CN109347549A - 一种高带宽射频信号到达时间测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高带宽射频信号到达时间测量装置，包括：电光调制器，与待测射频信号相连；一参考信号源，包括一飞秒激光器和一低噪声射频信号源，飞秒激光器与电光调制器相连，且位于一锁相环中；低噪声射频信号源连接于该锁相环的输入端；一光电探测器，与电光调制器相连。本发明的高带宽射频信号到达时间测量装置将极低噪声飞秒激光器通过锁相环技术锁到低噪声射频源上，以噪声性能优越的参考信号源，将待测射频信号通过电光调制器去调制该参考信号源，只需测量调制后的信号幅值就可解调出到达时间信息，从而实现高精度的时间测量分辨率；而且在激光脉冲串在传输的过程中受外界干扰影响更小，因此引入外界噪声也更小。

Description

一种高带宽射频信号到达时间测量方法

技术领域

本发明涉及一种时间测量方法，具体涉及一种高带宽射频信号到达时间测量方法。

背景技术

随着科学技术的发展，特别是加速器领域(同步辐射光源、自由电子激光、直线对撞机等)、相控阵雷达和射电望远镜集群等，对信号到达时间测量分辨率的要求日益提高。

当前主要的信号到达时间测量方法有两种。

其中一种如图1所示，是将待测射频信号与另一已知同频低噪声射频参考信号源1’通过混频器2’相混频，通过低通滤波器3’滤除和频信号，只留差频信号，即基带信号，通过对基带数字采样测得待测射频信号的到达时间信号，其原理公式如下：

待测射频信号：U_测＝V_测*sin(2πft+φ)，V_测为待测射频信号的最大幅值；

同频低频噪声射频参考信号：U_参考＝V_参考*sin(2πft)，V_参考为同频低频噪声射频参考信号的最大幅值；

两者相混频得：

U_测*U_参考＝V_测*sin(2πft+φ)*V_参考*sin(2πft)

＝1/2*V_测*V_参考(cos(φ)-cos((2*2πft)+φ)),

其中cos((2*2πft)+φ)这项因为后面会加一个低通滤波器直接滤除，故不考虑，最后得到基带信号；U_测*U_参考＝1/2*V_测*V_参考*cos(φ)，U_测*U_参考可以直接通过模数转换器直接测得，V_测和V_参考也是直接测量得到，单位都是V，因此φ可以通过反三角函数测得：

φ＝arcos[U_测*U_参考/(/2*V_测*V_参考)],φ对应的就是时间到达信息。

该方法的缺点在于，需要一个已知同频的低噪声性能的射频参考信号源，对信号源的要求较高。

另一种如图2所示，是通过IQ探测的方法，将待测射频信号与另一已知确定频率低噪声射频参考信号源1”通过混频器2”相混频，通过低通滤波器3”滤除差频信号，只留中频信号，后用模数转换器以4倍于中频信号的采样时钟对中频信号进行采样，接着正交解调处理得到两个正交分量，后将两个正交分量相除以得到所测信号的到达时间信息，其原理公式如下：

待测射频信号：U_测＝V_测*sin(2πf₀t+φ)，V_测为待测射频信号的最大幅值；

确定频率低噪声射频参考信号：U_参考＝V_参考*sin(2π(f₀-f_IF)t+θ)，V_参考为确定频率低频噪声射频参考信号的最大幅值；

两者相混频得：

U_测*U_参考＝V_测*sin(2πf₀t+φ)*V_参考*sin(2π(f₀-f_IF)

＝1/2*V_测*V_参考{cos(2*2πf_IFt+φ-θ)-cos[2π(2f₀-f_IF)t+φ-θ]},

其中cos[2π(2f₀-f_IF)t+φ-θ]这项因为后面会加一个低通滤波器直接滤除，故不考虑，最终会得到1/2*V测*V参考*cos(2*2πf_IFt+φ-θ)的信号，后通过4倍于f_IF的模数转换器的采样时钟，每四分之一周期采一次样得A₁，A₂，A₃，A₄四个值，其中

I＝1/2(A₁-A₃),Q＝1/2(A₂-A₄)，因此tan(φ-θ)＝Q/I＝(A₂-A₄)/(A₁-A₃),θ值为同频低噪声射频参考信号初始相位值，实际可设为0，即φ-θ＝φ，φ即为所测信号的到达时间值。

由于低噪声射频信号源在低频段性能较好，而高频段性能较差，因此低噪声射频信号源的性能限制将会影响所测信号到达时间测量的最终分辨率；另一方面，模数转换器输入时钟的时钟抖动性能也将影响所测信号到达时间测量的分辨率。

综上，现有技术的缺点在于，都需要提供低噪声性能的射频参考信号源，参考信号源的噪声性能将限制待测射频信号到达时间测量分辨率，而现有的参考信号源低频段(1Hz到1KHz)具有较好的噪声性能，高频段(1KHz到10MHz)性能则较差。为解决现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种现实可行的高分辨率测量高带宽射频信号到达时间的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电光调制方案的高带宽射频信号到达时间测量装置，以克服参考信号源在高频段性能较差对时间测量分辨率的限制，提高时间测量分辨率。

为了实现上述目的，本发明提供一种高带宽射频信号到达时间测量装置，用于检测一待测射频信号的到达时间，其包括：电光调制器，该电光调制器具有一个光信号输入端、一个电信号输入端和一个光信号输出端，所述电信号输入端与待测射频信号相连；一参考信号源，包括一飞秒激光器和一低噪声射频信号源，飞秒激光器与所述光信号输入端相连，且位于一锁相环中；低噪声射频信号源连接于该锁相环的输入端；一光电探测器，与光信号输出端相连。

所述光信号输入端与飞秒激光器之间设有光学延迟线。

所述电信号输入端与待测射频信号之间设有移相器。

所述电光调制器为电光强度调制器或电光相位调制器。

另一方面，本发明还提供一种高带宽射频信号到达时间测量方法，包括：步骤S1：搭建一根据上文所述的高带宽射频信号到达时间测量装置；步骤S2：开启飞秒激光器和低噪声射频信号源，通过锁相环技术将飞秒激光器锁定在低噪声射频信号源上，使飞秒激光器输出锁相后的激光脉冲阵列，并将一待测射频信号通过电光调制器调制锁相后的激光脉冲阵列；待测射频信号与低噪声射频信号源同源；步骤S3：调节锁相后的激光脉冲阵列与待测射频信号的相对时延，并用光电探测器采集不同相对时延下的信号幅值，得到信号幅值随相对时延的变化关系图，找出最大斜率点，确定包含最大斜率点的线性区域，在包含最大斜率点的线性区域中通过采样每个相对时延点对应的信号幅值多次并取均值，获得该区域的线性拟合曲线并计算该线性拟合曲线的斜率参数K；步骤S5：调节锁相后的激光脉冲阵列与待测射频信号的相对时延，将激光脉冲阵列的某一脉冲对准步骤S3所述的最大斜率点，并将该对准最大斜率点的激光脉冲记为起始工作激光脉冲；步骤S5：测量起始工作激光脉冲的随后的激光脉冲所对应的信号幅值，根据其相对于斜率最大点的信号幅值偏移值和步骤S3所述的斜率参数K求出与该随后的激光脉冲所对应的待测射频信号的到达时间t。

所述步骤S1还包括：在高带宽射频信号到达时间测量装置的电信号输入端与待测射频信号之间设置光学延迟线：且所述步骤S3和步骤S4均通过光学延迟线来调节锁相后的激光脉冲阵列与待测射频信号的相对时延。

所述步骤S1还包括：在其光信号输入端与飞秒激光器间设置移相器：且所述步骤S3和步骤S4均通过移相器来调节锁相后的激光脉冲阵列与待测射频信号的相对时延。

所述最大斜率点的斜率参数K通过以下公式计算：其中，Δt为最大斜率点距离相邻测量点的时延，单位为fs，Δv为斜率最大点与相邻测量点的信号幅值的差值,单位为mV。

所述待测射频信号的到达时间t通过以下公式计算：t＝K*ΔV_偏，其中，K为最大斜率点的斜率参数，单位为fs/mV，ΔV_偏为后一个激光脉冲相对于斜率最大点的信号幅值偏移值，单位为mV。

本发明的高带宽射频信号到达时间测量装置将极低噪声飞秒激光器通过锁相环技术锁到低噪声射频源上，以提供已经结合两者仪器各自优越的频段性能的激光脉冲阵列作为参考信号源，其噪声性能优于现有技术，将待测射频信号通过电光调制器去调制该参考信号源，只需测量调制后的信号幅值就可解调出到达时间信息，从而实现高精度的时间测量分辨率；而且在激光脉冲串在传输的过程中相对于直接用射频电缆对射频信号进行传输受外界干扰影响更小，因此引入外界噪声也更小。此外，本发明的高带宽射频信号到达时间测量方法在电光强度调制的过程中，采用移相器的粗调和光学延迟线的精调，以校准受调制的激光脉冲始终处于待测射频信号的过零点附近，使得时间分辨率更高。

附图说明

图1是现有技术中的一种信号到达时间测量方法的原理图；

图2是现有技术中的另一种信号到达时间测量方法的原理图；

图3是射频信号源和飞秒激光器的噪声性能对比图；

图4是根据本发明的一个实施例的高带宽射频信号到达时间测量装置的原理图；

图5是如图4所示的高带宽射频信号到达时间测量装置的时间延时调节示意图；

图6是如图4所示的高带宽射频信号到达时间测量装置的到达时间测量原理图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

如图4所示为根据本发明的一个实施例的高带宽射频信号到达时间测量装置，其基于电光调制方案，用于检测一待测射频信号的到达时间，包括电光调制器1、参考信号源、光电探测器4、光学延迟线5和移相器6。在本实施例中，电光调制器1为一个电光强度调制器，其作用是调制激光脉冲阵列的幅度，其具有一个光信号输入端11、一个电信号输入端12和一个光信号输出端13，光信号输入端11与参考信号源相连，电信号输入端12与待测射频信号相连，且光信号输出端13与光电探测器4相连。

参考信号源包括飞秒激光器2和低噪声射频信号源3，飞秒激光器2与所述光信号输入端11相连且位于一锁相环中，低噪声射频信号源3连接于该锁相环的输入端。其中，该飞秒激光器1为市场上可购买到的极低噪声的飞秒激光器，这种激光器在高频段拥有很好的噪声性能，该射频信号源3的频率在几KHz到几十GHz。因为如图3所示，在低频段低噪声射频信号源3噪声性能优于飞秒激光器2的噪声性能，而高频段低噪声射频信号源3噪声性能劣于飞秒激光器2的噪声性能，因此将飞秒激光器2通过锁相环技术锁到低噪声射频信号源3上后，将能获得更低噪声的激光脉冲阵列，获得的锁相后的激光脉冲阵列周期与待测射频信号的周期存在整周期关系，以便于激光脉冲能对准待测射频信号的最大斜率点。

光学延迟线5设于光信号输入端11与飞秒激光器2之间，且移相器6设于电信号输入端12与待测射频信号之间，该光学延迟线5和移相器6用于调整待测射频信号和激光脉冲阵列的相对时延。

基于上述装置，本发明提供了一种高带宽射频信号到达时间测量方法。

步骤S1：搭建一根据上文所述的高带宽射频信号到达时间测量装置，在其电信号输入端12与待测射频信号之间设置光学延迟线5并在其光信号输入端11与飞秒激光器2之间设置移相器6；

步骤S2：开启飞秒激光器2和低噪声射频信号源3，通过锁相环技术将飞秒激光器2锁定在低噪声射频信号源3上，使飞秒激光器输出锁相后的激光脉冲阵列，并将一待测射频信号通过电光调制器1调制锁相后的激光脉冲阵列；待测射频信号与低噪声射频信号源3同源，这种设置使得锁相后的激光脉冲阵列与待测射频信号的周期存在整周期关系。

步骤S3：采用光学延长线5和移相器6来调节锁相后的激光脉冲阵列与待测射频信号的相对时延，并用光电探测器4采集不同相对时延下的信号幅值，得到信号幅值随相对时延的变化关系图，找出最大斜率点，确定包含最大斜率点的线性区域。由于待测信号自身的时间抖动，在包含最大斜率点的线性区域中通过采样每个相对时延点对应的信号幅值多次并取均值，获得该区域的线性拟合曲线并计算其斜率参数K，以此减小待测信号自身时间抖动所带来的计算K值误差。

由于信号幅值随相对时延的变化关系可以反映出待测射频信号随时间的波形，因此，该最大斜率点也对应于待测射频信号的最大斜率参数，该最大斜率参数即为最大斜率点附近很小区间范围内(近似线性关系，ps量级)扫描时间对应信号幅值的一个对应关系。

该斜率参数K通过以下公式计算：

其中，斜率参数K为最大斜率点的斜率参数，单位为fs/mV，Δt为最大斜率点距离相邻测量点的时延，单位为fs，Δv为斜率最大点与相邻测量点的信号幅值的差值,单位为mV。

其中，光学延长线5和移相器6所调节的相对时延的变化值是已知的，通过调节光学延长线5和移相器6而扫描得到的信号幅值随相对时延的变化关系即可反映出激光脉冲幅度随相对时延的变化关系，进而反映出待测射频信号随时间变化的波形。其中，光学延迟线最小变化单位1fs,分辨率1fs；移相器最小变化单位是30fs，分辨率30fs。

步骤S4：如图5所示，采用光学延迟线5和移相器6来调节锁相后的激光脉冲阵列与待测射频信号的相对时延，将激光脉冲阵列的某一脉冲对准步骤S3所述的最大斜率点，并将该对准最大斜率点的激光脉冲记为起始工作激光脉冲。

步骤S5：测量起始工作激光脉冲的随后的激光脉冲所对应的信号幅值，根据其相对于斜率最大点的信号幅值偏移值和步骤S3所述的斜率参数K求出与该随后的激光脉冲所对应的待测射频信号的到达时间t。

待测射频信号的到达时间的测量原理随后周期的射频信号到达时间变化会通过电光调制器1去调制随后周期的激光脉冲，从而转换体现在激光脉冲幅度上的变化，如图6所示，如果待测射频信号的某一周期的波形如图，且若随后的待测射频信号的到达时间提前于起始工作激光脉冲，所对应调制后的激光脉冲幅度变小，若其延后于起始工作激光脉冲，则所对应调制后的激光脉冲幅度变大；通过直接测量随后的激光脉冲幅度相对于起始工作激光脉冲幅度变化大小可以反推出其所对应的待测射频信号到达时间的变化。由此，通过重新将激光脉冲通过延迟扫描到对应的最大斜率点处，将此激光脉冲作为起始激光脉冲，这样后续的激光脉冲相对最大斜率点处的信号幅值偏移将会通过电光调制器1转换成激光脉冲幅值变化，再通过光电探测器4转化为信号幅值偏移值ΔV_偏,单位mV,ΔV_偏可以通过模数转换器在光电探测器4上测得。

因此，到达时间t通过以下公式计算：

t＝K*ΔV_偏，

其中，K为最大斜率点的斜率参数，单位为fs/mV，ΔV_偏为后一个激光脉冲相对于斜率最大点的信号幅值偏移值，单位为mV。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。例如本发明的电光调制器还可以用电光相位调制器来替代电光强度调制器。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (9)

1.一种高带宽射频信号到达时间测量装置，用于检测一待测射频信号的到达时间，其特征在于，其包括：

电光调制器(1)，该电光调制器(1)具有一个光信号输入端(11)、一个电信号输入端(12)和一个光信号输出端(13)，所述电信号输入端(12)与待测射频信号相连；

一参考信号源，包括一飞秒激光器(2)和一低噪声射频信号源(3)，飞秒激光器(2)与所述光信号输入端(11)相连，且位于一锁相环中；低噪声射频信号源(3)连接于该锁相环的输入端；

一光电探测器(4)，与光信号输出端(13)相连。

2.根据权利要求1所述的高带宽射频信号到达时间测量装置，其特征在于，所述光信号输入端(11)与飞秒激光器(2)之间设有光学延迟线(5)。

3.根据权利要求1或2所述的高带宽射频信号到达时间测量装置，其特征在于，所述电信号输入端(12)与待测射频信号之间设有移相器(6)。

4.根据权利要求1所述的高带宽射频信号到达时间测量装置，其特征在于，所述电光调制器(1)为电光强度调制器或电光相位调制器。

5.一种高带宽射频信号到达时间测量方法，其特征在于，包括：

步骤S1：搭建一根据权利要求1所述的高带宽射频信号到达时间测量装置；

步骤S2：开启飞秒激光器(2)和低噪声射频信号源(3)，通过锁相环技术将飞秒激光器(2)锁定在低噪声射频信号源(3)上，使飞秒激光器输出锁相后的激光脉冲阵列，并将一待测射频信号通过电光调制器(1)调制锁相后的激光脉冲阵列；待测射频信号与低噪声射频信号源(3)同源；

步骤S3：调节锁相后的激光脉冲阵列与待测射频信号的相对时延，并用光电探测器(4)采集不同相对时延下的信号幅值，得到信号幅值随相对时延的变化关系图，找出最大斜率点，确定包含最大斜率点的线性区域，在包含最大斜率点的线性区域中通过采样每个相对时延点对应的信号幅值多次并取均值，获得该区域的线性拟合曲线并计算该线性拟合曲线的斜率参数K；

步骤S4：调节锁相后的激光脉冲阵列与待测射频信号的相对时延，将激光脉冲阵列的某一脉冲对准步骤S3所述的最大斜率点，并将该对准最大斜率点的激光脉冲记为起始工作激光脉冲；

步骤S5：测量起始工作激光脉冲的随后的激光脉冲所对应的信号幅值，根据其相对于斜率最大点的信号幅值偏移值和步骤S3所述的斜率参数K求出与该随后的激光脉冲所对应的待测射频信号的到达时间t。

6.根据权利要求5所述的高带宽射频信号到达时间测量方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：在高带宽射频信号到达时间测量装置的电信号输入端(12)与待测射频信号之间设置光学延迟线(5)；

且所述步骤S3和步骤S4均通过光学延迟线(5)来调节锁相后的激光脉冲阵列与待测射频信号的相对时延。

7.根据权利要求5或6所述的高带宽射频信号到达时间测量方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：在其光信号输入端(11)与飞秒激光器(2)之间设置移相器(6)；

且所述步骤S3和步骤S4均通过移相器(6)来调节锁相后的激光脉冲阵列与待测射频信号的相对时延。

8.根据权利要求5所述的高带宽射频信号到达时间测量方法，其特征在于，所述最大斜率点的斜率参数K通过以下公式计算：

其中，Δt为最大斜率点距离相邻测量点的时延，单位为fs，Δv为斜率最大点与相邻测量点的信号幅值的差值,单位为mV。

9.根据权利要求8所述的高带宽射频信号到达时间测量方法，其特征在于，所述待测射频信号的到达时间t通过以下公式计算：

t＝K*ΔV_偏，

其中，K为最大斜率点的斜率参数，单位为fs/mV，ΔV_偏为后一个激光脉冲相对于斜率最大点的信号幅值偏移值，单位为mV。