光矢量分析方法及装置

1.本发明涉及一种光矢量分析方法，尤其涉及一种用于对并联于光链路中的复数个待测器件的幅相频率响应同时进行测量的光矢量分析方法，属于光学测量技术领域。


背景技术：

2.随着光学类信息系统的快速发展，光谱响应测量成为光学器件的研制和生产中的基础性需求，是5g无线通信网络、光控相控阵和分布式雷达网络等高性能信息系统研发和应用的关键。光矢量分析是测量光器件光谱响应的重要技术手段。对于光链路而言，其一般由多种器件组成，涉及到光纤与其它材料的耦合，会产生多个反射点，各反射点的反射光互相干涉，会带来光谱混叠等一系列问题，进而引起较大的测量误差，甚至造成测量失效。在长距离光链路的分布式测量中，需要把链路中各个待测器件在时域上区分开来，同时得到其频率响应，这要求光矢量分析方法具有较高的时域分辨率和频率分辨率。
3.目前光矢量分析的方法主要有扫频干涉法，单边带调制法和双边带调制法三种。扫频干涉法由于本质是用频域带宽换取高精度测量，受限宽带情况下的非线性等因素，带宽难以大幅提升，其频率分辨率一般较低；单边带调制法和双边带调制法将光域的光扫频转换到电域的微波扫频，极大地提高了频率分辨率，然而，由于缺乏时域分析能力，不能同时测量多个目标器件，难以满足多领域对光矢量测量需具备时域分辨率的需求。
4.为了实现同时对光链路中的多个待测器件同时进行高精度测量，一种基于低相干干涉法的具有时域分辨率的光矢量分析技术(shupeng li,ting qing,lihan wang,xufeng chen,yijie fang,xiaohu tang,meihui cao,shilong pan.optical vector analyzer with time-domain analysis capability.optics letters,2021,46(2):186-189.)被提出，其基于低相关光载波进行基于微波光子的光矢量分析，可同时测量光链路中的多个测测器件。但是该技术方案受限于低相干光载波的线宽，其时域分辨率和频率分辨率存在相互制约的关系，不能同时保证高的时域分辨率和高的频率分辨率。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种光矢量分析方法及装置，可对并联于光链路中的复数个待测器件的幅相频率响应同时进行测量，且可同时保证测量的高时域分辨率和高频率分辨率。
6.本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
7.一种光矢量分析方法，用于对并联于光链路中的复数个待测器件的幅相频率响应同时进行测量；该方法包括以下步骤：
8.用步进频微波信号对光脉冲信号进行单边带调制，生成步进频光脉冲信号；
9.以所述步进频光脉冲信号作为探测光信号，将其输入所述光链路，并对返回光信号进行光电探测，得到携带所述复数个待测器件的频率响应信息的电信号；
10.以所述步进频微波信号作为参考，通过加窗的方式从所述电信号中将各个待测器
件的时域脉冲响应分别选出，并对其中每一个待测器件在各个频率处对应的时域脉冲响应做短时傅里叶变换，得到各待测器件在频域上的幅相响应。
11.优选地，令窄线宽连续光信号通过一光开关，并以微波脉冲信号作为所述光开关的开关信号对窄线宽连续光信号进行调制，得到所述光脉冲信号。
12.进一步地，该方法还包括：在接入所述复数个待测器件之前，将一个反射镜连接到光链路的末端，并对返回光信号进行光电探测，得到测量系统的系统响应，并利用系统响应对待测器件幅相响应的测量结果进行校准。
13.基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
14.一种光矢量分析装置，用于对并联于光链路中的复数个待测器件的幅相频率响应同时进行测量；该装置包括：
15.步进频光脉冲信号生成单元，用于用步进频微波信号对光脉冲信号进行单边带调制，生成步进频光脉冲信号；
16.探测单元，用于以所述步进频光脉冲信号作为探测光信号，将其输入所述光链路，并对返回光信号进行光电探测，得到携带所述复数个待测器件的频率响应信息的电信号；
17.数据处理单元，用于以所述步进频微波信号作为参考，通过加窗的方式从所述电信号中将各个待测器件的时域脉冲响应分别选出，并对其中每一个待测器件在各个频率处对应的时域脉冲响应做短时傅里叶变换，得到各待测器件在频域上的幅相响应。
18.优选地，所述步进频光脉冲信号生成单元通过以下方法得到所述光脉冲信号：令窄线宽连续光信号通过一光开关，并以微波脉冲信号作为所述光开关的开关信号对窄线宽连续光信号进行调制。
19.进一步地，该装置还包括校准单元，用于利用系统响应对待测器件幅相响应的测量结果进行校准；所述系统响应通过以下方法得到：在接入所述复数个待测器件之前，将一个反射镜连接到光链路的末端，并对返回光信号进行光电探测，得到测量系统的系统响应。
20.相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
21.本发明采用步进频脉冲信号做有时域分辨率的光矢量分析，测量待测器件响应的频率分辨率等于步进频微波信号的步进频率，时域分辨率取决于光脉冲信号的脉宽，可对并联于光链路中的复数个待测器件的幅相频率响应同时进行测量，且可同时实现高时域分辨率和高频率分辨率的测量。
附图说明
22.图1为本发明光矢量分析装置一个具体实施例的结构原理示意图；
23.图2为参考信号波形示意图；
24.图3为探测信号波形示意图；
25.图4为接收信号波形示意图。
具体实施方式
26.针对现有采用低相干干涉法进行光矢量分析的方案无法同时保证高的时域分辨率和高的频率分辨率的缺陷，本发明的解决思路是采用基于步进频脉冲信号的高时域分辨率光矢量分析方案，令步进频脉冲信号进入待测器件，通过数据处理单元提取各待测器件
在时域上的脉冲响应，并通过短时傅里叶变换得到各个待测器件频域上的幅相响应，同时保证了高时域分辨率和高频率分辨率。
27.本发明所提出技术方案具体如下：
28.一种光矢量分析方法，用于对并联于光链路中的复数个待测器件的幅相频率响应同时进行测量；该方法包括以下步骤：
29.用步进频微波信号对光脉冲信号进行单边带调制，生成步进频光脉冲信号；
30.以所述步进频光脉冲信号作为探测光信号，将其输入所述光链路，并对返回光信号进行光电探测，得到携带所述复数个待测器件的频率响应信息的电信号；
31.以所述步进频微波信号作为参考，通过加窗的方式从所述电信号中将各个待测器件的时域脉冲响应分别选出，并对其中每一个待测器件在各个频率处对应的时域脉冲响应做短时傅里叶变换，得到各待测器件在频域上的幅相响应。
32.一种光矢量分析装置，用于对并联于光链路中的复数个待测器件的幅相频率响应同时进行测量；该装置包括：
33.步进频光脉冲信号生成单元，用于用步进频微波信号对光脉冲信号进行单边带调制，生成步进频光脉冲信号；
34.探测单元，用于以所述步进频光脉冲信号作为探测光信号，将其输入所述光链路，并对返回光信号进行光电探测，得到携带所述复数个待测器件的频率响应信息的电信号；
35.数据处理单元，用于以所述步进频微波信号作为参考，通过加窗的方式从所述电信号中将各个待测器件的时域脉冲响应分别选出，并对其中每一个待测器件在各个频率处对应的时域脉冲响应做短时傅里叶变换，得到各待测器件在频域上的幅相响应。
36.所述光脉冲信号可采用现有的各种方式生成，例如可采用脉冲激光器所生成的光脉冲信号；优选地，令窄线宽连续光信号通过一光开关，并以微波脉冲信号作为所述光开关的开关信号对窄线宽连续光信号进行调制，得到所述光脉冲信号。
37.为了便于公众理解，下面通过具体一个实施例并结合附图来对本发明的技术方案及其原理进行详细说明：
38.图1显示了本发明光矢量分析装置一个具体实施例的基本结构。如图1所示，光链路中并联有复数个待测器件；本实施例的光矢量分析装置包括光源模块、光开关、任意波形发生器、步进频微波源、单边带调制模块、光探测模块、数据处理单元。
39.光源模块发射中心频率为fc的窄带宽信号光e0(t)，其表达式为：
40.e0(t)＝aexp(j2πfct)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
41.其中，a为信号光幅值。
42.随后信号光进入光开关，用任意波形发生器生成的微波脉冲信号作为开关信号进行调制，生成光脉冲信号e1(t)，其表达式为：
[0043][0044]
其中，t
p
为脉冲信号的脉宽，tr为脉冲信号的周期。
[0045]
随后光脉冲信号e1(t)进入单边带调制模块，用步进频微波源生成的步进频率为δf的步进频信号(其波形如图2所示)对光脉冲信号e1(t)进行单边带调制，生成步进频光脉冲信号e2(t)，其表达式为：
[0046][0047]
其中，fn＝fc+nδf，a0为光载波的复振幅，a
+1
为+1阶边带的复振幅，n表示频率步进次数；e2(t)波形如图3所示。
[0048]
e2(t)经过环形器进入多个待测器件后，返回的信号e3(t)可以表示为：
[0049][0050]
其中，hm(f)为第m个待测器件的频率响应，τm为光脉冲信号e2(t)经第m个待测器件后经反射进入光探测模块的时延；e3(t)波形如图4所示，图中，待测器件数m＝3。
[0051]
e3(t)经过光探测模块后，产生的光电流为：
[0052][0053]
其中，η为光电探测器的响应度。
[0054]
在接入待测器件之前，可将一个反射镜连接到光链路的末端，并对返回光信号进行光电探测，从而得到测量系统的系统响应，可用来对待测器件幅相响应的测量结果进行校准，以消除系统响应的影响，即消除η,a0,a
+1
。
[0055]
数据处理单元采集得到各个待测器件的时域响应，每个待测器件的时域响应都是一个脉冲串。以步进频微波源生成步进频微波信号作的参考信号，通过加窗将各个待测器件的时域脉冲响应分别选出，并对同一个待测器件在各个频率处对应的时域脉冲响应做短时傅里叶变换，即可得到该待测器件在频域上的幅相响应，其表达式为：
[0056][0057]
测量待测器件响应的频率分辨率等于微波源的步进频率δf，而测量的时域分辨率取决于任意波形发生器生成的脉冲信号的脉宽t
p
，为二者不存在矛盾，从而可以同时保证高时域分辨率和高频率分辨率的测量。