一种基于光电时空转换的微波信号模数转换方法及装置

摘要

本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种基于光电时空转换的微波信号模数转换方法及装置。该装置在传统时间拉伸系统对携带信息的光信号进行带宽压缩的基础上，以更易被操控的光电子信号替代光信号，将光信号复杂且难以精确控制的时间上的拉伸等价转化到携带相同信息的光电子的空间上的拉伸，实现高速时间信号到低速空间信号的等价转换，极大地降低了信号控制的难度以及后端处理系统的压力，具有实时采样宽带信号的能力且能够保持较高的精度，可以同时得到时间、强度、空间共三维信息。解决传统电子模数转换器因“电子瓶颈”对带宽和采样速率的限制以及典型光子模数转换器实用性和有效位数低的问题。

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种基于光电时空转换的微波信号模数转换方法及装置。

背景技术

高性能模数转换是模拟信号与数字信号之间的联系纽带。无论是高能物理瞬态过程的实时监控，还是雷达系统、卫星通信、生物医学成像系统、及软件无线电等应用领域都迫切需要高采样率、高精度的模数转换器。虽然近年来模数转换技术有了长足的进步，但传统的电子模数转换器因载流子迁移率、比较器不确定性以及采样时钟抖动等“电子瓶颈”的限制，难以同时实现宽带、高采样速率且高精度的突破。

为了满足不断增长的采样率和精度要求，各种光子学模数转换技术被先后提出。根据采样和量化过程的不同实现方式，可粗略地分为以下四种：光辅助模数转换器、光采样电量化模数转换器、电采样光量化模数转换器和光采样光量化(全光)模数转换器(ValleyG C.Photonic analog-to-digital converters[J].Optics Express,2007,15(5):1955-1982.)。除了电采样光量化模数转换技术因放弃了光脉冲的采样优势而研究很少外，其它三种技术近年来均处于蓬勃发展中，采样速率最大可到40GSa/s以上，时间拉伸技术的采样速率甚至可超过200GSa/s。但由于光器件制造水平的限制，与电子系统相比，光子模数转换技术的精度较低，一般不超过5bit。

为了降低后端电子系统的处理压力并提升系统精度，专利CN105467717A在加州大学Jalali的时间拉伸技术方案的基础上，提出了一种基于时间拉伸的微波信号光学模数转换方法及装置，其基本思路是利用光学色散展宽效应将微波信号降速，然后以电子模数转换器可接受的速度完成信号转换、采样和量化。主要采用差分去包络技术，消除了脉冲包络非均匀性引入的失真，同时，利用环形器让两路互补输出信号在同一段色散介质的两个独立时序中实现拉伸，有效避免了Jalali差分去包络方案(Han Y,Jalali B.Differentialphotonic time-stretch analog-to-digital converter[C]//Lasers and Electro-Optics,2003.CLEO'03.Conference on.IEEE,2003:2pp.)对最大拉伸倍数的限制，一定程度上提高了连续时间拉伸光学模数转换系统的有效位数和有效采样速率。但该系统仅实现了3.34倍的时间拉伸，有效采样速率仅为33.4GS/s，有效位数为6.5。这种色散展宽拉伸的方法为得到较高的拉伸倍数以提升采样率需要大的色散量，即需要较长的色散介质，而色散介质中的传输损耗会限制系统的信噪比和有效比特位。

专利CN103018997A提出了一种基于自相位调制效应的连续信号光模数转换系统，其主要思想就是利用自相位调制效应与进入色散介质中的光脉冲峰值功率的关系，通过第一可调衰减器来调整光脉冲的峰值功率，进而来控制光脉冲在色散介质中传输时自相位调制效应的大小，从而促使色散加速光脉冲的展宽。该系统可减少色散介质总长度，进而减少光脉冲在色散介质中传输损耗，系统信噪比和有效比特位得到提升。虽然该装置一定程度上减少了第一段色散介质的长度，但对于整个系统来说仍存在着基于色散展宽的时间拉伸方案的问题，在高采样速率下仍需要较长的色散介质，也存在着难以在高采样速率下同时具备高有效位数。

从目前来看，虽然光子学模数转换技术可实现较高的采样率，但采样率高时精度低且由于集成工艺的限制，实用性较差。为了同时满足宽带、高采样速率和高精度的要求，急需一种实用性较高的微波信号模数转换装置及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光电时空转换的微波信号模数转换方法及装置，解决传统电子模数转换器因“电子瓶颈”对带宽和采样速率的限制以及典型光子模数转换器实用性和有效位数低的问题。其易于实现、灵活可调，且兼具高采样率和高精度，可提供多维信息，可工作在瞬时和连续工作状态。

该装置在传统时间拉伸系统对携带信息的光信号进行带宽压缩的基础上，以更易被操控的光电子信号替代光信号，将光信号复杂且难以精确控制的时间上的拉伸等价转化到携带相同信息的光电子的空间上的拉伸，实现高速时间信号到低速空间信号的等价转换，极大地降低了信号控制的难度以及后端处理系统的压力，具有实时采样宽带信号的能力且能够保持较高的精度，可以同时得到时间、强度、空间共三维信息。进一步，可通过施加不同挡位的线性斜坡电压以实现扫描速度的大范围调整，从而能实现采样间隔从皮秒-纳秒-微秒甚至毫秒级别的调整，即可以实现采样频率从1000GHz-1GHz-1MHz-1KHz的调整，可根据实际信号的带宽灵活配置扫描器从而实现不同信号长度的采样记录。同时，通过配置可拆卸多通道光纤延迟阵列，可N倍地增加所获得的信息量和信号的连续采集时间。此外，可在仅扫描电极的基础上，通过配置扫描电极结合偏转电极进行二维扫描进一步提升系统的连续工作能力。

本发明的技术解决方案是提供一种基于光电时空转换的信号模数转换方法，包括以下步骤：

步骤一：将待测电信号转化为光信号；

步骤二：将步骤一转化后的光信号倍频转化为倍频光信号；

步骤三：将倍频光信号转换为与倍频光信号携带相同强度与相位信息的光电子信号，并对光电子信号进行加速、聚焦、扫描后转换成具有不同空间信息和强度信息的电子信号，再将具有不同空间信息和强度信息的电子信号转化为光信号；

步骤四：采集经步骤三处理后的光信号。

进一步地，当待测信号为连续信号时，步骤一与步骤二中的光信号为具有不同时间延迟的光信号，步骤二与步骤三中的倍频光信号为具有不同时间延迟的倍频光信号，步骤三中的光电子信号为具有不同时间延迟的光电子信号；即当当待测信号为连续信号时，首先需要将待测电信号转化为具有不同时间延迟的光信号，其次将转化后的具有不同时间延迟的光信号倍频转化为具有不同时间延迟的倍频光信号，再次将具有不同时间延迟的倍频光信号转换为与倍频光信号携带相同强度与相位信息的具有不同时间延迟的光电子信号，并对具有不同时间延迟的光电子信号进行加速、聚焦、扫描后转换成具有不同空间信息和强度信息的电子信号，再将具有不同空间信息和强度信息的电子信号转化为光信号，采集处理后的光信号。

进一步地，步骤三中通过施加不同挡位的线性斜坡扫描电压，调整采样频率，可根据实际信号的带宽灵活配置扫描器从而实现不同信号长度的采样记录；

进一步地，为了提升系统连续工作能力，步骤三中还包括对扫描后的光电子进行偏转的步骤。

本发明还提供一种基于光电时空转换的信号模数转换装置，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的光载波信号发生装置、电光调制器、波长变换模块、光电时空转换扫描装置及图像采集装置；

上述光载波信号发生装置用于产生光载波信号；

上述电光调制器用于将待测电信号调制到光载波信号上，产生调制后的光信号；

上述波长变换模块用于将光信号倍频，产生倍频光信号；

上述光电时空转换扫描装置用于将倍频光信号转换为与相应的倍频光信号携带相同强度、相位信息的光电子信号，并对光电子信号进行加速、聚焦、扫描或扫描偏转后转换成具有不同空间信息和强度信息的电子信号，再将具有不同空间信息和强度信息的电子信号转化为光信号；

上述图像采集装置用于采集经光电时空转换扫描装置处理后的光信号。

进一步地，当待测电信号为连续信号时，还包括多通道光纤延迟阵列，上述多通道光纤延迟阵列用于将经电光调制器调制后的光信号转换为具有不同时间延迟的光信号；

上述倍频光信号为具有不同时间延迟的倍频光信号；

上述光电子信号为具有不同时间延迟的光电子信号。

进一步地，上述光电时空转换扫描装置包括沿光路依次设置的光电阴极、阳极、聚焦极、扫描电极及图像增强模块；

上述光电阴极用于将倍频光信号或具有不同时间延迟的倍频光信号转化为与倍频光信号或具有不同时间延迟的倍频光信号携带相同强度和相位信息的光电子信号或具有不同时间延迟的光电子信号；

光电阴极、阳极形成的电场用于对光电子信号或具有不同时间延迟的光电子信号进行加速；

上述聚焦极用于对加速后的光电子信号或具有不同时间延迟的光电子信号的横向尺寸进行约束；

上述扫描电极用于将光电子信号或具有不同时间延迟的光电子信号的时间和强度信息转换成空间和强度信息；

上述图像增强模块用于将扫描后光电子信号或具有不同时间延迟的光电子信号进行增强，完成电-光转换。

进一步地，上述光电时空转换扫描装置还包括设置在扫描电极之后的光路中的X、Y偏转电极，扫描后的光电子信号或具有不同时间延迟的光电子信号在X、Y偏转电极的控制下分别依次序偏转至不同的探测器。

进一步地，扫描电极采用平板、平折板和行波偏转板结构；

聚焦极为磁透镜、静电透镜或多极透镜聚焦结构；

图像增强模块为内增强或外增强模块，内增强模块主要由微通道板和光纤面板荧光屏组成，外增强模块主要由光纤面板阴极窗、微通道板和光纤面板荧光屏组成。

进一步地，多通道光纤延迟阵列包括1:N光分路器及分别设置在光分路器N个出光口处的N个光纤延迟线，N个光纤延迟线的长度各不相同。

进一步地，光分路器采用熔融拉锥式和平面波导式结构分光或微透镜阵列分光；

电光调制器为马赫曾德尔电光调制器。

具体工作过程为：

首先将被射频信号(待测电信号)调制了的光信号经过(或不经过，根据信号长度选择，如果不经过，光信号直接排布到倍频模块)光纤延迟阵列分成多个具不同延迟的通道并依次排布到倍频模块(波长变换模块)，再将倍频至光电扫描器最佳探测波段的倍频光信号聚焦至光电阴极的狭缝方向，以得到驱动光电阴极的多路光信号。然后利用外光电效应将倍频后的光信号转换为携带相同信息的光生电子信号，再对光电扫描器内扫描偏转板上施加强度可调的线性电场，利用电场精确控制电子信号的空间分布，结合空间位置信息和扫描速度之间的相关性，通过高速时间向二维空间的转换间接实现拉伸时间，将时间、空间和光强度信息在荧光屏二维空间中缓冲，以便利用较低速空间采样与量化手段实现高速信号的采集。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过将光信号复杂且难以精确控制的时间上的拉伸等价转化到携带相同信息的光电子的空间上的拉伸，实现高速时间信号到低速空间信号的等价转换，极大地降低了信号控制的难度以及后端处理系统的压力，具有实时采样宽带信号的能力且能够保持较高的精度，可以同时得到时间、强度、空间共三维信息。

2、本发明可通过施加不同挡位的线性斜坡电压以实现扫描速度的大范围调整，从而能实现采样间隔从皮秒-纳秒-微秒甚至毫秒级别的调整，即可以实现采样频率从1000GHz-1GHz-1MHz-1KHz的调整，可根据实际信号的带宽灵活配置扫描器从而实现不同信号长度的采样记录。

3、本发明通过配置多通道光纤延迟阵列，可N倍地增加所获得的信息量和信号的连续采集时间。

4、本发明可在仅扫描电极的基础上，通过配置扫描电极结合偏转电极进行二维扫描进一步提升系统的连续工作能力。

附图说明

图1是基于光电时空转换的信号模数转换装置结构示意图；

图2是瞬态信号光电时空转换扫描装置结构示意图；

图3是连续信号光电时空转换扫描装置结构示意图；

图4是多通道光纤延迟阵列结构示意图；

图5是二倍频装置结构示意图；

图6是级联型三倍频装置结构示意图；

其中，1-光载波信号发生装置，2-待测电信号，3-电光调制器，4-调制后的光信号，5-光纤延迟阵列，6-延迟后的N路光信号，7-波长变换模块，8-倍频光，9-光电时空转换扫描器，10-图像采集模块，11-计算机，12-采集的图像，13-光电阴极，14-阳极，15-光电子信号，16-聚焦极，17-扫描电极，18-图像增强模块，19-扫描后的电子，20-扫描后的光信号，21-强度轮廓图，22-Y偏转电极，23-X偏转电极，24-探测器，25-分路器，26-精密光纤延迟线，27-延迟后的光信号固定装置，28-波片，29-聚焦透镜，30-倍频晶体，31-第一通带滤光片，32-群速度补偿和极化改变模块，33-和频晶体，34-第二通带滤光片。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对发明做进一步的说明。

本发明首先将待测电信号转化为光信号，然后将转化后的光信号倍频转化为倍频光信号；再将倍频光信号转换为与倍频光信号携带相同强度与相位信息的光电子信号，并对光电子信号进行加速、聚焦、扫描后转换成具有不同空间信息和强度信息的电子信号，再将具有不同空间信息和强度信息的电子信号转化为光信号；最后采集处理后的光信号。在对携带信息的光信号进行带宽压缩的基础上，以更易被操控的光电子信号替代光信号，将光信号复杂且难以精确控制的时间上的拉伸等价转化到携带相同信息的光电子的空间上的拉伸，实现高速时间信号到低速空间信号的等价转换，极大地降低了信号控制的难度以及后端处理系统的压力。

本发明的信号模数转换装置如图1所示。包括沿光路依次设置的光载波信号发生装置1、电光调制器3、光纤延迟阵列5、波长变换模块7、光电时空转换扫描器9及图像采集模块10；

待测电信号2通过电光调制器3对光载波信号发生装置1进行强度调制，调制后光信号4经过(或不经过，根据信号长度选择)光纤延迟阵列5分成N路具有不同延迟的通道6并依次排布到波长变换模块7，经过波长变换模块7后产生倍频光信号8(二倍频光和三倍频光此处统称为倍频光)，再将倍频光信号8聚焦至光电时空转换扫描器9光电阴极13的狭缝方向，然后利用外光电效应将倍频光信号8转换为携带相同信息的光电子信号15，并对其加速、聚焦、偏转，通过增强后被荧光屏又转换成光信号，期间实现对高速模拟信号的时空映射和时间拉伸，最后利用较低速图像采集模块10采样，采集的图像12记录存储在计算机11中以供进一步的处理。

其中，光载波信号发生装置1可以是锁模激光器，通过锁模激光器产生光脉冲，然后经过色散介质形成啁啾光脉冲，色散介质可以是色散光纤和啁啾光纤布喇格光栅等。

电光调制器3为马赫曾德尔电光调制器，主要功能是将外部输入的待测电信号加载到光载波上；

光纤延迟阵列5可根据待处理信号的长短选择拆卸或者使用，一般在连续信号时使用，瞬态信号时拆下；

波长变换模块7可根据光电时空转换扫描器9的光电阴极13材料选择采用不使用或者二倍频或三倍频模块；

光电时空转换扫描器9可分为单扫描模式和扫描+偏转模式，单扫描模式仅有扫描电极，用于瞬态信号的采集，扫描+偏转模式可在扫描的同时进行与扫描方向垂直方向的偏转，用于连续信号的采集；

图像采集模块10可记录增强后的光学图像以用于进一步分析处理。其自身参数将在一定程度上影响甚至决定着整个装置的应用，如噪声影响着弱信号探测能力，饱和效应又限制着对强输入信号的探测能力。所述图像采集模块可以是大动态低噪声的科学级CCD和CMOS相机。

图2是瞬态信号光电时空转换扫描装置结构示意图，其主要由核心部件光电阴极13、阳极14、聚焦极16、扫描电极17、图像增强模块18等组成。倍频的光信号8沿光电阴极13狭缝方向照射，产生携带相同强度和相位信息的光电子信号15，该信号在光电阴极13和阳极14之间的电场加速下向前传播，通过聚焦极16约束其横向尺寸，以合适的束斑大小传播至扫描电极17，并在垂直于其运动方向的线性偏转电场作用下将信号的时间和强度信息转换成空间和强度信息，扫描后的电子19进一步经过图像增强模块18进行增强且完成电-光转换，对扫描后的光信号20处理后最终可获得光信号的强度轮廓图21。其中，光电阴极13施加-15000V至0V高压；阳极14施加0V电压；聚焦极16可以是短磁线圈、静电透镜和多极聚焦结构；扫描电极17可采用平板、平折板和行波偏转板结构，通过施加不同挡位的线性斜坡电压可以实现扫描速度的大范围调整，从而能实现采样间隔从皮秒-纳秒-微秒甚至毫秒级别的调整，即可以实现采样频率从1000GHz-1GHz-1MHz-1KHz的调整，可根据实际信号的带宽灵活配置扫描挡位从而实现不同信号长度的采样记录；图像增强模块18可在10²～10⁴范围内调节增益以满足不同强度输入信号的倍增，可采用内增强和外增强两种模式，内增强主要由微通道板和光纤面板荧光屏组成，外增强主要由光纤面板阴极窗、微通道板和光纤面板荧光屏组成。

图3是连续信号光电时空转换扫描装置结构示意图，与瞬态信号光电时空转换扫描装置相比，基本构型类似，多了一组X偏转电极23与Y偏转电极22，利用外光电效应将倍频光信号8转换为光生电子脉冲15，加速、聚焦之后进入到扫描电极17，在系统单次扫描时间内同时精确控制多路不同时刻的输入信号，在外部线性斜坡电压下将信号的时间轴转换成空间轴，扫描后的电子19轰击探测器24转换成待分析的光信号，随后的多次扫描时间内的扫描后的电子19在X偏转电极23与Y偏转电极22的综合控制下分别依次序偏转至不同的探测器24上进一步提升系统的连续工作能力。其中，探测器24可以是荧光屏，由2～16个10mm*10mm的小块屏拼接而成。

图4是多通道光纤延迟阵列结构示意图，其主要由1:N分路器25和精密光纤延迟线26组成。光纤延迟阵列5通过光分路器25将调制后的光信号分入N条支路中，在各支路中加入长度不同的精密光纤延迟线26，由于各条支路中精密光纤延迟线26的延迟长度不一，使得光信号在传输过后，相邻支路之间存在具有一定时间间隔τ的延迟，各支路沿时间序列由低到高依次排列到延迟后的光信号固定装置27上。其中，光分路器可采用熔融拉锥式和平面波导式结构分光以及微透镜阵列分光。

图5是二倍频装置结构示意图，主要由波片28、聚焦透镜29、倍频晶体30和第一通带滤光片31组成。延迟后的N路光信号6经过波片28改变极化方向后经聚焦透镜29聚焦至倍频晶体30，经过非线性作用实现1550nm光信号的倍频输出，经过第一通带滤光片31滤波后剩下倍频光8(二倍频光信号)。其中，倍频晶体30可选用周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体(MgO:PPLN)和周期极化铌酸锂晶体(PPLN)。

图6是级联型三倍频装置结构示意图，主要由波片28、聚焦透镜29、倍频晶体30、第一通带滤光片31、群速度补偿和极化改变模块32、和频晶体33以及第二通带滤光片34组成。采用倍频晶体与和频晶体级联的共线结构获得三倍频信号，延迟后的N路光信号6经过波片28改变极化方向后经聚焦透镜29聚焦至倍频晶体30倍频，基频光和倍频光进一步通过群速度补偿和极化改变模块32进行匹配，然后同时进入到和频晶体33产生三倍频信号，经过第二通带滤光片34滤波后剩下倍频光8(三倍频光信号)。其中，倍频晶体30与和频晶体均可选用周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体(MgO:PPLN)和周期极化铌酸锂晶体(PPLN)。