一种基于有限时间拉伸下变频微波信号测频方法及装置与流程

本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种基于有限时间拉伸下变频微波信号测频方法及装置。

背景技术：

随着微波光子学的发展，利用微波光子技术测量微波信号频率的方法因其具有测频范围大、精度高、有效地排除电磁干扰等优点而受到广泛关注。

目前基于微波光子技术的微波信号测频方法分为三类：频率-功率映射、频率-时间映射和频率-空间映射。频率-功率映射方法将待测微波信号调制到光波上，利用色散功率代价测量微波信号的频率，nguyen等人利用该方法实现了4-12ghz微波信号的测量，精度为100mhz(nguyenlvt,hunterdb.aphotonictechniqueformicrowavefrequencymeasurement.ieeephotonicstechnologyletters，2006，18(9-12)：1188-1190.)。频率-时间映射方法利用的则是色散导致不同频率微波信号的延时实现频率测量，nguyen等人(利用该方法实现了20ghz和40ghz微波信号的同时测量，但因为系统需要高速光开关和高速脉冲设置时间测量参考点，测频精度并不理想nguyenlvt.microwavephotonictechniqueforfrequencymeasurementofsimultaneoussignals.photonicstechnologyletters,ieee,2009,21(10):642-644.)。频率-空间映射方法将待测微波信号加载到光波上，利用空间光学色散原件导致不同频率微波信号衍射角度不同来实现微波信号频率的测量，wang等人利用这种方法实现了25ghz内微波信号的测量，精度为55mhz(wangc，yaojp.ultrahigh-resolutionphotonic-assistedmicrowavefrequencyidentificationbasedontemporalchannelization.ieeetransmicrowtheorytechn,2013,61(12)：4275-4282)。

综上所述，目前已报道的微波光子测频方案或多或少存在如下问题：第一，测量精度不高；第二，测量范围有限。因此，无法满足日益复杂的射频环境中对宽带微波信号的高精度测量。

技术实现要素：

本发明针对现有技术方案的缺点，提出一种基于有限时间拉伸下变频微波信号测频方法及装置。

一种基于有限时间拉伸下变频微波信号测频装置，所述装置包括：锁模激光器(1)、光放大器(2)、第一色散介质(3)、双驱电光调制器(4)、第二色散介质(5)、电光调制器(6)、光电探测器(7)、电子模数转换器(8)、数据处理模块(9)、微波信号源(10)、电功分器(11)、90°电桥(12)。其特征在于，各个器件按照如下顺序连接：锁模激光器(1)的输出端连接光放大器(2)的输入端，光放大器(2)的输出端连接第一色散介质(3)的输入端，第一色散介质(3)的输出端连接双驱电光调制器(4)的光信号输入端，双驱电光调制器(4)的光信号输出端连接第二色散介质(5)的输入端，第二色散介质(5)的输出端连接电光调制器(6)的光信号输入端，电光调制器(6)的光信号输出端连接光电探测器(7)的输入端，光电探测器(7)的输出端连接电子模数转换器(8)输入端，电子模数转换器(8)的输出端连接数据处理模块(9)的输入端。微波信号源(10)的输出端连接微波功分器(11)的输入端，其中，微波信号源(10)的一个输出端口连接电光调制器(6)的微波信号输入端，另一个端口连接90°电桥(12)的输入端，90°电桥(12)的两个输出端分别连接双驱电光调制器(4)的两个微波信号输入端。

一种基于有限时间拉伸下变频微波信号测频方法，包括以下步骤：

a.锁模激光器产生的光信号通过第一色散介质获得啁啾光脉冲；

b.步骤a中得到的啁啾光脉冲信号通过单边带调制将待测的微波信号调制到光载波上；

c.步骤b中输出的光信号再通过第二色散介质实现微波信号的时域拉伸；

d.步骤c中输出的信号通过电光调制器将待测微波信号再次调制到经过拉伸的信号上；

e.利用光电探测器和电子模数转换器对步骤d中输出的拉伸信号进行光电转换和采样量化；

f.对步骤e中输出的数字化信号进行数字信息处理。

具体的，对于步骤c中，时域拉伸的方法是：

调制信号经过两段色散介质后，拉伸倍数为m＝(d1+d2)/d1，其中d1为步骤a中所述第一色散介质的总色散量，d2为步骤c中第二色散介质的总色散量。特别地，在本专利方案中，设置d1＞d2，可实现微波信号的下变频转换。

步骤f中的数字信号处理包括以下步骤：

步骤1：取出单个调制有微波信号的光脉冲；

步骤2：对步骤1所得信号做傅里叶变换运算得出其信号频率，再依据下变频倍数计算出原微波信号频率。

本发明利用双驱动马赫增德调制器和电桥结构，通过单边带调制技术消除了色散功率代价对测频范围的限制。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

(1)由于光学模拟带宽大，本测频系统实现了宽范围的测量，其测频范围为2～50ghz；

(2)由于锁模脉冲光源重频为10mhz，该测频方案的精度也为10mhz，实现了较高精度的测频。

附图说明

图1为本发明提供的基于有限光学时间拉伸下变频的微波信号测频装置的结构示意图。

图2为对47.7ghz微波信号进行测频，单边带调制后所得光信号的局部时域图像；

图3为对47.7ghz微波信号进行测频，经过第二色散介质后的局部时域图像；

图4为对47.7ghz微波信号进行测频，二次调制后得到的光信号局部时域图像；

图5为对47.7ghz微波信号进行测频，最后经过傅里叶变换得到的频谱图。

其中，1为锁模激光器，2为光放大器，3为第一色散介质，4为双驱电光调制器，5为第二色散介质，6为电光调制器，7为光电探测器，8为电子模数转换器，9为数据处理模块，10为微波信号源，11为电功分器，12为90°电桥。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，装置结构由锁模激光器(1)、光放大器(2)、第一色散介质(3)、双驱电光调制器(4)、第二色散介质(5)、电光调制器(6)、光电探测器(7)、电子模数转换器(8)、数据处理模块(9)、微波信号源(10)、电功分器(11)、90°电桥(12)构成。所述结构中，第一色散介质(3)以及第二色散介质(5)可以是色散补偿光纤、光子晶体光纤、啁啾光纤光栅等。

具体地，锁模激光器(1)产生的超短光脉冲，经过光放大器(2)以及第一色散介质(3)，形成线性啁啾光脉冲。接着通过双驱调制器(4)以单边带调制的方式将待测频率的微波信号调制在光脉冲包络上。之后通过第二色散介质(5)，实现微波信号的降频，其放大倍数为

m＝(d1+d2)/d1(1)

其中d1为步骤a中所述第一色散介质(3)的总色散量，d2为步骤c中第二色散介质(5)的总色散量。特别地，在本专利方案中d1＞d2。之后再通过电光调制器(6)将待测微波信号再次调制到该序列脉冲上此时光载波上的信号为待测信号f与其降频信号f/m的混频。随后依次通过探测器(7)的光电转换和电子adc(8)的采样量化，最后输入数字处理模块进行傅里叶变换得出从而测出f。

具体地，直至第二次调制之前，光路中光场的表达式为：

其中eenv(t)为经色散展宽后的光脉冲包络，m为双驱调制器的调制系数，wrf为待测微波信号的角频率，为色散引入的相移项。

经过第二个电光调制器(6)之后，光路中电场的表达式为(小信号近似且只保留一阶项)：

对于确定的色散介质(3)与色散介质(5)而言拉伸倍数m是确定的，即可由此计算出待测微波信号的频率。

本发明将微波源(10)产生的待测信号分两路先后经两个电光调制器调制到同一脉冲序列上，经过时间拉伸降频的信号与其本身拍频得到信号以进行检测。

实施例：

本实例采用matlab软件进行仿真。在以下具体参数下，对本发明提供的基于有限光学时间拉伸下变频的微波信号测频方法进行了数值仿真。其中被动锁模光源(1)产生脉宽诶176飞秒的光脉冲，其重频为10mhz。第一色散介质(3)为长18km的色散补偿光纤，第二色散介质(5)为长2km的色散补偿光纤，由此实现了下降频为待测微波信号的十分之一。两个调制器的模拟带宽均为50ghz，电桥带宽为2.5ghz到50ghz。基于以上设定，该系统的测频范围为2～50ghz。

由图2可知光脉冲包络上加载了频率为47.7ghz的微波信号，由图2可知经过第二色散介质后，信号降频至原信号的9/10。由图4可观察到经过二次调制后可以得到原频率降频10倍的信号包络。由图5可知测得的微波信号频率为4.77×10＝47.7ghz。

上述实施例完成了对频率为47.7ghz微波信号的频率测量，测量结果与预期相符。由具体实例可知，本发明提供了一种基于有限光学时间拉伸下变频的微波信号测频方法及装置，它具有测频范围大、精度高的优点。同时还具有较强的抗电磁干扰能力。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。