CN110890901B - 双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生***及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生***及实现方法,激光器和直接数字合成器为倍频模块中提供光载波和线性调频信号,倍频模块实现电信号的光电转换及倍频,光频梳模块生成五线光频梳,五路光信号分别注入到五个并联的PD中进行光电探测,对得到的电信号进行频谱拼接,即可实现10/20倍频的线性调频信号频谱扩展。本发明有效地实现高频率、大带宽线性调频信号的产生,并且具有结构简单,频率捷变和通道干扰小的特点;采用了最新的微波光子学技术,融合了多倍频和光频梳技术,拓展了原始电线性调频信号载频和带宽的范围,显著降低了对电线性调频信号频率和带宽的要求。
Description
技术领域
本发明涉及雷达探测领域,尤其是一种频谱扩展调频信号产生***及实现方法。
背景技术
线性调频信号具有瞬时带宽大、距离分辨率和运动目标检测特性高的优点,在脉冲压缩雷达和电子战***具有广泛的使用。使用持续时间较长的宽带线性调频信号,能够以较小的峰值功率,传输更大的能量,避免脉冲雷达中发射机中功率饱和的问题,减小对***复杂度的要求。因此,使用宽带线性调频信号可以获得更远的探测距离,更高的空间分辨率,以及更低的拦截和干扰概率。传统的基于直接数字合成(DDS)的线性调频信号产生方法受电子器件频率依赖性的限制,生成高频率、大带宽的线性调频信号(一般频率<10GHz,带宽<2GHz),往往需要多次混频和滤波,造成***结构复杂、信号质量恶化,并且存在成本高、可重构性差、功率效率低和尺寸重量大的缺点,严重制约了雷达***的探测精度和分辨能力。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生***及实现方法。传统的基于直接数字合成(DDS)的线性调频信号产生方法受电子瓶颈的限制,生成的线性调频信号频率一般低于10GHz,带宽低于2GHz,并且存在结构复杂、价格高昂、效率低和尺寸大的缺点。为了解决该问题,本发明利用光频梳和多倍频技术,实现了线性调频信号10/20倍频谱扩展,降低了对DDS生成信号的频率和带宽要求,具有结构简单、易于实现、可重构和干扰小的优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生***,包括激光器、直接数字合成器(DDS)、倍频模块、光频梳模块和频谱扩展模块,激光器和直接数字合成器为倍频模块中的马赫-曾德尔调制器(MZM)提供光载波和线性调频信号,DDS的输出端口为a点;倍频模块实现电信号的光电转换及倍频,调节MZM直流端口的偏置电压,使MZM工作于载波抑制模式下,将输入的线性调频信号调制到光载波的1阶或2阶光边带上,从而PD后产生2/4倍频信号,倍频模块的输出端口为b点;光频梳模块生成五线光频梳,倍频模块输出的光信号首先输入到阵列波导光栅(AWG1)中进行波长分离,AWG具有波长解复用的功能,从而将光信号中波长不同两个边带分离出来;AWG1的两个输出端口分别标记为c点和d点,AWG1输出的两路光信号分别注入到光频梳模块中的X-MZM和Y-MZM,然后,调整本振信号的输入功率和MZM的直流偏置电压,使输出的光载波、±1阶和±2阶光边带的功率相等,从而实现五线光频梳的产生,X-MZM的输出端口标记为e,Y-MZM的输出端口标记为f;频谱扩展模块实现光信号的光电转换及频谱拼接,频谱扩展模块中AWG2的功能与AWG1类似,用于对五线光梳信号进行波长分离,从而在AWG2的五个输出端口得到五路不同波长的光信号,分别用g、h、i、j、k标记;五路光信号分别注入到五个并联的PD中进行光电探测,对得到的电信号进行频谱拼接,即可实现10/20倍频的线性调频信号频谱扩展。
所述双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生***的实现方法,包括如下步骤:
步骤1:激光器输出的光信号和DDS输出的线性调频信号分别表示为:和S(t)=VSsin(ωSt+kπt2);其中,Ec是光载波的电场强度,ωc光载波的角频率,VS、ωS和k分别是线性调频信号的幅度、角频率和啁啾斜率;
步骤2:在二倍频模式下,倍频模块的输出b点的光信号表示为:
其中,m为调制指数,Jn(·)为第一类n阶贝塞尔函数;
在四倍频模式下,倍频模块的输出b点的光信号表示为:
步骤3:倍频模块输出的光信号输入到AWG1中,将上、下两个光边带分离出来,上、下光边带波长不同,AWG根据波长进行分离,则c点光信号在二倍频模式下表示为:
在四倍频模式下表示为:
d点的光信号在二倍频模式下表示为:
在四倍频模式下可表示为:
AWG1输出的光信号输入到光频梳模块中,用作光载波,频率为fLO1和fLO2的本振信号分别输入到X-MZM和Y-MZM的RF端口,用作驱动信号,fLO1和fLO2的频率差与线性调频信号的带宽相同;在X-MZM中,本振信号表示为:SLO1(t)=VLO1·sin(ωLO1t),其中,VLO1和ωLO1分别是本振信号的幅度和角频率;则X-MZM输出的载波、正负一阶边带和正负二阶边带分别为:
调整输入本振信号的功率和直流偏压,使|E0|=|E±1|=|E±2|,则在e点产生频率间隔为fLO1的五线光梳信号;
在Y-MZM中,本振信号表示为SLO2(t)=VLO2·sin(ωLO2t),其中VLO2和ωLO2分别是本振信号的幅度和角频率,则输出的载波、正负一阶边带和正负二阶边带分别为:
调整输入本振信号的功率和直流偏压,使|E0|=|E±1|=|E±2|,则在f点产生频率间隔为fLO2的五线光梳信号;
步骤4:e点和f点的光信号合路后,输入到AWG2中进行通道分离,然后将五个通道的光信号输入到PD中进行光电探测,最终得到10/20倍频谱扩展的线性调频信号。
本发明的有益效果在于可以有效地实现高频率、大带宽线性调频信号的产生,并且具有结构简单,频率捷变和通道干扰小的特点。本发明采用了最新的微波光子学技术,融合了多倍频和光频梳技术,拓展了原始电线性调频信号载频和带宽的范围,显著降低了对电线性调频信号频率和带宽的要求。因此,本发明可以更好的满足军用脉冲压缩雷达和电子战的要求,对提高雷达的探测距离和分辨率具有重要作用,具有广泛的使用前景。
附图说明
图1为本发明基于双光梳多倍频因子频谱扩展线性调频信号产生原理图。
图2为本发明DDS输出的原始线性调频信号的电谱。
图3为本发明微波光子二倍频后信号的光谱。
图4为本发明AWG1输出的上、下边带光谱图。
图5为本发明X-MZM、Y-MZM输出信号的光谱图,其中(a)为e点的光谱图,(b)为f点的光谱图。
图6为本发明频谱扩展后线性调频信号的电谱图(中心频率13GHz、带宽10GHz)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明将微波技术和光子学技术相结合,利用光子技术大带宽、可调谐、抗电磁干扰的固有优势,实现对微波信号的高质量处理。该发明方法基于微波光子五线光频梳和多倍频技术,利用MZM(马赫-曾德尔调制器)、阵列波导光栅和光电探测器等光电器件,能够实现线性调频信号10/20倍频谱扩展,显著降低对DDS的频率和带宽需求,并且具有频率捷变、抗电磁干扰和通道干扰小的优点。
一种双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生***,包括激光器、直接数字合成器(DDS)、倍频模块、光频梳模块和频谱扩展模块,激光器和直接数字合成器为倍频模块中的马赫-曾德尔调制器(MZM)提供光载波和线性调频信号,DDS的输出端口为a点;倍频模块实现电信号的光电转换及倍频,调节MZM直流端口的偏置电压,使MZM工作于载波抑制模式下,将输入的线性调频信号调制到光载波的1阶或2阶光边带上,从而PD后产生2/4倍频信号,倍频模块的输出端口为b点;光频梳模块生成五线光频梳,倍频模块输出的光信号首先输入到阵列波导光栅(AWG1)中进行波长分离,AWG具有波长解复用的功能,从而将光信号中波长不同两个边带分离出来;AWG1的两个输出端口分别标记为c点和d点,AWG1输出的两路光信号分别注入到光频梳模块中的X-MZM和Y-MZM,然后,调整本振信号的输入功率和MZM的直流偏置电压,使输出的光载波、±1阶和±2阶光边带的功率相等,从而实现五线光频梳的产生,X-MZM的输出端口标记为e,Y-MZM的输出端口标记为f;频谱扩展模块实现光信号的光电转换及频谱拼接,频谱扩展模块中AWG2的功能与AWG1类似,用于对五线光梳信号进行波长分离,从而在AWG2的五个输出端口得到五路不同波长的光信号,分别用g、h、i、j、k标记;五路光信号分别注入到五个并联的PD中进行光电探测,对得到的电信号进行频谱拼接,即可实现10/20倍频的线性调频信号频谱扩展。
所述双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生***的实现方法,包括如下步骤:
步骤1:激光器输出的光信号和DDS输出的线性调频信号分别表示为:和S(t)=VSsin(ωSt+kπt2);其中,Ec是光载波的电场强度,ωc光载波的角频率,VS、ωS和k分别是线性调频信号的幅度、角频率和啁啾斜率;
步骤2:在二倍频模式下,倍频模块的输出b点的光信号表示为:
其中,m为调制指数,Jn(·)为第一类n阶贝塞尔函数;
在四倍频模式下,倍频模块的输出b点的光信号表示为:
步骤3:倍频模块输出的光信号输入到AWG1中,将上、下两个光边带分离出来,上、下光边带波长不同,AWG根据波长进行分离,则c点光信号在二倍频模式下表示为:
在四倍频模式下表示为:
d点的光信号在二倍频模式下表示为:
在四倍频模式下可表示为:
AWG1输出的光信号输入到光频梳模块中,用作光载波,频率为fLO1和fLO2的本振信号分别输入到X-MZM和Y-MZM的RF端口,用作驱动信号,fLO1和fLO2的频率差与线
性调频信号的带宽相同;在X-MZM中,本振信号表示为:SLO1(t)=VLO1·sin(ωLO1t),其10中,VLO1和ωLO1分别是本振信号的幅度和角频率;则X-MZM输出的载波、正负一阶边带和正负二阶边带分别为:
调整输入本振信号的功率和直流偏压,使|E0|=|E±1|=|E±2|,则在e点产生频率间隔为fLO1的五线光梳信号;
在Y-MZM中,本振信号表示为SLO2(t)=VLO2·sin(ωLO2t),其中VLO2和ωLO2分别是本振信号的幅度和角频率,则输出的载波、正负一阶边带和正负二阶边带分别为:
调整输入本振信号的功率和直流偏压,使|E0|=|E±1|=|E±2|,则在f点产生频率间隔为fLO2的五线光梳信号;
步骤4:e点和f点的光信号合路后,输入到AWG2中进行通道分离,然后将五个通道的光信号输入到PD中进行光电探测,最终得到10/20倍频谱扩展的线性调频信号。
本发明中,LD(Laser diode)为激光二极管,可输出偏振光,AWG(Arrayedwaveguide grating)为阵列波导光栅,用于分离倍频信号的上、下光边带;DDS(Directdigital synthesis)为直接数字合成器,用于产生原始线性调频信号;MZM(Mach-ZehnderModulator)为马赫-曾德尔调制器,可产生2/4倍频信号和五线光频梳;PD(Photodector)为探测器,可以将光信号转换为电信号。
实施例:
通过光***仿真软件对基于二倍频和五线双光梳的频谱拼接方案进行仿真分析,仿真原理图如图1所示:
仿真中需要的器件包括:线性调频源、连续激光器、MZM、光合路器、波分复用器(WDM)、光放大器(EDFA)和PD等器件。***主要仿真参数配置如下:
宽带中频线性调频信号:中心频率6.5GHz,带宽1GHz;
激光器:输出功率40mw,相对强度噪声(RIN)-155dB/Hz,线宽100kHz,波长1552nm;
调制器:半波电压5V,***损耗5dB,消光比35dB;
EDFA:APC模式,输出功率100mW,噪声系数5;
PD:响应度0.7W/A。
操作步骤:
步骤1:配置线性调频信号产生单元,产生中心频率6.5GHz,带宽1GHz的原始线性调频信号;
步骤2:原始线性调频信号输入到倍频单元中,进行2倍频;
步骤3:倍频后的光信号经过边带分离后输入到光频梳单元,两个光频梳单元的本振信号的频率分别为25GHz和27GHz,频率差等于倍频后的线性调频信号的带宽;
步骤4:光频梳单元输出的信号合路后,进行放大和通道分离,分离为五个通道;
步骤5:五通道信号按照时序先后输入到光电探测单元中进行光电转换,最终生成频谱10倍扩展的线性调频信号。
图1所示为原理图,线性调频信号的电谱图如图2所示,原始线性调频信号由DDS产生,中心频率6.5GHz,带宽1GHz,用于驱动MZM,产生2/4倍频信号。图3为2/4倍频信号的频谱图,通过将MZM的偏置在最小点,产生载波抑制双边带信号,输出的光谱如图3所示;AWG输出的上、下边带信号,AWG用做滤波器,将MZM输出的双边带信号进行分离,然后分别输入到光频梳模块,输出光信号的频谱如图4所示;对光频梳模块输入的射频信号功率和偏置点进行合理的设置,产生的五线光梳信号,其光谱图如图5所示。
五线光梳信号合路后,输入到AWG2进行频谱分离,然后输入到五个并联的PD中进行光电探测,最终可以产生频谱10倍扩展的线性调频信号,频谱图如图6所示,带宽1GHz的原始线性调频信号在光域进行处理后产生了频谱10倍扩展的线性调频信号。因此,通过对射频信号进行光子学操作了,大大缓解了对原始电频谱信号带宽和频率的要求,突破了“电子瓶颈”的限制。
Claims (2)
1.一种双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生***,其特征在于:
所述双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生***,包括激光器、直接数字合成器(DDS)、倍频模块、光频梳模块和频谱扩展模块,激光器和直接数字合成器为倍频模块中的马赫-曾德尔调制器(MZM)提供光载波和线性调频信号,DDS的输出端口为a点;倍频模块实现电信号的光电转换及倍频,调节MZM直流端口的偏置电压,使MZM工作于载波抑制模式下,将输入的线性调频信号调制到光载波的1阶或2阶光边带上,从而产生2/4倍频信号,倍频模块的输出端口为b点;倍频模块输出的光信号首先输入到阵列波导光栅AWG1中进行波长分离,AWG1具有波长解复用的功能,从而将光信号中波长不同的 两个边带分离出来;AWG1的两个输出端口分别标记为c点和d点,AWG1输出的两路光信号分别注入到光频梳模块中的X-MZM和Y-MZM,光频梳模块生成五线光频梳,然后,调整本振信号的输入功率和MZM的直流偏置电压,使输出的光载波、±1阶和±2阶光边带的功率相等,从而实现五线光频梳的产生,X-MZM的输出端口标记为e,Y-MZM的输出端口标记为f;频谱扩展模块实现光信号的光电转换及频谱拼接,频谱扩展模块中AWG2的功能与AWG1类似,用于对五线光梳信号进行波长分离,从而在AWG2的五个输出端口得到五路不同波长的光信号,分别用g、h、i、j、k标记;五路光信号分别注入到五个并联的PD中进行光电探测,对得到的电信号进行频谱拼接,即可实现10/20倍频的线性调频信号频谱扩展。
2.一种利用权利要求1所述双光梳多倍频因子频谱扩展调频信号产生***的实现方法,其特征在于包括下述步骤:
步骤1:激光器输出的光信号和DDS输出的线性调频信号分别表示为:和S(t)=VSsin(ωSt+kπt2);其中,Ec是光载波的电场强度,ωc光载波的角频率,VS、ωS和k分别是线性调频信号的幅度、角频率和啁啾斜率;
步骤2:在二倍频模式下,倍频模块的输出b点的光信号表示为:
其中,m为调制指数,Jn(·)为第一类n阶贝塞尔函数;
在四倍频模式下,倍频模块的输出b点的光信号表示为:
步骤3:倍频模块输出的光信号输入到AWG1中,将上、下两个光边带分离出来,上、下光边带波长不同,AWG1根据波长进行分离,则c点光信号在二倍频模式下表示为:
在四倍频模式下表示为:
d点的光信号在二倍频模式下表示为:
在四倍频模式下可表示为:
AWG1输出的光信号输入到光频梳模块中,用作光载波,频率为fLO1和fLO2的本振信号分别输入到X-MZM和Y-MZM的RF端口,用作驱动信号,fLO1和fLO2的频率差与线性调频信号的带宽相同;在X-MZM中,本振信号表示为:SLO1(t)=VLO1·sin(ωLO1t),其中,VLO1和ωLO1分别是本振信号的幅度和角频率;则X-MZM输出的载波、正负一阶边带和正负二阶边带分别为:
调整输入本振信号的功率和直流偏压,使|E0|=|E±1|=|E±2|,则在e点产生频率间隔为fLO1的五线光梳信号;
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