一种基于双环锁相的毫米波光电振荡系统及其稳频方法与流程

本发明涉及光电振荡器技术领域，特别是涉及一种基于双环锁相的毫米波光电振荡系统及其稳频方法。

背景技术：

毫米波频率介于微波和光波之间，具有频谱宽、分辨率高、抗干扰性好等优点。因此，毫米波系统在卫星通信、雷达、制导、电子对抗、无人驾驶和天文等领域均得到了广泛的应用。而毫米波频率源是毫米波电子系统的重要组成部分，它的技术指标直接决定着毫米波系统的性能。随着毫米波技术的迅猛发展，毫米波电子系统对频率源的技术指标提出了越来越高的要求，例如：低相位噪声，高频率稳定度，以及高调谐分辨率。

现有的毫米波信号源可以利用光电振荡器生成，光电振荡器利用高品质光学谐振腔实现电磁储能，在电感q值、工作频段、抗电磁干扰等方面具有独特的优势，可产生从几百兆赫兹到上百吉赫兹频率范围的高频谱纯度微波信号，并且信号的相位噪声与工作频段无关，是高频微波系统尤其是毫米波系统非常理想的信号发生装置。

然而，发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术至少存在如下问题：

由于光纤具有温度、震动及应力敏感性，光电振荡器的长期频率稳定度较差。对于低频的光电振荡器而言，可以利用电控移相器通过锁相环技术来实现光电振荡器的频率稳定，但是由于电控移相器的移相范围随着工作频率的增加而减小，在毫米波波段，现有的电控移相器移相范围太窄，无法跟随和补偿光电振荡器信号的相位变化，从而难以优化毫米波高频光电振荡器的频率稳定度。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种基于双环锁相的毫米波光电振荡系统及其稳频方法，以实现毫米波信号源具有长期频率稳定性。具体技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种基于双环锁相的毫米波光电振荡系统，所述系统包括：

激光器，参考晶振，第二鉴相器，比例-积分-微分pid控制器，第二光电振荡器，谐波混频器，第一鉴相器，以及第一光电振荡器；

其中，所述激光器用于生成连续的激光信号；

所述参考晶振用于生成参考信号；

所述第二鉴相器用于将所述参考信号与所述第二光电振荡器的分频输出信号进行鉴相，得到鉴相后的信号；

所述pid控制器用于对所述第二鉴相器鉴相后得到的信号进行pid处理，输出环境误差控制信号；

所述第二光电振荡器用于基于所述环境误差控制信号对自身的谐振腔长进行反馈补偿，输出目标微波频段信号；

所述谐波混频器用于对所述第一光电振荡器生成的毫米波频段信号和所述目标微波频段信号进行谐波混频，输出差频信号；

所述第一鉴相器用于将所述差频信号与所述参考信号进行鉴相，得到所述第一光电振荡器的谐振腔长误差信号；

所述第一光电振荡器用于基于所述谐振腔长误差信号对自身的谐振腔长进行反馈补偿，输出目标毫米波频段信号。

可选的，所述第一光电振荡器，包括：

双平行马赫-曾德尔调制器，用于将所述毫米波频段信号调制到所述激光信号上，并通过所述谐振腔长误差信号控制调制后的信号，得到第一光信号；

光滤波器，用于对所述第一光信号进行滤波处理，得到第二光信号；

第一光纤储能链路，用于储能以及传输所述第二光信号；

第一光电探测器，用于将所述第二光信号转换为第一电信号；

第一电放大器，用于对所述第一电信号进行放大处理；

毫米波带通滤波器，用于对放大后的第一电信号进行滤波处理，得到目标毫米波频段信号。

可选的，所述第二光电振荡器，包括：

电控移相器，用于利用所述环境误差控制信号对所述第二光电振荡器生成的微波频段信号进行相位调整，得到第二电信号；

马赫-曾德尔调制器，用于将所述第二电信号调制到所述激光信号上，得到第三光信号；

第二光纤储能链路，用于储能以及传输所述第三光信号；

第二光电探测器，用于将所述第三光信号转换为第三电信号；

第二电放大器，用于对所述第三电信号进行放大处理；

微波带通滤波器，用于对放大后的第三电信号进行滤波处理，得到目标微波频段信号；

分频器，用于对所述第二电信号进行分频，得到分频输出信号。

可选的，所述激光器的输出端分别与所述双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端以及所述马赫-曾德尔调制器的光输入端连接；

所述参考晶振的输出端分别与所述第一鉴相器的其中一个输入端以及所述第二鉴相器的其中一个输入端连接；

所述第二鉴相器的输出端与所述pid控制器的输入端连接；

所述pid控制器的输出端与所述电控移相器的电压控制端连接；

所述谐波混频器的输出端与所述第一鉴相器的其中一个输入端连接；

所述第一鉴相器的输出端与所述双平行马赫-曾德尔调制器的偏压控制端连接；

所述电控移相器的输出端分别与所述分频器的输入端和所述马赫-曾德尔调制器的电输入端连接；

所述分频器的输出端与所述第二鉴相器的其中一个输入端连接；

所述马赫-曾德尔调制器的输出端与所述第二光纤储能链路的输入端连接；

所述第二光纤储能链路的输出端与所述第二光电探测器的输入端连接；

所述第二光电探测器的输出端与所述第二电放大器的输入端连接；

所述第二电放大器的输出端与所述微波带通滤波器的输入端连接；

所述微波带通滤波器的输出端与分别与所述电控移相器的射频输入端以及所述谐波混频器的其中一个输入端连接；

所述双平行马赫-曾德尔调制器的光输出端与所述光滤波器的输入端连接；

所述光滤波器的输出端与所述第一光纤储能链路的输入端连接；

所述第一光纤储能链路的输出端与所述第一光电探测器的输入端连接；

所述第一光电探测器的输出端与所述第一电放大器的输入端连接；

所述第一电放大器的输出端与所述毫米波带通滤波器的输入端连接；

所述毫米波带通滤波器的输出端分别与所述双平行马赫-曾德尔调制器的电信号输入端以及所述谐波混频器的其中一个输入端连接。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于双环锁相的毫米波光电振荡系统的稳频方法，应用于第一方面所述的基于双环锁相的毫米波光电振荡系统，所述方法包括：

第一光电振荡器和第二光电振荡器利用激光信号起振；

将所述第二光电振荡器产生的微波频段信号经分频后与参考信号进行鉴相，得到鉴相后的信号；

对鉴相后得到的信号进行pid处理，输出环境误差控制信号；

基于所述环境误差控制信号对第二谐振腔长进行反馈补偿，输出目标微波频段信号，其中，所述目标微波频段信号为频率稳定的微波频段信号；

将目标微波频段信号与第一光电振荡器产生的毫米波频段信号进行谐波混频，得到差频信号；

将所述差频信号与所述参考信号进行鉴相，得到所述第一光电振荡器的谐振腔长误差信号；

基于所述谐振腔长误差信号对第一谐振腔长进行反馈补偿，输出目标毫米波频段信号，其中，所述目标毫米波频段信号为频率稳定的毫米波频段信号。

可选的，所述基于所述环境误差控制信号对第二谐振腔长进行反馈补偿，输出目标微波频段信号的步骤，包括：

利用所述环境误差控制信号对所述第二光电振荡器生成的微波频段信号进行相位调整，得到第二电信号；

对所述第二电信号进行分频，得到分频输出信号；

将所述第二电信号调制到所述激光信号上，得到第三光信号；

储能以及传输所述第三光信号；

将所述第三光信号转换为第三电信号；

对所述第三电信号进行放大处理；

对放大后的第三电信号进行滤波处理，得到目标微波频段信号。

可选的，所述基于所述谐振腔长误差信号对第一谐振腔长进行反馈补偿，输出目标毫米波频段信号的步骤，包括：

将所述毫米波频段信号调制到所述激光信号上，通过所述谐振腔长误差信号控制调制后的信号，得到第一光信号；

对所述第一光信号进行滤波处理，得到第二光信号；

储能以及传输所述第二光信号；

将所述第二光信号转换为第一电信号；

对所述第一电信号进行放大处理；

对放大后的第一电信号进行滤波处理，得到目标毫米波频段信号。

可选的，所述对所述第一光电振荡器生成的毫米波频段信号和所述目标微波频段信号进行谐波混频，输出差频信号的步骤，包括：

将所述目标微波频段信号作为本振信号，对所述第一光电振荡器生成的毫米波频段信号进行谐波混频，输出差频信号。

本发明实施例提供的一种基于双环锁相的毫米波光电振荡系统及其稳频方法，能够基于第一光电振荡器和第二光电振荡器组成的双环锁相系统，先由第二光电振荡器生成频率稳定的目标微波频段信号，再将该目标微波频段信号与第一光电振荡器生成的毫米波频段信号进行谐波混频得到差频信号，经与参考信号鉴相后得到第一光电振荡器的谐振腔长误差信号，再基于该谐振腔长误差信号对第一光电振荡器行反馈补偿，从而输出目标毫米波频段信号，所输出的目标毫米波频段信号具有长期频率稳定度及低相位噪声特点，能够满足毫米波电子系统对频率源更高的要求。当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于双环锁相的毫米波光电振荡系统的一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于双环锁相的毫米波光电振荡系统的稳频方法的一种流程示意图；

图3为本发明实施例中步骤s104的一种流程示意图；

图4为本发明实施例中步骤s107的一种流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于双环锁相的毫米波光电振荡系统，包括：

激光器5，参考晶振6，第二鉴相器7，pid(proportion-integration-differentiation，比例-积分-微分)控制器8，第二光电振荡器2，谐波混频器4，第一鉴相器3，以及第一光电振荡器1。

本发明实施例中，第一光电振荡器1作为主光电振荡器，可以包括：双平行马赫-曾德尔调制器(dpmzm)106，光滤波器105，第一光纤储能链路104，第一光电探测器101，第一电放大器102，以及毫米波带通滤波器103。

第二光电振荡器2作为从光电振荡器，可以包括：电控移相器203，分频器202，马赫-曾德尔调制器(mzm)201，第二光纤储能链路204，第二光电探测器205，第二电放大器206，以及微波带通滤波器207。

其中，激光器5用于生成连续的激光信号。具体地，激光器5的输出端与双平行马赫-曾德尔调制器106的光输入端连接，并且，激光器5的输出端还与马赫-曾德尔调制器201的光输入端连接。

参考晶振6用于生成参考信号，参考晶振6作为参考频率源，可以是一个产生高频率稳定度外参考信号的模块。需要说明的是，本发明实施例的参考晶振可以采用更稳定的频率源以实现更佳的光电振荡稳频效果。具体地，参考晶振6的输出端与第一鉴相器3的其中一个输入端(lo端)连接，参考晶振6的输出端与还第二鉴相器7的其中一个输入端(lo端)连接。

第二鉴相器7用于将第二光电振荡器2的分频输出信号与参考信号进行鉴相，得到鉴相后的信号，该信号是一个误差信号，用于反映相位变化的信息。本发明实施例中的鉴相器可以有两个输入端(rf端和lo端)和一个输出端(if端)，鉴相后的信号即为第二鉴相器7的输出信号。第二光电振荡器2可以输出一个分频输出信号，从而使第二鉴相器7将分频输出信号与参考信号进行鉴相，输出鉴相后的信号，然后将鉴相后的信号传输至pid控制器。具体地，第二鉴相器7的输出端(if端)与pid控制器8的输入端连接。

pid控制器8用于对第二鉴相器7鉴相后得到的信号进行pid处理，输出环境误差控制信号，然后将该环境误差控制信号传输至第二光电振荡器2中的电控移相器203。需要说明的是，本发明实施例可以采用现有的pid控制器进行处理，其具体结构不做限定。具体地，pid控制器8的输出端与电控移相器203的电压控制端连接。

第二光电振荡器2用于基于环境误差控制信号对自身的谐振腔长进行反馈补偿，输出目标微波频段信号，目标微波频段信号具有稳定的频率。

谐波混频器4用于对第一光电振荡器1生成的毫米波频段信号和目标微波频段信号进行谐波混频，进而输出差频信号，并将差频信号传输至第一鉴相器3。谐波混频器的作用是，将已经被稳定了的第二光电振荡器2(即从光电振荡器)产生的信号(即目标微波频段信号)与第一光电振荡器1(主光电振荡器)产生的信号(即毫米波频段信号)进行鉴频，从而产生反馈信号，控制第一光电振荡器1的谐振腔长，从而实现第一光电振荡器1的频率稳定。具体地，谐波混频器4的输出端可以与第一鉴相器3的输入端(rf端)连接。

第一鉴相器3用于将差频信号与参考信号进行鉴相，得到第一光电振荡器1的谐振腔长误差信号，然后将该谐振腔长误差信号传输至第一光电振荡器1中的双平行马赫-曾德尔调制器106。具体地，第一鉴相器3的输出端可以与双平行马赫-曾德尔调制器106的偏压控制端连接。

第一光电振荡器1用于基于谐振腔长误差信号对自身的谐振腔长进行反馈补偿，输出目标毫米波频段信号。

在第二光电振荡器2中，电控移相器203用于将环境误差控制信号和第二光电振荡器2自身生成的微波频段信号进行相位调整，得到第二电信号。具体地，电控移相器203的输出端分别与分频器202的输入端和马赫-曾德尔调制器201的电输入端连接；

分频器202，用于对第二电信号进行分频，得到分频输出信号。具体地，分频器202的输出端与第二鉴相器7的其中一个输入端(rf端)连接。

马赫-曾德尔调制器201，用于将第二电信号调制到激光信号上，得到第三光信号。具体地，马赫-曾德尔调制器201的光输出端可以与第二光纤储能链路204的输入端连接。

第二光纤储能链路204，用于储能以及传输第三光信号。具体地，第二光纤储能链路204的输出端可以与第二光电探测器205的输入端连接。

第二光电探测器205，用于将第三光信号转换为第三电信号。具体地，第二光电探测器205的输出端可以与第二电放大器206的输出端连接。

第二电放大器206，用于对第三电信号进行放大处理。具体地，第二电放大器206的输出端可以与微波带通滤波器207的输入端连接。

微波带通滤波器207，用于对放大后的第三电信号进行滤波处理，得到目标微波频段信号，目标微波频段信号具有长期频率稳定度及低相位噪声。具体地，微波带通滤波器207的输出端可以与电控移相器203的其中射频输入端连接，微波带通滤波器207的输出端还可以与谐波混频器4的其中一个输入端(lo端)连接。

在第一光电振荡器1中，双平行马赫-曾德尔调制器106，用于将谐振腔长误差信号和毫米波频段信号调制到激光信号上，得到第一光信号，即，利用光子移相技术，在对双平行马赫-曾德尔调制器106的偏置电压和光带通滤波器的通频带进行调整后，通过控制双平行马赫-曾德尔调制器106的偏置电压，实现光学领域的射频相位偏移及主光电振荡器谐振腔长的反馈补偿。具体地，双平行马赫-曾德尔调制器106的光输出端可以与光滤波器105的输入端连接。

光滤波器105，用于对第一光信号进行滤波处理，得到第二光信号。具体地，光滤波器105的输出端可以与第一光纤储能链路104的输入端连接。

第一光纤储能链路104，用于储能以及传输第二光信号。具体地，第一光纤储能链路104的输出端可以与第一光电探测器101的输入端连接。

第一光电探测器101，用于将第二光信号转换为第一电信号。具体地，第一光电探测器101的输出端可以与第一电放大器102的输入端连接。

第一电放大器102，用于对第一电信号进行放大处理。具体地，第一电放大器102的输出端可以与毫米波带通滤波器103的输入端连接。

毫米波带通滤波器103，用于对放大后的第一电信号进行滤波处理，得到目标毫米波频段信号。具体地，毫米波带通滤波器103的输出端可以与双平行马赫-曾德尔调制器106的电信号输入端连接，毫米波带通滤波器103的输出端还可以与谐波混频器4的其中一个输入端(rf端)连接。

作为本发明实施例一种可选的实施方式，毫米波带通滤波器103的输出端还可以通过功率分配器和射频连接线(图中未示出)输出目标毫米波频段信号，从而作为毫米波频率源使用。

本发明实施例提供的一种基于双环锁相的毫米波光电振荡系统，能够基于第一光电振荡器和第二光电振荡器组成的双环锁相系统，先由第二光电振荡器生成频率稳定的目标微波频段信号，再将该目标微波频段信号与第一光电振荡器生成的毫米波频段信号进行谐波混频得到差频信号，经与参考信号鉴相后得到第一光电振荡器的谐振腔长误差信号，再基于该谐振腔长误差信号对第一光电振荡器行反馈补偿，从而输出目标毫米波频段信号，所输出的目标毫米波频段信号具有长期频率稳定度及低相位噪声特点，能够满足毫米波电子系统对频率源更高的要求。

如图2所示，本发明实施例提供了一种基于双环锁相的毫米波光电振荡系统的稳频方法，该过程可以包括以下步骤：

s101，第一光电振荡器和第二光电振荡器利用激光信号起振；

s102，将第二光电振荡器产生的微波频段信号经分频后与参考信号进行鉴相，得到鉴相后的信号；

s103，对鉴相后得到的信号进行pid处理，输出环境误差控制信号。

s104，基于环境误差控制信号对第二谐振腔长进行反馈补偿，输出目标微波频段信号，其中，目标微波频段信号为频率稳定的微波频段信号。

s105，将目标微波频段信号与第一光电振荡器产生的毫米波频段信号进行谐波混频，得到差频信号。

s106，将差频信号与参考信号进行鉴相，得到第一光电振荡器的谐振腔长误差信号。

s107，基于谐振腔长误差信号对第一谐振腔长进行反馈补偿，输出目标毫米波频段信号，其中，目标毫米波频段信号为频率稳定的毫米波频段信号。

作为本发明实施例一种可选的实施方式，如图3所示，上述步骤s104，包括：

s1041，利用环境误差控制信号对第二光电振荡器生成的微波频段信号进行相位调整，得到第二电信号。

s1042，对第二电信号进行分频，得到分频输出信号。

s1043，将第二电信号调制到激光信号上，得到第三光信号。

s1044，储能以及传输第三光信号。

s1045，将第三光信号转换为第三电信号。

s1046，对第三电信号进行放大处理。

s1047，对放大后的第三电信号进行滤波处理，得到目标微波频段信号。

作为本发明实施例一种可选的实施方式，如图4所示，上述步骤s107，包括：

s1071，将毫米波频段信号调制到激光信号上，通过谐振腔长误差信号控制调制后的信号，得到第一光信号。

s1072，对第一光信号进行滤波处理，得到第二光信号。

s1073，储能以及传输第二光信号。

s1074，将第二光信号转换为第一电信号。

s1075，对第一电信号进行放大处理。

s1076，对放大后的第一电信号进行滤波处理，得到目标毫米波频段信号。

本发明实施例提供的一种基于双环锁相的毫米波光电振荡系统的稳频方法，能够基于第一光电振荡器和第二光电振荡器组成的双环锁相系统，先由第二光电振荡器生成频率稳定的目标微波频段信号，再将该目标微波频段信号与第一光电振荡器生成的毫米波频段信号进行谐波混频得到差频信号，经与参考信号鉴相后得到第一光电振荡器的谐振腔长误差信号，再基于该谐振腔长误差信号对第一光电振荡器行反馈补偿，从而输出目标毫米波频段信号，所输出的目标毫米波频段信号具有长期频率稳定度及低相位噪声特点，能够满足毫米波电子系统对频率源更高的要求。

对于方法实施例而言，由于其基本相似于系统实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。