本發(fā)明涉及光通信技術(shù)領(lǐng)域和微波技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及微波信號(hào)光子學(xué)多普勒頻移測(cè)量。

背景技術(shù)：

多普勒效應(yīng)是由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的發(fā)射頻率和接收頻率存在偏差的現(xiàn)象。其頻率差被定義為多普勒頻移(DFS)。目前，在雷達(dá)、無(wú)線通信、電子戰(zhàn)、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域多普勒頻移測(cè)量有著重要的應(yīng)用。例如，在無(wú)線通信中，多普勒效應(yīng)表現(xiàn)為無(wú)線多徑衰落信道的時(shí)變特性，通過(guò)測(cè)量多普勒頻移可以對(duì)信道參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，從而對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。在臨床醫(yī)學(xué)中，利用多普勒效應(yīng)對(duì)心血管系統(tǒng)以及各臟器內(nèi)正在流動(dòng)的血液進(jìn)行檢測(cè)，從而獲得血流方向、血流速度分布以及血流狀態(tài)等一些重要的血流信息進(jìn)而對(duì)疾病進(jìn)行診斷。傳統(tǒng)電域的多普勒頻移測(cè)量方法有傅里葉分析、時(shí)域分析、正交混頻等。這些方法雖然能夠獲得很好的測(cè)量精度，但受限于電子瓶頸，具有帶寬窄、易受電磁干擾等問(wèn)題。

微波光子技術(shù)結(jié)合了微波和光子兩大技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。該技術(shù)具備瞬時(shí)帶寬大、體積小、功耗少、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，為多普勒頻移測(cè)量提供一個(gè)新的解決方案。

在已經(jīng)提出的微波光子學(xué)多普勒頻移測(cè)量的方案中有兩種思路：一種是通過(guò)將多普勒頻移映射到功率，利用功率到頻率偏移量一一對(duì)應(yīng)關(guān)系間接測(cè)得多普勒頻移，但無(wú)法獲得多普勒頻移的方向；另外一種是通過(guò)光學(xué)下變頻鏈路將多普勒頻移變換成低頻的電信號(hào)，利用頻譜分析儀和示波器分析低頻電信號(hào)的頻譜、相位關(guān)系來(lái)分別獲取多普勒頻移的大小和方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中所存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于雙偏振調(diào)制器實(shí)現(xiàn)多普勒頻移測(cè)量的裝置及方法。該發(fā)明通過(guò)頻譜分析儀來(lái)分析下變頻后的多普勒頻移的大小，利用混合耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)方向的判定。當(dāng)正多普勒頻移發(fā)生時(shí)，混合耦合器的正端口輸出信號(hào)，負(fù)多普勒頻移發(fā)生時(shí)，混合耦合器的負(fù)端口輸出信號(hào)。該方法具有載頻調(diào)諧范圍寬、測(cè)頻精度高等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的方法是：所述裝置包括激光二極管(LD)、電移相器(Phase Shifter)、雙偏振馬增調(diào)制器(DPol-MZM)、摻鉺光纖放大器(EDFA)、光濾波器(OBPF)、偏振控制器(PC)、偏振分束器(PBS)和光電檢測(cè)器(PD)和混合耦合器(Hybrid Coupler)；LD的輸出端口與DPol-MZM的輸入端相連，DPol-MZM的輸出端與EDFA的輸入端相連，EDFA的輸出端和OBPF的輸入端相連，OBPF的輸出端經(jīng)PC和PBS的輸入端相連，PBS輸出端的兩個(gè)分支分別和PD1和PD2的輸入端相連。PD1和PD2的輸出端分別和Hybrid Coupler的兩個(gè)輸入端口相連。

上述的DPol-MZM由一個(gè)光分束器、上下兩個(gè)并行的MZM1、MZM2以及偏振復(fù)用器(PBC)集成，MZM1的兩個(gè)射頻端口為port1和port2，直流偏置V_DC1，MZM2的兩個(gè)射頻端口為port3和port4，直流偏置V_DC2，MZM1和MZM2具有相同的結(jié)構(gòu)和性能。

上述的PD1和PD2均為窄帶PD。

上述的Hybrid Coupler是一個(gè)兩進(jìn)兩出的四端口模型，由90度移相器、加法器和減法器集成，這里命名相加輸出的上端口為負(fù)端口(Negative Port)，相減輸出的下端口為正端口(Positive Port)。

本發(fā)明在工作時(shí)包括以下步驟：

1)LD發(fā)出的連續(xù)光載波進(jìn)入DPol-MZM，在DPol-MZM內(nèi)經(jīng)光分束器將光載波等分為兩部分，分別輸入到MZM1和MZM2中；

2)發(fā)送信號(hào)(Transmitted signal)被等分為兩部分，一部分加載在MZM1的射頻端口port1，一部分經(jīng)電移相器移相90度后加載在MZM2的射頻端口port3上?；芈曅盘?hào)(Echo signal)也被等分為兩部分，分別加載在上支路MZM1的射頻端口port2和下支路MZM2的射頻端口port4上。通過(guò)設(shè)置使回聲信號(hào)的頻率與發(fā)送信號(hào)頻率存在微小的偏移量來(lái)生成多普勒頻移。

3)設(shè)置V_DC1、V_DC2的大小，使MZM1和MZM2均工作在最小傳輸點(diǎn)。在MZM1和MZM2的輸出端可以分別得到載波抑制的雙邊帶信號(hào)。

4)MZM1和MZM2輸出的兩路信號(hào)輸入到PBC實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)正交化，在DPol-MZM的輸出端得到一個(gè)偏振復(fù)用信號(hào)；

4)DPol-MZM輸出的已調(diào)信號(hào)經(jīng)過(guò)EDFA放大后送入OBPF，濾除已調(diào)信號(hào)的負(fù)一階光邊帶。

5)濾波后的信號(hào)經(jīng)過(guò)PC后進(jìn)入PBS，調(diào)節(jié)PC使信號(hào)經(jīng)過(guò)PBS后實(shí)現(xiàn)兩個(gè)正交偏振態(tài)的分離；

6)PBS輸出的兩路信號(hào)分別和PD1和PD2相連，利用頻譜分析儀對(duì)其中任何一路信號(hào)進(jìn)行分析就可以得到多普勒頻移的大小。

7)PD1和PD2輸出的兩個(gè)低頻電信號(hào)分別輸入到Hybrid Coupler的兩個(gè)輸入端口。在Hybrid Coupler中，90度移相器將PD1輸入的電信號(hào)移相90度，負(fù)端口輸出兩個(gè)信號(hào)的和，正端口輸出兩個(gè)信號(hào)的差，通過(guò)檢查兩個(gè)輸出端口是否有信號(hào)來(lái)判定多普勒頻移的正負(fù)。目標(biāo)徑向靠近時(shí)，回聲信號(hào)頻率變大，多普勒頻移為正(“+”)。反之，目標(biāo)徑向遠(yuǎn)離時(shí)，回聲信號(hào)頻率變小，多普勒頻移為負(fù)(“-”)。

8)固定發(fā)射信號(hào)的頻率，調(diào)節(jié)回聲信號(hào)的頻率偏移量，從而生成不同的多普勒頻移，然后重復(fù)步驟6和7。

9)固定頻率偏移量，改變發(fā)射微波信號(hào)和回聲信號(hào)載頻的大小，然后重復(fù)步驟6和7。

本發(fā)明提出了一種基于雙偏振調(diào)制器實(shí)現(xiàn)多普勒頻移測(cè)量的方法，該方法利用基于DPol-MZM將多普勒頻移下變頻到低頻的電信號(hào)，結(jié)合電域的Hybrid Coupler可以同時(shí)獲得多普勒頻移的大小和方向，該方法載波頻率調(diào)諧范圍寬、測(cè)頻精度高、具有很強(qiáng)的實(shí)際可操作性等優(yōu)點(diǎn)。

由于PD1和PD2輸出的低頻電信號(hào)都包含了多普勒頻移成分，利用頻譜分析儀對(duì)任何一路信號(hào)進(jìn)行分析就可以得到多普勒頻移的大小。

該方法中，當(dāng)正多普勒頻移發(fā)生時(shí)，只有正端口有輸出信號(hào)，當(dāng)負(fù)多普勒頻移發(fā)生時(shí)，只有負(fù)端口有輸出信號(hào)。

該方法的測(cè)量結(jié)果與發(fā)射微波信號(hào)的載頻無(wú)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)頻率的寬調(diào)諧范圍。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于DpolMZM實(shí)現(xiàn)多普勒頻移測(cè)量的原理圖；

圖2為發(fā)射信號(hào)為18GHz，回聲信號(hào)為18.001GHz時(shí)，已調(diào)信號(hào)經(jīng)EDFA放大后的光譜圖，EDFA寬譜光測(cè)試的OBPF的傳輸曲線圖以及濾波后的光譜圖；

圖3為發(fā)射信號(hào)為18GHz，回聲信號(hào)分別為18.001GHz和17.999GHz時(shí)，示波器和頻譜分析儀觀測(cè)到上下兩路信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜：

(a)回聲微波信號(hào)為18.001GHz時(shí)，PD1和PD2輸出的電信號(hào)波形圖；

(b)回聲微波信號(hào)為17.999GHz時(shí)，PD1和PD2輸出的電信號(hào)波形圖；

(c)回聲微波信號(hào)為18.001GHz時(shí)，PD1輸出的電信號(hào)頻譜圖；

(d)回聲微波信號(hào)為17.999GHz時(shí)，PD1輸出的電信號(hào)頻譜圖；

圖4為選取發(fā)射信號(hào)為18GHz，回聲信號(hào)分別在18.001GHz和17.999GHz時(shí)，頻譜分析儀觀測(cè)到正端口和負(fù)端口輸出信號(hào)的頻譜；

(a)和(b)分別為回聲微波信號(hào)為18.001GHz時(shí)，Hybrid Coupler相應(yīng)的正端口和負(fù)端口輸出的電信號(hào)頻譜圖；

(c)和(d)分別為回聲微波信號(hào)為17.999GHz時(shí)，Hybrid Coupler相應(yīng)的正端口和負(fù)端口輸出的電信號(hào)頻譜圖；

圖5為在不同的發(fā)射頻率下，回聲信號(hào)的頻率偏移量以10KHz步進(jìn)值從-100KHz變化到+100KHz時(shí)，理論頻率偏移量曲線、實(shí)際測(cè)量的多普勒頻移以及誤差曲線：

(a)發(fā)射頻率在18GHz下，理論頻率偏移量曲線、實(shí)際測(cè)量的多普勒頻移、±1KHz多普勒頻移時(shí)PD1輸出電信號(hào)的頻譜圖以及誤差曲線；

(b)發(fā)射頻率在15GHz下，理論頻率偏移量曲線、實(shí)際測(cè)量的多普勒頻移、±1KHz多普勒頻移時(shí)PD1輸出電信號(hào)的頻譜圖以及誤差曲線；

(c)發(fā)射頻率在10GHz下，理論頻率偏移量曲線、實(shí)際測(cè)量的多普勒頻移、±1KHz多普勒頻移時(shí)PD1輸出電信號(hào)的頻譜圖以及誤差曲線；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例：

如圖1所示，本實(shí)施例中包括：LD、發(fā)送信號(hào)源、回聲信號(hào)源、DPol-MZM、EDFA、OBPF、PC、PBS、PD和Hybrid Coupler。LD與DPol-MZM的輸入端相連，發(fā)送信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)分為兩部分，一部分加載在MZM1的射頻端口port1，一部分經(jīng)電移相器移相90度后加載在MZM2的射頻端口port3上；回聲信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)分為兩部分，分別加載在MZM1的射頻端口port2和MZM2的射頻端口port4上。DPol-MZM的與EDFA相連，EDFA的輸出端和OBPF相連。OBPF的輸出端經(jīng)PC和PBS相連，PBS輸出端的兩個(gè)分支分別和PD1和PD2相連。PD1和PD2的輸出端分別和Hybrid Coupler的兩個(gè)輸入端口相連。利用譜分析儀對(duì)PD1或者PD2任何一路信號(hào)進(jìn)行分析就可以得到多普勒頻移的大小，通過(guò)檢查Hybrid Coupler的兩個(gè)正負(fù)端口是否有信號(hào)來(lái)判定信號(hào)的正負(fù)。

本實(shí)例中，方法的具體實(shí)施步驟是：

步驟一：LD產(chǎn)生工作波長(zhǎng)在1552nm附近、光功率為15dBm的連續(xù)光載波，將光載波的工作角頻率記為ω_c，幅度記為E₀。連續(xù)光載波輸入到DPol-MZM。

步驟二：發(fā)送信號(hào)源產(chǎn)生的頻率f_T為18GHz，功率P_T為10dBm的微波信號(hào)通過(guò)耦合器等分為兩部分，一部分輸入到port1，另一部分經(jīng)電移相器移相90度后輸入到MZM2的port3，回聲信號(hào)源產(chǎn)生的頻率為f_E為18.001GHz，功率P_E為5dBm的微波信號(hào)也被等分為兩部分，分別輸入到MZM1的port2和MZM2的port4。調(diào)節(jié)V_DC1、V_DC2的大小使MZM1和MZM2均偏置在最小傳輸點(diǎn)，則MZM1，MZM2輸出載波抑制的雙邊帶信號(hào)。在小信號(hào)功率情況下，高階項(xiàng)的功率非常小可以忽略，只保留一階成分。兩個(gè)子調(diào)制器輸出可以分別表示為下式：

其中ω_T＝2πf_T，ω_E＝2πf_E，ε是調(diào)制的插入損耗，β₁，β₂為發(fā)射信號(hào)和回聲信號(hào)的調(diào)制指數(shù)，J_n(·)為第一類(lèi)n階貝塞爾函數(shù)，MZM1和MZM2輸出的光信號(hào)進(jìn)入PBC實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)正交，設(shè)和代表兩個(gè)正交的偏振方向，DPol-MZM輸出的偏振復(fù)用的光信號(hào)可表示為：DPol-MZM輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)EDFA將功率放大到10dBm后輸入到OBPF，調(diào)節(jié)LD輸出的光載波的波長(zhǎng)使已調(diào)信號(hào)的正一階邊帶落在OBPF的通帶內(nèi)。則經(jīng)過(guò)OBPF信號(hào)的正一階邊帶被濾出。其表達(dá)式為：

如圖2所示，由于光譜儀的分辨率為0.01nm，發(fā)射信號(hào)和回聲信號(hào)的正一階邊帶不能被區(qū)分出來(lái)。通過(guò)調(diào)節(jié)LD輸出光波的波長(zhǎng)，已調(diào)信號(hào)的正一階邊帶落在OBPF的通帶內(nèi)，濾出的正一階邊帶的功率對(duì)負(fù)一階邊帶的抑制比達(dá)到30dB。

步驟三：濾波后的信號(hào)經(jīng)PC進(jìn)入PBS，調(diào)節(jié)PC使偏振復(fù)用信號(hào)的兩個(gè)偏振態(tài)完全分離，PBS的兩個(gè)輸出端分別和帶寬為1GHz的PD1和PD2相連。PD1和PD2輸出的光電流輸出表達(dá)式為：

定義f_d＝f_T-f_E上式可簡(jiǎn)化為：

在f_T＜f_E，f_T＞f_E時(shí)，如圖3(a)和(b)所示分別給出了PD1所在的上路(Upper Branch)和PD2所在的下路(Lower Branch)輸出信號(hào)的波形圖?？梢钥闯霎?dāng)多普勒頻移為正時(shí)，Upper Branch輸出信號(hào)的相位相對(duì)于Lower Branch輸出信號(hào)的相位提前了90度，當(dāng)多普勒頻移為負(fù)時(shí)，Upper Branch輸出信號(hào)的相位相對(duì)于Lower Branch輸出信號(hào)的相位延遲了90度。在多普勒頻移為+1MHz和-1MHz時(shí)，PD1輸出信號(hào)的頻譜圖如圖3(c)和(d)所示，峰值所在的頻率位置為1.000000MHz，而且功率遠(yuǎn)大于噪底。

步驟四：PD1和PD2輸出的兩路信號(hào)和Hybrid Coupler的兩個(gè)輸入端相連。在步驟三中所述的兩種場(chǎng)景下，Hybrid Coupler的負(fù)輸出和正端口信號(hào)可表示為：

從圖4(a)和(b)中可以看出，當(dāng)多普勒頻移為負(fù)時(shí)，只有Negative port有信號(hào)輸出。圖4(c)和(d)中可以看出，當(dāng)多普勒頻移為正時(shí)，只有Positive port有信號(hào)輸出，該信號(hào)的頻率值就是測(cè)量得到的多普勒頻移的大小。

步驟五：在不同的載頻下，改變回聲信號(hào)的頻率偏移量，使其相對(duì)于載頻以10KHz步進(jìn)值從-100KHz變化到+100KHz，比較理論頻率偏移量和實(shí)際測(cè)得的偏移量得出實(shí)驗(yàn)誤差。圖5(a)為載頻在18GHz下，實(shí)際測(cè)得的頻率偏移量(Measured DFS)和理論頻率偏移量(Frequency offset)幾乎完全吻合。由于裝置存在很大的直流成分，零頻率位置的多普勒頻移不能被提取。實(shí)際情況中，多普勒頻移的大小往往是大于零的，所以零多普勒頻移可以被忽略掉。同時(shí)圖中也給出了誤差的界限，如圖5(a)所示，誤差限制在±5×10^-6Hz以內(nèi)。同時(shí)圖5中(b)和(c)分別給出了載頻在15GHz和10GHz下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出不同載頻下，實(shí)際測(cè)得的多普勒頻移和理論頻率偏移量仍然吻合并且誤差仍限制在±5×10^-6Hz以內(nèi)。

綜上，本發(fā)明基于DPol-MZM構(gòu)成的光學(xué)下變頻和Hybrid Coupler同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多普勒頻移大小的測(cè)量和方向的區(qū)分。利用譜分析儀對(duì)PD輸出的任何一路信號(hào)進(jìn)行分析就可以得到多普勒頻移的絕對(duì)值。通過(guò)檢查Hybrid Coupler兩個(gè)正負(fù)端口是否有信號(hào)到來(lái)進(jìn)一步判定多普勒頻移的正負(fù)。該方法載波頻率調(diào)諧范圍寬、測(cè)頻精度高、易于可操作等優(yōu)點(diǎn)。

總之，以上所述實(shí)施方案僅為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例而已，并非僅用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容上，還可以做出若干等同變形和替換，改變載頻的大小、信噪比的光功率、頻率偏移量的改變等參數(shù)的調(diào)整也應(yīng)視為本發(fā)明保護(hù)的范圍。