一种光学辅助的宽带微波瞬时频率测量方法
技术领域
本发明涉及微波检测、微波光子学、雷达领域,尤其是光学辅助的宽带微波瞬时频率测量技术。
背景技术
现代战争在某种程度上已然变为了电子战争,其中雷达发挥出了巨大的作用,如果能快速获取敌方雷达发射的信号频率参数,那么就能使其成为左右战局胜负的关键因素之一。传统的电子瞬时测频接收机虽然能对持续时间长度在5ns甚至更短的信号进行瞬时频率的测量(B.Zhang,X.Wang,and S.Pan,“Photonics-based instantaneous multi-parameter measurement of a linear frequency modulation microwave signal,”Journal of Lightwave Technology,vol.36,no.13,pp.2589–2596, 2018;M.Pagani etal.,“Low-error and broadband microwave frequency measurement in a siliconchip,”Optica,vol.2,pp.751–756,2015.)但是面对日益复杂的电磁环境,电子***的带宽瓶颈难以实现大带宽的实时测量,不能满足现代电子战的需要。
凭借着大带宽,低损耗,抗电磁干扰等优势,微波光子技术的快速发展为接收机性能的提升提供了可能,近年来基于光子技术的瞬时测频方案已成为研究热点。典型的实现方案包括基于频率-微波功率映射(C.Yang,W.Yu,and J.Liu,“Reconfigurableinstantaneous frequency measurement system based on a polarizationmultiplexing modulator”,IEEE Photonics Journal,vol.11,no.1,pp.1-11,2019.)或者频率到光功率映射的原理(J.Li,L.Pei,T.G.Ning,J.J.Zheng,Y.J.Li, and R.S.He,“Measurement of instantaneous microwave frequency by optical power monitoringbased on polarization interference”,Journal of Lightwave Technology,vol.38,no.8,pp.2285-2291 2020.)。
但总的来说,频率到微波功率映射方案需要高速的光电探测器,这使得***的成本大大提高;而频率到光功率映射方案通过直接分析得到的直流分量,难以避免直流及低频噪声干扰。为了避免直流及低频噪声干扰,得到响应速度快,结构简单,低成本的***,本发明公布了一种光学辅助的宽带微波瞬时频率测量方法和装置。
发明内容
鉴于微波光子技术的显著优势,本发明旨在提供一种光学辅助的宽带微波瞬时频率测量和分析方法,这需要把雷达截获的微波信号调制到光波上,通过一定的光路结构,产生一个仅与待测微波信号频率有关的幅度比较函数,进而得到待测微波信号频率,从而在宽带范围内实现高精度的瞬时频率测量。
本发明的目的通过如下手段来实现。
一种光学辅助的宽带微波瞬时频率测量方法和装置,主要由连续激光源、载波抑制单边带调制模块、马赫-曾德尔干涉仪、声光调制器和两低速光电探测器组成。处理步骤如下:激光器发出的连续光首先进入到载波抑制单边带调制模块中被接收到的待测微波信号调制,产生的单个边带的光信号经过耦合器分成两支路;上支路光边带进入到马赫-曾德尔干涉仪,得到互补滤波的两端口输出;下支路进入到声光调制器中,使中心频率发生fs的频移;该频移量可以根据实际需求灵活选取MHz到百MHz量级之间的非零正值数;所述两支路的输出合并进入到两低速光电探测器中,拍频产生载频为fs的射频信号;通过对比两射频信号的幅度得到幅度比较函数,推测出待测微波信号频率。
采用本发明的方法,在于不同频段微波信号的频率信息被转化为载频为fs的射频信号的幅度信息,避免了高速光电器件的使用,且有效避免了直流及低频噪声的干扰,有效提高宽带微波信号瞬时频率测量精度。
本发明的目的还在于为以上方法的实施提供核心装置。
一种光学辅助的宽带微波瞬时频率测量装置,该装置由连续激光源10、载波抑制单边带调制模块20、第一光耦合器30、第二光耦合器31、第三光耦合器32和第四光耦合器33、马赫-曾德尔干涉仪40、声光调制器50、第一低速光电探测器60和第二低速光电探测器61以及电处理模块70组成;从激光源10发出的连续光首先进入到载波抑制单边带调制模块20中,该模块由一个电光调制器201和一个带通滤波器202顺序组成;接收到的待测微波信号频率为fm,在电光调制器201中对该路光载波进行载波抑制的双边带调制,然后经带通滤波器202滤波后仅得到单个一阶光边带,此单个光边带经耦合器30分成两支路;上支路光边带进入到马赫-曾德尔干涉仪40中,得到互补滤波的两端口输出信号A和B;下支路光边带经声光调制器50后发生fs的频移,此时光波频率为fc+fm+fs,其中fc为激光源频率,fm为接收到的待测微波信号频率,fs为声光调制器的频移,之后经第三光耦合器32分成信号C和D;所述的上支路输出信号A与下支路输出信号C经第二光耦合器31合并进入到第一低速光电探测器60中,同理上支路输出信号B与下支路输出信号D经第四光耦合器33合并进入到第二低速光电探测器61中;随后在第一低速光电探测器60和第二低速光电探测器61中分别拍频产生两个载频为fs的射频信号;通过电处理模块70对得到的两射频信号进行幅度对比,推测出待测微波信号频率。
具体实现过程为:激光器发出的连续光首先进入到载波抑制单边带调制模块中被接收到的待测微波信号调制,在小信号调制下,产生的单个边带光信号可表示为:
其中t为时间变量,E0为光载波的电场幅度,β为电光调制器201的调制指数,fc为激光源频率,fm为接收到的待测微波信号频率。接着该光边带经耦合器分成两路,上支路进入到马赫-曾德尔干涉仪中,设置光载波的位置与马赫-曾德尔干涉仪固有的互补传输响应中的一个波峰或波谷位置对齐,实现延迟干涉后得到互补滤波的两端口输出。假设马赫-曾德尔干涉仪每条臂的损耗可以忽略,且两臂的耦合系数设置为0.5,则该马赫-曾德尔干涉仪的两个输出端口的光信号可以表示为:
这里φ1、φ2指马赫-曾德尔干涉仪两臂引入的附加相位频移量,化简公式(2)得到如下表达式:
其中λ为光波的波长,n为光纤的有效折射率,ΔL为两臂的长度差。根据马赫-曾德尔干涉仪的传输函数性质可得时间延迟为:
c为光在真空中的传播速度,则公式(4)可表示为:
下支路光边带信号发射到声光调制器中产生fs的频移量,其中fs在MHz到百MHz量级之间。其电场的表达式为:
马赫—曾德尔干涉仪的两路输出与声光调制器的输出经耦合器合并进入到低速的光电探测器中进行拍频,产生的电流信号表达式为:
这里的+和-代表上、下两支路,对比公式(7)和公式(8)载频为fs的幅度信息得到幅度比较函数(ACF)的表达式如下:
由公式(9)可知该方法避免了直流及低频噪声的干扰,且整个过程与光源功率和微波功率的变化无关,得出待测微波信号频率的表达式为:
上述发明,利用了光子学技术的独特优势,具有如下优点:整个测量过程与微波功率和光功率的变化无关,具有大带宽、低的损耗、抗电磁干扰等优势,且结构简单,响应速度快,不需要复杂的信号处理过程就能得出待测微波信号频率。另一方面不同频段微波信号的频率信息均转化为中心载频为fs射频信号的幅度信号,有效避免了直流及低频噪声干扰,提高了测量精度。
附图说明:
图1.本发明方法的***框图。
图2.上路光边带信号互补滤波示意图。
图3.下路光边带信号频移示意图。
图4.产生固定载频信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。
如图1所示,本发明由连续激光源10,载波抑制单边带调制模块20,光耦合器30~33,马赫—曾德尔干涉仪40,声光调制器50,低速光电探测器60和61,电处理模块70构成。
从激光源10(频率为fc)出发,发射光进入载波抑制单边带调制模块20,该模块由一个电光调制器201(强度调制器或相位调制器)和一个带通滤波器202连接而成;接收到的待测微波信号(频率为fm) 在电光调制器201中对输出光信号进行外调制,然后经带通滤波器 202后仅得到单个一阶的光边带。此一阶的光边带经耦合器30分成两支路,上支路进入马赫—曾德尔干涉仪40中,设置光载波的位置与其固有的互补传输响应中的一个波峰或波谷位置对齐,实现延迟干涉后输出互补滤波的两端口信号A和B;下支路进入到声光调制器50中,使中心频率发生fs的频移,此时光波的频率为fc+fm+fs,然后经过耦合器31分成两支路C和D。上支路输出信号A与下支路输出信号C经耦合器32合并进入到低速光电探测器60中拍频,同理,上支路输出信号B与下支路输出信号D经耦合器33合并进入到低速光电探测器61中。拍频产生载频为fs的射频信号,通过对两射频信号进行幅度对比得到幅度比函数,推测出待测微波信号频率。
激光源输入到载波抑制单边带调制模块后输出的光信号E1(t)可以表示为:
其中t为时间变量,E0为光载波的电场幅度,β为电光调制器201的调制指数,fc为激光源频率,fm为接收到的待测微波信号频率。公式 (11)中的一阶光边带进入到马赫-曾德尔干涉仪,得到互补滤波的两端口输出表示为:
另一路光边带信号发射到声光调制器中产生fs的光学频移量,输出的光信号EC(t)表达式为:
马赫—曾德尔干涉仪的两路输出与声光调制器的输出经耦合器合并后进入到低速的光电探测器中进行拍频,产生的两电信号表达式为:
这里的+和-代表上、下两支路,对比公式(14)和公式(15)中载频为 fs的幅度信息得到幅度比较函数(ACF)的表达式如下:
由公式(16)可知,该方法避免了直流及低频噪声干扰,且整个过程与光源功率和微波功率的变化无关,得出待测微波信号频率的表达式为:
综上所述,本发明具有以下特征:1).整个***具有大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优势,且结构简单,响应速度快,不需要复杂的信号处理过程就能得出待测微波信号频率;2).整个测量过程与微波功率和光功率的变化无关,能在宽频带范围内实现对待测微波信号频率的测量;3).声光调制器的使用,使得不同频段微波信号的频率信息均转化为中心载频为fs射频信号的幅度信号,有效避免了直流及低频噪声干扰,提高了测量精度。
以上所陈述的仅仅是本发明的优选实施方式,应当指出,在不脱离本发明方法和核心装置实质的前提下,在实际实施中可以做出若干更改和润色也应包含在本发明的保护范围。