一种高灵敏大带宽光子微波频率测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种高灵敏大带宽光子微波频率测量装置及方法，属于微波光子技术领域。该装置中电光相位调制器、光放大器、光学陷波滤波器、光电探测器、电放大器、电分路器和电合路器构成振荡环路，光放大器和电放大器对在振荡环路中传输的信号具有循环功率放大的作用，实现输入待测微弱微波信号的测量，具有极高的灵敏度。该装置中无电滤波器，因此不受电滤波器的带宽限制，可调谐激光器输出光波的频率范围和光学陷波滤波器的滤波响应带宽均达几百GHz，因此可以实现大带宽范围内的微波频率测量。解决了现有技术中光子微波频率测量装置结构复杂、灵敏度低、测量范围小的问题。

说明书

技术领域

本发明属于微波光子技术领域，具体涉及一种高灵敏大带宽光子微波频率 测量装置及方法。

背景技术

微波频率测量是射电天文学、电子战等领域的一项重要技术。随着微波术 的快速发展，微波工作的频段节节攀升，几乎跨越了2MHz至300GHz的频 段。传统的电子频率测量方法，如多信道法、鉴频法、干涉仪比相法、驻波鉴 相法等，因受到受混频器、滤波器等器件的电子瓶颈和瞬时带宽限制，难以能 满足未来深空探测、电子对抗等应用中对未知微波信号监测的大范围、快速准 确测量的要求。

光子学与微波学相结合而产生的微波光子技术为微波频率的大范围准确测 量提供了良好的手段，可以充分利用光的大带宽、低损耗、可调谐、可复用等 优势，同时具有良好的抗电磁干扰性能。目前基于微波光子技术实现微波频率 测量的方法主要分为三种：(1)基于频率到空间映射的光子微波频率测量；(2) 基于频率到时间映射的光子微波频率测量；(3)基于频率到功率映射的光子微 波频率测量。

在先技术[1](S.T.Winnall,A.C.Lindsay,M.W.Austin,J.CanningandA. Mitchell,“Amicrowavechannelizerandspectroscopebasedonanintegratedoptical Bragg-gratingFabry–Perot”,IEEETransactionsonMicrowaveTechnologyand Techniques,Vol.54,No.2,pp.868-872,Feb.2006)研究了基于频率到空间映射的 光子微波频率测量方法。利用集成波导光栅法布里-珀罗腔(BGFP)和集成波导 菲涅尔透镜将光载微波信号在频域上分割成很多路的窄带信号，这些窄带信号 在空间分开，通过光电探测器阵列接收每一路的窄带信号，实现微波频率测 量。受集成波导光栅法布里-珀罗腔(BGFP)和集成波导菲涅尔透镜的分光能力 所限，该方案未能实现大频率范围的微波频率测量。

在先技术[2](L.V.T.Nguyen,“Microwavephotonictechniqueforfrequency measurementofsimultaneoussignals”,IEEEPhotonicsTechnologyLetters,Vol.21, No.10,pp.642-644,May2009)研究了基于频率到时间映射的光子微波频率测量 方法。利用啁啾光纤光栅的色散特性，将接收到的宽频微波信号调制到光载波 上，进入啁啾光纤光栅传输，不同频率的光因色散在啁啾光纤光栅中传播速度 不同，产生的时间上升沿也不同，通过判决上升沿检测输入微波信号的频率。 该测量方法需要高速的光开关作为频率测量的参考门，系统结构复杂；可测的 微波频率范围受啁啾光纤光栅色散值的限制，同时由于受到啁啾光纤光栅延时 抖动的影响，测量误差大。

在先技术[3](X.Han,S.Zhang,C.Tong,N.Shi,Y.Gu,M.Zhao,“Aphotonic approachtomicrowavefrequencymeasurementwithextendedrangebasedonphase modulation”,ChineseOpticsLetters,Vol.11,No.5,050604,May2013)研究了基于 频率到功率映射的光子微波频率测量方法。利用光纤色散导致输出微波信号功 率随传输光纤距离改变而发生变化的特性，构建了输入微波信号频率与输出微 波信号功率比值的映射关系。通过微波功率探测并做比值数据处理，获得输入 微波信号的频率值。尽管采用了两级光纤传输通道构建微波频率与输出微波功 率比值的映射关系，使频率测量范围获得了有效提升，但是随着输入微波信号 功率的降低，该方法的测量误差会增大，难以实现对微弱微波信号的探测。

发明内容

本发明提供一种高灵敏大带宽光子微波频率测量装置及方法，有效解决背 景技术中光子微波频率测量的灵敏度低、测量范围小等问题。

本发明的技术方案是：一种高灵敏大带宽光子微波频率测量装置，包括可 调谐激光器1、电光相位调制器2、光放大器3、光学陷波滤波器4、光电探测 器5、电放大器6、电分路器7、电合路器8、微波功率计9和数据采集与控制 单元10；

所述的可调谐激光器1、电光相位调制器2、光放大器3、光学陷波滤波器 4和光电探测器5依次通过光纤连接；

所述的光电探测器5、电放大器6、电分路器7和电合路器8依次通过电缆 连接；所述的电光相位调制器2、光放大器3、光学陷波滤波器4、光电探测器 5、电放大器6、电分路器7和电合路器8依次连接构成环路；

所述的电合路器7的第三端口73与微波功率计9通过电缆连接；

所述的可调谐激光器1和微波功率计9通过数据线与数据采集与控制单元 10相连；

所述的光学陷波滤波器4的滤波响应是中心有陷波的带通滤波波形，陷波 的中心频率为f_N。

一种用高灵敏大带宽光子微波频率测量装置实现高灵敏光子微波频率测量 的方法，步骤如下：

可调谐激光器1输出频率为f_C的光载波输入至电光相位调制器2的光输入 端口，待测微波信号经电合路器8的第二端口82输入至电光相位调制器2的射 频输入端口，在电光相位调制器2中微波信号调制到光载波上；电光相位调制 器2输出相位调制光载微波信号；相位调制光载微波信号经光放大器3放大后 进入光学陷波滤波器4；光学陷波滤波器4滤除相位调制光载微波信号的低频边 带，输出单边带信号；单边带信号传输进入光电探测器5进行光电转换；光电 探测器5输出的微波电信号经电放大器6放大后进入电分路器7的第一端口71； 电分路器7的第二端口72输出的微波电信号进入电合路器8的第三端口83；电 合路器8的第一端口81输出的微波电信号输入至电光相位调制器2的射频输入 端口。

数据采集与控制单元10输出控制信号调节可调谐激光器1输出光载波的频 率f_C，使其满足以下关系

f_C＝f_RF+f_N(1)

在满足公式(1)的条件下，待测微波信号在电光相位调制器2、光放大器 3、光学陷波滤波器4、光电探测器5、电放大器6、电分路器7和电合路器8连 接构成的环路中往返传输。

电分路器7的第三端口73输出的微波电信号传输至微波功率计9；微波功 率计9探测得到该微波的功率值由数据线传输至数据采集与控制单元10。

当上述环路的增益大于损耗时，该微波信号的功率值高于系统噪声，数据 采集与控制单元10根据可调谐激光器1输出的光载波频率f_C和光学陷波滤波器 的陷波中心频率f_N，由公式(1)计算得到待测微波信号的频率值

f_RF＝f_C-f_N(2)

根据公式(2)确定输入的待测微波信号的频率。

在满足公式(1)的条件下，电光相位调制器2、光放大器3、光学陷波滤 波器4、光电探测器5、电放大器6、电分路器7和电合路器8构成振荡环路。 光放大器4和电放大器7对在振荡环路中传输的信号具有循环功率放大的作用， 实现输入待测微弱微波信号的测量，因此具有极高的灵敏度。

所述的光学陷波滤波器4，由光环形器41和相移光纤光栅42构成。

所述高灵敏大带宽光子微波频率测量装置，其实现大带宽光子微波频率测 量的原理如下：

该装置能够实现频率测量的范围由可调谐激光器1输出光载波频率f_C的调 节范围和光学陷波滤波器4的滤波响应带宽和陷波中心频率f_N决定。电光相位 调制器2输出的光载微波信号在光学陷波滤波器4的滤波响应带宽之内，通过 光学陷波滤波器4滤除光载微波的低频边带，由光电探测器5进行光电转换输 出微波电信号。微波电信号经电分路器7、电合路器8进入振荡环路，经过环路 的循环振荡，环路增益大于损耗，电分路器7的第三端口73输出微波电信号， 传输至微波功率计9。数据采集与控制单元10采集到微波功率计9探测得到的 微波信号功率值，由公式(2)确定待测微波信号的频率。光学陷波滤波器4的 滤波响应带宽在几百GHz，可调谐激光器的输出光载波频率调谐范围亦为几百 GHz，因此该装置实现了大带宽范围内微波信号频率的测量。

本发明的有益效果是：

(1)本发明高灵敏大带宽光子微波频率测量装置及方法，采用电光相位调 制器、光放大器、光学陷波滤波器、光电探测器、电放大器、电分路器和电合 路器构成振荡环路，光放大器和电放大器对在振荡环路中传输的信号具有循环 功率放大的作用，实现输入待测微弱微波信号的测量，具有极高的灵敏度。

(2)本发明高灵敏大带宽光子微波频率测量装置及方法，利用可调谐激光 器输出光载波的频率与光学陷波滤波器的陷波中心频率的差值来确定待测微波 信号的频率，该装置中无电滤波器，因此不受电滤波器的带宽限制，可调谐激 光器输出光波的频率范围和光学陷波滤波器的滤波响应带宽均达上百GHz，因 此可以实现大带宽范围内的微波频率测量。

附图说明

图1是本发明高灵敏大带宽光子微波频率测量装置结构图。

图2是本发明高灵敏大带宽光子微波频率测量装置中的电分路器结构图。

图3是本发明高灵敏大带宽光子微波频率测量装置中的电合路器结构图。

图4是本发明实施例中的陷波滤波器结构图。

图5是本发明实施例中的陷波滤波器中A、B和C处的频谱图。

图中：

1-可调谐激光器；2-电光相位调制器；3-光放大器；4-光学陷波滤波器； 5-光电探测器；6-电放大器；7-电分路器；8-电合路器；9-微波功率计；10- 数据采集与控制单元；

71-电分路器7的第一端口；72-电分路器7的第二端口；73-电分路器7的 第三端口；

81-电合路器8的第一端口；82-电合路器8的第二端口；83-电合路器8的 第三端口；

41-陷波滤波器中的光环形器；42-陷波滤波器中的相移光纤光栅。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明高灵敏大带宽光子微波频率测量装置包括：可调谐激 光器1、电光相位调制器2、光放大器3、光学陷波滤波器4、光电探测器5、电 放大器6、电分路器7、电合路器8、微波功率计9、数据采集与控制单元10。

可调谐激光器1、电光相位调制器2、光放大器3、光学陷波滤波器4、光 电探测器5依次通过光纤连接；

光电探测器5、电放大器6、电分路器7、电合路器8依次通过电缆连接；

电光相位调制器2、光放大器3、光学陷波滤波器4、光电探测器5、电放 大器6、电分路器7和电合路器8依次连接构成环路；

电合路器7的第三端口73与微波功率计9通过电缆连接；

可调谐激光器1、微波功率计9通过数据线与数据采集与控制单元10相连；

实施例

图4是本发明实施例所采用的光学陷波滤波器4，由光环形器41和相移光 纤光栅42构成。

可调谐激光器1输出频率为f_C的光载波输入至电光相位调制器2的光输入 端口，待测微波信号经电合路器8的第二端口82输入至电光相位调制器2的射 频输入端口，在电光相位调制器2中微波信号调制到光载波上；电光相位调制 器2输出相位调制光载微波信号。相位调制光载微波信号经光放大器3放大后 进入光学陷波滤波器4；图5给出了光载微波信号在光学陷波滤波器4中的A、 B、C处的频谱图，陷波中心频率f_N与相位调制光载微波的低频边带f_C-f_RF重 合。光学陷波滤波器4滤除相位调制光载微波信号的低频边带，输出单边带信 号。单边带信号传输进入光电探测器5进行光电转换；光电探测器5输出的微 波电信号经电放大器6放大后进入电分路器7的第一端口71；电分路器7的第 二端口72输出的微波电信号进入电合路器8的第三端口83；电合路器8的第一 端口81输出的微波电信号输入至电光相位调制器2的射频输入端口。

数据采集与控制单元10输出控制信号调节可调谐激光器1输出光载波的频 率f_C，使其满足以下关系

f_C＝f_RF+f_N(1)

在满足公式(1)的条件下，待测微波信号在电光相位调制器2、光放大器 3、光学陷波滤波器4、光电探测器5、电放大器6、电分路器7、电合路器8连 接构成的环路中往返传输。

电分路器7的第三端口73输出的微波电信号传输至微波功率计9；微波功 率计9探测得到该微波的功率值由数据线传输至数据采集与控制单元10。

调节装置中的光放大器和电放大器，使得环路的增益大于损耗时，电分路 器7的第三端口73输出的微波信号的功率值高于系统噪声，微波功率计9探测 得到该微波信号功率值。数据采集与控制单元10根据可调谐激光器1输出的光 载波频率f_C和光学陷波滤波器的陷波中心频率f_N，由公式3处理得到待测微波 信号的频率值

f_RF＝f_C-f_N(2)

根据公式(2)确定输入的待测微波信号的频率。

以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定 发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来 说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当 视为本发明的保护范围。