本發(fā)明涉及測量領(lǐng)域，尤其涉及一種高頻電磁信號時頻特性測量系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

電磁信號特性測量對于科學(xué)研究、工業(yè)測量、現(xiàn)代通信、軍事偵查等應(yīng)用均有重要意義。目前常見的需要測量高頻電磁信號測量系統(tǒng)，通常采用下變頻的方法將高頻信號轉(zhuǎn)換為低頻信號，然后進(jìn)行測量，但是對于頻率范圍未知或者寬頻的信號，往往無法確定下變頻的倍數(shù)，無法選擇固定的下變頻器件進(jìn)行精確測量，特別是無法對大頻率范圍內(nèi)的信號進(jìn)行測量。

脈沖激光光源可以輸出具有恒定時間周期的脈沖信號，在頻域上看，則是一系列具有固定間隔的頻率梳，這個固定間隔就是光脈沖的重復(fù)頻率(重頻)fr。頻率未知的電磁信號可以和這些頻率梳中距離它最近的一條，即頻率為mfr的譜線，進(jìn)行混頻，從而下變頻到fr/2以下的頻帶內(nèi)。我們可以測量得到下變頻后的低頻信號的頻率、幅度、相位或者其變化等信息。光脈沖信號的頻譜寬，與通過對直流信號進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生邊帶形成數(shù)量有限的一些譜線梳齒相比，其可以很容易地覆蓋很大的電磁頻譜范圍。

但是，如果需要由這些信息反推回待測電磁信號的信息，一方面，需要精確測量重頻的信息，另一方面，需要知道和待測電磁信號進(jìn)行混頻的是哪一條頻率梳譜線，即m的數(shù)值，但是采用一個光脈沖信號，得到一個混頻信號的情況下，無法得到m的數(shù)值。如果能夠同時有重頻不同的三個以上光脈沖信號和待測電磁信號進(jìn)行混頻，就可以得到三個以上混頻信號，進(jìn)而唯一確定待測信號頻率與頻率梳的相對位置關(guān)系，求出m的數(shù)值，從而得到待測電磁信號的相關(guān)信息。

采用一個脈沖激光器，利用同一個光諧振腔內(nèi)的模式色散、偏振模色散、雙折射、色度色散、非線性效應(yīng)或鎖模機(jī)制上的不同，可以實(shí)現(xiàn)一個諧振腔同時輸出具有三個以上不同重復(fù)頻率的脈沖光。采用這種方式實(shí)現(xiàn)的多重頻脈沖光源應(yīng)用于電磁信號特性測量中，可以對單頻或?qū)嵶兓驅(qū)捵V信號的頻率、幅度、相位以及其變化等信息進(jìn)行精確的測量，這種系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的電磁測量方法，具有結(jié)構(gòu)簡單，集成化好等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種高頻電磁信號時頻特性測量系統(tǒng)和方法。

本發(fā)明提供了一種高頻電磁信號時頻特性測量系統(tǒng)，包括多重頻脈沖光源、待測信號、電信號與光信號的混頻裝置、脈沖重頻測量裝置和數(shù)據(jù)采集處理單元；其中多重頻脈沖光源只包含單一一個光諧振腔，同時生成三個以上具有不同重頻的脈沖光，所有脈沖光在光諧振腔中傳輸?shù)墓饴吠耆粯樱齻€以上具有不同重頻的脈沖光形成三套不同的頻率梳，頻率梳的頻率間隔等于對應(yīng)脈沖的重頻；多重頻脈沖光源生成的多重頻脈沖光和待測信號在混頻裝置中混頻，并分別產(chǎn)生三個以上的混頻信號；脈沖重頻測量裝置測量得到多重頻脈沖光源輸出的各個光脈沖的重頻數(shù)值；數(shù)據(jù)采集處理單元同時采集混頻裝置生成的混頻信號和脈沖重頻測量裝置測量得到的重頻信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理獲得待測信號與各光脈沖頻率梳譜線的相對位置，進(jìn)而獲得待測信號的時頻特性。

在一個示例中，多重頻脈沖光源只包含一個諧振腔，在這一個諧振腔中同時生成三個以上具有不同重頻的脈沖光；由于這多個脈沖光具有不同的模式、偏振態(tài)、中心波長、傳輸方向或非線性效應(yīng)等特性，多個脈沖光在諧振腔內(nèi)在空間上不分開，各個脈沖光在諧振腔內(nèi)的光束互相交疊，利用脈沖由于諧振腔內(nèi)的模式色散、偏振模色散、雙折射、色度色散、非線性效應(yīng)或鎖模機(jī)制上的不同，產(chǎn)生脈沖的不同傳輸延時或相位，實(shí)現(xiàn)在一個諧振腔中同時產(chǎn)生具有多個不同重復(fù)頻率的光脈沖。在頻域上，具有固定重復(fù)頻率的光脈沖就是一系列以該重復(fù)頻率為間隔的頻率梳，多重頻脈沖光源輸出的多重頻脈沖就是多套具有不同頻率間隔的梳齒構(gòu)成的頻率梳。

在一個示例中，多重頻脈沖光源可以是鎖模激光器，利用諧振腔中模式色散、偏振模色散、雙折射、色度色散、非線性效應(yīng)或鎖模機(jī)制上的不同，實(shí)現(xiàn)一個脈沖光源輸出多個不同重復(fù)頻率的光脈沖。

在一個示例中，多重頻脈沖光源可以是光纖激光器，也可以是固體激光器，也可以是基于波導(dǎo)器件的片上激光器。

在一個示例中，多重頻脈沖光源也可以采用微諧振器來實(shí)現(xiàn)。在直流光源泵浦下微諧振器通過非線性光學(xué)效應(yīng)，如光克爾效應(yīng)等，實(shí)現(xiàn)多重頻脈沖輸出。這種多重頻脈沖光源可利用微諧振器的不同諧振模式的折射率略有差別，也就是存在模式色散或偏振模色散，同時輸出具有不同重復(fù)頻率的光脈沖。

在一個示例中，待測信號包括從毫米波到光波的各個譜段，可以是單頻信號，可以是時變信號，也可以是寬譜信號。

在一個示例中，混頻裝置是光混頻器和光電探測器件的組合或光電導(dǎo)天線。混頻后得到的頻域信號是由各個重頻的脈沖信號的頻率梳中與待測信號頻率距離最近的那條梳齒分別與待測信號混頻得到的，因此各個混頻信號的頻率不大于對應(yīng)脈沖光重頻的一半。

在一個示例中，各個重頻的光脈沖可以分別通過不同的光混頻器或光電導(dǎo)天線和待測信號進(jìn)行混頻，也可以在同一個光混頻器件或光電導(dǎo)天線中混頻。可以用同一個光電探測器檢測不同的光混頻器件的輸出，也可以用不同的光電探測器分別檢測各個光混頻器件的輸出。當(dāng)采用同一個光混頻器件或光電導(dǎo)天線或光電探測器時，根據(jù)其幅度、頻率等信息對不同的混頻信號通過算法進(jìn)行區(qū)分。

在一個示例中，混頻裝置中可以有低通濾波器、放大器或低帶寬的放大器，對光電導(dǎo)天線或者光電探測器的輸出信號進(jìn)行濾波和放大，滿足數(shù)據(jù)采集和處理單元對于輸入電信號的要求。當(dāng)待測信號是太赫茲波段的電磁信號時，混頻裝置可以是光電導(dǎo)天線或非線性晶體或非線性器件，它將太赫茲信號和多重頻脈沖光源輸出的多重頻脈沖信號在頻域進(jìn)行混頻。當(dāng)待測信號是其他波段微波信號時，混頻裝置可以是光混頻器和光電探測器的組合。

在一個示例中，光混頻器為光電強(qiáng)度調(diào)制器、光電相位調(diào)制器、偏振調(diào)制器、非線性晶體、聲光調(diào)制器、磁光調(diào)制器、光耦合器、光濾波器及其組合。

在一個示例中，脈沖重頻測量裝置實(shí)時精確測量多重頻脈沖光源發(fā)出的各個脈沖光的重頻信息。

在一個示例中，如果多重頻脈沖光源發(fā)出的各個脈沖光的重頻信息為已知信息，則不需要脈沖重頻測量裝置。

在一個示例中，脈沖重頻測量裝置為光電探測器和頻率計。

在一個示例中，脈沖重頻測量裝置包括基準(zhǔn)頻率源、光混頻器和光電探測器。多重頻脈沖信號和基準(zhǔn)頻率源在光混頻器中得到混頻信號，經(jīng)過光電探測器探測得到低帶寬的混頻信號。這里的低帶寬是指頻率低于脈沖光重頻最大值一半。根據(jù)低帶寬的混頻信號經(jīng)過計數(shù)器、頻率計等測量設(shè)備或數(shù)據(jù)采集器與處理算法得到各個光脈沖重復(fù)頻率和相對幅度、相位等信息。

在一個示例中，數(shù)據(jù)采集處理單元根據(jù)多重頻脈沖光源各個脈沖光的重頻信息與混頻裝置產(chǎn)生的三個以上混頻信號的頻率、幅度、相位，計算得到待測信號的頻率、幅度、相位或其變化量。

本發(fā)明提供了一種高頻電磁信號時頻特性測量方法，包括：

步驟1，多重頻脈沖光源在一個光諧振腔中，同時生成三個以上具有不同重頻的脈沖光，所有脈沖光的光束在光諧振腔中傳輸時重疊，三個以上具有不同重頻的脈沖光形成三套不同的頻率梳，頻率梳的頻率間隔等于對應(yīng)脈沖的重頻；

步驟2、將多重頻脈沖光源生成的多重頻脈沖光與待測信號輸入混頻裝置，產(chǎn)生待測信號與多重頻脈沖光之間的三個以上混頻信號，混頻信號的頻率不大于對應(yīng)脈沖光的重頻的一半；

步驟3、同時將多重頻脈沖光源生成的多重頻脈沖光輸入脈沖重頻測量裝置，獲得各個脈沖光的重頻信息；

步驟4、數(shù)據(jù)采集處理單元根據(jù)混頻裝置產(chǎn)生的三個以上混頻信號的時域信號特性獲得混頻裝置產(chǎn)生的三個以上混頻信號的頻率、幅度、相位的頻域特性或其變化量；根據(jù)多重頻脈沖光源各個脈沖光的重頻信息與混頻裝置產(chǎn)生的三個以上混頻信號的頻域特性，計算得到待測信號的頻譜信息，包括頻率、幅度、相位的分布或其變化量。

在一個示例中，數(shù)據(jù)采集處理單元根據(jù)多重頻脈沖光源的各個脈沖光的重頻信息與混頻裝置產(chǎn)生的三個以上混頻信號的頻率，唯一確定待測信號頻率與頻率梳的相對位置關(guān)系。

在一個示例中，待測信號為時變信號，數(shù)據(jù)采集處理單元根據(jù)多重頻脈沖光源的各個脈沖光的重頻信息與混頻裝置產(chǎn)生的三個以上混頻信號的時變頻譜特性唯一確定待測信號的時變頻率特性。

在一個示例中，待測信號為寬譜信號，數(shù)據(jù)采集處理單元根據(jù)多重頻脈沖光源的各個脈沖光的重頻信息與混頻裝置產(chǎn)生的三個以上混頻信號的頻譜形狀，確定待測信號的頻譜分布特性。

在一個示例中，數(shù)據(jù)采集處理單元對混頻信號進(jìn)行采集，并對其進(jìn)行算法處理，獲得頻域信息，算法處理包括但不限于fir濾波器、iir濾波器、快速卷積、傅里葉變換、傅里葉反變換、短時傅里葉變換、小波變換、希爾伯特變換、希爾伯特-黃變換、正弦曲線擬合、雷克子波匹配、s變換、cohen類雙線性變換、自適應(yīng)濾波中的一種或多種方法。對于寬譜信號的測量，算法還包括最大似然估計等算法。

附圖說明

下面結(jié)合附圖來對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中：

圖1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是實(shí)例1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖3是三波長脈沖激光器的結(jié)構(gòu)圖，其中3-1是泵浦激光管，3-2是波分復(fù)用，3-3是摻餌光纖，3-4是光隔離器，3-5是碳納米管飽和吸收體，3-6是帶保偏尾纖的在線起偏器，3-7是光耦合器，3-8是偏振控制器；

圖4是三波長脈沖激光器輸出的光譜；

圖5是采用光電探測器和頻譜儀觀測三波長脈沖的頻譜圖；

圖6是實(shí)例1中三個波長在光濾波器中被分開的光譜圖；

圖7是實(shí)例1中第一種情況下待測信號與三個脈沖光的頻率梳中第m條梳齒在頻域的相對位置和相應(yīng)的混頻后的低頻信號頻譜示意圖；

圖8是實(shí)例1中第二種情況下待測信號與三個脈沖光的頻率梳中第m條梳齒在頻域的相對位置和相應(yīng)的混頻后的低頻信號頻譜示意圖；

圖9是實(shí)例1中第三種情況下待測信號與三個脈沖光的頻率梳中第m條梳齒在頻域的相對位置和相應(yīng)的混頻后的低頻信號頻譜示意圖；

圖10是實(shí)例1中第四種情況下待測信號與三個脈沖光的頻率梳中第m條梳齒在頻域的相對位置和相應(yīng)的混頻后的低頻信號頻譜示意圖；

圖11是實(shí)例1中第五種情況下待測信號與三個脈沖光的頻率梳中第m條梳齒在頻域的相對位置和相應(yīng)的混頻后的低頻信號頻譜示意圖；

圖12是實(shí)例1中第六種情況下待測信號與三個脈沖光的頻率梳中第m條梳齒在頻域的相對位置和相應(yīng)的混頻后的低頻信號頻譜示意圖；

圖13是實(shí)例1中10ghz頻率測量結(jié)果；

圖14是實(shí)例1中測量結(jié)果的方差與準(zhǔn)確度隨待測頻率的變化曲線；

圖15是實(shí)例2的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖16是實(shí)例3的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖17是實(shí)例3中對待測信號頻譜進(jìn)行采樣的原理示意圖；

圖18是實(shí)例4的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖19是實(shí)例5的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分的實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。以下實(shí)例均以三波長脈沖激光器作為多重頻脈沖光源，但滿足下列要求的光源均可以作為本發(fā)明實(shí)例中的多重頻光源：多重頻脈沖光源只包含一個諧振腔，在這一個諧振腔中同時生成三個以上具有不同重頻的脈沖光；由于這多個脈沖光具有不同的模式、偏振態(tài)、中心波長、傳輸方向或非線性效應(yīng)等特性，多個脈沖光在諧振腔內(nèi)在空間上不分開，各個脈沖光在諧振腔內(nèi)的光束互相交疊，利用脈沖由于諧振腔內(nèi)的模式色散、偏振模色散、雙折射、色度色散、非線性效應(yīng)或鎖模機(jī)制上的不同，產(chǎn)生脈沖的不同傳輸延時或相位，實(shí)現(xiàn)在一個諧振腔中同時產(chǎn)生具有多個不同重復(fù)頻率的光脈沖。

實(shí)例1

本實(shí)例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。本實(shí)例實(shí)現(xiàn)了對單頻信號的頻率測量。

本實(shí)例中，多重頻脈沖光源為一個三波長脈沖激光器，該激光器包含一個光諧振腔，在這一個諧振腔中同時生成三個具有不同重頻的脈沖光，所有脈沖光的光束在光諧振腔內(nèi)的光束完全重疊。由于三個脈沖的光譜中心波長不同，光諧振腔具有色度色散，所以三個脈沖的重頻不同。本實(shí)例中，三波長脈沖激光器結(jié)構(gòu)如圖3所示，激光器由泵浦激光管、波分復(fù)用器、摻餌光纖、光隔離器、碳納米管飽和吸收體、帶保偏尾纖的在線起偏器、光耦合器、偏振控制器組成。其中器件連接順序可以改變。在三波長脈沖激光器中，碳納米管飽和吸收體為鎖模器件，實(shí)現(xiàn)被動鎖模；偏振控制器和在線起偏器可以實(shí)現(xiàn)周期性濾波，所以可以實(shí)現(xiàn)三波長的脈沖輸出。

本實(shí)例中，三波長脈沖激光器同時生成的三個具有不同重頻的脈沖光的光譜如圖4所示。光譜中心的三個峰分別對應(yīng)于激光器輸出的具有不同重頻的三個脈沖光，這三個脈沖光具有不同的中心波長，分別為λ1＝1560.82nm，λ2＝1555.18nm，λ3＝1549.33nm，三個峰的譜寬分別為bw1＝0.98nm，bw2＝0.71nm，bw3＝0.76nm，相應(yīng)的中心波長差分別δλ12＝5.64nm，δλ23＝5.85nm。設(shè)光譜上中心波長為λ1的峰對應(yīng)的脈沖光的重復(fù)頻率是f1，中心波長為λ2的峰對應(yīng)的脈沖光的重復(fù)頻率是f2，中心波長為λ3的峰對應(yīng)的脈沖光的重復(fù)頻率是f3。在本實(shí)例中，三波長脈沖激光器諧振腔內(nèi)的總色散為反常色散，有f1＜f2＜f3。采用光電探測器和頻譜儀觀測到的激光器輸出光的頻譜如圖5所示，可見三個不同波長對應(yīng)的脈沖光的重復(fù)頻率分別為f1＝31.816042mhz，f2＝31.816569mhz，f3＝31.817179mhz，重復(fù)頻率差分別為δf12＝527hz，δf23＝610hz。

本實(shí)例中，混頻裝置由電光強(qiáng)度調(diào)制器1、光濾波器、光電探測器1、低通濾波器1、光電探測器2、低通濾波器2、光電探測器3、低通濾波器3組成，也可以將電光強(qiáng)度調(diào)制器1替換為相位調(diào)制器、偏振調(diào)制器、非線性晶體、非線性光纖、非線性波導(dǎo)、聲光調(diào)制器、磁光調(diào)制器中的一種或幾種的組合，也可以將光電探測器1與低通濾波器1、光電探測器2與低通濾波器2、光電探測器3與低通濾波器3中的一組或多組替換為一個或多個低帶寬的光電探測器。如果待測信號為太赫茲信號，混頻裝置可以是一個或多個光電導(dǎo)天線。也可以不使用光濾波器，也可以將三組光電探測器與低通濾波器替換為一組或兩組光電探測器與低通濾波器或者一個或兩個低帶寬的光電探測器。如果待測信號為太赫茲信號，也可以替換為一個或兩個光電導(dǎo)天線。如果多重頻脈沖光源利用了偏振模色散輸出多個具有不同重頻的脈沖光，光濾波器也可以替換為偏振控制器?；祛l裝置的特征在于利用多重頻脈沖光源產(chǎn)生的多個重復(fù)頻率不同的脈沖光所生成的多個頻率梳，將待測信號搬移到低頻進(jìn)行測量，并保留頻率、幅度、相位信息。

本實(shí)例中，脈沖重頻測量裝置由電光強(qiáng)度調(diào)制器2、基準(zhǔn)頻率信號、光電探測器4、低通濾波器4、數(shù)據(jù)采集器、處理算法組成，也可以將其中的數(shù)據(jù)采集器、處理算法替換為一個或多個頻率計，也可以將脈沖重頻測量裝置替換為由光濾波器、一個或多個光電探測器、頻率計組成，也可以將裝置替換為由光電探測器、頻譜儀組成，也可以將裝置替換為由光電探測器、頻率計組成，也可以將脈沖重頻測量裝置舍去而將預(yù)先測量好的脈沖重頻值直接輸入到數(shù)據(jù)采集處理單元。

本實(shí)例中，待測信號為單頻電磁信號，也可以是具有多個頻率分量的電磁信號。

本實(shí)例中，數(shù)據(jù)采集處理單元包括數(shù)據(jù)采集單元與數(shù)據(jù)處理單元。其中，數(shù)據(jù)采集單元的采樣率遠(yuǎn)小于待測信號的頻率，但不小于多重頻脈沖光源輸出脈沖的重復(fù)頻率的最大值；數(shù)據(jù)處理單元使用希爾伯特變換處理混頻裝置的輸出信號，獲得待測信號的頻率值，也可以使用fir濾波器、iir濾波器、快速卷積、傅里葉變換、傅里葉反變換、短時傅里葉變換、小波變換、希爾伯特變換、希爾伯特-黃變換、正弦曲線擬合、雷克子波匹配、s變換、cohen類雙線性變換、自適應(yīng)濾波中的一種或多種方法處理混頻裝置的輸出信號，獲得待測信號的頻率、幅度、相位、頻譜、幅度譜、相位譜中的一個或多個。

本實(shí)例中，三波長脈沖激光器生成的三個重頻不同的脈沖光經(jīng)過光耦合器分為兩部分，一部分進(jìn)入電光強(qiáng)度調(diào)制器1，三個脈沖光都被待測信號調(diào)制，再經(jīng)過光濾波器濾波，將調(diào)制后的三波長分開。光濾波器中被分開的光譜如圖6所示。三個脈沖光中心波長分別為λ1，λ2，λ3對應(yīng)的光脈沖的重復(fù)頻率分別為f1，f2，f3。中心波長為λ1的脈沖光進(jìn)入光電探測器1后輸出接低通濾波器1獲得混頻信號1；中心波長為λ2的脈沖光進(jìn)入光電探測器2后輸出接低通濾波器2獲得混頻信號2；中心波長為3的脈沖光進(jìn)入光電探測器3后輸出接低通濾波器3獲得混頻信號3?；祛l信號1、2、3同時輸入數(shù)據(jù)采集處理單元。三波長脈沖激光器輸出的另一部分光進(jìn)入電光強(qiáng)度調(diào)制器2中被基準(zhǔn)頻率信號fref調(diào)制，被光電探測器4檢測后，經(jīng)過低通濾波器4濾波，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)過處理算法處理后獲得三個脈沖光的重復(fù)頻率f1，f2，f3，并將重復(fù)頻率信息輸入數(shù)據(jù)采集處理單元。也可以將電光調(diào)制器2的輸出光直接進(jìn)入光電探測器，將光電探測器的輸出信號輸入頻率計或者頻譜儀獲得三個脈沖光的重復(fù)頻率f1，f2，f3，并將重復(fù)頻率信息輸入數(shù)據(jù)采集處理單元。數(shù)據(jù)采集處理單元同時處理f1，f2，f3，混頻信號1、2、3后可以計算獲得待測信號的頻率、幅度、相位、頻譜、幅度譜、相位譜中的一個或多個。

本實(shí)例中，電光強(qiáng)度調(diào)制器的截止頻率不小于其輸入電磁信號的最高頻率。本實(shí)例中，待測信號輸入的電光強(qiáng)度調(diào)制器1的帶寬為40ghz，基準(zhǔn)頻率信號輸入的電光強(qiáng)度調(diào)制器2的帶寬為10ghz。光電探測器截止頻率遠(yuǎn)低于待測信號的頻率但不小于所探測的多重頻脈沖光源輸出脈沖光的重復(fù)頻率的一半。本實(shí)例中，光電探測器的帶寬為150mhz，遠(yuǎn)小于待測信號頻率，不小于三波長脈沖光源輸出脈沖光的重復(fù)頻率的一半。低通濾波器，截止頻率不小于多重頻脈沖光源輸出脈沖光的重復(fù)頻率的一半，本實(shí)例中，為了避免采樣后信號混疊，低通濾波器截止頻率不高于數(shù)據(jù)采集處理單元的采樣頻率的一半，也可以不加低通濾波器，也可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理方法選用低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器中的一種或多種的組合。數(shù)據(jù)采集處理單元的采樣率不小于多重頻脈沖光源輸出脈沖光的重復(fù)頻率的最大值，本實(shí)例中采樣率為50mhz，采樣率不小于f3，采用相關(guān)算法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

本實(shí)例中，三個重復(fù)頻率不同的脈沖光在電光強(qiáng)度調(diào)制器2中被基準(zhǔn)頻率信號調(diào)制，三波長脈沖光源產(chǎn)生的三個重復(fù)頻率不同的脈沖光所生成的三個頻率梳可以將基準(zhǔn)頻率信號搬移到低頻，通過測量基準(zhǔn)頻率與頻率梳梳齒的拍頻信號，利用已知的基準(zhǔn)頻率信號頻率值，可以計算出三個脈沖光的重復(fù)頻率。本實(shí)例中，通過測量基準(zhǔn)頻率信號與頻率梳中與其最鄰近的梳齒的拍頻，計算出相應(yīng)頻率梳的重復(fù)頻率。也可以通過測量基準(zhǔn)頻率信號與頻率梳中與其次鄰近的梳齒的拍頻，計算出相應(yīng)頻率梳的重復(fù)頻率。本實(shí)例中，基準(zhǔn)頻率信號fref是頻率為5985mhz，功率為0dbm的正弦信號。三個脈沖光的重復(fù)頻率近似值為31.817mhz，通過計算得出，三個脈沖光分別產(chǎn)生的頻率梳中最鄰近基準(zhǔn)頻率信號fref的梳齒均為各自的第188條梳齒，即n＝188，且三個脈沖光分別產(chǎn)生的頻率梳中的第188條梳齒的頻率均小于基準(zhǔn)頻率信號的頻率，即n·f1＜n·f2＜n·f3＜fref。本實(shí)例中，電光強(qiáng)度調(diào)制器2的輸出進(jìn)入光電探測器4，光電探測器4的輸出進(jìn)入低通濾波器4，低通濾波器4的輸出進(jìn)入數(shù)據(jù)采集器。在某一時刻，數(shù)據(jù)采集器以50mhz的采樣率采樣記錄低通濾波器4的輸出信號，并使用希爾伯特變換對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得基準(zhǔn)頻率信號fref分別與三個脈沖光分別產(chǎn)生的頻率梳中最鄰近的梳齒的拍頻fbr1，fbr2，fbr3，也可以使用fir濾波器、iir濾波器、快速卷積、傅里葉變換、傅里葉反變換、短時傅里葉變換、小波變換、希爾伯特變換、希爾伯特-黃變換、正弦曲線擬合、雷克子波匹配、s變換、cohen類雙線性變換、自適應(yīng)濾波中的一種或多種方法處理數(shù)據(jù)，獲得基準(zhǔn)頻率信號fref分別與三個脈沖光分別產(chǎn)生的頻率梳中最鄰近或者次鄰近的梳齒的拍頻的頻率、幅度、相位、頻譜、幅度譜、相位譜中的一個或多個。本實(shí)例中，計算得到基準(zhǔn)頻率信號fref分別與三個脈沖光分別產(chǎn)生的頻率梳中最鄰近的梳齒的拍頻，分別為fbr1＝3.58432768mhz＞fbr2＝3.48521223mhz＞fbr3＝3.37057943mhz。已知fbr1＝fref-n·f1，fbr2＝fref-n·f2，fbr3＝fref-n·f3，其中fref＝5985mhz，n＝188，計算得到當(dāng)前時刻三個脈沖光的重復(fù)頻率分別為f1＝31.81604081mhz，f2＝31.81656796mhz，f3＝31.81717776mhz，并將f1，f2，f3的值發(fā)送到數(shù)據(jù)采集處理單元。也可以通過計算基準(zhǔn)頻率信號fref分別與三個脈沖光分別產(chǎn)生的頻率梳中次鄰近的梳齒的拍頻，計算得到當(dāng)前時刻三個脈沖光的重復(fù)頻率。

本實(shí)例中，在上述同一時刻，數(shù)據(jù)采集處理單元以50mhz采樣率同時采集混頻裝置中低通濾波器1、低通濾波器2、低通濾波器3的輸出信號，對獲得的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行希爾伯特變換，以10ms內(nèi)計算得到頻率的均值作為該時刻的瞬時頻率值，分別得到待測信號分別與三個脈沖光分別產(chǎn)生的頻率梳中最鄰近的梳齒的拍頻頻率值為fb1＝9.76318559mhz，fb2＝9.59765969mhz，fb3＝9.40618054mhz。也可以使用fir濾波器、iir濾波器、快速卷積、傅里葉變換、傅里葉反變換、短時傅里葉變換、小波變換、希爾伯特變換、希爾伯特-黃變換、正弦曲線擬合、雷克子波匹配、s變換、cohen類雙線性變換、自適應(yīng)濾波中的一種或多種方法處理數(shù)據(jù)，獲得基準(zhǔn)頻率信號fref分別與三個脈沖光分別產(chǎn)生的頻率梳中最鄰近或者次鄰近的梳齒的拍頻的頻率、幅度、相位、頻譜、幅度譜、相位譜中的一個或多個。

本實(shí)例中，三個重復(fù)頻率不同的脈沖光在電光強(qiáng)度調(diào)制器1中與基準(zhǔn)頻率信號產(chǎn)生混頻信號。通過混頻過程，三波長脈沖光源產(chǎn)生的三個重復(fù)頻率不同的脈沖光所生成的三個頻率梳將待測信號搬移到低頻進(jìn)行測量，并保留待測信號的頻率、幅度、相位頻譜、幅度譜、相位譜信息。本實(shí)例中，三個脈沖光分別產(chǎn)生的頻率梳中同一階梳齒均是頻率梳中與待測信號fx的最鄰近梳齒或者次鄰近梳齒，并將該階梳齒記為第m階梳齒。通過測量待測信號分別與不同脈沖光生成的頻率梳混頻后產(chǎn)生的低頻拍頻信號的頻率，并計算上述拍頻頻率值之間的和或者差，與脈沖重頻測量裝置輸入的三個脈沖光的重復(fù)頻率與重復(fù)頻率差進(jìn)行比較，可以計算得出m的值并確定待測信號頻率在頻譜上與三個脈沖光分別產(chǎn)生的光頻梳的相對位置，進(jìn)而計算得出待測信號的頻率。也可以通過測量待測信號分別與不同脈沖光生成的頻率梳混頻后產(chǎn)生的低頻拍頻信號的頻率、幅度、相位，計算出待測信號中不同頻率分量的頻率值、幅度與相位信息。

本實(shí)例中，待測信號與三波長脈沖光分別產(chǎn)生的頻率梳的第m階梳齒(頻率分別為m·f1，m·f2，m·f3)在頻域的相對位置和相應(yīng)的混頻后的低頻拍頻信號(fb1，fb2，fb3)頻譜分布存在六種情況，第一種情況至第六種情況依次如圖7、8、9、10、11、12所示。

本實(shí)例中，低頻拍頻信號取最小值，滿足fb1≤f1/2，fb2≤f2/2，fb3≤f3/2。在第一種情況中，待測信號fx滿足且公式成立；在第二種情況中，待測信號fx滿足m·f1＜fx＜m·f2且公式成立；在第三種情況中，待測信號fx滿足m·f2＜fx＜m·f3且公式成立；在第四種情況中，待測信號fx滿足且公式成立；在第五種情況中，待測信號fx滿足且公式成立；在第六種情況中，待測信號fx滿足且公式成立。

本實(shí)例中，在上述時刻，由f1，f2，f3，fb1，fb2，fb3的值可計算出，m＝314且待測信號fx與三個脈沖光的頻率梳在頻域的相對位置屬于第四種情況，因此fx＝m·f1+fb1＝9999.99999993mhz。

本實(shí)例中，待測信號頻率設(shè)定為10ghz，功率設(shè)定為0dbm，對待測信號進(jìn)行100次測量，測量結(jié)果如圖13所示，其中100個測量值的均值為10000000000.0218hz，方差為1.0306hz，測量均值與真實(shí)值的偏差為0.0218hz。

本實(shí)例中，將待測信號功率設(shè)定為0dbm，頻率以1ghz為間隔從1ghz變化至20ghz，對于每個設(shè)定頻率的待測信號，均進(jìn)行100次測量。測量結(jié)果的方差與準(zhǔn)確度隨待測頻率值的變化曲線如圖14所示，圖中可見隨著頻率從1ghz變化至20ghz，測量結(jié)果的方差從約0.3hz近似線性地增加至約2.0hz，測量結(jié)果的準(zhǔn)確度在±0.25hz范圍內(nèi)波動。

實(shí)例2

本實(shí)例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖15所示。本實(shí)例中，多重頻脈沖光源為實(shí)例1中的三波長脈沖激光器。混頻裝置包括電光強(qiáng)度調(diào)制器，光濾波器，光電探測器1、低通濾波器1、光電探測器2、低通濾波器2、光電探測器3、低通濾波器3。

本實(shí)例中，不使用脈沖重頻測量裝置，而是將預(yù)先測量出的三個脈沖的重頻信息直接輸入數(shù)據(jù)采集處理單元。

本實(shí)例中，待測信號為時變信號，可以是線性調(diào)頻信號，也可以是調(diào)頻信號、跳頻信號、掃頻信號等，其特征在于待測信號的頻率或者頻率成分隨時間變化而變化。

本實(shí)例中，三波長脈沖激光器輸出的三波長脈沖光進(jìn)入電光強(qiáng)度調(diào)制器中，被待測信號調(diào)制，再經(jīng)過光濾波器濾波，將調(diào)制后的三波長分開。光濾波器輸出的三路光的光譜分別僅包含中心波長分別為λ1，λ2，λ3的單個峰。三個中心波長分別為λ1，λ2，λ3對應(yīng)的重復(fù)頻率分別為f1，f2，f3的脈沖光被分開并分別進(jìn)入光電探測器1后輸出接低通濾波器1獲得混頻信號1，進(jìn)入光電探測器2后輸出接低通濾波器2獲得混頻信號2，進(jìn)入光電探測器3后輸出接低通濾波器3獲得混頻信號3，混頻信號1、2、3同時輸入數(shù)據(jù)采集處理單元。

本實(shí)例中，待測信號的頻率隨時間連續(xù)線性變化，在混頻過程中待測信號與三波長脈沖光源產(chǎn)生的三個重復(fù)頻率不同的脈沖光所分別生成的三個頻率梳中梳齒產(chǎn)生低頻拍頻，其中與待測信號產(chǎn)生低頻拍頻的梳齒的階數(shù)隨待測信號的頻率變化而變化，低頻拍頻隨時間連續(xù)變化。

本實(shí)例中，數(shù)據(jù)采集處理單元同時采集記錄低通濾波器1、2、3輸出的低頻拍頻信號，使用希爾伯特變換進(jìn)行計算，得到三個拍頻信號各自的頻率隨時間的變化關(guān)系。通過與三個脈沖光的重復(fù)頻率與重復(fù)頻率差進(jìn)行比較，可以計算出在測量期間的任意時刻與待測信號產(chǎn)生低頻拍頻的梳齒的階數(shù)，進(jìn)而計算出在該時刻的頻率值，因此可以計算得到待測信號的頻率隨時間變化的曲線。也可以根據(jù)對時間分辨率、空間分辨率、多頻率信號識別能力要求的不同使用fir濾波器、iir濾波器、快速卷積、傅里葉變換、傅里葉反變換、短時傅里葉變換、小波變換、希爾伯特變換、希爾伯特-黃變換、正弦曲線擬合、雷克子波匹配、s變換、cohen類雙線性變換、自適應(yīng)濾波中的一種或多種方法處理數(shù)據(jù)，并結(jié)合三個脈沖的重復(fù)頻率值，對待測信號進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。

實(shí)例3

本實(shí)例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖16所示，本實(shí)例中多重頻脈沖光源為三波長脈沖光源，其輸出的三個脈沖光所生成的光頻梳在混頻裝置中與待測信號產(chǎn)生三個低頻拍頻信號。本實(shí)例中，待測信號為寬譜信號。本實(shí)例中，脈沖重頻測量裝置為光電探測器和頻率計，其測量三個脈沖的重頻信息，并將重頻信息輸入數(shù)據(jù)采集處理單元。

本實(shí)例中，待測信號是寬譜信號，并且信號頻段分布已知或者被限定在數(shù)個可能的區(qū)間內(nèi)。數(shù)據(jù)采集處理單元可以根據(jù)三個脈沖的重復(fù)頻率值，建立待測信號已知或可能的頻段分布與三個低頻拍頻信號對應(yīng)區(qū)間的映射，進(jìn)而通過三個低頻拍頻信號的頻譜恢復(fù)出待測信號的頻譜。

本實(shí)例中，待測信號可以是寬譜信號，頻譜具有稀疏性。三個低頻拍頻信號的頻譜不混疊時，可以測量三個低頻拍頻信號中同一形狀頻譜上的同一位置點(diǎn)的不同頻率值，利用實(shí)例1中方法測量出該點(diǎn)在待測信號頻譜中的頻率值，依此頻率值確定該形狀頻譜在待測信號頻譜中分布的頻段。三個低頻拍頻信號的頻譜發(fā)生混疊時，可以先設(shè)定某個閾值確定三個低頻拍頻信號中的無信號頻段，并根據(jù)三個脈沖光的重復(fù)頻率計算出待測信號的無信號頻段。如果此時低頻拍頻信號的頻譜與待測信號頻譜的采樣線性方程組有唯一解(或者采樣矩陣行滿秩)，此時可以通過低頻待測信號的頻譜唯一地確定待測信號頻譜。如果無法得到唯一解，可以比較三個低頻拍頻信號頻譜，根據(jù)三個脈沖光的重復(fù)頻率與重復(fù)頻率差，對待測信號的頻段分布做最大似然估計，并驗(yàn)證計算所得的待測信號頻譜。

本實(shí)例中，對待測信號頻譜進(jìn)行采樣的原理示意圖如圖17所示，待測信號的頻譜被脈沖光生成的光頻梳的梳齒分割為若干寬度為脈沖光重頻的頻譜塊，低頻的拍頻信號是這若干頻譜塊的疊加。利用三波長脈沖激光器輸出的三個脈沖光所生成的三個光頻梳，可以對待測信號的頻譜進(jìn)行三次不同寬度的分割并將頻譜塊疊加獲得低頻拍頻信號，結(jié)合光電探測器和頻率計測量得到三個脈沖光的重頻和重頻差，可以重建待測信號的頻譜。

實(shí)例4

本實(shí)例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖18所示。本實(shí)例中，多重頻脈沖光源為三波長脈沖激光器，利用實(shí)例1中的方法分別測量發(fā)射信號與碰到物體反射后接收到的回聲信號的頻率。也可以已知發(fā)射信號頻率，僅測量回聲信號的頻率。也可以已知發(fā)射信號的頻率，僅測量發(fā)射信號與其回聲信號分別與多重頻脈沖光源生成的頻率梳產(chǎn)生的低頻拍頻信號的頻率差。將發(fā)射信號與回聲信號的頻率輸入數(shù)據(jù)采集處理單元，可以計算獲得多普勒頻移、物體相對運(yùn)動的方向以及相對運(yùn)動的徑向速度。本實(shí)例中，設(shè)fm與fm’分別是發(fā)射信號及其回聲信號的頻率，則多普勒頻移為fd＝δf/2＝|fm-fm’|/2，相對運(yùn)動的徑向速度為v＝c·fd/2fm＝c·δf/4fm。

實(shí)例5

本實(shí)例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖19所示。本實(shí)例中，多重頻脈沖光源為三波長鎖模激光器，利用三波長鎖模激光器、一個或者多個混頻裝置、數(shù)據(jù)采集處理單元對待測信號的頻率、幅度、相位在空間上的多個位置對待測信號進(jìn)行測量，在每個位置對待測信號的測量方法與實(shí)例1相同。也可以將參考頻率及相位或者參考相位輸入到數(shù)據(jù)采集處理單元中，通過計算在兩個或多個位置所接收到的測得的待測信號的相位差，也可以計算在一個或多個位置所接收測得的待測信號的相位與參考相位的相位差，并將測得的待測信號頻率、不同接收位置距離、前述相位差同時輸入數(shù)據(jù)采集處理單元，也可以已知接收的待測信號頻率，直接將其輸入數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元計算得出待測信號的到達(dá)角。也可以在不同位置同時測量待測信號的到達(dá)角，從而計算出待測信號的距離。也可以通過測量空間中各個位置待測信號的幅度、相位，分析待測信號在空間中傳播的波前、波陣面，確定信號輻射源位置，實(shí)現(xiàn)信號來源的空間定位。