基于双电光梳游标测量法的瞬时微波频率测量方法及系统

1.本发明涉及的是一种微波测量领域的技术，具体是一种基于双电光梳游标测量法的瞬时微波频率测量方法及系统。


背景技术：

2.现有瞬时微波频率测量一般使用纯电学方式，但此类技术不仅系统极其复杂和昂贵，而且受限于电子器件的带宽，难以实现10ghz以上的瞬时频率测量。现有基于光学频率梳的微波瞬时测频技术通过对光梳梳齿的相位调制后在高非线性光纤中进行布里渊频移，布里渊频移的频率非线性特征使每根梳齿上加载的边带信号的频移量都不同。每两个通道间构建一个待测信号频率与光电探测器功率之间的单调相关关系，通过读取光电探测器的功率值来获得待测信号的频率值。但这类技术的测频精度难以确定，在实际测量参考过程中的误差较大。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于双电光梳游标测量法的瞬时微波频率测量方法及系统，测量频率覆盖范围宽、瞬时带宽大、测量精度高、测量速度快，并且能实现多个微波频率同时测量，系统复杂度较低，系统成本较低。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种基于双电光梳游标测量法的瞬时微波频率测量方法，将光源发出的激光分别用于与检测微波进行强度调制、生成具有微小重频差的本地光梳以及探测光梳后，将强度调制后的信号分别与射频调制后的本地光梳以及射频调制后的探测光梳进行拍频，基于游标效应，根据两路拍频频差之差确定待测微波频率靠近的梳齿的位置且准确定位微波频率在本地光梳和探测光梳梳齿位置的左边、右边或中间，进而得出微波信号频率。
6.本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：激光器、分光模块、两个双驱动马赫增德尔调制器、一个强度调制器、两个相干接收模块以及信号处理模块，其中：分光模块将激光器产生的激光分为三路，其中两路分别输入第一和第二双驱动马赫增德尔调制器以产生平坦的本地光梳和探测光梳，第三路通过强度调制器将待测微波信号调制到激光上，第一和第二相干接收模块分别采集含有待测微波信号的调制光分别与两路平坦光梳的拍频信号，信号处理模块对采集到的信号进行adc转换后，通过游标法进行数据处理解调出待测瞬时微波信号频率。技术效果
7.本发明通过两个双驱动马赫增德尔调制器产生两组具有微小重频差的平坦光学频率梳，利用游标效应对调制在连续光上的检测微波频率进行频率测量，不仅测量精度高、瞬时带宽大，并且可以测量多个微波频率。
8.相比现有技术，本发明不受相位关系的影响。通过电光调制产生两个具有微小重频差的光频率梳信号，待测微波信号加载在强度调制器上使单频光产生双边带，系统中所
有调制器均用同一种子光，具有良好的互相干性。两个光梳信号分别与加载微波信号的光信号进行干涉拍频。通过游标效应对微波频率进行计算解调，可以准确高效实现频率测量。
附图说明
9.图1为本发明示意图；
10.图2为本实施例产生的平坦光梳；
11.图3为本实施例微波频率解调示意图；
12.图4为本实施例检测光信号与双光梳分别拍频示意图；
13.图中：f0为光源中心频率，虚线和点线为具有微小重频差的本地光梳和探测光梳谱线，直线为调制在连续光上的微波频率；
14.图5为本实施例单频率微波信号与双光梳分别拍频的频谱图；
15.图6为本实施例多频率微波信号与双光梳分别拍频的频谱图；
16.图中：主激光器1、70/30光纤耦合器2、第一50/50光纤耦合器3、第一双驱动马赫增德尔调制器4、第一射频信号发生器5、第一直流电压源6、第二双驱动马赫增德尔调制器7、第二射频信号发生器8、第二直流电压源9、强度调制器10、待测信号源11、第三直流电压源12、第二50/50光纤耦合器13、第三50/50光纤耦合器14、第一光电探测器15、第一模数转换器16、第三50/50光纤耦合器17、第二光电探测器18、第二模数转换器19、光纤耦合器第一端口～第三端口a～c。
具体实施方式
17.如图1所示，为本实施例涉及一种基于双电光梳的瞬时微波频率测量系统，包括：主激光器1、70/30光纤耦合器2、第一50/50光纤耦合器3、第一双驱动马赫增德尔调制器4、第一射频信号发生器5、第一直流电压源6、第二双驱动马赫增德尔调制器7、第二射频信号发生器8、第二直流电压源9、强度调制器10、第三直流电压源12、第二50/50光纤耦合器13、第三50/50光纤耦合器14、第一光电探测器15、第一模数转换器16、第三50/50光纤耦合器17、第二光电探测器18、第二模数转换器19，其中：主激光器1与70/30光纤耦合器2第一端口a相连，70/30光纤耦合器2第二端口b与第三端口c分光比为70：30，70/30光纤耦合器2第二端口b与第一50/50光纤耦合器3第一端口a相连，第一50/50光纤耦合器3第二端口b依次与第一双驱动马赫增德尔调制器4、第三50/50光纤耦合器14第二端口b、第一光电探测器15、第一模数转换器16相连，第一射频信号发生器5与第一双驱动马赫增德尔调制器4相连，第一直流电压源6与第一双驱动马赫增德尔调制器4相连，第一50/50光纤耦合器3第三端口c依次与第二双驱动马赫增德尔调制器7、第四50/50光纤耦合器17第二端口b、第二光电探测器18、第二模数转换器19相连，第二射频信号发生器8与第二双驱动马赫增德尔调制器7相连，第二直流电压源9与第一双驱动马赫增德尔调制器7相连，70/30光纤耦合器2第三端口c依次与强度调制器10、第二50/50光纤耦合器22相连，第三直流电压源12与强度调制器10相连，第二50/50光纤耦合器13第二端口b依次与第三50/50光纤耦合器14第三端口c、第一光电探测器15、第一模数转换器16相连，第二50/50光纤耦合器13第三端口c依次与第四50/50光纤耦合器17第三端口c、第二光电探测器18、第二模数转换器19相连。
18.所述的主激光器1产生波长为1550nm、功率恒定为10mw的激光传输至70/30光纤耦
nf
r2
，即出n为1，即检测微波信号频率位于光梳的第一根梳齿附近，并且由于探测光梳拍频结果大于本地光梳拍频结果，因此即出检测微波信号频率谱线位于本地光梳第一根梳齿右侧，并且频率差为100mhz，同理，即出检测微波信号频率谱线位于探测光梳第一根梳齿右侧，并且频率差为100mhz，即f
rf
＝f
r2
+δf2＝f
r1
+δf1。最终得出检测信号频率为5.1ghz。
26.本实施例进一步对0.3ghz、5.2ghz、10.4ghz、15.1ghz组成的多频率微波信号进行频率测量实验，得到图6所示多频率微波信号与双光梳分别拍频的频谱图。如图所示，本地光梳与检测微波信号拍频结果分别位于100mhz、200mhz、300mhz和400mhz，探测光梳与检测微波信号拍频结果分别位于130mhz、210mhz、300mhz和420mhz。根据频率测量公式δf
1-δf2＝nδfr＝nf
r1-nf
r2
，即出四根谱线对应n分别为3、1、0和2，即分别对应第三根光梳、第一根光梳、中心光梳、第二根光梳。并且根据检测信号与探测光梳和本地光梳拍频结果对比可以得出检测多频率信号对应谱线均位于对应谱线右侧。根据公式f
rf
＝f
r2
+δf2＝f
r1
+δf1，最终得出检测多频率信号对应频率为0.3ghz、5.2ghz、10.2ghz和15.1ghz。本发明达到瞬时测量带宽0-40ghz，频率精确度小于等于5mhz，处理延时小于等于200ns。
27.与现有技术相比，本发明采用双光梳测微波频率相对于波分复用的优势，双光梳的相干双梳干涉后被光电探测器接收，只用一个探测器可以同时解调所有频率分量，无需相对复杂的色散和波分复用过程，并且波分复用方案随着通道数的增加，接收端设备也同步增加，系统复杂度和成本也随之上升。另外，本发明将待测微波频率直接调制在强度调制器上，幅度谱可以直观的看出有无新的分量出现，无需相位调制后对各分量相位解调，说明本发明同时降低了后端的解调复杂度。
28.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

技术特征：
1.一种基于双电光梳的瞬时微波频率测量方法，其特征在于，将光源发出的激光分别用于与检测微波进行强度调制、生成本地光梳以及生成探测光梳后，将强度调制后的信号分别与射频调制后的本地光梳以及射频调制后的探测光梳进行拍频，基于游标效应，根据两路拍频频差之差确定待测微波频率靠近的梳齿的位置且准确定位微波频率在本地光梳和探测光梳梳齿位置的左边、右边或中间，进而得出微波信号频率。2.根据权利要求1所述的基于双电光梳的瞬时微波频率测量方法，其特征是，两路拍频频差之差为δf
1-δf2＝nδf
r
＝nf
r1-nf
r2
，其中：δf1和δf2分别为检测信号与本地光梳和探测光梳的拍频频差，f
r1
和f
r2
分别为两路光梳的重复频率，δf
r
为双光梳的重频差；当调制在连续光上的微波频率位于第n根梳齿的右边，则检测微波信号频率为f
rf
＝nf
r2
+δf2＝nf
r1
+δf1；当调制在连续光上的微波频率位于第n根梳齿的左边，则检测微波信号频率为f
rf
＝nf
r2-δf2＝nf
r1-δf1；当调制在连续光上的微波频率位于第n根梳齿的中间，则检测微波信号频率为f
rf
＝nf
r2
+δf2＝nf
r1-δf1。3.一种实现权利要求1或2所述基于双电光梳的瞬时微波频率测量方法的系统，其特征在于，包括：激光器、分光模块、两个双驱动马赫增德尔调制器、一个强度调制器、两个相干接收模块以及信号处理模块，其中：分光模块将激光器产生的激光分为三路，其中两路分别输入第一和第二双驱动马赫增德尔调制器以产生平坦的本地光梳和探测光梳，第三路通过强度调制器将待测微波信号调制到激光上，第一和第二相干接收模块分别采集含有待测微波信号的调制光分别与两路平坦光梳的拍频信号，信号处理模块对采集到的信号进行adc转换后，通过游标法进行数据处理解调出待测瞬时微波信号频率。4.根据权利要求3所述的系统，其特征是，具体包括：包括：主激光器、70/30光纤耦合器、第一50/50光纤耦合器、第一双驱动马赫增德尔调制器、第一射频信号发生器、第一直流电压源、第二双驱动马赫增德尔调制器、第二射频信号发生器、第二直流电压源、强度调制器、第三直流电压源、第二50/50光纤耦合器、第三50/50光纤耦合器、第一光电探测器、第一模数转换器、第三50/50光纤耦合器、第二光电探测器和第二模数转换器，其中：主激光器与70/30光纤耦合器的第一端口相连，70/30光纤耦合器的第二端口与第三端口分光比为70：30，70/30光纤耦合器的第二端口与第一50/50光纤耦合器的第一端口相连，第一50/50光纤耦合器的第二端口依次与第一双驱动马赫增德尔调制器、第三50/50光纤耦合器的第二端口、第一光电探测器、第一模数转换器相连，第一射频信号发生器与第一双驱动马赫增德尔调制器相连，第一直流电压源与第一双驱动马赫增德尔调制器相连，第一50/50光纤耦合器的第三端口依次与第二双驱动马赫增德尔调制器、第四50/50光纤耦合器的第二端口、第二光电探测器、第二模数转换器相连，第二射频信号发生器与第二双驱动马赫增德尔调制器相连，第二直流电压源与第一双驱动马赫增德尔调制器相连，70/30光纤耦合器的第三端口依次与强度调制器、第二50/50光纤耦合器相连，第三直流电压源与强度调制器相连，第二50/50光纤耦合器的第二端口依次与第三50/50光纤耦合器的第三端口、第一光电探测器、第一模数转换器相连，第二50/50光纤耦合器的第三端口依次与第四50/50光纤耦合器的第三端口、第二光电探测器、第二模数转换器相连。

技术总结
一种基于双电光梳游标测量法的瞬时微波频率测量方法及系统，将光源发出的激光分别用于与检测微波进行强度调制、生成具有微小重频差的本地光梳以及探测光梳后，将强度调制后的信号分别与射频调制后的本地光梳以及射频调制后的探测光梳进行拍频，基于游标效应，根据两路拍频频差之差确定待测微波频率靠近的梳齿的位置且准确定位微波频率在本地光梳和探测光梳梳齿位置的左边、右边或中间，进而得出微波信号频率。本发明测量频率覆盖范围宽、瞬时带宽大、测量精度高、测量速度快，并且能实现多个微波频率同时测量，系统复杂度较低，系统成本较低。成本较低。成本较低。


技术研发人员：樊昕昱 何祖源 袁峥超 孙培元
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/9/20