CN101567723B - 一种基于光功率检测的微波频率测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光功率检测的微波频率测量方法及其装置，采用由电光调制模块和频率解调模块组成的***对微波频率进行实时测量。连续微波信号以载波抑制型小信号调制方式加载到调制模块中的连续光源上，仅生成±1阶两个光边带；已调制的光信号分为两路，一路注入到具有正弦函数形透射谱的梳状滤波器；另一路注入到可调谐光衰减器；经检测并对比所述两支路的输出光功率，从功率比值中解调得到微波频率。本发明降低了***的复杂度和成本，并消除了光源输出功率的波动对频率测量的影响，扩大了频率线性解调的测量频段。

Description

一种基于光功率检测的微波频率测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及通信和信号处理领域，尤其是一种光子技术型实时微波频率测量方法。

背景技术

实时微波频率测量是军用和民用微波通信和信号处理领域中的一项重要内容，涉及到频率跟踪、通信监听等。早期的微波频率测量技术大多基于电子技术，如电谱分析仪。电谱分析仪是在一种扫描模式下进行工作的。当待测微波信号的存在时间小于一个扫描周期时，电谱分析仪无法正常获得其频率信息。而在一些重要领域(诸如电子战)中，通信或信号的突发性很强、存在的时间很短，扫描模式型频率测量方式难以奏效，宽带、实时的微波频率测量方法显得尤为重要。比如，现代电子战中使用的频段已接近或超过100GHz，因而需要在大频段范围内实现实时微波频率测量，这是常规电子方法难以解决的问题。

随着微波光子学的兴起，利用光子技术处理微波信号逐渐成为研究和应用的热点，它具有宽带处理能力、质量轻、损耗小和抗电磁干扰能力强的特点。目前，光子技术型实时频率测量技术主要有两种：基于频段分割的信道器和基于功率对比的频率测量技术。

基于频段分割的信道器可以由下列元件来构造：电光延迟线阵列，高分辨率的自由空间衍射光栅，相移光栅阵列，光纤光栅和Fresnel棱镜的集成***，结合标准具和波分复用器的***(F.A.Volkening，Photonic channelized RF receiver employing dense wavelength divisionmultiplexing，U.S.Patent 7 245 833B1，July 17，2007)。这些方案的工作原理大致相同：在小信号调制下，光边带与光载波在频域上的间隔即为待测的微波频率。通过检测光边带偏离光载波的距离，从而检测出待测信号的微波频率。这种基于频段分割的信道器通常是大致确定微波频率所处于的波段(比如分辨率为2GHz)，然后用并行的窄带处理方法得到更为精确的频率值。

基于功率对比的测量技术又可以分为两类：基于微波功率检测的测量方案和基于光功率检测的测量方案。基于微波功率检测的测量方案大多应用色散效应导致的微波功率衰减效应来实现，比如采用光纤光栅(Linh V.T.Nguyen and David B.Hunter.A photonic technique formicrowave frequency measurement.IEEE Photonics Technology Letters，2006，vol.18，no.10，1188-1190)，或色散光纤(Xihua Zou and JianpingYao.An optical approach to microwave frequency measurement withadjustable measurement range and resolution.IEEE Photonics TechnologyLetters，2008，vol.20，no.23，1989-1991)。基于微波功率检测的频率测量方案需要两个高速光电探测器，用于检测两信道输出端的高频微波功率。

基于光功率检测的频率测量方案：在载波抑制型小信号调制下，利用滤波器将微波频率信息转换为光强信息。检测并对比两路的光功率，从功率比值中反解得到待测的微波频率(Hao Chi，Xihua Zou，andJianping Yao.An approach to the measurement of microwave frequencybased on optical power monitoring.IEEE Photonics Technology Letters，2008，vol.20，no.14，1249-1251)。虽然这种方案仅需要低速的光探测器或光功率计，但这种测量方案需要两个连续光源，***的复杂度和成本仍然较高，此外，两连续光源输出功率的波动会对频率测量带来负面影响；光功率比值与微波频率之间的对应关系为正切函数形状，具有线性频率解调频段的宽带有限。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种基于光功率检测的实时微波频率测量方法，使之克服现有技术的以上不足。

本发明的目的是通过如下的手段实现的：

一种基于光功率检测的微波频率测量方法，采用由电光调制模块和频率解调模块组成的***对实时微波频率进行测量，连续微波信号以载波抑制型小信号调制方式加载到调制模块中的连续光源上，仅生成±1阶两个光边带；调制模块光信号注入解调模块中后分为两路，一路注入到具有正弦函数形透射谱的梳状滤波器，将微波频率的变化转换为光边带强度的变化；另一路注入到可调谐光衰减器，以平衡两支路的损耗；经检测并对比所述两支路的输出光功率，从功率比值中解调得到微波频率。

本发明的另一目的是提供实现上述测量方法的具体实施装置。主要由载波抑制型小信号电光调制模块和具有反正弦函数形解调曲线的微波频率解调模块组成；在所述解调模块中，已调制的光信号注入后分为两个光支路：一路注入到具有正弦函数形透射谱的光梳状滤波器和一低速光探测器的光路中；另一路注入到一个可调谐光衰减器和一低速光探测器的光路中；所述两个光支路的输出与数字处理比较单元相连接。

经过如上的设计后，与现有技术相比，本发明具有如下优点：采用低速光探测器或光功率计检测光功率；只需要单个连续光源，降低了***的复杂度和成本，并消除了光源输出功率的波动对频率测量的影响；具有反正弦函数型微波频率解调曲线，扩大了频率线性解调的测量频段。

附图说明如下：

图1本发明方法的***示意图。

图2光梳状滤波器功率透射谱。

图3光源输出频率置于梳状谱的波峰或波谷位置图。

图4波峰(实线)、波谷(虚线)位置处功率比值随微波频率的变化趋势图。

图5波峰(实线)、波谷(虚线)位置处由功率比值解调得到的微波频率分布图。

图6结合电光偏振调制器和偏振分束器的调制方式示意图。

图7基于保偏光纤的时延干涉仪结构图。

图8波峰(实线)、波谷(虚线)位置处光功率随微波频率的变化趋势图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，测量***包括载波抑制型小信号调制的电光调制模块10和具有反正弦函数形频率解调曲线的解调模块11。在电光调制模块中，从外界接收到的微波信号经电光调制器，以小信号调制的方式加载到一个连续光源上；引入载波抑制条件，调制后的光信号仅生成±1阶两个光边带。

调制模块的输出光信号注入到解调模块。在解调模块中，由±1阶光边带组成的光信号分为两路：一路注入到具有正弦函数型透射谱的梳状滤波器中，将微波频率的变化转换为光边带强度的变化；另一路注入到一个可调谐光衰减器中，以平衡两支路的***损耗。光梳状滤波器的功率透射谱T见图2，其自由频谱区为FSR。本发明方法中频率测量范围与光梳状滤波器的FSR密切相关，频率测量的极限范围为：0～FSR/2。

检测并对比两支路的输出光功率，频率解调模块将微波频率的变化转换成光强度的变化。将光源的输出频率设置在光梳状滤波器的波峰位置或者波谷位置(见图3)，得到光功率比值R与微波频率f之间的呈正弦函数形状的对应关系，见图4。

从光功率比值中解调得到的微波频率，呈现反正弦函数形对应关系(见图5)，以数学形式表示为：

$f=\arcsin \left[\sqrt{R}\right]\×\frac{\mathrm{FSR}}{\mathrm{\π}}$ 或 $f=\arccos \left[\sqrt{R}\right]\×\frac{\mathrm{FSR}}{\mathrm{\π}}.$

此时，微波频率测量结果与微波功率无关，因为解调出的微波频率表达式中不包括任何涉及微波功率的因素；而且，从光功率比值中解调出微波频率的这一过程中，光功率比值和微波频率之间存在着较好的近似线性对应关系，即反正弦函数关系；这一对应关系简化了微波频率的解调过程，扩大了频率测量的范围。

本发明公布的微波测量方法由载波抑制型小信号调制的电光调制模块10和具有反正弦函数形频率解调曲线的解调模块11组成(见图1)。

在电光调制模块中，从外界接收的微波信号经电光调制器，通过载波抑制型双边带调制装置101以载波抑制型小信号调制的方式加载到一个连续光源上。调制后的光信号仅保留±1阶两个光边带，两个光边带携带的光功率P₀表示为：

P₀＝2αP[J₁(β)]²

其中：α表示光路中的各种损耗，包括调制器的***损耗、链路中的连接损耗和光探测器响应系数导致的损耗；P表示光源输出功率；β表示调制深度，与微波功率和调制器的半波电压有关；J₁(·)表示1阶第一类Bessel函数。

在实际实施时，载波抑制型小信号调制方式可通过三种途径来实现：对强度调制器施加半波偏置电压、相位调制器之后连接窄带反射光纤光栅、结合偏振调制器和检偏器。实施途径之一：对强度调制器施加直流偏置电压；强度调制器工作在传输函数的最低点，从而实现载波抑制的效果。实施途径之二：相位调制器之后连接窄带反射光纤光栅；将窄带反射光栅连接在相位调制器之后，光载波被反射，±1阶光边带通过，从而实现抑制载波的效果。实施途径之三：结合偏振调制器和偏振分束器，见图6；在偏振调制器和偏振分束器的共同下，奇次光边带和偶次光边带在两个正交的偏振态上得以分离，即实现了光载波和±1阶光边带分离的效果，从而达到抑制载波的目的。

电光调制模块的输出信号注入到解调模块中。在解调模块中，已调制的光信号(仅保留了±1阶光边带)分为两路：一路注入到具有正弦函数形透射谱的光梳状滤波器中；另一路注入到一个可调谐光衰减器，以平衡两支路的***损耗。

具有正弦函数形透射谱的光梳状滤波器，其功率透射谱T见图2，用数学公式表示为：

$T={\left[\cos \left(\frac{\mathrm{\π}{f}_0}{\mathrm{FSR}}\right)\right]}^2,$

其中：f₀表示光频率，FSR表示梳状滤波器的自由频谱区。需要指出的是：在本发明方法中频率测量范围与光梳状滤波器的FSR密切相关，频率测量的极限范围为：0～FSR/2。

具有正弦函数形透射谱的光梳状滤波器111具体实施可采用单级非平衡Mach-Zehner干涉仪，或基于保偏光纤的单级时延干涉仪，或基于双折射晶体的单级时延干涉仪三种途径。实施途径之一：单级非平衡Mach-Zehnder干涉仪；它由两个3dB光耦合器和一对非平衡的臂长构成，其梳状滤波谱的自由频谱区由两臂的相对光程差决定。实施途径之二：基于保偏光纤的时延干涉仪，见图7；它由一段保偏光纤、两个偏振控制器和一个检偏器构成，其梳状滤波谱的自由频谱区由保偏光纤的长度和拍长共同决定；实施途径之三：基于双折射晶体的时延干涉仪；它由一块双折射晶体和两个偏振分束器构成，其梳状滤波谱的自由频谱区由晶体的双折射系数和长度共同决定。

将连续光源的输出频率设置在光梳状滤波器正弦函数形透射谱的波峰位置或者波谷位置，见图3。经过梳状滤波器的滤波作用，微波频率的变化转换为±1阶光边带强度的变化(见图8)，以数学形式表示输出光强P₁：

$P_1=2\mathrm{\αP}{\left[J_1\left(\mathrm{\β}\right)\right]}^2{\left[\sin \left(\frac{\mathrm{\πf}}{\mathrm{FSR}}\right)\right]}^2$ 或 $P_1=2\mathrm{\αP}{\left[J_1\left(\mathrm{\β}\right)\right]}^2\{1-{\left[\sin \left(\frac{\mathrm{\πf}}{\mathrm{FSR}}\right)\right]}^2\}.$

另一路已调制的光信号(仅保留了±1阶光边带)输入到可调谐光衰减器中。调整光的衰减量，以补偿两路光信号的损耗差值。从而，光衰减器输出端的光强P₂表示

P₂＝2αP[J₁(β)]²

检测并对比两支路的输出光功率，得到光功率比值R与微波频率f之间的对应关系：

$R=\frac{P_1}{P_2}={\left[\sin \left(\frac{\mathrm{\πf}}{\mathrm{FSR}}\right)\right]}^2$ 或 $R=\frac{P_1}{P_2}=1-{\left[\sin \left(\frac{\mathrm{\πf}}{\mathrm{FSR}}\right)\right]}^2.$

以图形的形式给出光功率比值R与微波频率f之间的对应关系，见图4。从光功率比值中解调得到待测的微波频率：

$f=\arcsin \left[\sqrt{R}\right]\×\frac{\mathrm{FSR}}{\mathrm{\π}}$ 或 $f=\arccos \left[\sqrt{R}\right]\×\frac{\mathrm{FSR}}{\mathrm{\π}}.$

可见，解调得到的微波频率表达式中不包含任何涉及微波功率、光功率的因素，因此微波频率测量结果与微波功率无关。而且，由光功率比值到微波频率的频率解调曲线呈现反正弦函数形状，见图5；因此光功率比值和微波频率之间存在着较好的近似线性对应关系，这一对应关系简化了微波频率的解调过程，扩大了频率测量的范围。

综合以上陈述，本发明具有如下特征：1).采用光子技术对微波信号的频率进行测量，由于光子技术本身具有电子技术无法比拟的带宽优势，本发明具有宽带频率测量能力；2).采用光功率对比的形式进行频率测量，不需要高速、宽带的光探测器和扫描工作模式，降低了成本，并实现了实时频率测量；3).由功率比值到微波频率的解调曲线线性度好，使得频率解调过程更为简便；4).采用单个光源，降低了测量方法的成本，并完全消除了光源输出功率波动对频率测量结果的负面影响。

以上所陈述的仅仅是本发明方法的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方法原理的前提下，在具体实施时还可以做出若干改进和局部变例，这些也应该包含在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种基于光功率检测的微波频率测量方法，采用由电光调制模块和频率解调模块组成的***对微波频率进行实时测量，采用如下的工作方式：连续微波信号以载波抑制型小信号调制方式加载到调制模块中的连续光源上，仅生成±1阶两个光边带；调制模块输出的光信号输入到解调模块中后分为两路，一路注入到具有正弦函数形透射谱的梳状滤波器，将微波频率的变化转换为光边带强度的变化；另一路注入到可调谐光衰减器，以平衡两支路的损耗；检测并对比所述两支路的输出光功率，从光功率比值中解调得到微波频率，微波频率f由

得出，

式中：P₁和P₂分别为两支路的输出光功率，R为光功率比值，FSR为所述光梳状滤波器的自由频谱区。

2.实现权利要求1所述之一种基于光功率检测的微波频率测量方法的装置，其特征在于，由串接的连续光源和载波抑制双边带调制装置所组成的载波抑制型小信号电光调制模块和具有反正弦函数形解调曲线的微波频率解调模块所组成；所述解调模块中接收已调制的光信号的耦合器后端具有两个并联的光支路：一路顺序串联具有正弦函数形透射谱的光梳状滤波器和一低速光探测器；另一路顺序串联一个可调谐光衰减器和一低速光探测器；所述两个光支路的输出端与数字处理单元相连接。

3.根据权利要求2所述之一种基于光功率检测的微波频率测量装置，其特征在于，正弦函数形透射谱的光梳状滤波器的实现采用以下三种方式之一：a)由两个3dB光耦合器和一对非平衡的臂长构成的单级非平衡Mach-Zehner干涉仪；b)由一段保偏光纤、两个偏振控制器和一个检偏器构成的基于保偏光纤时延干涉仪；c)由一块双折射晶体和两个偏振分束器构成的基于双折射晶体的时延干涉仪。

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