基于双偏振调制器实现多普勒频移测量的装置及方法与流程

本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，尤其涉及微波信号光子学多普勒频移测量。

背景技术：

多普勒效应是由于相对运动而引起的发射频率和接收频率存在偏差的现象。其频率差被定义为多普勒频移(DFS)。目前，在雷达、无线通信、电子战、医学成像等领域多普勒频移测量有着重要的应用。例如，在无线通信中，多普勒效应表现为无线多径衰落信道的时变特性，通过测量多普勒频移可以对信道参数进行准确估计，从而对通信系统进行合理的设计。在临床医学中，利用多普勒效应对心血管系统以及各脏器内正在流动的血液进行检测，从而获得血流方向、血流速度分布以及血流状态等一些重要的血流信息进而对疾病进行诊断。传统电域的多普勒频移测量方法有傅里叶分析、时域分析、正交混频等。这些方法虽然能够获得很好的测量精度，但受限于电子瓶颈，具有带宽窄、易受电磁干扰等问题。

微波光子技术结合了微波和光子两大技术的优势，成为近年来的研究热点。该技术具备瞬时带宽大、体积小、功耗少、抗电磁干扰等优点，为多普勒频移测量提供一个新的解决方案。

在已经提出的微波光子学多普勒频移测量的方案中有两种思路：一种是通过将多普勒频移映射到功率，利用功率到频率偏移量一一对应关系间接测得多普勒频移，但无法获得多普勒频移的方向；另外一种是通过光学下变频链路将多普勒频移变换成低频的电信号，利用频谱分析仪和示波器分析低频电信号的频谱、相位关系来分别获取多普勒频移的大小和方向。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种基于双偏振调制器实现多普勒频移测量的装置及方法。该发明通过频谱分析仪来分析下变频后的多普勒频移的大小，利用混合耦合器来实现方向的判定。当正多普勒频移发生时，混合耦合器的正端口输出信号，负多普勒频移发生时，混合耦合器的负端口输出信号。该方法具有载频调谐范围宽、测频精度高等优点。

本发明解决其技术问题所采用的方法是：所述装置包括激光二极管(LD)、电移相器(Phase Shifter)、双偏振马增调制器(DPol-MZM)、掺铒光纤放大器(EDFA)、光滤波器(OBPF)、偏振控制器(PC)、偏振分束器(PBS)和光电检测器(PD)和混合耦合器(Hybrid Coupler)；LD的输出端口与DPol-MZM的输入端相连，DPol-MZM的输出端与EDFA的输入端相连，EDFA的输出端和OBPF的输入端相连，OBPF的输出端经PC和PBS的输入端相连，PBS输出端的两个分支分别和PD1和PD2的输入端相连。PD1和PD2的输出端分别和Hybrid Coupler的两个输入端口相连。

上述的DPol-MZM由一个光分束器、上下两个并行的MZM1、MZM2以及偏振复用器(PBC)集成，MZM1的两个射频端口为port1和port2，直流偏置V_DC1，MZM2的两个射频端口为port3和port4，直流偏置V_DC2，MZM1和MZM2具有相同的结构和性能。

上述的PD1和PD2均为窄带PD。

上述的Hybrid Coupler是一个两进两出的四端口模型，由90度移相器、加法器和减法器集成，这里命名相加输出的上端口为负端口(Negative Port)，相减输出的下端口为正端口(Positive Port)。

本发明在工作时包括以下步骤：

1)LD发出的连续光载波进入DPol-MZM，在DPol-MZM内经光分束器将光载波等分为两部分，分别输入到MZM1和MZM2中；

2)发送信号(Transmitted signal)被等分为两部分，一部分加载在MZM1的射频端口port1，一部分经电移相器移相90度后加载在MZM2的射频端口port3上。回声信号(Echo signal)也被等分为两部分，分别加载在上支路MZM1的射频端口port2和下支路MZM2的射频端口port4上。通过设置使回声信号的频率与发送信号频率存在微小的偏移量来生成多普勒频移。

3)设置V_DC1、V_DC2的大小，使MZM1和MZM2均工作在最小传输点。在MZM1和MZM2的输出端可以分别得到载波抑制的双边带信号。

4)MZM1和MZM2输出的两路信号输入到PBC实现偏振态正交化，在DPol-MZM的输出端得到一个偏振复用信号；

4)DPol-MZM输出的已调信号经过EDFA放大后送入OBPF，滤除已调信号的负一阶光边带。

5)滤波后的信号经过PC后进入PBS，调节PC使信号经过PBS后实现两个正交偏振态的分离；

6)PBS输出的两路信号分别和PD1和PD2相连，利用频谱分析仪对其中任何一路信号进行分析就可以得到多普勒频移的大小。

7)PD1和PD2输出的两个低频电信号分别输入到Hybrid Coupler的两个输入端口。在Hybrid Coupler中，90度移相器将PD1输入的电信号移相90度，负端口输出两个信号的和，正端口输出两个信号的差，通过检查两个输出端口是否有信号来判定多普勒频移的正负。目标径向靠近时，回声信号频率变大，多普勒频移为正(“+”)。反之，目标径向远离时，回声信号频率变小，多普勒频移为负(“-”)。

8)固定发射信号的频率，调节回声信号的频率偏移量，从而生成不同的多普勒频移，然后重复步骤6和7。

9)固定频率偏移量，改变发射微波信号和回声信号载频的大小，然后重复步骤6和7。

本发明提出了一种基于双偏振调制器实现多普勒频移测量的方法，该方法利用基于DPol-MZM将多普勒频移下变频到低频的电信号，结合电域的Hybrid Coupler可以同时获得多普勒频移的大小和方向，该方法载波频率调谐范围宽、测频精度高、具有很强的实际可操作性等优点。

由于PD1和PD2输出的低频电信号都包含了多普勒频移成分，利用频谱分析仪对任何一路信号进行分析就可以得到多普勒频移的大小。

该方法中，当正多普勒频移发生时，只有正端口有输出信号，当负多普勒频移发生时，只有负端口有输出信号。

该方法的测量结果与发射微波信号的载频无关，可以实现频率的宽调谐范围。

附图说明

图1为本发明基于DpolMZM实现多普勒频移测量的原理图；

图2为发射信号为18GHz，回声信号为18.001GHz时，已调信号经EDFA放大后的光谱图，EDFA宽谱光测试的OBPF的传输曲线图以及滤波后的光谱图；

图3为发射信号为18GHz，回声信号分别为18.001GHz和17.999GHz时，示波器和频谱分析仪观测到上下两路信号的时域波形和频谱：

(a)回声微波信号为18.001GHz时，PD1和PD2输出的电信号波形图；

(b)回声微波信号为17.999GHz时，PD1和PD2输出的电信号波形图；

(c)回声微波信号为18.001GHz时，PD1输出的电信号频谱图；

(d)回声微波信号为17.999GHz时，PD1输出的电信号频谱图；

图4为选取发射信号为18GHz，回声信号分别在18.001GHz和17.999GHz时，频谱分析仪观测到正端口和负端口输出信号的频谱；

(a)和(b)分别为回声微波信号为18.001GHz时，Hybrid Coupler相应的正端口和负端口输出的电信号频谱图；

(c)和(d)分别为回声微波信号为17.999GHz时，Hybrid Coupler相应的正端口和负端口输出的电信号频谱图；

图5为在不同的发射频率下，回声信号的频率偏移量以10KHz步进值从-100KHz变化到+100KHz时，理论频率偏移量曲线、实际测量的多普勒频移以及误差曲线：

(a)发射频率在18GHz下，理论频率偏移量曲线、实际测量的多普勒频移、±1KHz多普勒频移时PD1输出电信号的频谱图以及误差曲线；

(b)发射频率在15GHz下，理论频率偏移量曲线、实际测量的多普勒频移、±1KHz多普勒频移时PD1输出电信号的频谱图以及误差曲线；

(c)发射频率在10GHz下，理论频率偏移量曲线、实际测量的多普勒频移、±1KHz多普勒频移时PD1输出电信号的频谱图以及误差曲线；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：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和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：

如图1所示，本实施例中包括：LD、发送信号源、回声信号源、DPol-MZM、EDFA、OBPF、PC、PBS、PD和Hybrid Coupler。LD与DPol-MZM的输入端相连，发送信号源产生的信号分为两部分，一部分加载在MZM1的射频端口port1，一部分经电移相器移相90度后加载在MZM2的射频端口port3上；回声信号源产生的信号分为两部分，分别加载在MZM1的射频端口port2和MZM2的射频端口port4上。DPol-MZM的与EDFA相连，EDFA的输出端和OBPF相连。OBPF的输出端经PC和PBS相连，PBS输出端的两个分支分别和PD1和PD2相连。PD1和PD2的输出端分别和Hybrid Coupler的两个输入端口相连。利用谱分析仪对PD1或者PD2任何一路信号进行分析就可以得到多普勒频移的大小，通过检查Hybrid Coupler的两个正负端口是否有信号来判定信号的正负。

本实例中，方法的具体实施步骤是：

步骤一：LD产生工作波长在1552nm附近、光功率为15dBm的连续光载波，将光载波的工作角频率记为ω_c，幅度记为E₀。连续光载波输入到DPol-MZM。

步骤二：发送信号源产生的频率f_T为18GHz，功率P_T为10dBm的微波信号通过耦合器等分为两部分，一部分输入到port1，另一部分经电移相器移相90度后输入到MZM2的port3，回声信号源产生的频率为f_E为18.001GHz，功率P_E为5dBm的微波信号也被等分为两部分，分别输入到MZM1的port2和MZM2的port4。调节V_DC1、V_DC2的大小使MZM1和MZM2均偏置在最小传输点，则MZM1，MZM2输出载波抑制的双边带信号。在小信号功率情况下，高阶项的功率非常小可以忽略，只保留一阶成分。两个子调制器输出可以分别表示为下式：

其中ω_T＝2πf_T，ω_E＝2πf_E，ε是调制的插入损耗，β₁，β₂为发射信号和回声信号的调制指数，J_n(·)为第一类n阶贝塞尔函数，MZM1和MZM2输出的光信号进入PBC实现偏振态正交，设和代表两个正交的偏振方向，DPol-MZM输出的偏振复用的光信号可表示为：DPol-MZM输出的信号经过EDFA将功率放大到10dBm后输入到OBPF，调节LD输出的光载波的波长使已调信号的正一阶边带落在OBPF的通带内。则经过OBPF信号的正一阶边带被滤出。其表达式为：

如图2所示，由于光谱仪的分辨率为0.01nm，发射信号和回声信号的正一阶边带不能被区分出来。通过调节LD输出光波的波长，已调信号的正一阶边带落在OBPF的通带内，滤出的正一阶边带的功率对负一阶边带的抑制比达到30dB。

步骤三：滤波后的信号经PC进入PBS，调节PC使偏振复用信号的两个偏振态完全分离，PBS的两个输出端分别和带宽为1GHz的PD1和PD2相连。PD1和PD2输出的光电流输出表达式为：

定义f_d＝f_T-f_E上式可简化为：

在f_T＜f_E，f_T＞f_E时，如图3(a)和(b)所示分别给出了PD1所在的上路(Upper Branch)和PD2所在的下路(Lower Branch)输出信号的波形图。可以看出当多普勒频移为正时，Upper Branch输出信号的相位相对于Lower Branch输出信号的相位提前了90度，当多普勒频移为负时，Upper Branch输出信号的相位相对于Lower Branch输出信号的相位延迟了90度。在多普勒频移为+1MHz和-1MHz时，PD1输出信号的频谱图如图3(c)和(d)所示，峰值所在的频率位置为1.000000MHz，而且功率远大于噪底。

步骤四：PD1和PD2输出的两路信号和Hybrid Coupler的两个输入端相连。在步骤三中所述的两种场景下，Hybrid Coupler的负输出和正端口信号可表示为：

从图4(a)和(b)中可以看出，当多普勒频移为负时，只有Negative port有信号输出。图4(c)和(d)中可以看出，当多普勒频移为正时，只有Positive port有信号输出，该信号的频率值就是测量得到的多普勒频移的大小。

步骤五：在不同的载频下，改变回声信号的频率偏移量，使其相对于载频以10KHz步进值从-100KHz变化到+100KHz，比较理论频率偏移量和实际测得的偏移量得出实验误差。图5(a)为载频在18GHz下，实际测得的频率偏移量(Measured DFS)和理论频率偏移量(Frequency offset)几乎完全吻合。由于装置存在很大的直流成分，零频率位置的多普勒频移不能被提取。实际情况中，多普勒频移的大小往往是大于零的，所以零多普勒频移可以被忽略掉。同时图中也给出了误差的界限，如图5(a)所示，误差限制在±5×10^-6Hz以内。同时图5中(b)和(c)分别给出了载频在15GHz和10GHz下的实验结果，可以看出不同载频下，实际测得的多普勒频移和理论频率偏移量仍然吻合并且误差仍限制在±5×10^-6Hz以内。

综上，本发明基于DPol-MZM构成的光学下变频和Hybrid Coupler同时实现了对多普勒频移大小的测量和方向的区分。利用谱分析仪对PD输出的任何一路信号进行分析就可以得到多普勒频移的绝对值。通过检查Hybrid Coupler两个正负端口是否有信号到来进一步判定多普勒频移的正负。该方法载波频率调谐范围宽、测频精度高、易于可操作等优点。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的一个实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，改变载频的大小、信噪比的光功率、频率偏移量的改变等参数的调整也应视为本发明保护的范围。