宽窄、相位噪声差、信噪比小等缺点，且性能难以进一步提升。
3.光子技术具有低噪声、低损耗、大带宽的巨大优势，为实现高性能线性调频信号和步进捷变频信号提供了全新的思路。目前，光电振荡环路是实现高频、低相噪、高信噪比信号产生的有效方式。光电振荡器以超低损耗、低噪声的长光纤作为储能介质，使得环路q值极大，在满足稳态条件下，可实现高频谱纯度、低相位噪声的信号产生【x.steve yao and lute maleki,"optoelectronic microwave oscillator,"j.opt.soc.am.b.13,1725-1735(1996)】。此外，由于光子系统的宽带特性，光电振荡器输出信号的相位噪声与频率无关。但值得注意的是，传统光电振荡环路中往往引入窄带滤波器滤除振荡频率以外的其它模式，导致其只能实现单频振荡，输出低相噪的单频信号，无法实现诸如线性调频信号和步进捷变频信号的宽带信号产生。
4.针对传统光电振荡器无法实现宽带线性调频信号和步进捷变频信号的技术难题，人们提出了基于激光器扫频的光电振荡器【hao t,cen q,dai y,et al.breaking the limitation of mode building time in an optoelectronic oscillator[j].nature communications,2018,9(1):1-8.】，该方案利用激光器扫频结合相位调制与凹陷光滤波的方式实现光电振荡环路中动态调整的微波光子滤波器，产生了大时间带宽积的线性调频信号。利用相同原理，基于两个可调激光器、一个相位调制器与陷波滤波器的光电振荡器可以产生带宽可调谐的双啁啾线性调频信号【tengfei hao,jian,et al.dual-chirp fourier domain mode-locked optoelectronic oscillator.[j].optics letters,2019,44(8):1912-1915.】。但是这些方案都存在着线性度差、相位噪声差、前后脉冲不相参的关键问题。究其本质原因，它们都是通过实时、动态的改变光电振荡器的谐振腔状态(滤波响应、延时响应等)实现宽带信号的产生。这种光电振荡器振荡状态的动态调整使得环路中的信号无
法长时间处于稳态，每次循环都存在频率和相位漂移，因而极大地恶化了其输出宽带信号的相位噪声、线性度和相参性。
[0005]
因此，突破现有技术所面临的光电振荡器稳态时只能输出单频信号以及动态调整时会大幅度恶化信号质量的原理性困境，采用全新的技术方式，实现超低相位噪声、宽带、高线性度以及具有高相参性的线性调频信号和步进捷变频信号产生，对现代雷达系统、无线通信系统、高分辨成像系统等领域的发展极为关键。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的在于提供一种基于光电振荡环路的微波信号产生方法及微波信号源，能够生成高质量的线性调频信号或步进捷变频信号。
[0007]
本发明提供一种基于光电振荡环路的微波信号产生方法，所述方法包括：
[0008]
通过调节强度调制单元使光电振荡环路工作在多模振荡的状态；
[0009]
针对处于多模振荡模式下的所述光电振荡环路，注入线性调频信号或步进捷变频信号，与环路振荡信号进行去斜处理，得到所述环路振荡信号的频率信息与相位信息；
[0010]
其中，经过检测与反馈系统处理后控制宽带相位延时控制单元，使得所述线性调频信号或所述步进捷变频信号的各离散化频率分量分别与所述光电振荡环路的振荡模式重合，且每个模式满足以下幅相条件：
[0011]gk
＞＝1且
[0012]
其中，gk为第k个模式的增益，ωk为第k个模式的角频率，是系统对角频率为ωk的模式引入的额外相位，n为整数，τ为环路中的总延时。
[0013]
进一步地，所述方法还包括：
[0014]
将所述线性调频信号或所述步进捷变频信号的重复频率调节为所述光电振荡环路的自由频谱范围，使得所述线性调频信号或所述步进捷变频信号与间隔的振荡模式锁定，以产生整数倍周期的低相噪线性调频信号；其中，产生的所述低相噪线性调频信号或步进捷变频信号的重复频率可步进调谐，并且调谐步进为振荡模式间隔的整数倍。
[0015]
进一步地，通过调节光延时来改变光电振荡环路的自由频谱范围，同时注入的所述线性调频信号或所述步进捷变频信号的重复频率保持与所述自由频谱范围的整数倍一致，以实现产生的微波信号连续可调谐。
[0016]
进一步地，所述方法还包括：
[0017]
在所述光电振荡环路起振后，通过对得到的所述频率信息进行检测，并基于检测结果反馈控制可调光延时线或者光纤温控装置，以实现环路延时控制。
[0018]
进一步地，所述方法还包括：
[0019]
在所述光电振荡环路进入稳定状态后，通过对得到的所述相位信息进行检测，并基于检测结果对稳定后的相位关系进行反馈控制。
[0020]
进一步地，所述方法还包括：
[0021]
利用相位调制器和光滤波器代替所述光电振荡环路中的强度调制单元，以生成微波光子滤波器；
[0022]
其中，通过改变光源的光载波波长或光滤波器通带的中心频率，实现所述微波光子滤波器的通带宽度可调谐；通过改变光滤波器的带宽，实现所述微波光子滤波器中心频
率的可调谐。
[0023]
本发明还提供一种基于光电振荡环路的微波信号源，所述微波信号源包括：
[0024]
光源模块，用于产生光载波；
[0025]
宽带信号产生模块，用于产生线性调频信号或步进捷变频信号，作为注入到光电振荡环路的参考信号；
[0026]
光电振荡环路模块，包括强度调制单元、光电探测器、宽带微波放大器、宽带微波带通滤波器、宽带相位延时控制单元以及耦合器；其中，通过调节所述强度调制单元使光电振荡环路工作在多模振荡的状态；
[0027]
宽带相位延时控制单元，包括稳相模块、延时稳定控制模块，用于将所述线性调频信号或所述步进捷变频信号的各离散化频率分量分别与所述光电振荡环路的振荡模式重合，且每个模式满足以下幅相条件：
[0028]gk
＞＝1且
[0029]
其中，gk为第k个模式的增益，ωk为第k个模式的角频率，是系统对角频率为ωk的模式引入的额外相位，n为整数，τ为环路中的总延时。
[0030]
进一步地，所述稳相模块通过微控制器反馈控制电控移相单元，所述电控移相单元包括电控移相器或者可调光延时线。
[0031]
进一步地，所述延时稳定控制模块通过微控制器反馈控制延时稳定单元，所述延时稳定单元包括可调光延时线或者长光纤温控。
[0032]
进一步地，所述强度调制单元通过相位调制器和光滤波器实现。
[0033]
本发明技术方案至少具有以下有益效果：
[0034]
本发明能够对注入的线性调频信号、步进捷变频信号进行性能上的优化，通过光电振荡环路中的多模振荡对注入的参考信号进行锁模，并且利用光电振荡环路中光纤的高q值，能够降低注入参考信号的相位噪声，提高信号的信噪比。
附图说明
[0035]
图1为本发明一个实施方式中基于光电振荡环路的微波信号源的结构及原理框图；
[0036]
图2为本发明一个实施方式中注入参考信号与环路振荡信号未锁定时原理框图；
[0037]
图3为本发明一个实施方式中注入参考信号与环路振荡信号锁定时原理框图；
[0038]
图4为本发明一个实施方式中线性调频信号去斜处理相关原理框图；
[0039]
图5为本发明一个实施方式中光电振荡环路输出线性调频信号频谱图；
[0040]
图6为本发明一个实施方式中基于可重构装置输出不同带宽的线性调频信号频谱图；
[0041]
图7为本发明一个实施方式中微波信号源与宽带参考信号产生模块输出线性调频信号频谱对比图；
[0042]
图8为本发明一个实施方式中微波信号源与宽带参考信号产生输出线性调频信号相位噪声对比图；
[0043]
图9为本发明一个实施方式中基于可重构光电振荡环路的宽带光生微波源的装置原理结构图。
具体实施方式
[0044]
为了更加清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。
[0045]
实施例一：
[0046]
针对现有技术所存在的不足，如图1所示，本实施例提出了一种基于光电振荡环路的宽带光生微波信号源，能够实现高信噪比、低相位噪声的线性调频信号或步进捷变频信号产生。具体而言，本发明基于光电振荡环路的低相噪宽带光生微波信号产生装置与方法主要包括：
[0047]
光源模块，用于产生光载波；
[0048]
宽带信号产生模块，用于产生线性调频信号或步进捷变频信号，作为注入到光电振荡环路的参考信号；
[0049]
光电振荡环路模块，包括强度调制单元、光电探测器、宽带微波放大器、宽带微波带通滤波器、宽带相位延时控制单元以及耦合器；其中，通过调节所述强度调制单元使光电振荡环路工作在多模振荡的状态；
[0050]
宽带相位延时控制单元，包括稳相模块、延时稳定控制模块，用于将所述线性调频信号或所述步进捷变频信号的各离散化频率分量分别与所述光电振荡环路的振荡模式重合，且每个模式满足以下幅相条件：
[0051]gk
＞＝1且
[0052]
其中，gk为第k个模式的增益，ωk为第k个模式的角频率，是系统对角频率为ωk的模式引入的额外相位，n为整数，τ为环路中的总延时。
[0053]
利用长光纤的高q值、低损耗的特性来优化信号的相位噪声，当环路中的开环增益大于1时，环路内的噪声就会开始被放大，经过固定时延的光电振荡环路后，由于环路的正反馈以及增益大于1的特性，信号会被不断的放大，最终会趋于稳定。这时，环路内所呈现的是具有固定频率间隔的众多频率分量，它们的频率间隔就是环路延时所对应的频率值，此时即为光电振荡环路的多模式振荡状态。如图2所示，当环路的振荡模式与注入线性调频信号模式之间延时相位未匹配时，注入信号就无法与振荡信号相锁定。如图3所示，通过对环路总延时的计算，对注入线性调频信号的重复频率进行设置，使得其重复频率与环路延时相匹配，通过注入锁定的机制，调节移相器将线性调频信号与多模振荡模式的相位相匹配使得模式间达到锁定状态，从而实现超低相噪的宽带信号产生，如图5所示，线性调频信号频谱的信噪比得到了大幅提升。
[0054]
基于光电振荡环路的低相噪宽带光生微波信号产生方法，将中心频率为ωc、带宽为bw的线性调频信号在所述电光调制模块中对光载波进行调制，通过光电振荡环路中的光电探测器进行光电转换，重新变换到微波域。通过调节电光调制器的偏置电压使其工作在线性传输点，带通滤波器的通带能够覆盖宽带周期信号，使其信号能完全通过光电振荡环路。通过调节偏置电压，使得光电振荡环路中的增益大于1，形成稳定的正反馈振荡，在滤波器带宽内形成稳定的多模式振荡。令线性调频信号脉冲离散化后的频谱分量之间的频率间隔与光电振荡环路的自由频谱范围相匹配，通过光电振荡环路中的移相器对自振荡的多模信号与注入线性调频信号的相位进行匹配，使得注入的线性调频信号锁定到光电振荡环路的自振荡信号上，形成稳定的振荡模式。从图7和图8中可以看出，输出信号的信噪比和相位
噪声都得到了大幅提升，从而获得了稳定的高信噪比、高线性度、低相位噪声的线性调频信号。
[0055]
其中，电光调制模块可通过现有的或将有的各种方式进行实现，例如，使用推挽式马赫-曾德尔调制器、相位调制器加滤波器、偏振调制器加检偏器等方式构建，本发明优选采用推挽式马赫-曾德尔调制器。
[0056]
为了便于理解，下面对本发明的技术方案以及原理进行详细的说明。
[0057]
光电振荡环路产生的自振荡信号中，通常人们所需要的是单模振荡的过程，在这个过程中，由于仅仅只有小部分的、窄带的增益能量可以竞争，所以在振荡阈值以上的模式竞争能力明显高于阈值以下增益的竞争能力，形成单模振荡。在多模振荡的过程中，宽带带通滤波器内所有的振荡模式都将被放大且超过振荡阈值，增益竞争无法抵消振荡模式在环路中被放大的过程，从而会形成稳定的多模振荡。
[0058]
本实施例中光电振荡环路的多模振荡过程主要通过时域模型来进行分析，如图1所示，光电振荡环路中的带通滤波器的输入与输出具有如下的关系：
[0059][0060]
其中，v
in
(t)是光电探测器的输出信号，v
out
(t)为带通滤波器的输出信号，δω和ω0分别为带通滤波器的带宽和中心频率。
[0061]
由于激光器的输出光功率被放大后的电压信号v＝κgv
out
进行电光调制，可以得到如下关系：
[0062][0063]
其中，t为光电环路对应的时延，v
πrf
为调制器的射频半波电压，v
πdc
为调制器直流半波电压，vb为所加的偏置电压，p为激光器所输出连续光的功率，s为光电转换因子。因此，电光调制器的输入电压v(t)可表述为：
[0064][0065]
令电光调制器的输入为可以得到简化式：
[0066][0067]
其中，为偏移的相位量，为归一化的反馈增益系数。在中心频率ω0附近，准正弦微波信号变化量x(t)的复杂缓慢变化的包络θ(t)＝|θ(t)|e
iψ(t)
遵循以下公式：
[0068]
θ＝-μθ+2μγjc1[2|θ
t
|]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0069]
其中，μ＝δω/2为滤波器的带宽的二分之一，γ＝βsin2φ为反馈环路的有效增益，θ
t
≡θ
(t-t)
，jc1定义为jc1(x)＝j1(x)/x，j1(x)为第一类一阶贝塞尔函数。该式中，相位匹配条件为
[0070]
当对公式(5)进行仿真时，两种不同的初始状态被考虑，分别为smooth状态和abrupt start状态，smooth状态对应在霍普夫分叉中，低于阈值与高于阈值的条件随着单模振幅的不断增大而相交叉，abrupt start状态对应于在区间[-t，0]中以高斯随机数作为初始条件，此时，光电振荡器的输出是高度多模的信号。
[0071]
当光电振荡环路出现持续的多模式振荡后，由图1中的结构框图所示，宽带信号产生模块所产生线性调频信号作为注入参考源，该线性调频信号可写为：
[0072][0073]
式中t为时间变量，t为脉冲持续时间(周期)，k为线性调频斜率，fc为线性调频信号的中心频率。
[0074]
该线性调频信号的余弦表达式为：
[0075]
s(t)＝cos(2πfct+πkt2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0076]
如图1结构框图所示，当经过耦合器的部分参考信号与经过耦合器的部分环路信号进入混频器进行混频时：
[0077][0078]
经过低通滤波后，滤出需要的差频分量：
[0079]
g(t)＝cos[2πkτt+(2πfcτ-πkτ2)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0080]
令δf＝kτ，由上式变化成：
[0081]
g(t)＝cos[2πδft+(2πfcτ-πkτ2)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0082]
结合图4去斜原理框图来看，式中经过去斜后产生一个对应于图中δf的低频率分量以及一个相关的延时相位分量。
[0083]
经过去斜之后产生的频率信息以及延时相位信息被送入检测与反馈系统中，当注入信号与环路信号在频谱的离散化模式分量未能对齐时，如图4所示，去斜后会产生一个低频分量，通过对这个频率分量进行检测，当存在这个低频分量时，通过反馈机制调节可调光延时线或者光纤温控装置等操作，实现一个大范围的环路延时控制。
[0084]
当混频后只剩下直流分量时，说明系统趋于稳定后注入信号与振荡信号之间只存在很小的相位差，通过对上述公式中的相位进行分析，通过反馈控制相位，对系统稳定后的相位关系进行精细地控制。
[0085]
可见，通过调节强度调制单元使光电振荡环路工作在多模振荡的状态；针对处于多模振荡模式下的所述光电振荡环路，注入线性调频信号或步进捷变频信号，与环路振荡信号进行去斜处理，得到所述环路振荡信号的频率信息与相位信息；其中，经过检测与反馈系统处理后控制相位延时控制单元，使得所述线性调频信号或所述步进捷变频信号的各离散化频率分量分别与所述光电振荡环路的振荡模式重合，且每个模式满足以下幅相条件：
[0086]gk
＞＝1且
[0087]
其中，gk为第k个模式的增益，ωk为第k个模式的角频率，是系统对角频率为ωk的模式引入的额外相位，n为整数，τ为环路中的总延时。
[0088]
综上所述，本实施例可实现一种基于光电振荡环路的低相噪宽带光生微波信号产
生。与传统的宽带周期信号的产生方式相比，本发明通过利用光电振荡环路的高q值进行相位噪声的优化，利用多模振荡过程对注入宽带周期信号进行锁模，从而提高线性调频信号或步进捷变频信号的信噪比。如图7和图8所示，本发明中的优化方法实现了高信噪比、低相位噪声的线性调频信号产生。
[0089]
实施例二：
[0090]
本实施例主要实现基于可重构光电振荡环路的宽带光生微波源。
[0091]
本实施例与实施例一中基于光电振荡环路的宽带光生微波源的不同之处在于：
[0092]
请参阅图1和图9，实施例二与实施例一相比较，调制器模块由强度调制器调换成相位调制器，滤波器模块由微波宽带滤波器调换成光滤波器，由相位调制器、光滤波器和光电探测器组合形成的微波光子滤波器实现滤波功能，本实施例的主要结构还包括：
[0093]
光源模块，用于产生光载波；
[0094]
宽带信号产生模块，用于产生线性调频或步进捷变频信号，作为注入到光电振荡环路的参考信号；
[0095]
光电振荡环路模块，其包括由相位调制器、光滤波器和光电探测器组成的微波光子滤波器、宽带带通微波放大器、宽带相位延时控制单元、耦合器。
[0096]
该结构主要通过基于相位调制器和光滤波器组合实现微波光子滤波器的作用，具有带宽可调谐、中心频率可调谐的优势。
[0097]
微波光子滤波方法实现主要如下：
[0098]
为了实现本发明中的微波光子滤波方法中的中心频率可调谐、带宽可调谐，实现可重构性，优选地，所述光载波频率、所述光滤波器中心频率、所述光滤波器带宽，三个参数至少有一个可调。
[0099]
假设光带通滤波器的中心频率与光载波的频率相差δf，通带宽度为bwo，被调制线性调频信号的带宽为bwe，线性调频信号的中心频率与光载波之间的频率差为f时，当f很小时，经过相位调制后的正负阶边带全都落在滤波器带宽内，经过光电探测器拍频后正负一阶边带与载频拍出信号进行抵消，随着f的增大，当时，其中一个一阶边带会到达滤波器带宽的边缘，使得正负一阶边带不对称，实现相位转强度，经过光电探测器拍频后会产生信号，当增大时，另外一个一阶边带会到达滤波器的通带外，使得正负边带都在通带外，无信号可以拍出。所以在会实现一个输出响应的通带，通带的带宽为f
bw
＝bwe+2δf，中心频率为fc＝bwo。
[0100]
由上述公式可得，通过改变光源的光载波波长或光通带的中心频率，可实现微波光子滤波器的通带宽度可调谐；通过改变光滤波器的带宽，可实现微波光子滤波器中心频率的可调谐。因此可实现微波光子滤波器的可重构性，从而可以实现线性调频信号或步进捷变频信号产生的可重构性。图6中(a)、(b)、(c)、(d)分别对应2ghz、1ghz、500mhz、100mhz的带宽。
[0101]
本发明采用以上技术与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明通过光电振荡
环路中的多模振荡对注入的宽带参考信号的离散分量进行宽带锁定，利用高q值的光电振荡环路中静态平稳机制，实现低相位噪声、高线性度及高相参的宽带信号产生，突破了现有技术所面临的静态稳态下光电振荡器只能输出单频信号或者动态稳态下宽带光电振荡器性能大幅恶化的原理性困境。
[0102]
本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。
[0103]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。