一種高靈敏大帶寬光子微波頻率測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微波光子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高靈敏大帶寬光子微波頻率測量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微波頻率測量是射電天文學(xué)、電子戰(zhàn)等領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。隨著微波術(shù)的快速發(fā)展，微波工作的頻段節(jié)節(jié)攀升，幾乎跨越了 2MHz至300GHz的頻段。傳統(tǒng)的電子頻率測量方法，如多信道法、鑒頻法、干涉儀比相法、駐波鑒相法等，因受到受混頻器、濾波器等器件的電子瓶頸和瞬時帶寬限制，難以能滿足未來深空探測、電子對抗等應(yīng)用中對未知微波信號監(jiān)測的大范圍、快速準(zhǔn)確測量的要求。
[0003]光子學(xué)與微波學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的微波光子技術(shù)為微波頻率的大范圍準(zhǔn)確測量提供了良好的手段，可以充分利用光的大帶寬、低損耗、可調(diào)諧、可復(fù)用等優(yōu)勢，同時具有良好的抗電磁干擾性能。目前基于微波光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)微波頻率測量的方法主要分為三種:(1)基于頻率到空間映射的光子微波頻率測量；(2)基于頻率到時間映射的光子微波頻率測量；(3)基于頻率到功率映射的光子微波頻率測量。
[0004]在先技術(shù)[1](S.T.Winnall, A.C.Lindsay, M.W.Austin, J.Canning andA.Mitchell, “A microwave channelizer and spectroscope based on an integratedoptical Bragg-grating Fabry - Perot，，，IEEE Transact1ns on Microwave Technologyand Techniques, Vol.54, N0.2, pp.868-872，F(xiàn)eb.2006)研究了基于頻率到空間映射的光子微波頻率測量方法。利用集成波導(dǎo)光柵法布里-珀羅腔(BGFP)和集成波導(dǎo)菲涅爾透鏡將光載微波信號在頻域上分割成很多路的窄帶信號，這些窄帶信號在空間分開，通過光電探測器陣列接收每一路的窄帶信號，實(shí)現(xiàn)微波頻率測量。受集成波導(dǎo)光柵法布里-珀羅腔(BGFP)和集成波導(dǎo)菲涅爾透鏡的分光能力所限，該方案未能實(shí)現(xiàn)大頻率范圍的微波頻率測量。
[0005]在先技術(shù)[2](L.V.T.Nguyen, “Microwave photonic technique for frequencymeasurement of simultaneous signals，，，IEEE Photonics Technology Letters, Vol.21,N0.10, pp.642-644, May 2009)研究了基于頻率到時間映射的光子微波頻率測量方法。利用啁啾光纖光柵的色散特性，將接收到的寬頻微波信號調(diào)制到光載波上，進(jìn)入啁啾光纖光柵傳輸，不同頻率的光因色散在啁啾光纖光柵中傳播速度不同，產(chǎn)生的時間上升沿也不同，通過判決上升沿檢測輸入微波信號的頻率。該測量方法需要高速的光開關(guān)作為頻率測量的參考門，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；可測的微波頻率范圍受啁啾光纖光柵色散值的限制，同時由于受到啁啾光纖光柵延時抖動的影響，測量誤差大。
[0006]在先技術(shù)[3](X.Han, S.Zhang, C.Tong, N.Shi, Y.Gu, M.Zhao, “A photonicapproach to microwave frequency measurement with extended range based on phasemodulat1n”, Chinese Optics Letters, Vol.11, N0.5, 050604, May 2013)研究了基于頻率到功率映射的光子微波頻率測量方法。利用光纖色散導(dǎo)致輸出微波信號功率隨傳輸光纖距離改變而發(fā)生變化的特性，構(gòu)建了輸入微波信號頻率與輸出微波信號功率比值的映射關(guān)系。通過微波功率探測并做比值數(shù)據(jù)處理，獲得輸入微波信號的頻率值。盡管采用了兩級光纖傳輸通道構(gòu)建微波頻率與輸出微波功率比值的映射關(guān)系，使頻率測量范圍獲得了有效提升，但是隨著輸入微波信號功率的降低，該方法的測量誤差會增大，難以實(shí)現(xiàn)對微弱微波信號的探測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供一種高靈敏大帶寬光子微波頻率測量裝置及方法，有效解決【背景技術(shù)】中光子微波頻率測量的靈敏度低、測量范圍小等問題。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種高靈敏大帶寬光子微波頻率測量裝置，包括可調(diào)諧激光器1、電光相位調(diào)制器2、光放大器3、光學(xué)陷波濾波器4、光電探測器5、電放大器6、電分路器7、電合路器8、微波功率計(jì)9和數(shù)據(jù)采集與控制單元10 ;
[0009]所述的可調(diào)諧激光器1、電光相位調(diào)制器2、光放大器3、光學(xué)陷波濾波器4和光電探測器5依次通過光纖連接；
[0010]所述的光電探測器5、電放大器6、電分路器7和電合路器8依次通過電纜連接；所述的電光相位調(diào)制器2、光放大器3、光學(xué)陷波濾波器4、光電探測器5、電放大器6、電分路器7和電合路器8依次連接構(gòu)成環(huán)路；
[0011 ] 所述的電合路器7的第三端口 73與微波功率計(jì)9通過電纜連接；
[0012]所述的可調(diào)諧激光器1和微波功率計(jì)9通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集與控制單元10相連；
[0013]所述的光學(xué)陷波濾波器4的濾波響應(yīng)是中心有陷波的帶通濾波波形，陷波的中心頻率為fN。
[0014]—種用高靈敏大帶寬光子微波頻率測量裝置實(shí)現(xiàn)高靈敏光子微波頻率測量的方法，步驟如下:
[0015]可調(diào)諧激光器1輸出頻率為fe的光載波輸入至電光相位調(diào)制器2的光輸入端口，待測微波信號經(jīng)電合路器8的第二端口 82輸入至電光相位調(diào)制器2的射頻輸入端口，在電光相位調(diào)制器2中微波信號調(diào)制到光載波上；電光相位調(diào)制器2輸出相位調(diào)制光載微波信號；相位調(diào)制光載微波信號經(jīng)光放大器3放大后進(jìn)入光學(xué)陷波濾波器4 ;光學(xué)陷波濾波器4濾除相位調(diào)制光載微波信號的低頻邊帶，輸出單邊帶信號；單邊帶信號傳輸進(jìn)入光電探測器5進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；光電探測器5輸出的微波電信號經(jīng)電放大器6放大后進(jìn)入電分路器7的第一端口 71 ;電分路器7的第二端口 72輸出的微波電信號進(jìn)入電合路器8的第三端口 83 ;電合路器8的第一端口 81輸出的微波電信號輸入至電光相位調(diào)制器2的射頻輸入端口。
[0016]數(shù)據(jù)采集與控制單元10輸出控制信號調(diào)節(jié)可調(diào)諧激光器1輸出光載波的頻率fc，使其滿足以下關(guān)系
[0017]fc= f RF+fN ⑴
[0018]在滿足公式⑴的條件下，待測微波信號在電光相位調(diào)制器2、光放大器3、光學(xué)陷波濾波器4、光電探測器5、電放大器6、電分路器7和電合路器8連接構(gòu)成的環(huán)路中往返傳輸。
[0019]電分路器7的第三端口 73輸出的微波電信號傳輸至微波功率計(jì)9 ;微波功率計(jì)9探測得到該微波的功率值由數(shù)據(jù)線傳輸至數(shù)據(jù)采集與控制單元10。
[0020]當(dāng)上述環(huán)路的增益大于損耗時，該微波信號的功率值高于系統(tǒng)噪聲，數(shù)據(jù)采集與控制單元10根據(jù)可調(diào)諧激光器1輸出的光載波頻率fe和光學(xué)陷波濾波器的陷波中心頻率fN，由公式(1)計(jì)算得到待測微波信號的頻率值
[0021]fRF= f c-fN ⑵
[0022]根據(jù)公式(2)確定輸入的待測微波信號的頻率。
[0023]在滿足公式⑴的條件下，電光相位調(diào)制器2、光放大器3、光學(xué)陷波濾波器4、光電探測器5、電放大器6、電分路器7和電合路器8構(gòu)成振蕩環(huán)路。光放大器4和電放大器7對在振蕩環(huán)路中傳輸?shù)男盘柧哂醒h(huán)功率放大的作用，實(shí)現(xiàn)輸入待測微弱微波信號的測量，因此具有極高的靈敏度。
[0024]所述的光學(xué)陷波濾波器4，由光環(huán)形器41和相移光纖光柵42構(gòu)成。
[0025]所述高靈敏大帶寬光子微波頻率測量裝置，其實(shí)現(xiàn)大帶寬光子微波頻率測量的原理如下:
[0026]該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)頻率測量的范圍由可調(diào)諧激光器1輸出光載波頻率&的調(diào)節(jié)范圍和光學(xué)陷波濾波器4的濾波響應(yīng)帶寬和陷波中心頻率fN決定。電光相位調(diào)制器2輸出的光載微波信號在光學(xué)陷波濾波器4的濾波響應(yīng)帶寬之內(nèi)，通過光學(xué)陷波濾波器4濾除光載微波的低頻邊帶，由光電探測器5進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換輸出微波電信號。微波電信號經(jīng)電分路器7、電合路器8進(jìn)入振蕩環(huán)路，經(jīng)過環(huán)路的循環(huán)振蕩，環(huán)路增益大于損耗，電分路器7的第三端口 73輸出微波電信號，傳輸至微波功率計(jì)9。數(shù)據(jù)采集與控制單元10采集到微波功率計(jì)9探測得到的微波信號功率值，由公式(2)確定待測微波信號的頻率。光學(xué)陷波濾波器4的濾波響應(yīng)帶寬在幾百GHz，可調(diào)諧激光器的輸出光載波頻率調(diào)諧范圍亦為幾百GHz，因此該裝置實(shí)現(xiàn)了大帶寬范圍內(nèi)微波信號頻率的測量。
[0027]本發(fā)明的有益效果是:
[0028](1)本發(fā)明高靈敏大帶寬光子微波頻率測量裝置及方法，采用電光相位調(diào)制器、光放大器、光學(xué)陷波濾波器、光電探測器、電放大器、電分路器和電合路器構(gòu)成振蕩環(huán)路，光放大器和電放大器對在振蕩環(huán)路中傳輸?shù)男盘柧哂醒h(huán)功率放大的作用，實(shí)現(xiàn)輸入待測微弱微波信號的測量，具有極高的靈敏度。
[0029](2)本發(fā)明高靈敏大帶寬光子微波頻率測量裝置及方法，利用可調(diào)諧激光器輸出光載波的頻率與光學(xué)陷波濾波器的陷波中心頻率的差值來確定待測微波信號的頻率，該裝置中無電濾波