利用雙偏振調(diào)制器實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)微波頻率測(cè)量的裝置及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種利用雙偏振調(diào)制器進(jìn)行瞬時(shí)微波頻率測(cè)量的裝置及方法，該發(fā)明涉及微波技術(shù)領(lǐng)域以及光通信技術(shù)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于微波信號(hào)頻率的測(cè)量。所述方法如附圖所示，包括光源、信號(hào)源、雙偏振調(diào)制器、單模光纖、耦合器、偏振控制器、起偏器以及光電探測(cè)器。利用雙偏振調(diào)制器對(duì)信號(hào)源產(chǎn)生的未知頻率的微波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，得到偏振復(fù)用信號(hào)。通過(guò)光纖色散后分為兩路，一路保持偏振態(tài)不變，一路通過(guò)偏振控制器和起偏器轉(zhuǎn)化為線(xiàn)偏振信號(hào)。光電探測(cè)器對(duì)兩路信號(hào)檢測(cè)，測(cè)量其功率值并建立功率比較函數(shù)。根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以估計(jì)出待測(cè)頻率。本方案改變一路信號(hào)的偏振態(tài)可以調(diào)節(jié)測(cè)量范圍，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、分辨率高和測(cè)量誤差小。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
利用雙偏振調(diào)制器實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)微波頻率測(cè)量的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光通信技術(shù)領(lǐng)域和微波技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及光通信技術(shù)中基于雙偏振 調(diào)制器(D P 〇 1-MZM)實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)微波頻率測(cè)量的方法
【背景技術(shù)】
[0002] 在電子戰(zhàn)及雷達(dá)系統(tǒng)中，及時(shí)從接收機(jī)截獲的微波信號(hào)中提取頻率、幅度等各種 特征參數(shù)至關(guān)重要。然而，隨著毫米波段(0.4-40GHZ)信號(hào)的投入使用，傳統(tǒng)的電子接收機(jī) 受到帶寬限制，而且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，易受電磁干擾等瓶頸問(wèn)題，急需要提供一種新 的解決方案。
[0003] 微波光子技術(shù)兼具光子技術(shù)和微波技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)電子器件的不足，為瞬 時(shí)頻率測(cè)量提供一個(gè)大帶寬，低損耗，抗干擾的解決方案。
[0004] 微波光子技術(shù)進(jìn)行頻率測(cè)量的方法主要包括三種：基于頻率-幅度映射;基于頻 率-時(shí)間映射;基于頻率-空間映射。其中頻率-幅度即頻率-功率映射，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 測(cè)頻范圍大、測(cè)量精度高而成為研究重點(diǎn)。該方法的原理是將待測(cè)的微波信號(hào)調(diào)制到光載 波上，經(jīng)過(guò)一定的光路結(jié)構(gòu)，得到僅與待測(cè)微波頻率有關(guān)的功率比值函數(shù)(幅度比較函數(shù)， ACF)。通過(guò)微波頻率和功率比值函數(shù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以計(jì)算出待測(cè)的微波頻率。
[0005] 目前，基于頻率-功率映射的方法的頻率測(cè)量技術(shù)主要利用強(qiáng)度調(diào)制器、相位調(diào)制 器或者偏振調(diào)制器，調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的色散介質(zhì)獲得不同的功率響應(yīng)曲線(xiàn)，從而建立功 率比值函數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決【背景技術(shù)】中所存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種利用DPol-MZM實(shí)現(xiàn)微波頻 率測(cè)量的方法。該方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍大且可調(diào)節(jié)、測(cè)頻精度高等優(yōu)點(diǎn)。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:所述裝置包括光源、信號(hào)源、雙偏振 調(diào)制器、耦合器、起偏器、偏振控制器、單模光纖以及光電探測(cè)器，其中DPol-MZM由兩個(gè)并行 的馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器MZM1和MZM2以及尾部的偏振分束器集成;光源的輸出端與雙偏振調(diào)制 器光輸入端相連;信號(hào)源的輸出端和MZM1的一個(gè)射頻輸入端相連，其它射頻端口空載;雙偏 振調(diào)制器的輸出端與單模光纖一端相連;單模光纖的另一端和親合器輸入端相連;親合器 的一個(gè)輸出端與光電探測(cè)器1輸入端口相連;親合器的另一輸出端與偏振控制器的一端相 連;偏振控制器的另一端和起偏器的輸入端口相連;起偏器的輸出端和光電探測(cè)器2的輸入 端口相連;光電探測(cè)器1和光電探測(cè)器2輸出兩路電信號(hào)。
[0008] 本發(fā)明在工作時(shí)包括以下步驟： (1) 從激光器發(fā)出波長(zhǎng)為A的光波作為載波注入到DPol-MZM中； (2) 在DPol-MZM內(nèi)，光載波被分為兩路，分別輸入到MZM1和MZM2中，信號(hào)源產(chǎn)生未知頻 率的微波信號(hào)輸入到MZM1的一個(gè)射頻輸入端口，其它射頻端口無(wú)信號(hào)。將幅度為V DC1的直流 電壓接入到MZM1的直流輸入端，將幅度為VDC2的直流電壓接入到MZM2的直流輸入端。 (3)設(shè)置Vdq、VDC2的大小，使MZM1和MZM2工作在最大傳輸點(diǎn)。在MZM1的輸出端得到被待 測(cè)微波信號(hào)相位調(diào)制的光信號(hào)和光載波，在MZM2的輸出端只得到光載波； (4 )MZM1和MZM2輸出的兩路信號(hào)輸入到偏振分束器實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)正交化，在DPo 1-MZM的 輸出端得到偏振復(fù)用信號(hào)； (5 )DPol-MZM的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)一段單模光纖后接入到親合器，親合器將信號(hào)分為兩路； (6) 上路將信號(hào)直接接入光電探測(cè)器1，光電探測(cè)器1對(duì)輸入的偏振復(fù)用信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)； (7) 下路將信號(hào)經(jīng)過(guò)偏振控制器和起偏器后接入到光電探測(cè)器2。偏振控制器和起偏器 實(shí)現(xiàn)偏振復(fù)用光信號(hào)向線(xiàn)偏振光信號(hào)的轉(zhuǎn)化，在起偏器的輸出端得到線(xiàn)偏振光信號(hào)。光電 探測(cè)器2對(duì)輸入的線(xiàn)偏振光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)； (8) 測(cè)量光電探測(cè)器1和光電探測(cè)器2輸出電信號(hào)的功率。將上下路得到的功率值進(jìn)行 比值計(jì)算，根據(jù)功率比較函數(shù)和待微波測(cè)頻率的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可計(jì)算出待測(cè)微波頻率； (9) 改變信號(hào)源產(chǎn)生的未知微波信號(hào)的功率，重復(fù)步驟8; (10) 調(diào)節(jié)下路偏振控制器來(lái)改變起偏器和雙偏振調(diào)制器的主軸之間的夾角，重復(fù)步驟 8，實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量范圍的調(diào)諧；
[0009] 本發(fā)明提出了一種新型的微波頻率測(cè)量方法，該方案利用DPo 1-MZM和一段單模光 纖，實(shí)現(xiàn)微波頻率到功率的映射，得到了 ACF。為了避免頻率測(cè)量的模糊性，選取從零頻到 ACF曲線(xiàn)的第一個(gè)陷波點(diǎn)位置的單調(diào)區(qū)間作為頻率測(cè)量范圍。根據(jù)待測(cè)微波頻率和功率比 值的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)微波頻率的測(cè)量。本發(fā)明設(shè)備簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的實(shí)際可操作性。
[0010] 由于上路和下路得到具有近似互補(bǔ)的功率衰落曲線(xiàn)，ACF的斜率陡峭，測(cè)量分辨率 尚。
[0011] 頻率測(cè)量的最大范圍取決于上路和下路功率衰落曲線(xiàn)中的第一個(gè)陷波點(diǎn)的位置。 由于上路固定不可調(diào)，調(diào)節(jié)下路偏振控制器，下路功率衰落曲線(xiàn)的第一個(gè)陷波點(diǎn)的位置隨 之改變，實(shí)現(xiàn)測(cè)量范圍改變。
[0012] 圖1為本發(fā)明利用DPol-MZM實(shí)現(xiàn)微波頻率測(cè)量的原理圖，圖2為使用長(zhǎng)度為5km的 單模光纖實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，其中： (a) 為不同0得到的一組ACF曲線(xiàn)圖； (b) 為選取頻率測(cè)量范圍為2-28GHZ，上路、下路功率曲線(xiàn)和實(shí)際ACF、理論ACF圖； (c) 為選取頻率測(cè)量范圍為2-28GHZ、微波信號(hào)功率為-3dBm時(shí)，測(cè)量誤差圖； (d) 為選取頻率測(cè)量范圍為2-28GHZ、微波信號(hào)功率為-20dBm時(shí)，測(cè)量誤差圖；
【具體實(shí)施方式】：
[0013]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前 提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作流程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下 屬的實(shí)施例：
[0014]圖1為本發(fā)明利用DPol-MZM實(shí)現(xiàn)微波頻率測(cè)量的原理圖。其中DPol-MZM用于對(duì)信 號(hào)源產(chǎn)生的頻率未知的微波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生偏振復(fù)用信號(hào)，經(jīng)過(guò)5km的單模光纖引入色 散后，一路直接接入光電探測(cè)器檢測(cè)，一路通過(guò)偏振控制器和起偏器轉(zhuǎn)化為線(xiàn)偏振信號(hào)后， 接入光電探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。將上下兩路得到的的功率值相比，得到ACF函數(shù)，根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系 計(jì)算出待測(cè)頻率。
[0015] 如圖1所示，本實(shí)施例中，裝置包括:光源、DPol-MZM、信號(hào)源、單模光纖、耦合器、起 偏器、偏振控制器、光電探測(cè)器，其中雙偏振調(diào)制器由MZM1，MZM2和尾部的偏振分束器組成。 光源的輸出端和雙偏振調(diào)制器的輸入端相連;信號(hào)源的輸出端和MZM1的一個(gè)射頻輸入端相 連;雙偏振調(diào)制器的輸出端與一段5 km的單模光纖相連，光纖的另一端和親合器的輸入端相 連;耦合器的一個(gè)輸出端口和光電探測(cè)器1相連，另一個(gè)輸出口經(jīng)偏振控制器和起偏器后接 入光電探測(cè)器2;測(cè)量光電探測(cè)器1和光電探測(cè)器2輸出電信號(hào)的功率。將上下路得到的功率 值進(jìn)行比值計(jì)算，根據(jù)功率比較函數(shù)和待微波測(cè)頻率的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可估計(jì)出待測(cè)微波 頻率。
[0016]本實(shí)例中，具體的微波頻率測(cè)量方法和原理包括以下步驟： 步驟一:光源產(chǎn)生工作波長(zhǎng)為1552nm，功率為lldBm的連續(xù)光波，其中將光波的工作角 頻率記為《。，幅度記為E〇，連續(xù)光波輸入到DPol-MZM。 步驟二:將信號(hào)源產(chǎn)生的頻率未知的微波信號(hào)輸入到MZM1的一個(gè)射頻輸入端，其它射 頻端口不加載信號(hào)，MZM1和MZM2均偏置在最大傳輸點(diǎn)。MZM1輸出的信號(hào)包含被待測(cè)信號(hào)相 位調(diào)制的光信號(hào)和部分光載波。待測(cè)信號(hào)較小時(shí)，可以忽略高階項(xiàng)，只保留一階成分?？梢?表示為下式：
其中q =23ifs，fs為待測(cè)頻率，m為調(diào)制指數(shù)，Jn( ?)為第一類(lèi)n階貝塞爾函數(shù)。MZM2的輸 出信號(hào)只包含光載波，可以表不為下式：
MZM1和MZM2的輸出信號(hào)進(jìn)入偏振分束器實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)正交化，DPol-MZM的輸出光信號(hào)可 表示為：
步驟三:將DPol-MZM的輸出信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)度L為5km，色散系數(shù)D為17X10-6s/m2的單模光 纖引入色散量<?，輸出的信號(hào)可表示為：
步驟四：將光纖輸出的信號(hào)經(jīng)耦合器分為兩路，上路信號(hào)直接接入光電探測(cè)器1進(jìn)行檢 測(cè)，光電檢測(cè)器的1輸出信號(hào)可表不為：
其中I為光電探測(cè)器的響應(yīng)度。下路信號(hào)經(jīng)過(guò)偏振控制器和起偏器后，偏振復(fù)用信號(hào)轉(zhuǎn) 化為線(xiàn)偏振信號(hào)，起偏器輸出信號(hào)表不為：
其中a為偏振分束器主軸和起偏器主軸的夾角，實(shí)例中設(shè)置其為75°，0為偏振控制器引 入的附加相移。起偏器的輸出信號(hào)接入光電探測(cè)器2,光電檢測(cè)器2的輸出信號(hào)可表不為：
步驟五:將光電探測(cè)器1和光電探測(cè)器2得到的電信號(hào)進(jìn)行功率測(cè)量并進(jìn)行比值計(jì)算， 得到和頻率相關(guān)的ACF曲線(xiàn)，可以表示為下式：
為了避免頻率測(cè)量的模糊性，在A(yíng)CF曲線(xiàn)上，選取從零頻到的第一個(gè)陷波點(diǎn)的位置作為 頻率測(cè)量范圍。 步驟六:實(shí)例中，最大測(cè)量范圍取決于上下路得到的功率曲線(xiàn)中最先出現(xiàn)第一個(gè)陷波 點(diǎn)的位置。上路得到的功率曲線(xiàn)是固定的，下路通過(guò)調(diào)節(jié)偏振控制器來(lái)改變角度9,實(shí)現(xiàn)下 路功率曲線(xiàn)第一個(gè)陷波點(diǎn)位置的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量范圍的可調(diào)諧。當(dāng)-180° <0<〇°， 下路功率曲線(xiàn)的第一個(gè)陷波點(diǎn)fmax的位置可表示為：
步驟七:改變信號(hào)源產(chǎn)生的微波信號(hào)的功率為_(kāi)20dB，重復(fù)步驟五。
[0018]圖2(a)為不同角度0下得到的一組功率比曲線(xiàn)圖。由圖中可以看出，當(dāng)0為-0.27 JT，-0 ? 4jt，-0 ? 57JI，-0 ? 72JI時(shí)，測(cè)量范圍分別為0-16GHz，0-20GHz，0-24GHz，0-28GHZ。通過(guò)偏 振控制器改變角度9時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量范圍的可調(diào)諧。圖2(b)為選取頻率測(cè)量范圍為2-28GHz時(shí)，上路、下路功率曲線(xiàn)以及實(shí)際ACF和理論ACF圖?？梢钥闯?，上下路得到的功率曲線(xiàn) 近似互補(bǔ)，所以得至l」ACF曲線(xiàn)斜率大，測(cè)量精度很高。同時(shí)可以看到實(shí)際得到的ACF曲線(xiàn)和理 論的ACF曲線(xiàn)近似吻合。圖2(c)為選取頻率測(cè)量范圍為2-28GHZ、微波信號(hào)功率為-3dBm時(shí)， 頻率測(cè)量結(jié)果誤差圖?？梢钥闯觯瑴y(cè)量誤差在±0.3GHz。圖2(d)為選取頻率測(cè)量范圍為2-28GHz、微波信號(hào)功率為-20dBm，測(cè)量誤差圖。與微波信號(hào)功率為-3dB時(shí)的測(cè)量誤差相比，可 以看到誤差變化不明顯，頻率測(cè)量和微波信號(hào)的功率無(wú)關(guān)。
[0019] 綜上，本發(fā)明利用雙偏振調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了 2-28GHZ的頻率測(cè)量范圍。由于上下兩路得 到的功率曲線(xiàn)近似互補(bǔ)，得到的ACF曲線(xiàn)斜率大，測(cè)量精度高。通過(guò)控制偏振控制器的角度， 改變下路信號(hào)的偏振態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量范圍的調(diào)節(jié)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了獲得更好的分 辨率，可以減小頻率測(cè)量范圍。調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
[0020]總之，以上所述實(shí)施方案僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，并非僅用于限定本發(fā)明的保 護(hù)范圍，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容上，還可以 做出若干等同的變形和替換，單模光纖的長(zhǎng)度不限5km，如果使用25km的單模光纖，該系統(tǒng) 的頻率測(cè)量范圍為0-16GHZ。此外，偏振分束器主軸和起偏器的夾角a不局限于75°。這些等 同變形和替換也相應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用雙偏振調(diào)制器實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)微波頻率測(cè)量的裝置:包括光源、信號(hào)源、雙偏振調(diào) 制器(DPol-MZM)、單模光纖、耦合器、偏振控制器、起偏器以及光電探測(cè)器，其特征在于:雙 偏振調(diào)制器設(shè)置在光源的出射光路上，調(diào)制器的輸出端經(jīng)一段光纖和耦合器相連，耦合器 的一個(gè)輸出端和光電探測(cè)器1相連，另一個(gè)輸出端依次連接一個(gè)偏振控制器和起偏器，起偏 器的輸出端接連光電探測(cè)器2。 所述的DPol-MZM由MZM1、MZM2以及尾部的偏振分束器集成。在DPol-MZM中，光源發(fā)出的 光信號(hào)被分為兩路，分別被輸入到MZM1和MZM2中，信號(hào)源產(chǎn)生的微波信號(hào)輸入到MZM1的一 個(gè)射頻輸入端口，其它三個(gè)射頻端口空載，MZM1和MZM2均偏置在最大傳輸點(diǎn)。MZM1輸出被待 測(cè)射頻信號(hào)相位調(diào)制的光信號(hào)和光載波，MZM2只輸出光載波，經(jīng)過(guò)尾部的偏振分束器，實(shí)現(xiàn) 兩路信號(hào)的偏振態(tài)正交化。在DPol-MZM輸出端得到偏振復(fù)用信號(hào)。 所述的DPol-MZM經(jīng)一段單模光纖后與親合器相連。親合器將信號(hào)均分為兩路，一路直 接接入光電探測(cè)器1，一路通過(guò)偏振控制器和起偏器將偏振復(fù)用信號(hào)轉(zhuǎn)化為線(xiàn)偏振信號(hào)后 接入光電探測(cè)器2,得到兩路不同的功率響應(yīng)。兩路功率進(jìn)行相比得到功率比較函數(shù)(ACF)， 根據(jù)待測(cè)頻率和功率比值一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，計(jì)算出待測(cè)微波信號(hào)的頻率。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子學(xué)瞬時(shí)微波頻率測(cè)量裝置，其特征在于:兩路得到的功率 響應(yīng)曲線(xiàn)近似互補(bǔ)，ACF的斜率大，測(cè)量精度高。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子學(xué)瞬時(shí)微波頻率測(cè)量裝置，其特征在于:改變信號(hào)源產(chǎn)生 待測(cè)微波信號(hào)的功率，測(cè)量結(jié)果沒(méi)有明顯變化。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子學(xué)瞬時(shí)微波頻率測(cè)量裝置，其特征在于:通過(guò)調(diào)節(jié)偏振控 制器可以改變頻率測(cè)量范圍。
【文檔編號(hào)】G01R23/02GK106053938SQ201610473365
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月18日
【發(fā)明人】李曉艷, 文愛(ài)軍, 陳瑋, 高永勝
【申請(qǐng)人】西安電子科技大學(xué)