一种基于光学频率梳的微波频率测量方法及装置

摘要

本发明提供了一种基于光学频率梳的微波频率测量方法及装置，属于微波频率测量方法及装置技术领域。本发明的方法，由激光器产生频率为fc的激光信号分为两部分，其中一部分由频率为fRF的未知RF信号对其进行载波抑制双边带调制；载波抑制双边带调制信号与失谐光频梳在一个窄带光电探测器上进行拍频；对拍频信号的频谱进行分析，获取这两个拍品信号的频率信息及功率信息；根据已确定的i，f1，f2，及式(7)即可确定入射RF信号的频率。本发明的装置包括激光器、第一耦合器、强度调制器、可编程滤波器、掺铒光纤放大器、双平行调制器、信号发生器、电学耦合器、相移器、光电探测器、频谱仪、第二耦合器、第三耦合器和第四耦合器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光学频率梳的微波频率测量方法及装置，属于微波频率测量方法及装置技术领域。

背景技术

目前在光子学微波频率测量领域的一大难题就是如何在大频率测量范围内对微波信号频率进行高精度测量。常用的微波功率映射法一般能够在20GHz以内的频率范围进行频率测量，然而其只能对单频信号的频率进行测量，并且测量精度不均匀；信道法频率测量能够实现在较大的范围内进行频率测量，然而其测量精度仅在GHz量级；扫描法能够在较大范围的多频微波信号的高精度频率测量，然而其实时性差，不能进行瞬时频率的测量。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种基于光学频率梳的微波频率测量方法及装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于光学频率梳的微波频率测量方法，步骤如下：

步骤一、由激光器产生频率为f_c的激光信号分为两部分，其中一部分由频率为f_RF的未知RF信号对其进行载波抑制双边带调制，调制后的信号光场近似表示为

E_u(t)＝E₀sin[βcos(2πf_RFt)]≈A₊₁cos[2π(f_c+f_RF)t]+A_-1cos[2π(f_c-f_RF)t](1)

其中A_±1＝J₁(β)为载波抑制双边带调制信号光场的幅值，β＝π/V_π和J_n(.)分别为相位调制率和第一类n阶Bessel函数，V_π是Mach-Zehnder调制器的半波电压，另一部分用于产生失谐光学频率梳，使光学频率梳的每根梳齿具有不同的恰当的功率，其光场表示为

其中n是失谐光学频率梳中梳齿的个数，B_i是失谐光学频率梳中第i个梳齿的光场幅值，是第i个梳齿与第一个梳齿间的相对相位差，失谐光学频率梳中第一根梳齿的频率与载波抑制双边带调制信号中载波的频率相同；

步骤二、载波抑制双边带调制信号与失谐光频梳在一个窄带光电探测器上进行拍频，载波抑制双边带信号的上边带与失谐频率梳中第i个梳齿拍频信号光强表示为

如果载波抑制双边带信号的上边带与第i个梳齿的频率差在光电探测器的带宽内，即0≤|f_RF-(i-1)f₀|≤f₀时，光电探测器的交流输出为

其中为光电探测器的响应率，这一拍频信号包含了频率为|f_RF-(i-1)f₀|的信号，否则，光电探测器将由于有限带宽而不响应，因此，上边带与其左右最相邻梳齿之间的拍频信号频率在光电探测器相应范围之内，所产生的微波频率分量的频率分别为f₁、f₂，而上边带与其非左右最相邻梳齿之间的拍频信号频率不在光电探测器的相应范围内，被光电探测器滤除，失谐光学频率梳的各梳齿之间的拍频信号的频率为光学频率梳频率f₀的整数倍，因此，在单频RF信号入射的情况下，光电探测器的相应范围内只有频率为f₁、f₂的两个拍频信号；

步骤三、对拍频信号的频谱进行分析，获取这两个拍品信号的频率信息及功率信息，由式(4)看出，未知RF信号的上边带与其最相邻的左右梳齿之间的功率比表示为

其中P_i为失谐光学频率梳中第i个梳齿的功率，值得注意的是，如果上边带位于第1根与第2根梳齿之间，那么载波抑制双边带信号的上边带和下边带与第1根梳齿之间的拍频信号的频率是相等的，这将导致上边带与第1根梳齿之间拍频信号的功率成为原来的4倍。因此，式(5)写为

由式(6)看出，功率比R只与失谐频率梳中相邻梳齿之间的功率比有关，与载波抑制双边带信号的上边带与下边带的幅值无关，也与入射RF信号的功率无关，这样，通过对拍频信号频谱分析中获取的功率信息及已测定的失谐光学频率梳中各相邻梳齿之间的功率比即可确定i；

步骤四、根据已确定的i，f₁，f₂，及式(7)即可确定入射RF信号的频率

f_RF＝(i-1)·f₀+f₁＝i·f₀-f₂(7)

多频信号的频率测量使用这一方法实现，在多频测量过程中，在分析拍频信号的频谱后，挑选出包含两个微波频率分量且他们的频率和为失谐光学频率梳的频率间隔的频率对，然后，每一个RF信号频率分量的频率都根据相应频率对的频率信息与功率信息获得。

一种基于光学频率梳的微波频率测量装置，包括：激光器、第一耦合器、强度调制器、可编程滤波器、掺铒光纤放大器、双平行调制器、信号发生器、电学耦合器、相移器、光电探测器、频谱仪、第二耦合器、第三耦合器和第四耦合器，所述激光器的一端与第一耦合器的一端相连接，第三耦合器和第四耦合器串联连接，第一耦合器的另一端分别与强度调制器的一端、第三耦合器的一端相连接，强度调制器的另一端与第二耦合器的一端相连接，第二耦合器与第四耦合器之间串接有可编程滤波器，第二耦合器的另一端与光电探测器的一端相连接，光电探测器的另一端与频谱仪相连接，第三耦合器的一端与掺铒光纤放大器的一端相连接，掺铒光纤放大器的另一端与双平行调制器的第一端相连接，双平行调制器的第二端与第四耦合器的一端相连接，双平行调制器的第三端与相移器的一端相连接，双平行调制器的第四端和相移器的另一端均与电学耦合器的一端相连接，电学耦合器的另一端与信号发生器相连接。

本发明的有益效果：

1、可采用窄带光学、电学、光电子学器件实现高频微波信号的频率测量。

2、与基于信道法、功率监测法等微波频率测量方法相比，本方法的频率测量误差小，测量分辨率高。

附图说明

图1为基于光学频率梳的微波频率测量方法原理图。

图2为本发明基于光学频率梳的微波频率测量装置的结构示意图。

图2中的附图标记，1为激光器，2为第一耦合器，3为强度调制器，4为可编程滤波器，5为掺铒光纤放大器，6为双平行调制器，7为信号发生器，8为电学耦合器，9为相移器，10为光电探测器，11为频谱仪，12为第二耦合器，13为第三耦合器，14为第四耦合器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示，本实施例所涉及的一种基于光学频率梳的微波频率测量方法，步骤如下：

步骤一、由激光器产生频率为f_c的激光信号分为两部分，其中一部分由频率为f_RF的未知RF信号对其进行载波抑制双边带调制，调制后的信号光场近似表示为：

E_u(t)＝E₀sin[βcos(2πf_RFt)]≈A₊₁cos[2π(f_c+f_RF)t]+A_-1cos[2π(f_c-f_RF)t](1)

其中A_±1＝J₁(β)为载波抑制双边带调制信号光场的幅值，β＝π/V_π和J_n(.)分别为相位调制率和第一类n阶Bessel函数，V_π是Mach-Zehnder调制器的半波电压。另一部分用于产生失谐光学频率梳，使光学频率梳的每根梳齿具有不同的恰当的功率(相邻两根梳齿之间的功率比各不相同，且已测定完毕)，其光场表示为

其中n是失谐光学频率梳中梳齿的个数，B_i是失谐光学频率梳中第i个梳齿的光场幅值，是第i个梳齿与第一个梳齿间的相对相位差。失谐光学频率梳中第一根梳齿的频率与载波抑制双边带调制信号中载波的频率相同。

步骤二、载波抑制双边带调制信号与失谐光频梳在一个窄带光电探测器(带宽为DC-f₀)上进行拍频。载波抑制双边带信号的上边带与失谐频率梳中第i个梳齿拍频信号光强可表示为

如果载波抑制双边带信号的上边带与第i个梳齿的频率差在光电探测器的带宽内，即0≤|f_RF-(i-1)f₀|≤f₀时，光电探测器的交流输出为

其中为光电探测器的响应率。这一拍频信号包含了频率为|f_RF-(i-1)f₀|的信号。否则，光电探测器将由于有限带宽而不响应。因此，上边带与其左右最相邻梳齿之间的拍频信号频率在光电探测器相应范围之内，所产生的微波频率分量的频率分别为f₁、f₂。而上边带与其非左右最相邻梳齿之间的拍频信号频率不在光电探测器的相应范围内，被光电探测器滤除。失谐光学频率梳的各梳齿之间的拍频信号的频率为光学频率梳频率f₀的整数倍。因此，在单频RF信号入射的情况下，光电探测器的相应范围内只有频率为f₁、f₂的两个拍频信号(这两个拍频信号称频率对，其频率和为失谐光学频率梳的频率间隔)。

步骤三、对拍频信号的频谱进行分析，获取这两个拍品信号的频率信息及功率信息。由式(4)可以看出，未知RF信号的上边带与其最相邻的左右梳齿之间的功率比可以表示为

其中P_i为失谐光学频率梳中第i个梳齿的功率。值得注意的是，如果上边带位于第1根与第2根梳齿之间(即0≤f_RF≤f₀)，那么载波抑制双边带信号的上边带和下边带与第1根梳齿之间的拍频信号的频率是相等的，这将导致上边带与第1根梳齿之间拍频信号的功率成为原来的4倍。因此，式(5)应该改写为

由式(6)可以看出，功率比R只与失谐频率梳中相邻梳齿之间的功率比有关，与载波抑制双边带信号的上边带与下边带的幅值无关，也与入射RF信号的功率无关。这样，通过对拍频信号频谱分析中获取的功率信息及已测定的失谐光学频率梳中各相邻梳齿之间的功率比即可确定i。

步骤四、根据已确定的i，f₁，f₂，及式(7)即可确定入射RF信号的频率

f_RF＝(i-1)·f₀+f₁＝i·f₀-f₂(7)

多频信号的频率测量可以使用这一方法实现。在多频测量过程中，在分析拍频信号的频谱后，挑选出包含两个微波频率分量且他们的频率和为失谐光学频率梳的频率间隔的频率对。然后，每一个RF信号频率分量的频率都可以根据相应频率对的频率信息与功率信息获得。

需要注意的是，在频率测量过程中，如果入射RF信号中存在频率在0-f₀/2的分量，其上下边带的拍频信号频率在光电探测器的相应范围之内；在多频信号频率测量过程中，入射RF信号的各个频率分量的上边带之间可能产生的拍频信号也在光电探测器的相应范围之内，然而这些拍频信号是单独出现的，并不能找到相应的信号与之构成频率对，因此这些信号不会影响频率测量。

如图2所示，本实施例所涉及的一种基于光学频率梳的微波频率测量装置，包括：激光器1、第一耦合器2、强度调制器3、可编程滤波器4、掺铒光纤放大器5、双平行调制器6、信号发生器7、电学耦合器8、相移器9、光电探测器10、频谱仪11、第二耦合器12、第三耦合器13和第四耦合器14，所述激光器1的一端与第一耦合器2的一端相连接，第三耦合器13和第四耦合器14串联连接，第一耦合器2的另一端分别与强度调制器3的一端、第三耦合器13的一端相连接，强度调制器3的另一端与第二耦合器12的一端相连接，第二耦合器12与第四耦合器14之间串接有可编程滤波器4，第二耦合器12的另一端与光电探测器10的一端相连接，光电探测器10的另一端与频谱仪11相连接，第三耦合器13的一端与掺铒光纤放大器5的一端相连接，掺铒光纤放大器5的另一端与双平行调制器6的第一端相连接，双平行调制器6的第二端与第四耦合器14的一端相连接，双平行调制器6的第三端与相移器9的一端相连接，双平行调制器6的第四端和相移器9的另一端均与电学耦合器8的一端相连接，电学耦合器8的另一端与信号发生器7相连接。

激光器1的功能：产生窄线宽连续激光信号。

第一耦合器2、第二耦合器12、第三耦合器13和第四耦合器14的功能：将一束光信号分成两束光信号，或将两束光信号合成一束光信号。

强度调制器3的功能：对光信号进行载波抑制单边带调制。

可编程滤波器4的功能：对产生的光学频率梳中每根梳齿的功率进行调节。

掺铒光纤放大器5的功能：对光信号进行放大。

双平行调制器6的功能：对光信号进行载波抑制单边带调制，实现对光信号的频移。

信号发生器7的功能：产生固定频率的微波信号。

电学耦合器8的功能：将一个电信号分成两个电信号。

相移器9的功能：实现一个电信号相对另一个电信号的相对相位延迟。

光电探测器10的功能：载波抑制双边带信号与失谐频率梳在该探测器上拍频，将光信号转换为电信号。

频谱仪11的功能：对拍频信号的频谱进行分析。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。