微波信号时频特性测量方法及装置

1.本发明涉及一种微波信号时频特性测量方法，尤其涉及一种基于微波光子技术的微波信号时频特性测量方法。


背景技术：

2.微波信号的时频特性测量属于信号特性分析方法中的一种，其主要作用是对接收到的微波信号进行时域和频域特性的联合分析，获取微波信号频率随时间分布的信息，是高速通信系统、雷达电子战系统、高速数字和模拟信号分析等领域研究和应用的关键技术之一。
3.在传统电子系统中实现微波信号的时频分析，主要是利用数字信号处理的方法，将待分析的模拟微波信号经过模数转换变为数字信号，之后在数字域上通过短时傅里叶变换、小波变换或者希尔伯特变换等处理方法，计算得到微波信号的时频特性。这种通过数字域计算的方法只适用于处理频率低、带宽窄和时间长度受限的微波信号，而面对高频、大带宽和长时间存在的微波信号，数字域计算的方法由于模数/数模转换速率受限以及数字信号计算和存储能力受限难以对微波信号进行实时的时频特性分析。
4.微波光子技术由于其大带宽、能够并行处理信号和抗电磁干扰等优势，能够解决电子系统在对微波信号时频特性分析时面临的问题，常见的基于微波光子技术的微波信号时频分析方法都是基于频时映射原理实现，其实现方法主要有基于单一色散介质的微波信号时频分析和基于时间透镜和色散介质的微波信号时频分析两类。基于单一色散介质的微波信号时频分析(参见[j.s.r.konatham,and r.maram,“photonics
‑
based real
‑
time 2d(time
‑
frequency)broadband signal analysis and processing,”in 2019international topical meeting on microwave photonics(mwp),1
‑
4(2019).])的基本原理如图1所示，由锁模激光器产生高重频光脉冲信号作为光载波，输入电光调制器后对射频信号时间采样，再通过频率相关的色散器件对采样光信号引入特定的群延时响应，最终光电探测得到的信号能在时域上反应射频信号的时频特性，这一类基于微波光子技术的微波信号时频分析方法的优点是时间分辨率较高，时频分析速度较快，缺点是系统的工作频率范围有限并且频率分辨率较低。基于时间透镜和色散介质的微波信号时频分析(参见[x.xie,j.li,f.yin,k.xu,and y.dai,“stft based on bandwidth
‑
scaled microwave photonics,”j.light.technol.,39(6),1680
‑
1687(2020).])的基本原理如图2所示，由光频梳产生模块产生高重频光频梳，通过电光调制器将待测射频信号调制到光频梳的正负边带上，再利用自由频谱间隔(free spectral range,fsr)不同于光频梳的法布里珀罗腔滤出光频梳边带信号的不同频段，滤波后的光信号通过调制一个脉冲包络完成时间采样，最后利用色散器件对时间采样后的信号完成频时映射，获取信号的时频特性，这一类基于微波光子技术的微波信号时频分析方法的优点是频率分辨率较高，并且时频分辨率可重构，缺点是系统的工作频率范围受到光频梳fsr限制，且无法进行连续的时频特性分析。
[0005]
上述两类基于微波光子技术的微波信号时频分析方法均需要一个高重频的光脉
冲信号作为原始光载波信号，并且系统的工作频率范围均受限于光脉冲的重频，一般小于5ghz，难以对高频大带宽的微波信号进行实时的时频特性分析。因此，提出一种能够对高频大带宽微波信号进行实时和连续的时频特性分析的方法和装置具有重要意义。


技术实现要素：

[0006]
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种微波信号时频特性测量方法，能够实现对高频大带宽微波信号的实时时频特性分析，并且还具有高时频分辨率的优点和连续时频分析的能力。
[0007]
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0008]
一种微波信号时频特性测量方法，包括以下步骤：
[0009]
对重频为f
mll
脉宽为t0的零啁啾光脉冲进行时域拉伸，生成脉宽为t1的啁啾光脉冲信号，t1>t0；
[0010]
将所述啁啾光脉冲信号分为n路并分别给予n个不同的延时，生成n路啁啾光脉冲延时信号，且τ
i+1
‑
τ
i
＝δτ，nδτ＝1/f
mll
；其中，τ
i
为第i路啁啾光脉冲延时信号的延时量，n为大于1的整数，i＝1,2,
…
,n
‑
1；
[0011]
将微波信号分别调制于所述n路啁啾光脉冲延时信号，生成n路调制光脉冲信号；
[0012]
对所述n路调制光脉冲信号分别进行时域压缩，得到n路携带有所述微波信号频率信息的频时映射光信号；
[0013]
对所述n路频时映射光信号进行光电转换，并在数字域中提取得到所述微波信号的时频特性。
[0014]
优选地，使用啁啾光纤光栅对所述零啁啾光脉冲进行时域拉伸，并使用色散量相反的啁啾光纤光栅对所述调制光脉冲信号进行时域压缩。
[0015]
优选地，使用n条延时量以δτ等量递增的电控延时线实现对所述n路啁啾光脉冲信号分别给予n个不同的延时。
[0016]
优选地，所述在数字域中提取得到所述微波信号的时频特性的具体方法如下：
[0017]
并行接收n路光电转换后的电信号并分别进行模数转换，通过循环位移对齐所得到的n路数字信号后对第i路数字信号与第i+1路数字信号做差分运算，i＝1,2,
…
,n
‑
1；将一个光脉冲重频周期等分为n个单位时间段，单位时间段的长度即时域分辨率为δτ；当差分信号幅度均小于等于0时，第i个单位时间段内微波信号的频率等于通过第i路数字信号直接计算得到的频率，当差分信号中存在幅度大于0的信号时，第i个单位时间段内微波信号的频率等于差分信号中幅度大于0的信号计算得到的频率。
[0018]
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
[0019]
一种微波信号时频特性测量装置，包括：
[0020]
时域拉伸模块，用于对重频为f
mll
脉宽为t0的零啁啾光脉冲进行时域拉伸，生成脉宽为t1的啁啾光脉冲信号，t1>t0；
[0021]
多路延时模块，用于将所述啁啾光脉冲信号分为n路并分别给予n个不同的延时，生成n路啁啾光脉冲延时信号，且τ
i+1
‑
τ
i
＝δτ，nδτ＝1/f
mll
；其中，τ
i
为第i路啁啾光脉冲延时信号的延时量，n为大于1的整数，i＝1,2,
…
,n
‑
1；
[0022]
电光调制模块，用于将微波信号分别调制于所述n路啁啾光脉冲延时信号，生成n
路调制光脉冲信号；
[0023]
时域压缩模块，用于对所述n路调制光脉冲信号分别进行时域压缩，得到n路携带有所述微波信号频率信息的频时映射光信号；
[0024]
信号处理模块，用于对所述n路频时映射光信号进行光电转换，并在数字域中提取得到所述微波信号的时频特性。
[0025]
优选地，所述时域拉伸模块为啁啾光纤光栅，所述时域压缩模块为n个色散量与时域拉伸模块色散量相反的啁啾光纤光栅并行组成。
[0026]
优选地，所述多路延时模块使用n条延时量以δτ等量递增的电控延时线实现对所述n路啁啾光脉冲信号分别给予n个不同的延时。
[0027]
优选地，所述信号处理模块使用以下方法在数字域中提取得到所述微波信号的时频特性：
[0028]
并行接收n路光电转换后的电信号并分别进行模数转换，通过循环位移对齐所得到的n路数字信号后对第i路数字信号与第i+1路数字信号做差分运算，i＝1,2,
…
,n
‑
1；将一个光脉冲重频周期等分为n个单位时间段，单位时间段的长度即时域分辨率为δτ；当差分信号幅度均小于等于0时，第i个单位时间段内微波信号的频率等于通过第i路数字信号直接计算得到的频率，当差分信号中存在幅度大于0的信号时，第i个单位时间段内微波信号的频率等于差分信号中幅度大于0的信号计算得到的频率。
[0029]
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
[0030]
(1)本发明利用基于微波光子的频时映射方法，将待测微波信号的频率信息转换到时域信号上，通过在模拟域上对频时映射信号的时域测量，就能够得到待测微波信号的频率信息，无需复杂的数字域运算，提升了系统时频特性分析的实时性。
[0031]
(2)本发明可以利用低重频的光脉冲信号作为光载波，增大了待测微波信号的时间调制窗口，提升了时频特性测量系统的工作频率范围和频率分辨率，解决了现有的基于微波光子的时频特性分析方法工作频率范围受限的难题。
[0032]
(3)本发明利用光域多路等差延时和数字域差分运算的方法，能够在保证系统频率分辨率不变的情况下提升了时频特性测量系统的时间分辨率。
[0033]
(4)本发明可以通过控制各级光链路的延时差和色散模块的色散量来灵活调节时频联合分辨率，具有很强的可重构性。
附图说明
[0034]
图1为基于单一色散介质的微波信号时频分析系统原理示意图；
[0035]
图2为基于时间透镜和色散介质的微波信号时频分析系统原理示意图；
[0036]
图3为本发明微波信号实时时频分析装置的一个具体实施例的结构原理示意图。
具体实施方式
[0037]
针对现有技术不足，本发明的解决思路是基于微波光子技术，将微波信号调制到光载波上，在光域通过频时映射将微波信号的频率信息映射到时域，直接对时域信号进行时间维度上的测量来获取微波信号的时频特性，避免了复杂的数字运算，提升了高频、大带宽和长周期信号时频特性分析的实时性；同时采用延时控制和并行测量的方法，使本发明
在保证高频率分辨率的情况下，也具有较高的时域分辨能力和较大的工作频率范围，解决了现有的基于微波光子的微波信号时频分析方法工作频率范围受限，且难以同时满足高时频分辨率的问题。
[0038]
本发明的微波信号时频特性测量方法，包括以下步骤：
[0039]
对重频为f
mll
脉宽为t0的零啁啾光脉冲进行时域拉伸，生成脉宽为t1的啁啾光脉冲信号，t1>t0；
[0040]
将所述啁啾光脉冲信号分为n路并分别给予n个不同的延时，生成n路啁啾光脉冲延时信号，且τ
i+1
‑
τ
i
＝δτ，nδτ＝1/f
mll
；其中，τ
i
为第i路啁啾光脉冲延时信号的延时量，n为大于1的整数，i＝1,2,
…
,n
‑
1；
[0041]
将微波信号分别调制于所述n路啁啾光脉冲延时信号，生成n路调制光脉冲信号；
[0042]
对所述n路调制光脉冲信号分别进行时域压缩，得到n路携带有所述微波信号频率信息的频时映射光信号；
[0043]
对所述n路频时映射光信号进行光电转换，并在数字域中提取得到所述微波信号的时频特性。
[0044]
本发明的微波信号时频特性测量装置，包括：
[0045]
时域拉伸模块，用于对重频为f
mll
脉宽为t0的零啁啾光脉冲进行时域拉伸，生成脉宽为t1的啁啾光脉冲信号，t1>t0；
[0046]
多路延时模块，用于将所述啁啾光脉冲信号分为n路并分别给予n个不同的延时，生成n路啁啾光脉冲延时信号，且τ
i+1
‑
τ
i
＝δτ，nδτ＝1/f
mll
；其中，τ
i
为第i路啁啾光脉冲延时信号的延时量，n为大于1的整数，i＝1,2,
…
,n
‑
1；
[0047]
电光调制模块，用于将微波信号分别调制于所述n路啁啾光脉冲延时信号，生成n路调制光脉冲信号；
[0048]
时域压缩模块，用于对所述n路调制光脉冲信号分别进行时域压缩，得到n路携带有所述微波信号频率信息的频时映射光信号；
[0049]
信号处理模块，用于对所述n路频时映射光信号进行光电转换，并在数字域中提取得到所述微波信号的时频特性。
[0050]
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明：
[0051]
图3显示了本发明微波信号实时时频特性测量装置的一个具体实施例的基本结构。
[0052]
如图3所示，本实施例的微波信号时频特性测量装置包括：1个光脉冲发生器、1个色散量为β2的啁啾光纤光栅、1个1
×
n光耦合器、n个电控光延时线、n个电光调制器、n个色散量为
‑
β2的啁啾光纤光栅、1个n输入n输出的光电转换阵列，以及1个模数转换和数字信号处理模块。
[0053]
其中，光脉冲发生器和色散量为β2的啁啾光纤光栅组成时域拉伸模块，用于产生零啁啾光脉冲信号并进行时域拉伸，得到的啁啾光脉冲信号作为光载波。
[0054]1×
n光耦合器和n个电控光延时线构成可编程多路延时模块，用于将所述啁啾光脉冲信号分成n路具有递增延时量δτ的啁啾光脉冲信号，n为大于1的整数。
[0055]
n个电光调制器组成电光调制模块，用于将接收到的待测微波信号调制到所述n路
具有递增延时量δτ的啁啾光脉冲信号上，得到n路调制有不同时刻微波信号的调制光信号。
[0056]
n个色散量为
‑
β2的啁啾光纤光栅组成时域压缩模块，用于将所述n路调制光信号进行时域压缩，得到n路携带有微波信号频率信息的频时映射光信号。
[0057]
n输入n输出的光电转换阵列构成光电转换模块，用于将所得到的n路频时映射光信号分别进行光电转换，得到n路频时映射电信号。
[0058]
模数转换和数字信号处理模块用于将所述n路频时映射电信号进行模数转换，得到n路数组信号，再对所述n路数字信号进行数字信号处理提取微波信号的时频特性。
[0059]
光脉冲发生器产生零啁啾光脉冲作为光载波信号，假设光脉冲信号的包络为高斯型，那么其数学表达式为：
[0060][0061]
其中，t0为脉冲的半高全宽(定义为峰值强度的1/e处)，零啁啾光脉冲信号经过色散量为β2长度为z的啁啾光纤光栅进行时域拉伸，得到的时域拉伸光脉冲信号可以表示为：
[0062][0063]
其中定义色散长度a
z
和θ
z
分别是与时间无关的幅度项和相位项，从公式(2)可以看出，零啁啾光脉冲信号经过色散量为β2长度为z的啁啾光纤光栅之后，输出光信号的包络仍然是高斯型，但光信号的脉宽由t0展宽为t1＝t0(1+(z/l
d
)2)
1/2
，并且还会引入一个与时间变量二次相关的相位项，表明输出信号为一个啁啾光脉冲信号。
[0064]
时域拉伸光脉冲信号经过1
×
n光耦合器分为n路，n路光信号并行通入n个电控光延时线进行等差延时，以第i路信号为例，第i个电控光延时线引入的延时量为τ
i
，相邻两路电控光延时线的延时量满足关系τ
i+1
‑
τ
i
＝δτ，nδτ＝1/f
mll
，i＝1,2,
…
,n
‑
1。那么第i路延时后的时域拉伸光脉冲信号可以表示为：
[0065]
u
i
(z,t
‑
τ
i
)＝|u
i
(z,t
‑
τ
i
)|exp[jφ
i
(z,t
‑
τ
i
)]
ꢀꢀꢀ
(3)
[0066]
相邻两路延时后的时域拉伸光脉冲信号包络可以看作时域上起始时间间隔为δτ的高斯型时间窗，表明不同路延时后的时域拉伸光脉冲信号选取对应时间窗内的微波信号调制到光载波上，电光调制器工作在载波抑制状态，同样以第i路为例，第i路调制光信号可以表示为：
[0067][0068]
n路调制光信号经过色散量为
‑
β2长度为z的n个啁啾光纤光栅进行时域压缩，得到携带有微波信号频率信息的频时映射光信号，同样以第i路为例，数学上可以表示为：
[0069][0070]
其中，a
z,i
和θ
z,i
分别是与时间无关的幅度项和相位项，可以看到频时映射光信号是两个间距为2β2zω
rf,i
的光脉冲信号，因此经过频时映射之后脉冲的时间间距与色散系数正相关与调制射频信号的频率正相关，当啁啾光纤光栅的色散量和长度已知时，可以通过在时域上测量频时映射信号的脉冲间距得到微波信号的频率信息。n路频时映射光信号经过光电探测阵列完成平方律包络检波，得到频时映射电信号，同样以第i路为例，可以表示为：
[0071][0072]
最后，通过模数转换器将n路频时映射电信号转换为数字信号，再通过数字信号处理器对n路数字信号分别进行不同长度的循环位移，补偿上述在光链路中引入的等差延时，以第i路数字信号为例，该过程可以表示为：
[0073][0074]
循环位移后对第i路数字信号与第i+1路数字信号做差分运算，i＝1,2,
…
,n
‑
1，第n路数字信号与下一个光脉冲重频周期(1/f
mll
)的第1路数字信号做差分运算，即在一个光脉冲重频周期内进行了n次差分运算，按照差分运算的次序，每次计算都能够得到一个光脉冲重频周期内宽度为δτ的时间段内的频率信息，由于nδτ＝1/f
mll
，因此经过n次差分运算，能够得到一个光脉冲重频周期时长的微波信号时频特性，并且时域分辨率为δτ，频域分辨率为1/t1，差分运算后频率特性提取方法如下：当差分信号幅度均小于等于0时，通过测量第i路数字信号中的脉冲间距得到对应时间长度内的频率信息；当差分信号中存在幅度大于0的信号时，通过测量差分信号中幅度大于0的脉冲间距得到对应时间长度内的频率
信息，联立时间信息和对应频率信息得到时频特性。通过循环上述过程，即可完成对微波信号的实时时频特性分析。