采用非相干光源的光子技术型多微波频率分量测量方案

摘要

本发明公开了一种采用非相干光源的光子技术型多微波频率分量测量方案，同时对多个微波频率分量进行实时测量。宽带非相干光源经第一标准具分割而在频域上形成多个间隔恒定的离散非相干光源；从外界接收到的微波信号经电光调制器同时加载到所述的多个离散非相干光源上。经调制的离散非相干光源群输入到第二标准具，经梳状滤波作用后耦合到一列带通滤波器中。通过检测各个带通滤波器输出端的光功率，检测出微波信号包含的单个或多个频率分量值。本发明采用宽带非相干光源同时实现了对多个微波频率分量的实时测量，降低了所需光源的复杂度和成本，能够对频率测量范围进行调谐。

说明书

技术领域

本发明涉及通信和信号处理领域，尤其是一种光子技术型多微波频率分量的实时测量技术。

背景技术

微波光子学是一门结合光子技术和微波技术的交叉学科，它利用光子技术生成、传输、处理微波信号，具有宽带处理能力、质量轻、损耗小和抗电磁干扰能力强等一系列优点。因而，光子技术逐渐成为微波频率测量、微波滤波器、微波信号发生和倍频、超宽带脉冲(UWB)的生成和传输、宽带无线通信、高速模拟/数字转换(ADC)、相控阵天线等应用领域的研究热点。

应用光子技术实现微波频率测量，可以在宽带测量范围内，对突发性很强、存在的时间很短的微波信号的频率进行追踪和捕获，这在一些重要领域(诸如电子战)中是非常需要的。比如，现代电子战中使用的频段已接近或超过100GHz，因而需要在大频段范围内实现对微波频率的实时测量，这是常规电子方法难以解决的问题。

目前，光子技术型实时频率测量技术主要依赖于三种映射原理：频率-强度映射、频率-时域映射、频率-空间映射。

基于频率-强度映射原理的技术包括应用微波功率检测和对比的方案和应用光功率检测和对比的方案(Linh V.T.Nguyen and DavidB.Hunter.A photonic technique for microwave frequency measurement.IEEE Photonics Technology Letters，2006，vol.18，no.10，1188-1190；Xihua Zou and Jianping Yao.Microwave frequency measurement basedon optical power monitoring using a complementary optical filter pair.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2009，vo.57，no.2，505-511)。它们能针对仅包含单个微波频率分量的微波信号进行实时频率测量；若微波信号中包含多个频率分量时，这些方案就会造成频率解调上的模糊性，从而无法判断真实的频率分量值。

基于频率-时域映射原理的技术有最近提出的测量方案(L.V.T.Nguyen，Microwave photonic technique for frequency measurement ofsimultaneous signals，2009，IEEE Photonics Technology Letters vol.21，no.10，642-644)：将±1光边带的频率间隔经由时延介质转换为光功率在时域分布上的变化，通过分析光功率的时域分布趋势得到待测的单个或多个频率分量；但后续需要一个复杂的过程来分析光功率的时域分布趋势。

基于频率-空间映射原理的技术可以由下列元件来构造：电光延迟线阵列，高分辨率的自由空间衍射光栅，相移光栅阵列，光纤光栅和Fresnel棱镜的集成系统，结合标准具和波分复用器的系统(F.A.Volkening，Photonic channelized RF receiver employing densewavelength division multiplexing，U.S.Patent 7 245 833B1，July 17，2007)。这些方案的工作原理大致相同：小信号调制下，将光边带与光载波在频域上的间隔转换成空间上的分布，从而检测出待测信号的微波频率。相比较而言，从目前来看基于频率-空间映射原理的技术是检测多个频率分量最有效的技术。但上述技术都需要采用单个或多个连续激光光源，光源部分成本偏高，尤其是在一些方案中频段划分的数目的与连续激光光源的数目成正比；而且大多数技术中一旦核心器件制作好后，其测量范围难以调谐。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种采用非相干光源的光子技术型多微波频率分量测量方案，使之克服现有技术的以上不足。

本发明的目的是通过如下的手段实现的：

采用非相干光源的光子技术型多微波频率分量测量方案，同时对多个微波频率分量进行实时测量：宽带非相干光源(比如发光二极管LED，自发辐射噪声源ASE)被第一标准具从频域上分割成频率间隔固定的多个离散非相干光源；外界接收的微波信号经电光调制器同时加载到所述多个离散非相干光源上，在小信号调制条件下仅考虑光载波和±1阶光边带；将已调制的离散非相干光源群输入到第二标准具，进行滤波；第二标准具与第一标准具在梳状谱的自由频谱区(FSR)上存在一个频率差值A GHz，且所述两个标准具的第一个信道之间存在一个频率偏移量BGHz，因此落在第二标准具第n个信道内的光边带是由B+(n-1)A GHz的微波频率分量调制而生成的，其中n为不小于1的正整数；采用一列带通滤波器将第二标准具的各个信道分离开，测量各个带通滤波器的输出光功率，从而检测出微波信号包含的频率分量值；其中，该发明的频率测量范围可以通过调整频率偏移量B GHz来改变。

经过如上的设计后，与现有技术方案相比，本发明具有如下优点：采用光功率检测的方式实现了多个微波频率分量的同时测量；无需采用激光光源或激光光源阵列，一个宽带非相干光源经频谱分割后形成的多个离散非相干光源即可取代单个或多个激光光源，降低了光源部分的复杂度和成本；该方案中的频率测量范围可调谐。

附图说明如下：

图1本发明方案的系统示意图。

图2标准具的梳状滤波谱示意图：(a)第一标准具102；(b)第二标准具104。

图3多个离散非相干光源经包含单个频率分量的微波信号调制后的光边带分布图。

图4单个微波频率分量的检测示意图。

图5两个微波频率分量的检测示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，测量方案由宽带非相干光源101、第一标准具102、电光调制器103、第二标准具104、耦合器105、一列带通滤波器106和一列光探测器107构成。

宽带非相干光源101在标准具102的梳状滤波作用下被分割成一系列频率间隔固定的离散非相干光源，所述的离散非相干光源的间距和包络形状取决于第一标准具102的梳状滤波谱。第一标准具102的梳状滤波谱如图2(a)所示：其自由频谱区为FSR₁₀₂GHz，因此离散非相干光源的分布情况也如图2(a)所示。将所述的多个离散非相干光源同时输入到电光调制器中，外界接收的微波信号的各个频率分量都经电光调制器，以小信号调制的方式同时调制离散非相干光源群，在每一个离散非相干光源处都对应得到一个光载波和±1阶光边带。以单个频率分量为例，离散非相干光源群经调制后生成的光载波和±1阶光边带的分布如图3。

将已调制的离散非相干光源群注入到第二标准具104中；第二标准具104的梳状滤波谱见图2(b)：其自由频谱区为FSR₁₀₄GHz；第一标准具102和第二标准具104的梳状滤波谱的自由频谱区之间存在一个频率差值A＝FSR₁₀₂-FSR₁₀₄GHz；同时，在第一标准具102和第二标准具104的第一个信道之间设定一个频率偏移量B GHz。因此，第一标准具102和第二标准具104的第n个信道之间频率间隔为A+(n-1)B GHz，n为不小于1的正整数。从而由A+(n-1)B GHz的微波频率分量调制离散非相干光源群而产生的光边带只能落在第二标准具104的第n个信道中。

第二标准具104的输出信号经耦合器105输入到一列带通滤波器106中，其中每一个带通滤波器覆盖标准具104的一个信道；每一个带通滤波器之后连接一个光探测器，以检测在第二标准具104的各个信道中有无光边带落入；如果107_n中检测到光功率，即微波信号中包含频率分量A+(n-1)B GHz。

下面，分别用图示说明单个频率分量下和两个频率分量下的频率测量示意图。首先，设定一个仅含单个频率分量B+2A GHz的微波信号被接收；宽带非相干光源通过第一标准具102后被分割成多个等间距的离散非相干光源；经微波信号电光调制后，离散非相干光源群中每一个非相干光源都生成光载波和±1阶光边带；再经过第二标准具104的滤波作用，只有在第二标准具104的第三个信道中有光信号通过，见图4；对应只有107₃中能够检测到超过门限的光功率，从而判断微波频率分量为B+2A GHz。

如果微波信号同时包含两个频率分量B GHz和B+2A GHz，经微波信号调制后，每一个频率分量都会调制离散非相干光源群中每一个非相干光源生成±1阶光边带，但只有两个光边带能够落在第二标准具104的滤波信道内：一个光边带落在第二标准具104的第一个信道中，另一个光边带落在第二标准具104的第四个信道中；因此，107₁和107₃中能够同时检测到超过门限的光功率，从而判断微波信号同时携带两个微波频率分量：B GHz和B+2A GHz，见图5。由此类推，多个频率分量能够同时被检测出来。

综合以上陈述，本发明具有如下特征：1).采用光子技术对多个微波频率分量进行实时测量，具有宽带测量能力和多频率分量同时检测能力，适用于频谱分量比较混杂的环境；2).仅仅需要一个宽带非相干光源，经标准具在频域上分割后形成多个离散的非相干光源即可满足测量需求，而不需要成本较高的单个或多个连续激光光源，降低了测量方案中光源部分的复杂度和成本；3).测量范围的调谐通过调节第一标准具102和第二标准具104的第一个信道之间的频率偏移量来实现。

以上所陈述的仅仅是本发明方法的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方法实质的前提下，在实际实施中可以做出若干改进和润色，这些也应该包含在本发明的保护范围以内。