一种基于非平衡双臂MZI的瞬时测频装置及方法与流程

一种基于非平衡双臂mzi的瞬时测频装置及方法
技术领域
1.本发明涉及电子侦察技术领域，特别涉及一种基于非平衡双臂mzi的瞬时测频装置及方法。


背景技术：

2.在现代化电子战中，对敌方的干扰、诱骗等都需要首先侦知对方的电磁辐射信息。而战场上电磁脉冲密度极高，现代电子支援侦察系统已具备在每秒百万脉冲的信号环境下工作能力。瞬时测频就是为满足电子战支援系统对高截获概率、大瞬时带宽和脉冲快速测量的需求而产生的一项重要技术。传统的瞬时测频接收机基于电子学的方法，可完成一定带宽信号的频率测量，但其体积庞大、结构复杂、造价昂贵且易受电磁干扰。面对日益复杂的电磁环境，特别是高频、大带宽信号频率测量，传统的电子学测频方法由于自身瓶颈面临极大的挑战，无法满足现代电子战的需求。由于光纤的大带宽、低损耗、小尺寸、轻重量和抗电磁干扰等优势，基于光子辅助的瞬时频率测量技术备受关注。
3.光子辅助瞬时测频系统主要是将截获的微波信号调制到光波上，通过一定的光学处理，产生一个与待测信号频率有关的映射关系，如构建一个与频率f有关的幅度比较函数(acf)。目前常规的方法中不可避免的需要使用马赫-曾德尔强度调制器，但基于强度调制的链路存在以下问题：(1)需采用偏置电路进行偏置点控制，如常用的正交偏置点，而有时不得不面临苛刻的工作环境中，使其无法保持在所需的偏置点从而严重影响系统的工作，(2)工作于正交偏置点的强度调制器具有本征的3db损耗，因而未能有效利用输入光功率，降低了信号强度，(3)强度调制链路中光强在变化，因而在传输过程中易受到非线性效应的影响。这些因素限制了基于强度调制链路的使用场景，特别是军用场合。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种简易的基于非平衡双臂mzi的瞬时测频装置。本发明仅需常规、简单、且数量较少的器件即可搭建瞬时测频装置，且无需偏压控制也可实现微波信号的瞬时测频。
5.本发明的技术方案是：一种基于非平衡双臂mzi的瞬时测频装置，包括激光器、相位调制器、分束器、mzi、光纤和光电探测器，相位调制器的电输入接口与待测信号相连；相位调制器的光输入接口与激光器相连；其特征在于：相位调制器的输出光经分束器后均分为2路，一路光通过第一mzi后与第一光电探测器连接，另一路光通过第二mzi后与第二光电探测器连接，第一光电探测器和第二光电探测器与信号处理模块连接，其中第一mzi、第二mzi的差分延时分别为τ1和τ2，且τ1≠τ2。
6.根据如上所述的一种基于非平衡双臂mzi的瞬时测频装置，其特征在于：信号处理模块根据公式计算待测信号频率f，其中p
rf1
和p
rf2
分别为为第一和第二光电探测器输出的电信号强度，τ1和τ2分别为第一和第二mzi的差分延时。
7.本发明还公开了一种基于非平衡双臂mzi的瞬时测频方法，其特征在于：包括以下步骤：
8.步骤一、激光器发射的激光(光载波)入射到相位调制器后，相位调制器将待测微波信号调制到光载波，输出被调制的光波信号(调制光)，调制光的光场为其中ν为激光的频率，l
p
为相位调制器的损耗系数，po为与光场eo对应的平均光功率，a为光纤纤芯截面积，μ为光纤纤芯的磁导率，ε为光纤纤芯的介电常数，φ(t)为相位调制器的相移，它与待测信号vi(t)＝v
rf
sin(ωt)之间的关系为其中v
rf
待测信号的幅度，ω为待测信号的圆频率，ω＝2πf，f为待测信号的频率，v
π
为相位调制器的半波电压；
9.步骤二、分束器将调制光等分为两路，两路光分别经过mzi后进入光电探测器，将调制光信号转换为电信号以解调出待测信号的信息；两个mzi的差分延时不同，两支路的电信号强度理论值分别为和其中对应链路的直流光电流，为光电探测器的响应度，lb为分束器的光损耗系数，lm为mzi额外引入的光损耗系数，go为链路的净增益，p为光电探测器的入射光功率，zi、zo分别为链路的输入与输出阻抗，h
pd
为光电探测器的频率响应函数；；
10.步骤三、信号处理模块读取两路光电探测器输出的电信号强度p
rf1,s
和p
rf2,s
并进行处理，得到2支路的幅度比较函数而由上面的分析推导可得acf的理论值为将二者联立得到公式中待测信号频率f与两支路的电信号强度p
rf1,s
、p
rf2,s
及两个mzi的差分延时τ1、τ2有关，而τ1、τ2为已知，p
rf1,s
、p
rf2,s
为测量值，由该公式通过反演计算即可得到待测信号频率f。
11.根据如上所述的一种基于非平衡双臂mzi的瞬时测频方法，其特征在于：两光电探测器性能相同。
12.根据如上所述的一种基于非平衡双臂mzi的瞬时测频方法，其特征在于：还包括步骤四、信号处理模块可多级相连扩展使用，第一级处理模块测量精度最低(粗测量)，用于频率的初步定位，后面的用于精确测量。
13.本发明的有益效果是：相较于常规的基于强度调制方法，采用基于相位调制的非平衡双臂mzi的光链路具有以下优点：(1)无本征3db光损耗，从而可有效利用输入光功率，提高信号强度，(2)相位调制信号的强度不变，因而在传输中不易受到非线性效应的影响，(3)无需采用偏置电路进行偏置点控制(强度调制链路需要)，这使得系统的前端可得到极大地简化，因而可对其灵活设计和部署使用，故此在军事应用中具有很好的潜力。
附图说明
14.图1为基于非平衡双臂mzi瞬时测频装置的结构示意图。
15.图2为基于非平衡双臂mzi链路第一支路的响应(τ1＝100ps)。
16.图3为基于非平衡双臂mzi链路第二支路的响应(τ2＝375ps)。
17.图4为基于非平衡双臂mzi链路的幅度比较函数(acf)随信号频率f的变化关系。
18.图5为基于非平衡双臂mzi瞬时测频装置的测频结果。
19.图6为基于非平衡双臂mzi瞬时测频装置的测频误差。
20.图7为基于非平衡双臂mzi瞬时测频装置结构的远程连接示意图。
21.名称解释：mzi——马赫-曾德尔干涉仪。
具体实施方式
22.以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
23.如图1所示，本发明的一种基于非平衡双臂mzi的瞬时测频装置包括激光器、相位调制器、分束器、mzi、光纤和光电探测器。相位调制器的电输入接口与待测信号相连，相位调制器的光输入接口与激光器相连；相位调制器将待测信号的信息调制到激光器发射的激光(光载波)上；相位调制器的输出光(调制光)经分束器后均分为2路，一路光通过第一mzi后与第一光电探测器连接，另一路光通过第二mzi后与第二光电探测器连接，第一光电探测器和第二光电探测器与信号处理模块连接。其中第一mzi、第二mzi的差分延时分别为τ1和τ2，且τ1≠τ2。本发明中相位调制器与光分束器、相位调制器与激光器之间的光纤长度均可以为数公里(在增加光补偿放大器件的情况下可达几十公里)，如图7所示，这样可以确保相位调制器所处的探测点(远控单元)与处理点位置(本地单元)具有较远距离，使人员远离战场。且本发明中的相位调制器、分束器和mzi为无源器件，无需供电，既可简化设计(无需供电和偏压控制)，也使得操作使用方便，可远距离测量，长期工作。
24.本发明的一种基于非平衡双臂mzi的瞬时测频方法，包括以下步骤：
25.步骤一、激光器发射的激光(光载波)入射到相位调制器后，相位调制器将待测微波信号调制到光载波上，输出被调制的光波信号(调制光)，调制光的输出光场为其中ν为激光的频率，l
p
为相位调制器的损耗系数，po为与光场eo对应的平均光功率，a为光纤纤芯截面积，μ为光纤纤芯的磁导率，ε为光纤纤芯的介电常数，φ(t)为相位调制器的相移，它与待测信号vi(t)＝v
rf
sin(ωt)之间的关系为其中v
rf
待测信号的幅度，ω为待测信号的圆频率，ω＝2πf，f为待测信号的频率，v
π
为相位调制器的半波电压。
26.步骤二、分束器将调制光等分为两路，两路光分别经过mzi后进入光电探测器，将调制光信号转换为电信号以解调出待测信号的信息。两个mzi的差分延时不同，两光电探测器性能相同。两支路的信号强度的理论值分别为和
其中对应链路输出的直流光电流，为光电探测器的响应度，lb为分束器的光损耗系数，lm为mzi额外引入的光损耗系数，go为链路的净增益，p为光电探测器的入射光功率，zi、zo分别为链路的输入与输出阻抗，h
pd
为光电探测器的频率响应函数。
27.步骤三、信号处理模块读取两路光电探测器输出的电信号强度p
rf1,s
和p
rf2,s
并进行处理，得到2支路的幅度比较函数而由上面的分析推导可得acf的理论值为将二者联立得到公式中待测信号频率f与两支路的电信号强度p
rf1,s
、p
rf2,s
及两个mzi的差分延时τ1、τ2有关，而τ1、τ2为已知，p
rf1,s
、p
rf2,s
为测量值，由该公式通过反演计算即可得到待测信号频率f。
28.步骤四、进一步地，信号处理模块可多级相连扩展使用，当采用多级处理模块时，第一级处理模块测量精度最低，用于频率的初步定位(粗测量)，后面的用于精确测量，通过多级联用可进一步减小测量误差。
29.本发明对0.5ghz～18.5ghz信号进行了频率测量验证，粗测量的频率误差小于60mhz。由于光子技术具有大带宽的特点，只要装置中的器件工作频率支持，其测频范围可进行扩展。拓展测频范围的方法为：采用工作频段更宽的相位调制器和光电探测器，而无需更换其他器件。本发明在宽频带范围内可以较快的确定待测信号的频率范围，然后在宽频范围内进一步采用其他方式精确测量频率，如步骤四中的精测频。
30.提高粗测频精度的措施：(1)探测器对不同频率信号的响应有一定差异，通过对其进行校正可减小测频误差；(2)不同频率下相位调制器的半波电压v
π
不同，通过对其进行校正亦可减小测频误差；(3)改进mzi的抗环境扰动能力，如采用恒温、抗振等措施；(4)选用低相对强度噪声的激光器。
31.本发明的有益效果是：(1)仅需常规、简单、且数量较少的器件即可搭建瞬时测频装置，包括1个激光器、1个相位调制器、1个分束器、2个mzi(用分束器和延时线即可构成)、2个光电探测器、光纤和信号处理模块等，无需数量较多且复杂的器件，如光频梳、双偏振马赫-曾德尔调制器、苛刻的光源等，亦无需进行复杂的控制，如偏振控制、色散管理等。(2)无需偏压控制，相较于常用的基于强度调制方法(需采用偏压控制电路对其偏置点进行控制)而言，本装置的前端得到了极大的简化，这在一些场合特别是军用场景下，有更大的设计自由度，并可灵活部署使用，如将装置前端部署到更加靠近目标的位置，并将其他部分进行拉远处理，因而极具吸引力。(3)在装置得到简化的前提下还能保持较小的误差(粗测频的误差在60mhz以内)。
32.附图的说明:图1为基于非平衡双臂mzi瞬时测频装置的结构示意图。图2为第一支路(τ1＝100ps)的响应，圆圈和实线分别为实验结果和理论结果，实验测量结果与理基本符合。图3为第一支路(τ2＝375ps)的响应，圆圈和实线分别表示实验结果和理论结果，二者较为吻合。从下到上分别对应着不同的光电探测器入射光功率8dbm、10dbm和11.5dbm，通过改变探测器的入射光功率，微波信号的增益增大，有利于改善信噪比、提高测量精度。图4为基
于双臂非平衡mzi链路的幅度比较函数(acf)随信号频率f的变化关系，圆圈和实线分别为实验结果和理论结果，二者吻合较好。图5为真实频率与实验测量频率的比较，其中圆圈和实线分别代表实验测量结果与真实频率，测量结果与真实值较为一致。图6为实验测量得到的频率误差(
±
60mhz以内)。