基于频谱拼接的射频线性调频信号生成方法及装置与流程
本发明涉及一种线性调频信号生成方法，尤其涉及一种基于微波光子技术的线性调频信号生成方法及装置。
背景技术：
线性调频信号在雷达探测中有着重要作用，它在扩展雷达频谱范围的同时增加脉冲宽度，提高平均发射功率以及加大通信距离，突破了传统脉冲雷达时宽与带宽相互制约的关系。线性调频信号的时间带宽积(tbwp)是雷达探测信号的重要参数之一，大带宽可以提高雷达的距离分辨率，大时宽可以提高雷达的速度分辨率。因此，研究产生具有大tbwp的线性调频信号具有重要意义。若在电域中产生线性调频信号，由于电子瓶颈的存在，产生信号的中心内频率低，瞬时带宽小，系统结构也很复杂。随着微波光子技术的发展，利用电光调制技术产生微波信号因其噪声小，带宽大而受到广泛研究。目前，依据工作原理可划分为频谱整形-频时映射法、微波光子倍频法和微波光子调相法，频谱拼接法四种。频谱整形-频时映射法，其原理是对宽谱信号的光谱根据所需信号的时域波形进行整形，然后通过频时映射将频域的形状映射到时域，得到所需波形。微波光子倍频法，其基本思路是利用电域产生的波形驱动电光调制器，由电光非线性效应激发出不同谐波边带，选取其中不同的边带拍频，可得到宽带、高频线性调频信号，从而增加波形的中心频率和带宽。张方正等人在“photonics-basedreal-timeultra-high-range-resolutionradarwithbroadbandsignalgenerationandprocessing”(zhang,fangzheng,qingshuiguo,andshilongpan."photonics-basedreal-timeultra-high-range-resolutionradarwithbroadbandsignalgenerationandprocessing."scientificreports7.1(2017):13848.)中将线性调频信号调制到双平行马赫增德尔调制器(dpmzm)上，调节偏置电压，只保留偶数阶边带，送入光电探测器(pd)拍频，得到带宽扩大4倍的线性调频信号。微波光子调相法，通过使用光学手段对微波信号引入二次抛物线型的相位变化，得到所需的线性调频信号。通过对光载波进行二次相位调制，之后再与光载波拍频得到线性调频信号，但是这种方法受限于相位调制深度，要提升信号的tbwp，需要提高调制深度，对于调制深度为π时，产生的信号的时间带宽积为16。基于这种原理张亚梅等人在“photonicgenerationoflinearfrequency-modulatedwaveformwithimprovedtime-bandwidthproduct”(zhang,yamei,xingweiye,andshilongpan."photonicgenerationoflinearfrequency-modulatedwaveformwithimprovedtime-bandwidthproduct."2015internationaltopicalmeetingonmicrowavephotonics(mwp).ieee,2015.)中提出了用分段法进行二次相位调制，将要调制上的抛物线分段，然后放大到电光调制器所能承受的且引入相移为2π整数倍的功率，利用相位可折叠卷绕的特性，等效增加相位调制的调制深度，从而将所产生的信号的时间带宽积提高了45倍。此后她们又在“photonicgenerationoflinear-frequency-modulatedwaveformswithimprovedtime-bandwidthproductbasedonpolarizationmodulation”(zhang,yamei,etal."photonicgenerationoflinear-frequency-modulatedwaveformswithimprovedtime-bandwidthproductbasedonpolarizationmodulation."journaloflightwavetechnology35.10(2017):1821-1829.)中提出了基于偏振调制器的分段抛物线调制法，将信号的时间带宽积提高了500倍。频谱拼接法，是将某一段频率范围分成几小段，在每一小段上调制上线性调频信号，然后拼接起来，组成带宽更大的线性调频信号。陈文娟等人在“photonics-basedreconfigurablemulti-bandlinearlyfrequency-modulatedsignalgeneration”(chen,wenjuan,etal."photonics-basedreconfigurablemulti-bandlinearlyfrequency-modulatedsignalgeneration."opticsexpress26.25(2018):32491-32499.)中提出了利用梳齿不对齐的双光频梳，在一组上调制上线性调频信号，和另一组拍频，拼接，产生大带宽的线性调频信号。
上述方法在抛物线分段数较少的时候较为有效，而当分段数增加到一定程度时，一方面对电基带波形发生器的带宽、采样率提出了非常高的要求，另一方面所产生的信号的质量急速下降，时间带宽积难以进一步提高。如何进一步得到大时间带宽积的信号成为亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于频谱拼接的射频线性调频信号生成方法，可大幅提高线性调频信号的带宽范围。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于频谱拼接的射频线性调频信号生成方法，将频率为fc的光信号分为两路；对第一路光信号进行移频后得到参考光信号；将第二路光信号首先转换为频率呈周期性变化的多载波光信号，每一周期t中的多载波光信号均由脉宽相同而频率按频率差δf呈等差递进关系的n个光脉冲连续拼接而成，然后用原始射频线性调频信号对所述多载波光信号进行载波抑制单边带调制，得到光线性调频信号，所述原始射频线性调频信号的周期等于所述光脉冲的脉宽τ且斜率
优选地，使用以下方法将第二路光信号转换为所述多载波光信号：将第二路光信号通过光开关转换为周期性的光脉冲信号，然后将光脉冲信号输入单次移频量为δf的循环移频模块，并令以下条件得到满足：
进一步优选地，所述循环移频模块包括：
光合路器，用于将所述光脉冲信号与来自光分路器的光信号进行合路；
双平行马赫曾德尔调制器，其被其余参数相同但相位相差π/2的射频信号驱动，用于对所输入光信号进行移频，移频量为所述射频信号的频率，移频的方向由双平行马赫曾德尔调制器的偏置状态决定；
光分路器，用于将双平行马赫曾德尔调制器的输出信号分为两路，一路作为所述循环移频模块的输出，一路送入所述光合路器；
光滤波器，串接于光合路器与光分路器之间或者接在所述循环移频模块的输出端，其对于频率在fc+δf～fc+n×δf光信号为带通，对于频率为fc+(n+1)×δf及以上频率的光信号为带阻；
光放大器，串接于光合路器与光分路器之间。
基于相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种基于频谱拼接的射频线性调频信号生成方法，将频率为fc的光信号分为两路；将第一路光信号首先转换为频率呈周期性变化的多载波光信号，每一周期中的多载波光信号均由脉宽相同而频率按频率差δf呈等差递进关系的n个光脉冲连续拼接而成，然后用原始射频线性调频信号对所述多载波光信号进行载波抑制单边带调制，得到光线性调频信号，所述原始射频线性调频信号的周期等于所述光脉冲的脉宽τ且斜率
优选地，使用以下方法将第一路光信号转换为所述多载波光信号：将第一路光信号通过光开关转换为周期性的光脉冲信号，然后将光脉冲信号输入单次移频量为δf的循环移频模块，并令以下条件得到满足：
进一步优选地，所述循环移频模块包括：
光合路器，用于将所述光脉冲信号与来自光分路器的光信号进行合路；
双平行马赫曾德尔调制器，其被其余参数相同但相位相差π/2的射频信号驱动，用于对所输入光信号进行移频，移频量为所述射频信号的频率，移频的方向由双平行马赫曾德尔调制器的偏置状态决定；
光分路器，用于将双平行马赫曾德尔调制器的输出信号分为两路，一路作为所述循环移频模块的输出，一路送入所述光合路器；
光滤波器，串接于光合路器与光分路器之间或者接在所述循环移频模块的输出端，其对于频率在fc+δf～fc+n×δf光信号为带通，对于频率为fc+(n+1)×δf及以上频率的光信号为带阻；
光放大器，串接于光合路器与光分路器之间。
一种基于频谱拼接的射频线性调频信号生成装置，包括：
光源，用于生成频率为fc的光信号；
光耦合器，用于将光源输出的光信号分为两路；
光移频模块，用于对光源输出的第一路光信号进行移频后得到参考光信号；
多载波生成模块，用于将第二路光信号转换为频率呈周期性变化的多载波光信号，每一周期t中的多载波光信号均由脉宽相同而频率按频率差δf呈等差递进关系的n个光脉冲连续拼接而成；
抑制载波单边带调制模块，用于用原始射频线性调频信号对所述多载波光信号进行载波抑制单边带调制，得到光线性调频信号，所述原始射频线性调频信号的周期等于所述光脉冲的脉宽τ且斜率
光电探测器，用于对光线性调频信号和参考光信号进行拍频，得到带宽为n倍原始射频线性调频信号带宽的射频线性调频信号，且所述射频线性调频信号的初始频率可通过改变第一路光信号的移频量进行调整。
优选地，所述多载波生成模块包括：
光开关，用于将第二路光信号转换为周期性的光脉冲信号；
循环移频模块，用于对光开关输出的光脉冲信号进行单次移频量为δf的循环移频，并输出所述多载波光信号，
进一步优选地，所述循环移频模块包括：
光合路器，用于将所述光脉冲信号与来自光分路器的光信号进行合路；
双平行马赫曾德尔调制器，其被其余参数相同但相位相差π/2的射频信号驱动，用于对所输入光信号进行移频，移频量为所述射频信号的频率，移频的方向由双平行马赫曾德尔调制器的偏置状态决定；
光分路器，用于将双平行马赫曾德尔调制器的输出信号分为两路，一路作为所述循环移频模块的输出，一路送入所述光合路器；
光滤波器，串接于光合路器与光分路器之间或者接在所述循环移频模块的输出端，其对于频率在fc+δf～fc+n×δf光信号为带通，对于频率为fc+(n+1)×δf及以上频率的光信号为带阻；
光放大器，串接于光合路器与光分路器之间。
一种基于频谱拼接的射频线性调频信号生成装置包括：
光源，用于生成频率为fc的光信号；
光耦合器，用于将光源输出的光信号分为两路；
多载波生成模块，用于将第一路光信号转换为频率呈周期性变化的多载波光信号，每一周期t中的多载波光信号均由脉宽相同而频率按频率差δf呈等差递进关系的n个光脉冲连续拼接而成；
抑制载波单边带调制模块，用于用原始射频线性调频信号对所述多载波光信号进行载波抑制单边带调制，得到光线性调频信号，所述原始射频线性调频信号的周期等于所述光脉冲的脉宽τ且斜率
单边带调制模块，用于用频率为fm的射频信号对第二路光信号进行单边带调制，得到参考光信号，fm＞n·δf+f0+kτ，f0为原始射频线性调频信号的初始频率；
光电探测器，用于对光线性调频信号和参考光信号进行拍频，得到带宽为n倍原始射频线性调频信号带宽的双啁啾射频线性调频信号。
优选地，所述多载波生成模块包括：
光开关，用于将第一路光信号转换为周期性的光脉冲信号；
循环移频模块，用于对光开关输出的光脉冲信号进行单次移频量为δf的循环移频，并输出所述多载波光信号，
进一步优选地，所述循环移频模块包括：
光合路器，用于将所述光脉冲信号与来自光分路器的光信号进行合路；
双平行马赫曾德尔调制器，其被其余参数相同但相位相差π/2的射频信号驱动，用于对所输入光信号进行移频，移频量为所述射频信号的频率，移频的方向由双平行马赫曾德尔调制器的偏置状态决定；
光分路器，用于将双平行马赫曾德尔调制器的输出信号分为两路，一路作为所述循环移频模块的输出，一路送入所述光合路器；
光滤波器，串接于光合路器与光分路器之间或者接在所述循环移频模块的输出端，其对于频率在fc+δf～fc+n×δf光信号为带通，对于频率为fc+(n+1)×δf及以上频率的光信号为带阻；
光放大器，串接于光合路器与光分路器之间。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
一、本发明突破了传统方法对产生的信号的带宽限制，可以提高所产生的射频信号的带宽，将信号带宽提升为所加载射频信号带宽的n倍。
二、本装置可以实现线性调频信号和双啁啾线性调频信号的转换。
附图说明
图1为本发明射频线性调频信号生成装置的一个具体实施例的结构示意图；
图2为基于循环移频结构的多载波生成模块结构示意图；
图3为基于外注入半导体激光器结构的多载波生成模块结构示意图；
图4为所产生的多载波信号示意图，τ为任一频率光载波的持续时间，t为总周期；
图5为所产生的线性调频信号；
图6为光线性调频信号与单边带调制信号之间的频率关系示意图；
图7为产生的双啁啾线性调频信号。
具体实施方式
为了大幅度提高射频线性调频信号的带宽，本发明的解决思路是将光载波转换为频率呈周期性变化的n个光脉冲连续拼接而成的多载波光信号，然后用原始射频线性调频信号对所述多载波光信号进行载波抑制单边带调制，得到光线性调频信号，最后用光线性调频信号与光载波的移频信号进行拍频即可得到带宽扩大为n倍的射频线性调频信号。
具体而言，本发明基于频谱拼接的射频线性调频信号生成方法，将频率为fc的光信号分为两路；对第一路光信号进行移频后得到参考光信号；将第二路光信号首先转换为频率呈周期性变化的多载波光信号，每一周期t中的多载波光信号均由脉宽相同而频率按频率差δf呈等差递进关系的n个光脉冲连续拼接而成，然后用原始射频线性调频信号对所述多载波光信号进行载波抑制单边带调制，得到光线性调频信号，所述原始射频线性调频信号的周期等于所述光脉冲的脉宽τ且斜率
为了便于公众理解，下面通过具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
图1显示了本发明射频线性调频信号生成装置的一个具体实施例的基本结构。如图1所示，该装置包括激光源、两个光耦合器、光移频模块、多载波生成模块、抑制载波单边带调制模块、光电探测器。激光源输出的光被第一个光耦合器分为两路，光移频模块对上路光信号进行移频后得到参考光信号，多载波生成模块将下路光信号转换为频率呈周期性变化的多载波光信号，每一周期t中的多载波光信号均由脉宽相同而频率按频率差δf呈等差递进关系的n个光脉冲连续拼接而成，然后抑制载波单边带调制模块用原始射频线性调频信号对所述多载波光信号进行载波抑制单边带调制，得到光线性调频信号，所述原始射频线性调频信号的周期等于所述光脉冲的脉宽τ且斜率
其中的多载波生成模块可采用多种结构实现，例如基于循环移频结构或基于外注入半导体激光器结构。光移频模块可采用声光调制器或双平行马赫增德尔调制器(dpmzm)等实现，为了提高移频量，优选采用dpmzm的方式，声光调制器的移频范围在mhz量级，而dpmzm方法的移频范围在ghz。
基于循环移频结构的多载波生成模块多载波生成模块包括级联的光开关和循环移频模块，光开关用于将下路光信号转换为周期性的光脉冲信号；循环移频模块用于对光开关输出的光脉冲信号进行单次移频量为δf的循环移频，并输出所述多载波光信号，
所述循环移频模块是基于光移频模块所构建的一个环路，其中的光移频模块可采用现有的各种技术，本发明优选采用基于dpmzm实现的循环移频模块，其具体包括：
光合路器，用于将所述光脉冲信号与来自光分路器的光信号进行合路；
双平行马赫曾德尔调制器，其被其余参数相同但相位相差π/2的射频信号驱动，用于对所输入光信号进行移频，移频量为所述射频信号的频率，移频的方向由双平行马赫曾德尔调制器的偏置状态决定；
光分路器，用于将双平行马赫曾德尔调制器的输出信号分为两路，一路作为所述循环移频模块的输出，一路送入所述光合路器；
光滤波器，串接于光合路器与光分路器之间或者接在所述循环移频模块的输出端，其对于频率在fc+δf～fc+n×δf光信号为带通，对于频率为fc+(n+1)×δf及以上频率的光信号为带阻；
光放大器，串接于光合路器与光分路器之间。
图2显示了多载波生成模块的一个优选实现方案，本实施例中的光开关由mzm构成，当mzm只有直流偏置时，其输出为emzm＝cosφein，控制时钟信号，使φ在0与
调节上路直流偏压，使得
同理，得到下路的输出信号：
再调节第三个直流偏置，使上下两路分别相移
这样就实现了cs-ssb，等效于进行移频处理。
设光在环路中环绕一圈的时间为τ，为了不让光的前部与光的尾部发生干涉，需要控制光开关的打开时间也为τ。则在经过nτ时间之后，光场
图3显示了基于外注入半导体激光器结构的多载波生成模块，该结构的具体细节由周沛等人在"flexiblefrequency-hoppingmicrowavegenerationbydynamiccontrolofopticallyinjectedsemiconductorlaser"(zhou,pei,etal."flexiblefrequency-hoppingmicrowavegenerationbydynamiccontrolofopticallyinjectedsemiconductorlaser."ieeephotonicsjournal8.6(2016):1-9.)中给出，此处不再赘述。
通过抑制载波单边带调制模块对图4所示的多载波光信号调制上一个周期为τ的线性调频信号，设该信号为
其中，ψ为常数。为了能够顺利拼接，k需要有特定的取值：
f0+δf+kτ＝2δf+f0
这样，我们就得到了带宽相对加载的线性调频信号扩大n倍的线性调频信号，如图5所示。
此外，如果我们将光移频模块替换成单边带调制模块，给激光源发出的光调制上一个频率为fm，且fm＞n·δf+f0+kτ的射频信号，使得光线性调频信号的瞬时频率均落在激光源频率与一阶边带的频率之间，如图6所示，然后用所得到的单边带调制信号与光线性调频信号拍频，便可以在同一时刻得到两个频率的射频信号，即如图7所示的双啁啾线性调频信号。
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