基于光信道化引导的超高分辨率微波频谱测量方法及装置

本发明属于微波光子领域，尤其涉及一种基于光信道化引导的超高分辨率微波频谱测量方法及装置。

背景技术：

1、微波光子频谱测量装置是一种用于捕捉信号频域强度信息的设备或系统，在广泛的科学和工业应用中发挥着核心作用，例如材料分析、医学成像、远程大气监测、和深空探测。传统的电学微波测量装置可以在大的带宽上提供高分辨率，然而，目前该类装置体积庞大，系统精密，不适合在实验室外使用。在对瞬时和经济高效的频谱分析需求不断增长的推动下，以光学信道化为引导的频谱测量方法引起了巨大的研究兴趣。

2、目前，具有代表性的频谱或光谱测量研究成果主要有：1)kita,derek m.,et al."high-performance and scalable on-chip digital fourier transformspectroscopy."nature communications 9.1(2018):4405。2)tao,yuansheng,et al."fully on-chip microwave photonic instantaneous frequency measurement system."laser&photonics reviews 16.11(2022):2200158。3)singh,karanveer,et al."photonicmicrowave frequency measurement with high accuracy and sub-mhz resolution."journal of lightwave technology 40.9(2022):2748-2753。4)yao,chunhui,et al."broadband picometer-scale resolution on-chip spectrometer with reconfigurablephotonics."light:science&applications 12.1(2023):156。5)wang,zhu,et al."single-shot on-chip spectral sensors based on photonic crystal slabs."naturecommunications 10.1(2019):1020。上述论文中主要的方法有基于光栅或者阵列波导光栅实现波长维度的空间分离，基于光子晶体的结构复杂性实现宽带随机响应，实现信号的重建等。但以上的方法往往陷于结构复杂度和分辨率的矛盾中，即简单的结构无法获得更高的分辨率，但复杂的结构，如光子晶体法，在获得高分辨率的同时，也导致系统过于复杂。因此以一个简单而稳定的结构实现高分辨率的微波频谱测量，仍然是一个挑战。

3、根据以上分析可知，超高分辨率微波频谱测量装置的设计以及制备，难点主要在于在一个简单而稳定的结构下实现超分辨的效果。

技术实现思路

1、本发明旨在采用光学滤波器阵列将宽带微波信号信道化处理，并以此为引导达到频谱超分辨的效果。为此，本发明提供一种基于光信道化引导的超高分辨率微波频谱测量方法及装置。

2、本发明的一种基于光信道化引导的超高分辨率微波频谱测量方法，采用光学滤波阵列将宽带微波信号进行信道化处理，得到信道化下光功率测量值阵列和以每个信道带宽为分辨单位的低分辨频谱信息，并判断各个信道有无频谱信息；采用微波信号频率扫描方式，建立超高分辨率的微波频谱信道化下各个信道输出功率的超大规模映射矩阵，并加以存储；以上述低分辨频谱信息为引导，将超大规模映射矩阵与输入待测信号进行运算，以运算的输出强度值建立强度映射矩阵；结合压缩感知和transformer神经网络进一步后处理：压缩感知获取信号带宽及中心频率信息，将此信息与强度映射矩阵结合，作为transformer神经网络模型的输入，利用压缩感知和transformer神经网络模型的联合后处理获得超高分辨率的微波频谱信息。

3、本发明的一种基于光信道化引导的超高分辨率微波频谱测量装置，由一个硅基直通型微环、上传/下载型微环、多端口信道阵列波导光栅以及光电探测器阵列顺次连接组成；直通型微环的自由频谱区为100ghz，以之进行陷波滤波；上传/下载型微环的自由频谱区为101.2ghz，以之进行带通滤波；阵列波导光栅的信道间隔为101.2ghz，其每一个输出端口对应连接一个光电探测器。

4、装置针对1.4ghz-39.8ghz频率范围进行频谱测量，达到1.2ghz的低分辨频谱测量；采用微波信号频率扫描方式，以10mhz为步长为测量装置建立32×3841的高分辨率超大规模映射矩阵，并加以存储；以低分辨频谱信息为引导，由输入待测信号和超大规模映射矩阵运算后生成32×1的强度映射矩阵；将此矩阵输入压缩感知后处理模块，实现待测信号中心频率和频谱宽度的获取，进一步将以上信息结合transformer神经网络模型后处理实现待测信号的高精度重建。

5、本发明的有益技术效果为：

6、1、将频域信号采用光学信道化引导的方法实现频谱信息采集。

7、2、建立输入信道到输出测量结果的超大规模映射矩阵，并以压缩感知和transformer神经网络模型的联合后处理，获得超高分辨率微波频谱信息。

8、3、本发明装置将1.4ghz-39.8ghz频率范围内的频谱信道化，实现了以每个信道带宽为分辨单位的低分辨频谱信息的获取；进一步利用所建立的超大规模映射矩阵，结合压缩感知和transformer神经网络模型联合后处理，实现了优于10mhz的超高分辨频谱测量功能。

9、4、本发明将在光通信、微波光子学以及电子战等领域中有着重要作用。

技术特征：

1.一种基于光信道化引导的超高分辨率微波频谱测量方法，其特征在于，采用光学滤波阵列将宽带微波信号进行信道化处理，得到信道化下光功率测量值阵列和以每个信道带宽为分辨单位的低分辨频谱信息，并判断各个信道有无频谱信息；采用微波信号频率扫描方式，建立超高分辨率的微波频谱信道化下各个信道输出功率的超大规模映射矩阵，并加以存储；以上述低分辨频谱信息为引导，将超大规模映射矩阵与输入待测信号进行运算，以运算的输出强度值建立强度映射矩阵；结合压缩感知和transformer神经网络进一步后处理：压缩感知获取信号带宽及中心频率信息，将此信息与强度映射矩阵结合，作为transformer神经网络模型的输入，利用压缩感知和transformer神经网络模型的联合处理获得超高分辨率的微波频谱信息。

2.一种基于光信道化引导的超高分辨率微波频谱测量装置，其特征在于，由一个硅基直通型微环(1)、上传/下载型微环(2)、多端口信道阵列波导光栅(3)以及光电探测器阵列(4)顺次连接组成；直通型微环(1)的自由频谱区为100ghz，以之进行陷波滤波；上传/下载型微环(2)的自由频谱区为101.2ghz，以之进行带通滤波；阵列波导光栅(3)的信道间隔为101.2ghz，其每一个输出端口对应连接一个光电探测器(4)；

技术总结
本发明公开了一种基于光信道化引导的超高分辨率微波频谱测量方法及装置。方法为：采用微波信号频率扫描方式为测量装置建立高分辨率超大规模映射矩阵，并加以存储；以低分辨频谱信息为引导，由输入待测信号和超大规模映射矩阵运算后生成强度映射矩阵；将此矩阵输入压缩感知后处理模块，将以上信息结合transformer神经网络模型后处理实现待测信号的高精度重建。装置由一个硅基直通型微环、上传/下载型微环、多端口信道阵列波导光栅以及光电探测器阵列顺次连接组成。本发明实现了以每个信道带宽为分辨单位的低分辨频谱信息的获取，实现了优于10MHz的超高分辨频谱测量功能。

技术研发人员：邹喜华,解长健,叶佳,潘炜,闫连山
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7