專利名稱：一種具有寬帶測(cè)量范圍的光子型瞬時(shí)測(cè)頻方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波光子學(xué)、微波檢測(cè)領(lǐng)域，尤其是光子型測(cè)頻技術(shù)。
背景技術(shù)：
微波檢測(cè)技術(shù)是微波設(shè)備和系統(tǒng)研究、生產(chǎn)、維護(hù)中不可缺少的測(cè)量手段和工具，涉及頻率、幅度、信號(hào)類型、調(diào)制制式、到達(dá)方向等檢測(cè)內(nèi)容。目前，在微波技術(shù)和應(yīng)用中采 用和擬采用的微波頻段不斷攀升，因而頻率測(cè)量面臨著巨大的挑戰(zhàn)和難得的機(jī)遇即需要 在寬帶范圍內(nèi)對(duì)待測(cè)微波信號(hào)的頻率進(jìn)行快速檢測(cè)。近年來(lái)，以微波光子學(xué)的興起為契機(jī)， 光子型瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)逐漸成為研究的熱點(diǎn)，具體優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在瞬時(shí)帶寬大、頻率相關(guān)性損耗 低、抗電磁干擾能力強(qiáng)等方面。就目前的研究進(jìn)展而言，基于光功率檢測(cè)的頻率-幅度(功率)映射型瞬時(shí) 測(cè)頻方案是主要光子型測(cè)頻技術(shù)之一。在這種類型方案中，一種技術(shù)路線就是采用光 梳狀濾波器將微波頻率信息轉(zhuǎn)換成光功率，進(jìn)而從光功率比值中解調(diào)出頻率值(H. Chi, X. Zou, and J. Yao，“Anapproach to the measurement of microwave frequency based on opticalpower monitoring，，，IEEE Photonics Technology Letters，vol. 20, no. 14, pp. 1249-1251，2008 ；X.Zou,H.Chi,and J. Yao，“Microwave frequencymeasurement based on optical power monitoring using a complementaryoptical filter pair，，，IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques， vol.57, no.2, pp.505—511， 2009)。另一種技術(shù)路線就是采用光域混頻方式將微波頻率信息轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，進(jìn)而估 W HiM^iM. (H. Emami, N. Sarkhosh, L. A. Bui, and A. Mitchell, "Amplitudeindependent RF instantaneous frequency measurement system usingphotonic Hilbert transform, "Optics Express, vol. 16, no. 18, pp. 13707-13712,2008 ；L.A.Bui, M. D. Pe Ius i, T. D. Vo, N. Sarkhosh, H. Emami, B. J. Eggleton, and A. Mitchell, “Instantaneous frequencymeasurement system using optical mixing in highly nonlinear fiber, ” Optics Express, vol. 17，no. 25，pp.22983—22991，2009)。需要指出的是上述兩種技術(shù)路線都需要在兩個(gè)光波長(zhǎng)處引入相對(duì)時(shí)延量來(lái)實(shí)施 測(cè)頻，測(cè)量范圍或測(cè)量分辨率因而受到相對(duì)時(shí)延量的限制相對(duì)時(shí)延量越大，測(cè)量范圍越 小，而測(cè)量分辨率越高；反之，測(cè)量范圍越大，而測(cè)量分辨率越低。為有效地緩解已有方案中 相對(duì)時(shí)延量對(duì)測(cè)頻范圍和測(cè)量分辨率的限制，從而同時(shí)改善光子型測(cè)頻方案的測(cè)量范圍和 測(cè)量分辨率，本發(fā)明給出了一種具有寬帶測(cè)量范圍的瞬時(shí)頻率測(cè)量方案。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上陳述的已有方案的不足，本發(fā)明旨在提供一種具有寬帶測(cè)量范圍的光子 型瞬時(shí)測(cè)頻方案，在不改變測(cè)量分辨率的前提下成倍地?cái)U(kuò)大測(cè)量范圍，使之充分發(fā)揮光子 技術(shù)在寬帶瞬時(shí)性能上的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明的目的通過(guò)如下手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。
待測(cè)微波信號(hào)輸入到載波抑制型單邊帶調(diào)制模塊中，并在小信號(hào)調(diào)制下同時(shí)加載 到具有不同輸出波長(zhǎng)的三個(gè)連續(xù)激光光源上，生成三個(gè)+1階(或-1階)光邊帶；這三個(gè)+1 階(或-1階)光邊帶平均耦合到兩個(gè)相位解調(diào)模塊中；這兩個(gè)相位解調(diào)模塊中各有一個(gè)差 分群時(shí)延元件，對(duì)應(yīng)不同的差分群時(shí)延量，而且在給定測(cè)量分辨率下，兩個(gè)差分群時(shí)延量形 成的梳狀濾波譜所對(duì)應(yīng)的自由頻率區(qū)(Fl和F2)互為素?cái)?shù)關(guān)系。對(duì)+1階(或-1階)光邊 帶進(jìn)行梳狀濾波、以及對(duì)光功率進(jìn)行檢測(cè)和比對(duì)后，在第一個(gè)相位解調(diào)模塊中第一個(gè)激光 波長(zhǎng)處得到的光功率比值與微波頻率成余弦函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，第二光源波長(zhǎng)處得到的光功率 比值與微波頻率成正弦函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而由這兩個(gè)光功率比值推算出與微波頻率相關(guān)的 第一個(gè)相位值；同理，在第二個(gè)相位解調(diào)模塊中第一個(gè)光源波長(zhǎng)處得到的光功率比值呈 余弦函數(shù)變化趨勢(shì)，第三光源波長(zhǎng)處得到的光功率比值呈正弦函數(shù)變化趨勢(shì)，由這兩個(gè)光 功率比值推算出與微波頻率相關(guān)的第二個(gè)相位值。由于相位值在頻域上的變化周期即為各 自相位解調(diào)模塊中梳狀濾波譜的自由頻率區(qū)，因而這兩個(gè)相位值在頻域上的周期亦互為素 數(shù)關(guān)系；利用這兩個(gè)相位值對(duì)待測(cè)微波頻率進(jìn)行解調(diào)，可以在寬帶測(cè)量范圍內(nèi)(F1XF2)確 定唯一的頻率值。 經(jīng)過(guò)以上設(shè)計(jì)后，本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點(diǎn)在頻率_幅度映射過(guò)程中，測(cè)頻范圍 和測(cè)量分辨率不再同時(shí)受限于差分群時(shí)延量；因而在不降低測(cè)量分辨率的前提下，測(cè)頻范 圍擴(kuò)展為兩個(gè)差分群時(shí)延量所對(duì)應(yīng)的自由頻譜區(qū)的乘積(F1 XF2)，在不改變測(cè)頻精度的前 提下成倍地?cái)U(kuò)大了測(cè)頻范圍。


如下圖1.本發(fā)明方案的系統(tǒng)框圖。圖2.相位解調(diào)模塊的結(jié)構(gòu)框圖(a)相位解調(diào)模塊1和(b)相位解調(diào)模塊2。圖3.相位解調(diào)模塊1的梳狀濾波譜及光邊帶濾波的示意圖。圖4.在相位解調(diào)模塊1中，與頻率變化對(duì)應(yīng)的相位-光功率比值映射示意圖(a) 第一激光波長(zhǎng)λ工處的余弦映射關(guān)系；(b)第二激光波長(zhǎng)λ 2處的正弦映射關(guān)系。圖5.在相位解調(diào)模塊2中，與頻率變化對(duì)應(yīng)的相位_光功率比值映射示意圖(a) 第一激光波長(zhǎng)λ工處的余弦映射關(guān)系；(b)第三激光波長(zhǎng)λ 3處的正弦映射關(guān)系。圖6.本發(fā)明方案中的微波頻率解調(diào)示意圖(a)相位值θ工與微波頻率的映射關(guān) 系；(b)相位值θ 2與微波頻率的映射關(guān)系；(c)相位值θ工和θ 2同時(shí)對(duì)應(yīng)的微波頻率。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施作進(jìn)一步的描述。如圖1所示，本發(fā)明方案由三個(gè)連續(xù)激光光源100、200、300，兩個(gè)耦合器400、600， 載波抑制單邊帶調(diào)制模塊500，兩個(gè)相位解調(diào)模塊700、800，和一個(gè)查表運(yùn)算900構(gòu)成。三個(gè)激光光源100、200、300的輸出光信號(hào)(波長(zhǎng)分別為λ π λ 2，λ 3)同時(shí)耦合進(jìn) 載波抑制單邊帶調(diào)制模塊500中，待測(cè)的微波信號(hào)(其頻率為f)對(duì)它們進(jìn)行小信號(hào)調(diào)制， 僅得到+1階(或-1階)光邊帶；位于三個(gè)不同波段的+1階(或-1階)光邊帶被耦合器 600均分成兩路，分別注入到兩個(gè)相位解調(diào)模塊(700和800)中。如圖2所述，相位解調(diào)模 塊1 (700)由耦合器701，差分群時(shí)延元件1 (702)，檢偏器703，波分復(fù)用器704和705，四個(gè) 光功率計(jì)706 709，兩個(gè)除法模塊710和711，以及一個(gè)相位推算單元712組成。三個(gè)+1階(或-ι階)光邊帶輸入到700模塊后又被分成兩路傳輸。上部支路包括差分群時(shí)延元 件1 (702，對(duì)應(yīng)的差分群時(shí)延值為τ ^，形成一個(gè)梳狀濾波譜，其自由頻譜區(qū)為F1 = 1/τ1; 如圖3所示波長(zhǎng)λ工設(shè)定在梳狀濾波譜的波峰位置，經(jīng)濾波后+1階(或-1階)光邊帶攜 帶的光功率隨微波頻率增大呈現(xiàn)余弦函數(shù)變化趨勢(shì)，即P1W [l+cosO^if τι)]；波長(zhǎng)入2設(shè) 定在梳狀濾波譜波峰-波谷之間的中間位置，經(jīng)濾波后+1階(或-ι階)光邊帶攜帶的光 功率隨微波頻率增大呈現(xiàn)正弦函數(shù)變化趨勢(shì)，即[l+sin(2Jif T1)]；經(jīng)由波分復(fù)用器 704將波長(zhǎng)入工和入2處的+1階(或-1階)光邊帶取出并分離開(kāi)，然后利用光功率計(jì)706 和707檢測(cè)濾波后+1階(或-1階)光邊帶的功率。在下部支路中，不經(jīng)過(guò)濾波，直接以波 分復(fù)用器705將波長(zhǎng)入工和入2處的+1階(或-1階)光邊帶分離開(kāi)，亦將它們攜帶的功率 檢測(cè)出來(lái)。這里，兩個(gè)波長(zhǎng)入工和λ 2相距至少一個(gè)完整測(cè)量范圍以上，因此兩個(gè)波長(zhǎng)處的 +1階(或-1階)光邊帶不會(huì)混迭。將上、下支路的波長(zhǎng)λ工和λ 2處檢測(cè)的光功率進(jìn)行除 法運(yùn)算，消除微波功率因素的影響，因而得到了與微波頻率相關(guān)的兩個(gè)光功率比值R11 = [l+cos(2 π f τ = [l+cos( θ 工)](1)R12 = [1+sin (2 π f τ ^ ] = [1+sin (Q1)] (2)其中相位值θ1=2 π f τ1 ，這一相位值θ工與光功率比值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4，根據(jù) 光功率比值R11和R12即可推算出θ工(0≤θ i < 2 π )。
需要指出的是，在本發(fā)明方案中同樣可以構(gòu)建另外三種光功率比值組合、 [I-Cos(Q1)]禾口 [l + sir^e》]、 [I-Cos(Q1)]禾口來(lái)推算相位值，亦是方案的內(nèi)容，在此就不重復(fù)敘述了。同理，在相位解調(diào)模 塊2中(800，其中差分群時(shí)延元件的差分群時(shí)延值為τ 2，對(duì)應(yīng)自由頻譜區(qū)為F2= 1/τ 2)， 光功率比值與微波頻率和相移值θ 2(0≤θ 2 < 2 π )對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)(4) (6)式，以及圖5。R21 = [1+cos (2 π f τ 2)] = [Ι+cos ( θ 2)] (4)R22 = [1+sin (2 π f τ 2) ] = [1+sin ( θ 2) ] (5) 由于相位空間的周期性，相位解調(diào)模塊700和800輸出的相位值Q1* θ 2隨著頻 率增大呈現(xiàn)周期性分布規(guī)律，其頻域上的周期分別為差分群時(shí)延元件702和802所對(duì)應(yīng)的 自由頻譜區(qū)(即F1和F2)，相當(dāng)于單個(gè)差分群時(shí)延元件對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)測(cè)頻范圍(h/2或F2/2) 的兩倍，見(jiàn)圖6 (a)和6 (b)。以給定的測(cè)量分辨率為單位，單個(gè)差分群時(shí)延元件提供的自由 頻譜區(qū)F1和F2互為素?cái)?shù)關(guān)系；結(jié)合Q1* θ 2，兩個(gè)相位值與頻率的映射關(guān)系如圖6(c)，進(jìn) 而以θ工和θ 2同時(shí)查表來(lái)解調(diào)微波頻率，可以在頻率范圍(F1XF2)得到由θ工和θ 2確定 的唯一微波頻率。綜合以上陳述，本發(fā)明具有如下特征。1).在推算與微波頻率相關(guān)的相位值過(guò)程 中，兩個(gè)激光波長(zhǎng)分別置于梳狀濾波譜的波峰和波峰_波谷之間的中間位置，經(jīng)光功率檢 測(cè)和對(duì)比后分別得到與微波頻率成余弦關(guān)系和正弦關(guān)系的兩個(gè)光功率比值，進(jìn)而從這兩個(gè) 光功率比值中推算出微波頻率對(duì)應(yīng)的相移值，位于整個(gè)0 范圍內(nèi)。2).兩個(gè)相位解調(diào)模塊中采用的差分群時(shí)延量對(duì)應(yīng)的自由頻譜區(qū)分別為F1 = 1/ τ i和F2 = 1/ τ 2 ；以給定的測(cè)量分辨率為單位，F(xiàn)1和F2互為素?cái)?shù)關(guān)系，等效于兩個(gè)相位解調(diào)模塊輸出的相位值在頻域 上的周期互為素?cái)?shù)關(guān)系；借助于此素?cái)?shù)關(guān)系，同時(shí)以兩個(gè)相位解調(diào)模塊的輸出相位值對(duì)微 波頻率進(jìn)行解調(diào)，可以在寬帶頻率范圍(F1XF2)得到唯一的頻率值，從而成倍地?cái)U(kuò)展了測(cè) 頻范圍。3).相位值的推算過(guò)程僅與單個(gè)差分群時(shí)延量相關(guān)，因而在測(cè)量范圍擴(kuò)大的同時(shí)測(cè) 量分辨率基本不改變，極大地緩解了測(cè)頻范圍和測(cè)量分辨率之間的互相制約關(guān)系。
以上所陳述的僅僅是本發(fā)明方案的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，在不脫離本發(fā)明方 案實(shí)質(zhì)的前提下，在實(shí)際實(shí)施中可以做出若干更改和潤(rùn)色(比如檢測(cè)-1階光邊帶攜帶的光 功率，采用基于波導(dǎo)長(zhǎng)度差的梳狀濾波器等)也應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求
一種具有寬帶測(cè)量范圍的光子型瞬時(shí)測(cè)頻方案，基于主要由三個(gè)連續(xù)激光光源、一個(gè)載波抑制單邊帶調(diào)制模塊、兩個(gè)相位解調(diào)模塊構(gòu)成的頻率檢測(cè)裝置；頻率檢測(cè)方法包括頻率待測(cè)的微波信號(hào)施加到載波抑制單邊帶調(diào)制模塊中，對(duì)所述的三個(gè)激光光源進(jìn)行小信號(hào)調(diào)制，在三個(gè)波長(zhǎng)處各自生成一個(gè)正一階光邊帶；所述的三個(gè)正一階光邊帶都均分為兩部分，分別注入到兩個(gè)相位解調(diào)模塊中，得到兩個(gè)與頻率相關(guān)的相位值；結(jié)合所述的兩個(gè)相位值進(jìn)行頻率解調(diào)，在寬帶測(cè)頻范圍內(nèi)解調(diào)出唯一確定的微波頻率值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之一種具有寬帶測(cè)量范圍的光子型瞬時(shí)測(cè)頻方案，其特征在 于，所述每個(gè)相位調(diào)制模塊同時(shí)基于兩個(gè)激光波長(zhǎng)進(jìn)行工作，并且利用差分群時(shí)延元件構(gòu) 成光梳狀濾波譜，進(jìn)而對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)處的正一階光邊帶進(jìn)行濾波；第一個(gè)激光波長(zhǎng)置于所述 的梳狀濾波譜中的波峰，經(jīng)濾波后光邊帶的功率隨著頻率增大而呈現(xiàn)余弦函數(shù)型變化規(guī) 律；第二個(gè)激光波長(zhǎng)遠(yuǎn)離第一個(gè)激光波長(zhǎng)至少一個(gè)測(cè)頻范圍以外，并置于所述的梳狀濾波 譜中波峰-波谷的中間點(diǎn)，經(jīng)濾波后光邊帶的功率隨著頻率增大而呈現(xiàn)正弦函數(shù)型變化規(guī) 律；以波分復(fù)用器將兩波長(zhǎng)處的正一階光邊帶分離開(kāi)，分別檢測(cè)和對(duì)比光功率，進(jìn)而得到 與微波功率無(wú)關(guān)的兩個(gè)光功率比值第一個(gè)光功率比值與頻率成余弦函數(shù)關(guān)系，第二個(gè)光 功率比值與頻率成正弦函數(shù)關(guān)系，從所述的兩個(gè)光功率比值中解調(diào)出微波頻率對(duì)應(yīng)的相位 值，位于O 2JI區(qū)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述之一種具有寬帶測(cè)量范圍的光子型瞬時(shí)測(cè)頻方案，其特征在 于，所述兩個(gè)相位解調(diào)模塊中的差分群時(shí)延元件擁有不同的差分群時(shí)延值；以給定的測(cè)量 分辨率為基本單位，所述兩個(gè)差分群時(shí)延值對(duì)應(yīng)的自由頻譜區(qū)互為素?cái)?shù)關(guān)系，相當(dāng)于兩個(gè) 相位解調(diào)模塊的輸出相位值隨微波頻率變化的周期互為素?cái)?shù)關(guān)系；基于此素?cái)?shù)關(guān)系，以所 述的兩個(gè)相位值在所述的兩個(gè)自由頻譜區(qū)乘積所覆蓋的頻率范圍內(nèi)解調(diào)出唯一確定的微 波頻率值。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有寬帶測(cè)量范圍的光子型瞬時(shí)測(cè)頻方案。微波信號(hào)經(jīng)載波抑制型單邊帶調(diào)制模塊加載到具有不同輸出波長(zhǎng)的三個(gè)連續(xù)激光光源上，僅生成+1階(或-1階)光邊帶。此三個(gè)+1階(或-1階)光邊帶均分成兩路，分別輸入到兩個(gè)相位解調(diào)模塊中。第一個(gè)相位解調(diào)模塊采用第一和第二激光波長(zhǎng)，而第二個(gè)相位解調(diào)模塊采用第一和第三激光波長(zhǎng)，從而獲得在頻域上變化周期互為素?cái)?shù)關(guān)系的兩個(gè)相位值。依據(jù)這兩個(gè)互為素?cái)?shù)關(guān)系的相位值可以在頻率區(qū)間(F＝F1×F2)內(nèi)解調(diào)出唯一確定的微波頻率。本發(fā)明方法在不改變測(cè)頻精度的前提下成倍地?cái)U(kuò)大了測(cè)頻范圍。
文檔編號(hào)H04B17/00GK101841376SQ20101014486
公開(kāi)日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2010年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月12日
發(fā)明者潘煒, 羅斌, 鄒喜華, 鄭狄, 閆連山 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)