一种基于光强编码的瞬时测频装置及方法与流程

本发明属于微波光子，涉及一种基于光强编码的瞬时测频装置及方法。

背景技术：

1、随着雷达等领域的不断发展，对超宽带射频信号收发和处理能力的不断提升，其工作带宽不断扩大，基于传统微波器件的微波频率测量系统在工作带宽上受到了严重的限制，同时微波频率测量系统存在设备量、体积和功耗庞大，成本高昂的问题。而微波光子技术由于不受电磁干扰的影响，在体积、重量和能耗方面相较于微波器件存在明显的优势，特别是在超宽带方面的信号处理能力优秀，使其在频率测量领域也得到了广泛的关注和应用。如申请公开号为cn113391136a的发明专利公开了一种基于固定低频检测的微波光子频率测量装置及方法，采用抑制载波双边带调制信号分别通过色散介质和微小移频量的移频器，通过探测色散光信号与移频光信号的外差拍频，只需检测固定低频频率成分信号，即可实现高频微波信号频率通过色散介质产生的功率衰弱传输函数的测量。

2、瞬时频率测量是对接收到的微波信号进行大频率范围、高精度、快速的频谱测量。目前基于微波光子学的瞬时频率测量主要分为三种方法：信道法、扫描法和功率映射法。这三种方法的基本原理和应用场景不同：(1)信道法频率测量方案的频率测量精度相对较差，需要分光处理，而随着信道数量的增加，检测信号的功率动态范围会降低；相对的，信道法具有频率测量范围大、能够实时测量的优点，可以在某些对频率测量精度要求不高的特定需求中应用。(2)相较于信道法，扫描法具有更高的频率测量精度，可达兆赫兹量级，但由于扫描法中用于扫描的可调谐光学滤波器往往采用机械、热光等调谐方式，导致系统响应时间较长，在频率扫描的过程中可能会对脉冲信号遗漏，不利于对接收信号中含有持续时间较短的脉冲信号的频谱监测。(3)相较于信道法和扫描法，在功率映射法中除电光调制器以外不需要其他高频器件便可以实现微波信号的频率测量，而且频率测量的误差在百兆赫兹量级，测量范围一般在20ghz以内；但由于功率映射函数为非线性，在其频率测量范围内的测量精度并不相同。

3、根据上述可知，现有的瞬时频率测量方法满足在现有复杂电磁环境下，宽带接收机对大频率范围内微波信号频谱的高精度、快速测量需求。因此，提出一种能够同时实现超宽带快速响应和高精度的微波信号频率测量装置尤为重要。

技术实现思路

1、本发明的技术方案用于解决现有技术下测量超宽带射频信号的频率难以满足超宽带快速响应和高精度的需求。

2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

3、一种基于光强编码的瞬时测频装置，包括依次连接的光学频率梳、调制器、光波分解复用器、多路光通道、光探测器阵列和强度编码解调模块；

4、所述光通道包括依次连接的光滤波器、光衰减器、光分束器、光延时和光合束器；所述光滤波器的输入端与光波分解复用器的输出端连接，所述光分束器的第一输出端通过光延时与光合束器的第一输入端连接，形成第一光路，所述光分束器的第二输出端与光合束器的第二输入端连接，形成第二光路，第一光路与第二光路存在光延时差；所述光合束器的输出端与光探测器阵列的输入端连接；多路所述光通道的光延时差相同，光相位差依次递增。

5、进一步地，所述光学频率梳输出光梳齿信号，所述光梳齿信号包括多个频率不同且频率均匀分布的光信号，相邻光信号之间的频率间隔大于被测射频信号频率最大值的两倍。

6、进一步地，所述光学频率梳输出光梳齿信号作为光载波信号输入到调制器，被测射频信号加载到调制器的射频输入端，对光学频率梳进行多播的电光调制，将被测射频信号同时加载到多个光信号上。

7、进一步地，所述调制器工作状态为双边带调制或载波抑制调制。

8、进一步地，所述光波分解复用器的多个输出端分别连接多路光通道，各路光通道的通带中心频率分别与光梳齿信号包含的各个频率一一对应，通带带宽为相邻光信号频率间隔的一半；调制后的多个光信号通过光波分解复用器输入到对应频段的光通道。

9、进一步地，所述光衰减器用于对各路光通道的光信号进行衰减控制，确保各路光通道的光信号经过光衰减器后的光功率相等。

10、进一步地，所述光分束器将经过光衰减器的光信号分成功率完全相等的两路光信号，光信号分别经过第一光路和第二光路延时传输，再经过光合束器合成一路输出。

11、进一步地，各路光通道的光相位差依次递增，相邻光通道的延时差呈2倍关系增加；多路光通道输出的光信号经过光探测器阵列进行探测并对光信号进行编码，若光探测功率高于平均功率，则对其光通道编码为“1”；若光探测功率低于平均功率，则对其光通道编码为“0”；对各个光通道依次编码。

12、进一步地，所述探测器阵列输出的直流电信号送入强度编码解调模块，根据各路光通道对应编码进行解译，可判定光边带的波长位置，从而得到被测射频信号的频率。

13、本发明还提供一种基于光强编码的瞬时测频方法，包括以下步骤：

14、s100、光学频率梳输出光梳齿信号，所述光梳齿信号包括多个频率不同且频率均匀分布的光信号，相邻光信号之间的频率间隔大于被测射频信号频率最大值的两倍；

15、s200、光梳齿信号作为光载波信号输入到调制器，被测射频信号加载到调制器的射频输入端，对光学频率梳进行多播的电光调制，将被测射频信号同时加载到多个光信号上；

16、s300、调制后的多个光信号通过光波分解复用器输入到对应频段的光通道，光滤波器对输入到光通道的光信号进行滤波，滤波后的光信号仅能使单个光边带通过；

17、s400、光衰减器对各路光通道的光信号进行衰减控制，确保各路光通道的光信号经过光衰减器后的光功率相等

18、s500、光分束器将经过光衰减器的光信号分成功率完全相等的两路光信号，光信号分别经过第一光路和第二光路延时传输，产生固定的光延时差τ和光相位差φ1，再经过光合束器合成一路输出光功率i1；上边带的波长产生的光相位差φ1具体为：

19、φ1＝2π(f0+frf)τ

20、式中，frf为待测射频信号频率，f0为该光通道上光信号频率；

21、光合束器输出光功率i1具体为：

22、i1＝i+icos(φ1)＝i+icos[2π(f0+frf)τ]

23、式中，i为平均功率，与第一光路以及第二光路的功率相同。

24、s600、多路光通道输出的光信号经过光探测器阵列进行探测并对光信号进行编码，若k为整数，则光探测功率i1高于平均功率i，则对其光通道编码为“1”；否则光探测功率i1低于平均功率i，则对其光通道编码为“0”；对各个光通道依次编码；

25、s700、光探测器阵列输出的直流电信号送入强度编码解调模块，根据各路光通道对应编码进行解译，可判定光边带的波长位置，从而得到被测射频信号的频率。

26、本发明的优点在于：利用微波光子技术超宽带信号处理的优势，将被测射频信号调制在光域，利用光频梳进行多播调制，通过多路光通道延时干涉并对各通道的光强直流信号进行编码，以光强编码的方式实现超宽带低功耗、集成化的微波信号频率的快速测量，对信号的采集与数据处理要求更低，在发挥微波光子实时处理、抗电磁干扰等优势的同时，无需高速超宽带射频信号的采集处理，显著降低了对探测设备的性能要求。