一种基于频率功率映射和信道化的瞬时多频率测量系统

1.本发明涉及微波光子学、光电子器件领域，具体地讲是一种频率功率映射和信道化的瞬时多频率测量系统。


背景技术：

2.微波信号的瞬时频率测量(instantaneousfrequencymeasurement,ifm)是电子测量技术的一个重要方面，所涉及的被测信号往往是一系列周期性窄持续时间的微波脉冲，每个脉冲的载频都有可能在迅速变化，在这种情况下，并不能对被测信号进行多次累积测量，因此只能在脉冲持续的短周期内进行快速频率测量，采用瞬时测频技术能够在射频信号被截获的瞬间获取其辐射相关信息。传统电子技术在系统带宽、处理速度、体积功耗等方面的局限性阻碍了瞬时测频技术的进一步发展；而利用在借助光通信领域发展而日渐成熟的微波光子技术，可以突破上述瓶颈。研究光学辅助下微波信号高精度瞬时测频理论与方法对于推动微波光子雷达、高分辨率信号探测和军事电子对抗技术发展有着重要的理论意义和现实意义。
3.目前基于光子技术实现的频率测量系统按实现方式可主要分为频率-时间映射、频率-空间映射和频率-功率映射三类。其中，频率-功率映射法其本质是建立幅度比较函数(acf)，从而建立未知频率信息与电光信号的功率函数关系。经研究该方法易于实现结构紧凑的ifm系统。2019年，chengwuyang等人利用一个相位调制器和一个强度调制器结合色散光纤提出了一个可级联的ifm系统("photonic-assistedinstantaneousfrequencymeasurementsystembasedonascalablestructure,"ieeephotonicsjournal,vol.11,pp.5501411-1439,2019)，通过多级级联可以降低大带宽下的误差。2020年，本研究所的j.l等人提出了一种基于双偏振强度调制器的光功率检测ifm方案("measurementofinstantaneousmicrowavefrequencybyopticalpowermonitoringbasedonpolarizationinterference,"journaloflightwavetechnology,vol.38,pp.2285-2291,2020.)，实现了频率范围和精度可调的ifm方案。但是频率功率映射方法下的ifm系统，其测量范围和精度受acf影响而相互制约。除此之外，目前基于频率-功率映射方法的ifm系统多不能实现多频率得测量。频率-空间映射法，又称为信道化法，其本质是将不同频段的信号进行空间上的分离再映射到低频获取其频率信息。2022年，yuxinliu等人提出了一种基于光学频率梳(ofc)的多频率测量系统(“frequencymeasurementofmicrowavesignalsinawidefrequencyrangebasedonanopticalfrequencycombandchannelizationmethod,”appliedoptics,vol.61,no.13,pp.3663
–
3670,2022.)。调制信号与光频梳混频后经过波分复用器，在划分为各个子信道后进行拍频处理。该系统可以实现超高频段的高精度测量，但信道化后需要大量滤波器以及探测器，使得系统具有较大的复杂度。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种基于频率功率映射和信道化的瞬时多频率测量系统。在本方案中，多频信号输入单驱动马赫曾德尔调制器中进行载波抑制调制，然后由光带通滤波器滤出其上边带，紧接着该上边带信号与相位调制器产生的非平坦ofc在一个响应带宽为ofc输齿间隔的光电探测器处进行拍频。ofc的梳齿间隔由本振信号的频率所决定，在大信号调制下，相位调制器可以产生四个所需的通道，该系统的测频范围即为通道数倍的梳齿间隔。系统从高频到低频映射后得到的两个功率不一的拍频信号，其功率比决定在处于哪个信道之中。最终信号的测量频率为所处信道的起始频率加上其中一个功率较大的拍频频率。但在某些频点下，单相位调制器系统存在着频率模糊，因此采用另外一个有着不同调制带宽的相位调制器可以解决这个问题。本发明：1不同于传统的频率-功率映射法，不受测频范围和测频精度的制约，通过调节本振的频率可以调整系统的测频范围，而精度不会随着测频范围的提高而降低；2系统子信道的划分是通过最终拍频信号的功率比来判定,而非传统利用波分复用器等器件物理划分信道，从而降低了系统的复杂度，提升了系统的灵活性；3系统可以解决同时测多频的问题，更贴近实际应用；4且该系统具有良好的鲁棒性，不受单驱动马赫曾德尔调制器的偏置电压漂移的影响。本发明可应用于微波检测领域，对实现简单化大带宽高精度的瞬时频率测量具有重要的参考价值。
5.本发明的技术方案：
6.一种基于频率功率映射和信道化的瞬时多频率测量系统，其特征在于：该测量系统包括，连续波激光器、第一光耦合器、单驱动马赫曾德尔调制器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一射频信号源、第二射频信号源、第三射频信号源、光带通滤波器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、第二光耦合器、第三光耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一电信号处理模块、第二电信号处理模块；具体连接方式为：
7.连续波激光器的光输出端接第一光耦合器的光输入端，第一光耦合器的光输出端分别接单驱动马赫曾德尔调制器、第一相位调制器和第二相位调制器的光输入端，第一射频信号源的输出端接单驱动马赫曾德尔调制器的射频输入端，第二射频信号源的输出端接第一相位调制器的射频输入端，第三射频信号源的输出端接第二相位调制器的射频输入端，单驱动马赫曾德尔调制器的光输出端接光带通滤波器的光输入端，光带通滤波器的光输出端接第一偏振控制器，第一相位调制器的光输出端接第二偏振控制器的光输入端，第二相位调制器的光输出端接第三偏振控制器的光输入端，第一偏振控制器和第二偏振控制器的光输出端接第二光耦合器的光输入端，第二光耦合器的光输出端接第一光电探测器的光输入端，第一光电探测器的电输出端接第一电信号处理模块的电输入端，第一偏振控制器和第三偏振控制器的光输出端接第三光耦合器的光输入端，第三光耦合器的光输出端接第二光电探测器的光输入端，第二光电探测器的电输出端接第二电信号处理模块的电输入端。
8.单驱动马赫曾德尔调制器工作于最小传输点以实现载波抑制调制。
9.第二射频信号源以及第三射频信号源的射频信号输出应功率相等且处于大信号调制下，使得第一相位调制器和第二相位调制器的调制系数均应满足 m＝1.4。
10.第二射频信号源以及第三射频信号源的输出射频频率应满足以下条件： f
l'
＝9ghz,f
l
＝10ghz。
11.光带通滤波器保留单驱动马赫曾德尔调制器输出光谱的上边带，其带宽应满足以下条件：b＝40ghz。
12.第一光电探测器(15)和第二光电探测器(16)的响应带宽应满足以下条件： b1＝9ghz,b2＝10ghz。
13.本发明的具体工作原理如下：
14.在小信号调制条件下，第一射频信号源发出待测信号进入单驱动马赫曾德尔调制器进行载波抑制的双边带调制，之后由光带通滤波器保留单边带，得到表达式为
[0015][0016]
其中e0和fc分别代表光载波的幅度和频率,β1＝πvn/v
π
是调制系数(其中v
π
表示单驱动马赫曾德尔调制器的半波电压),vn和fn表示未知微波信号的幅度和频率,an为待测多频信号的一阶边带振幅。后第二射频信号源和第三射频信号源在大信号调制下分别以f
l'
＝9ghz和f
l
＝10ghz的调制带宽进入第一相位调制器和第二相位调制器。两个射频信号功率应相等，使得两个相位调制器的调制系数m＝1.7。产生的梳齿功率从载频开始随着频率增大是单调递减的。至此，第一相位调制器和第二相位调制器产生的非平坦ofc功率衰落一致，区别仅仅在于通道间隔，前者为9ghz,后者为10ghz。以第二相位调制器为例，其输出的ofc 的输出表达式为：
[0017][0018]
β2为第二相位调制器的调制系数，ji(
·
)为第一类贝塞尔函数的第i阶。应当指出，我们仅采用其载波与前四阶边带，并以此形成四个信道。彼此两个边带的功率比则是区分子信道的依据。该ofc与光带通滤波器的输出端经第三光耦合器合束，得到的输出为：
[0019][0020]
该信号被送入带宽同样为10ghz的第二光电探测器，不同的频率分量在此进行拍频。第二光电探测器的光电流输出为：
[0021][0022]
其中拍频分量f
n-(fc+if
l
)被定义为f
n-l
，fc+(i+1)f
l-fn被定义为f
n-r
。f
n-l
与 f
n-r
的频率和为f
l
，它们之间的功率比可以表示为：
[0023][0024]
很明显，f
n-l
的功率更大。利用该数学关系，可以判断未知射频频率位于哪个信道内，然后根据起始信道频率加上f
n-l
得到微波信号频率，实现对待测微波信号频率的瞬时测量。
[0025]
本发明的有益效果具体如下：
[0026]
本发明结合了频率功率映射法以及信道化方法，以微波光子学方法实现了多微波频率的瞬时测量，本发明无需建立acf函数，不受频率范围与精度制约关系的约束，通过增加本振的频率，可以进一步扩大测频频率，且测量误差仅来自于系统噪声。以拍频信号功率比区分子信道更是避免采用了大规模滤波器、波分复用器以及光电探测器，降低了系统复杂度。
附图说明
[0027]
图1一种基于频率功率映射和信道化的瞬时多频率测量系统示意图。
[0028]
图2非平坦ofc生成的四个信道示意图。
[0029]
图3为实施例一单个频率信号对应的测频结果。
[0030]
图4为实施例二两个频率信号对应的测频结果。
[0031]
图5为实施例三三个频率信号对应的测频结果。
[0032]
图6为实施例四四个频率信号对应的测频结果。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步描述。
[0034]
实施例一：
[0035]
一种基于频率功率映射和信道化的瞬时多频率测量系统如图1所示，包括连续波激光器1、第一光耦合器2、单驱动马赫曾德尔调制器3、第一相位调制器4、第二相位调制器5、第一射频信号源6、第二射频信号源7、第三射频信号源8、光带通滤波器9、第一偏振控制器10、第二偏振控制器11、第三偏振控制器12、第二光耦合器13、第三光耦合器14、第一光电探测器15、第二光电探测器16、第一电信号处理模块17、第二电信号处理模块18；
[0036]
具体连接方式为：
[0037]
连续波激光器1的光输出端接第一光耦合器2的光输入端，第一光耦合器2 的光输出端分别接单驱动马赫曾德尔调制器3、第一相位调制器4和第二相位调制器5的光输入端，第一射频信号源6的输出端接单驱动马赫曾德尔调制器3 的射频输入端，第二射频信号源7的输出端接第一相位调制器4的射频输入端，第三射频信号源8的输出端接第二相位调制器5的射频输入端，单驱动马赫曾德尔调制器3的光输出端接光带通滤波器9的光输入端，光带通滤波器9的光输出端接第一偏振控制器10，第一相位调制器4的光输出端接第二偏振控制器 11的光输入端，第二相位调制器5的光输出端接第三偏振控制器12的光输入端，第一偏振控制器10和第二偏振控制器11的光输出端接第二光耦合器13的光输入端，第二光耦合器13的光输出端接第一光电探测器15的光输入端，第一光电探测器15的电输出端接第一电信号处理模块17的电输入端，第一偏振控制器10和第三偏振控制器12的光输出端接第三光耦合器14的光输入端，第三光耦合器14的光输出端接第二光电探测器16的光输入端，第二光电探测器16的电输出端接第二电信号处理模块18的电输入端。
[0038]
单驱动马赫曾德尔调制器3工作于最小传输点以实现载波抑制调制。
[0039]
第二射频信号源7以及第三射频信号源8的射频信号输出应功率相等且处于大信号调制下，使得第一相位调制器4和第二相位调制器5的调制系数均应满足m＝1.4。
[0040]
第二射频信号源7以及第三射频信号源8的输出射频频率应满足以下条件： f
l'
＝9ghz,f
l
＝10ghz。
[0041]
光带通滤波器9保留单驱动马赫曾德尔调制器3输出光谱的上边带，其带宽应满足以下条件：b＝40ghz。
[0042]
第一光电探测器15和第二光电探测器16的响应带宽应满足以下条件： b1＝9ghz,b2＝10ghz。
[0043]
上述条件设置后，由第一射频信号源6输出单频微波信号，频率f1＝14.2ghz，经过第二光电探测器拍频后得到一对频率和为10ghz的拍频信号， f
1-l
＝4.2ghz，f
1-r
＝5.8ghz，如图3所示。一对拍频信号的功率比为8.37db，由图2信道分布图得知该频率属于第二信道，起始频率为10ghz。由此得到其测量值f1＝10+f
1-l
＝14.2ghz。
[0044]
实施例二：
[0045]
一种基于频率功率映射和信道化的瞬时多频率测量系统如图1所示，包括连续波激光器1、第一光耦合器2、单驱动马赫曾德尔调制器3、第一相位调制器4、第二相位调制器5、第一射频信号源6、第二射频信号源7、第三射频信号源8、光带通滤波器9、第一偏振控制器10、第二偏振控制器11、第三偏振控制器12、第二光耦合器13、第三光耦合器14、第一光电探测器15、第二光电探测器16、第一电信号处理模块17、第二电信号处理模块18；
[0046]
具体连接方式为：
[0047]
连续波激光器1的光输出端接第一光耦合器2的光输入端，第一光耦合器2 的光输出端分别接单驱动马赫曾德尔调制器3、第一相位调制器4和第二相位调制器5的光输入端，第一射频信号源6的输出端接单驱动马赫曾德尔调制器3 的射频输入端，第二射频信号源7的输出端接第一相位调制器4的射频输入端，第三射频信号源8的输出端接第二相位调制器5的射频输入端，单驱动马赫曾德尔调制器3的光输出端接光带通滤波器9的光输入端，光带通滤波器9的光输出端接第一偏振控制器10，第一相位调制器4的光输出端接第二偏振控制器 11的光输入端，第二相位调制器5的光输出端接第三偏振控制器12的光输入端，第一偏振控制器10和第二偏振控制器11的光输出端接第二光耦合器13的光输入端，第二光耦合器13的光输出端接第一光电探测器15的光输入端，第一光电探测器15的电输出端接第一电信号处理模块17的电输入端，第一偏振控制器10和第三偏振控制器12的光输出端接第三光耦合器14的光输入端，第三光耦合器14的光输出端接第二光电探测器16的光输入端，第二光电探测器16的电输出端接第二电信号处理模块18的电输入端。
[0048]
单驱动马赫曾德尔调制器3工作于最小传输点以实现载波抑制调制。
[0049]
第二射频信号源7以及第三射频信号源8的射频信号输出应功率相等且处于大信号调制下，使得第一相位调制器4和第二相位调制器5的调制系数均应满足m＝1.4。
[0050]
第二射频信号源7以及第三射频信号源8的输出射频频率应满足以下条件： f
l'
＝9ghz,f
l
＝10ghz。
[0051]
光带通滤波器9保留单驱动马赫曾德尔调制器3输出光谱的上边带，其带宽应满足以下条件：b＝40ghz。
[0052]
第一光电探测器15和第二光电探测器16的响应带宽应满足以下条件： b1＝9ghz,b2＝10ghz。
[0053]
上述条件设置后，由第一射频信号源6输出双频微波信号，频率f1＝2.6ghz 和f2＝
16.7ghz，经过第二光电探测器拍频后得到两对频率和为10ghz的拍频信号f
1-l
＝2.6ghz，f
1-r
＝7.4ghz，f
2-l
＝6.7ghz，f
2-r
＝3.3ghz，如图4所示。两对拍频信号的功率比为0.43db，8.37db，由图2信道分布图得知这两个频率分别属于第一信道和第二信道，起始频率分别为0和10ghz。由此得到其测量值f1＝f
1-l
＝2.6ghz，f2＝10+f
2-l
＝16.7ghz。
[0054]
实施例三：
[0055]
一种基于频率功率映射和信道化的瞬时多频率测量系统如图1所示，包括连续波激光器1、第一光耦合器2、单驱动马赫曾德尔调制器3、第一相位调制器4、第二相位调制器5、第一射频信号源6、第二射频信号源7、第三射频信号源8、光带通滤波器9、第一偏振控制器10、第二偏振控制器11、第三偏振控制器12、第二光耦合器13、第三光耦合器14、第一光电探测器15、第二光电探测器16、第一电信号处理模块17、第二电信号处理模块18；
[0056]
具体连接方式为：
[0057]
连续波激光器1的光输出端接第一光耦合器2的光输入端，第一光耦合器2 的光输出端分别接单驱动马赫曾德尔调制器3、第一相位调制器4和第二相位调制器5的光输入端，第一射频信号源6的输出端接单驱动马赫曾德尔调制器3 的射频输入端，第二射频信号源7的输出端接第一相位调制器4的射频输入端，第三射频信号源8的输出端接第二相位调制器5的射频输入端，单驱动马赫曾德尔调制器3的光输出端接光带通滤波器9的光输入端，光带通滤波器9的光输出端接第一偏振控制器10，第一相位调制器4的光输出端接第二偏振控制器 11的光输入端，第二相位调制器5的光输出端接第三偏振控制器12的光输入端，第一偏振控制器10和第二偏振控制器11的光输出端接第二光耦合器13的光输入端，第二光耦合器13的光输出端接第一光电探测器15的光输入端，第一光电探测器15的电输出端接第一电信号处理模块17的电输入端，第一偏振控制器10和第三偏振控制器12的光输出端接第三光耦合器14的光输入端，第三光耦合器14的光输出端接第二光电探测器16的光输入端，第二光电探测器16的电输出端接第二电信号处理模块18的电输入端。
[0058]
单驱动马赫曾德尔调制器3工作于最小传输点以实现载波抑制调制。
[0059]
第二射频信号源7以及第三射频信号源8的射频信号输出应功率相等且处于大信号调制下，使得第一相位调制器4和第二相位调制器5的调制系数均应满足m＝1.4。
[0060]
第二射频信号源7以及第三射频信号源8的输出射频频率应满足以下条件： f
l'
＝9ghz,f
l
＝10ghz。
[0061]
光带通滤波器9保留单驱动马赫曾德尔调制器3输出光谱的上边带，其带宽应满足以下条件：b＝40ghz。
[0062]
第一光电探测器15和第二光电探测器16的响应带宽应满足以下条件： b1＝9ghz,b2＝10ghz。
[0063]
上述条件设置后，由第一射频信号源6输出三频微波信号，频率f1＝5.4ghz， f2＝11.2ghz和f3＝27ghz，经过第二光电探测器拍频后得到三对频率和为10ghz 的拍频信号f
1-l
＝5.4ghz，f
1-r
＝4.6ghz，f
2-l
＝1.2ghz，f
2-r
＝8.8ghz，f
3-l
＝7ghz， f
3-r
＝3ghz，如图5所示。三对拍频信号的功率比为0.43db，8.37db，12.30db，由图2信道分布图得知这两个频率分别属于第一信道,第二信道和第三信道，起始频率分别为0，10ghz和20ghz。由此得到其测量值f1＝f
1-l
＝5.4ghz，f2＝10+f
2-l
＝11.2ghz,f3＝20+f
3-l
＝27ghz。
[0064]
实施例四：
[0065]
一种基于频率功率映射和信道化的瞬时多频率测量系统如图1所示，包括连续波激光器1、第一光耦合器2、单驱动马赫曾德尔调制器3、第一相位调制器4、第二相位调制器5、第一射频信号源6、第二射频信号源7、第三射频信号源8、光带通滤波器9、第一偏振控制器10、第二偏振控制器11、第三偏振控制器12、第二光耦合器13、第三光耦合器14、第一光电探测器15、第二光电探测器16、第一电信号处理模块17、第二电信号处理模块18；
[0066]
具体连接方式为：
[0067]
连续波激光器1的光输出端接第一光耦合器2的光输入端，第一光耦合器2 的光输出端分别接单驱动马赫曾德尔调制器3、第一相位调制器4和第二相位调制器5的光输入端，第一射频信号源6的输出端接单驱动马赫曾德尔调制器3 的射频输入端，第二射频信号源7的输出端接第一相位调制器4的射频输入端，第三射频信号源8的输出端接第二相位调制器5的射频输入端，单驱动马赫曾德尔调制器3的光输出端接光带通滤波器9的光输入端，光带通滤波器9的光输出端接第一偏振控制器10，第一相位调制器4的光输出端接第二偏振控制器 11的光输入端，第二相位调制器5的光输出端接第三偏振控制器12的光输入端，第一偏振控制器10和第二偏振控制器11的光输出端接第二光耦合器13的光输入端，第二光耦合器13的光输出端接第一光电探测器15的光输入端，第一光电探测器15的电输出端接第一电信号处理模块17的电输入端，第一偏振控制器10和第三偏振控制器12的光输出端接第三光耦合器14的光输入端，第三光耦合器14的光输出端接第二光电探测器16的光输入端，第二光电探测器16的电输出端接第二电信号处理模块18的电输入端。
[0068]
单驱动马赫曾德尔调制器3工作于最小传输点以实现载波抑制调制。
[0069]
第二射频信号源7以及第三射频信号源8的射频信号输出应功率相等且处于大信号调制下，使得第一相位调制器4和第二相位调制器5的调制系数均应满足m＝1.4。
[0070]
第二射频信号源7以及第三射频信号源8的输出射频频率应满足以下条件： f
l'
＝9ghz,f
l
＝10ghz。
[0071]
光带通滤波器9保留单驱动马赫曾德尔调制器3输出光谱的上边带，其带宽应满足以下条件：b＝40ghz。
[0072]
第一光电探测器15和第二光电探测器16的响应带宽应满足以下条件：b1＝9ghz,b2＝10ghz。
[0073]
上述条件设置后，由第一射频信号源6输出四频微波信号，频率f1＝3.7ghz，f2＝14ghz，f3＝26.5ghz和f4＝32ghz，经过第二光电探测器拍频后得到四对频率和为10ghz的拍频信号f
1-l
＝3.7ghz，f
1-r
＝6.3ghz，f
2-l
＝4ghz，f
2-r
＝6ghz，f
3-l
＝6.5ghz，f
3-r
＝3.5ghz，f
4-l
＝2ghz，f
4-r
＝8ghz，如图6所示。四对拍频信号的功率比为0.43db，8.37db，12.30db，14.93db，由图2信道分布图得知这两个频率分别属于第一信道，第二信道，第三信道和第四信道，起始频率分别为0，10ghz，20ghz和30ghz。由此得到其测量值f1＝f
1-l
＝3.7ghz，f2＝10+f
2-l
＝14ghz, f3＝20+f
3-l
＝26.5ghz，f4＝30+f
4-l
＝32ghz。