本發(fā)明涉及一種基于光學(xué)頻率梳的微波頻率測(cè)量方法及裝置，屬于微波頻率測(cè)量方法及裝置技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前在光子學(xué)微波頻率測(cè)量領(lǐng)域的一大難題就是如何在大頻率測(cè)量范圍內(nèi)對(duì)微波信號(hào)頻率進(jìn)行高精度測(cè)量。常用的微波功率映射法一般能夠在20ghz以內(nèi)的頻率范圍進(jìn)行頻率測(cè)量，然而其只能對(duì)單頻信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量，并且測(cè)量精度不均勻；信道法頻率測(cè)量能夠?qū)崿F(xiàn)在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行頻率測(cè)量，然而其測(cè)量精度僅在ghz量級(jí)；掃描法能夠在較大范圍的多頻微波信號(hào)的高精度頻率測(cè)量，然而其實(shí)時(shí)性差，不能進(jìn)行瞬時(shí)頻率的測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，進(jìn)而提供一種基于光學(xué)頻率梳的微波頻率測(cè)量方法及裝置。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于光學(xué)頻率梳的微波頻率測(cè)量方法，步驟如下：

步驟一、由激光器產(chǎn)生頻率為fc的激光信號(hào)分為兩部分，其中一部分由頻率為frf的未知rf信號(hào)對(duì)其進(jìn)行載波抑制雙邊帶調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)光場(chǎng)近似表示為

eu(t)＝e0sin[βcos(2πfrft)]≈a+1cos[2π(fc+frf)t]+a-1cos[2π(fc-frf)t](1)

其中a±1＝j(luò)1(β)為載波抑制雙邊帶調(diào)制信號(hào)光場(chǎng)的幅值，β＝π/vπ和jn(.)分別為相位調(diào)制率和第一類n階bessel函數(shù)，vπ是mach-zehnder調(diào)制器的半波電壓，另一部分用于產(chǎn)生失諧光學(xué)頻率梳，使光學(xué)頻率梳的每根梳齒具有不同的恰當(dāng)?shù)墓β?，其光?chǎng)表示為

其中n是失諧光學(xué)頻率梳中梳齒的個(gè)數(shù)，bi是失諧光學(xué)頻率梳中第i個(gè)梳齒的光場(chǎng)幅值，是第i個(gè)梳齒與第一個(gè)梳齒間的相對(duì)相位差，失諧光學(xué)頻率梳中第一根梳齒的頻率與載波抑制雙邊帶調(diào)制信號(hào)中載波的頻率相同；

步驟二、載波抑制雙邊帶調(diào)制信號(hào)與失諧光頻梳在一個(gè)窄帶光電探測(cè)器上進(jìn)行拍頻，載波抑制雙邊帶信號(hào)的上邊帶與失諧頻率梳中第i個(gè)梳齒拍頻信號(hào)光強(qiáng)表示為

如果載波抑制雙邊帶信號(hào)的上邊帶與第i個(gè)梳齒的頻率差在光電探測(cè)器的帶寬內(nèi)，即0≤|frf-(i-1)f0|≤f0時(shí)，光電探測(cè)器的交流輸出為

其中為光電探測(cè)器的響應(yīng)率，這一拍頻信號(hào)包含了頻率為|frf-(i-1)f0|的信號(hào)，否則，光電探測(cè)器將由于有限帶寬而不響應(yīng)，因此，上邊帶與其左右最相鄰梳齒之間的拍頻信號(hào)頻率在光電探測(cè)器相應(yīng)范圍之內(nèi)，所產(chǎn)生的微波頻率分量的頻率分別為f1、f2，而上邊帶與其非左右最相鄰梳齒之間的拍頻信號(hào)頻率不在光電探測(cè)器的相應(yīng)范圍內(nèi)，被光電探測(cè)器濾除，失諧光學(xué)頻率梳的各梳齒之間的拍頻信號(hào)的頻率為光學(xué)頻率梳頻率f0的整數(shù)倍，因此，在單頻rf信號(hào)入射的情況下，光電探測(cè)器的相應(yīng)范圍內(nèi)只有頻率為f1、f2的兩個(gè)拍頻信號(hào)；

步驟三、對(duì)拍頻信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析，獲取這兩個(gè)拍品信號(hào)的頻率信息及功率信息，由式(4)看出，未知rf信號(hào)的上邊帶與其最相鄰的左右梳齒之間的功率比表示為

其中pi為失諧光學(xué)頻率梳中第i個(gè)梳齒的功率，值得注意的是，如果上邊帶位于第1根與第2根梳齒之間，那么載波抑制雙邊帶信號(hào)的上邊帶和下邊帶與第1根梳齒之間的拍頻信號(hào)的頻率是相等的，這將導(dǎo)致上邊帶與第1根梳齒之間拍頻信號(hào)的功率成為原來的4倍。因此，式(5)寫為

由式(6)看出，功率比r只與失諧頻率梳中相鄰梳齒之間的功率比有關(guān)，與載波抑制雙邊帶信號(hào)的上邊帶與下邊帶的幅值無關(guān)，也與入射rf信號(hào)的功率無關(guān)，這樣，通過對(duì)拍頻信號(hào)頻譜分析中獲取的功率信息及已測(cè)定的失諧光學(xué)頻率梳中各相鄰梳齒之間的功率比即可確定i；

步驟四、根據(jù)已確定的i，f1，f2，及式(7)即可確定入射rf信號(hào)的頻率

frf＝(i-1)·f0+f1＝i·f0-f2(7)

多頻信號(hào)的頻率測(cè)量使用這一方法實(shí)現(xiàn)，在多頻測(cè)量過程中，在分析拍頻信號(hào)的頻譜后，挑選出包含兩個(gè)微波頻率分量且他們的頻率和為失諧光學(xué)頻率梳的頻率間隔的頻率對(duì)，然后，每一個(gè)rf信號(hào)頻率分量的頻率都根據(jù)相應(yīng)頻率對(duì)的頻率信息與功率信息獲得。

一種基于光學(xué)頻率梳的微波頻率測(cè)量裝置，包括：激光器、第一耦合器、強(qiáng)度調(diào)制器、可編程濾波器、摻鉺光纖放大器、雙平行調(diào)制器、信號(hào)發(fā)生器、電學(xué)耦合器、相移器、光電探測(cè)器、頻譜儀、第二耦合器、第三耦合器和第四耦合器，所述激光器的一端與第一耦合器的一端相連接，第三耦合器和第四耦合器串聯(lián)連接，第一耦合器的另一端分別與強(qiáng)度調(diào)制器的一端、第三耦合器的一端相連接，強(qiáng)度調(diào)制器的另一端與第二耦合器的一端相連接，第二耦合器與第四耦合器之間串接有可編程濾波器，第二耦合器的另一端與光電探測(cè)器的一端相連接，光電探測(cè)器的另一端與頻譜儀相連接，第三耦合器的一端與摻鉺光纖放大器的一端相連接，摻鉺光纖放大器的另一端與雙平行調(diào)制器的第一端相連接，雙平行調(diào)制器的第二端與第四耦合器的一端相連接，雙平行調(diào)制器的第三端與相移器的一端相連接，雙平行調(diào)制器的第四端和相移器的另一端均與電學(xué)耦合器的一端相連接，電學(xué)耦合器的另一端與信號(hào)發(fā)生器相連接。

本發(fā)明的有益效果：

1、可采用窄帶光學(xué)、電學(xué)、光電子學(xué)器件實(shí)現(xiàn)高頻微波信號(hào)的頻率測(cè)量。

2、與基于信道法、功率監(jiān)測(cè)法等微波頻率測(cè)量方法相比，本方法的頻率測(cè)量誤差小，測(cè)量分辨率高。

附圖說明

圖1為基于光學(xué)頻率梳的微波頻率測(cè)量方法原理圖。

圖2為本發(fā)明基于光學(xué)頻率梳的微波頻率測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2中的附圖標(biāo)記，1為激光器，2為第一耦合器，3為強(qiáng)度調(diào)制器，4為可編程濾波器，5為摻鉺光纖放大器，6為雙平行調(diào)制器，7為信號(hào)發(fā)生器，8為電學(xué)耦合器，9為相移器，10為光電探測(cè)器，11為頻譜儀，12為第二耦合器，13為第三耦合器，14為第四耦合器。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述實(shí)施例。

如圖1所示，本實(shí)施例所涉及的一種基于光學(xué)頻率梳的微波頻率測(cè)量方法，步驟如下：

步驟一、由激光器產(chǎn)生頻率為fc的激光信號(hào)分為兩部分，其中一部分由頻率為frf的未知rf信號(hào)對(duì)其進(jìn)行載波抑制雙邊帶調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)光場(chǎng)近似表示為：

eu(t)＝e0sin[βcos(2πfrft)]≈a+1cos[2π(fc+frf)t]+a-1cos[2π(fc-frf)t](1)

其中a±1＝j(luò)1(β)為載波抑制雙邊帶調(diào)制信號(hào)光場(chǎng)的幅值，β＝π/vπ和jn(.)分別為相位調(diào)制率和第一類n階bessel函數(shù)，vπ是mach-zehnder調(diào)制器的半波電壓。另一部分用于產(chǎn)生失諧光學(xué)頻率梳，使光學(xué)頻率梳的每根梳齒具有不同的恰當(dāng)?shù)墓β?相鄰兩根梳齒之間的功率比各不相同，且已測(cè)定完畢)，其光場(chǎng)表示為

其中n是失諧光學(xué)頻率梳中梳齒的個(gè)數(shù)，bi是失諧光學(xué)頻率梳中第i個(gè)梳齒的光場(chǎng)幅值，是第i個(gè)梳齒與第一個(gè)梳齒間的相對(duì)相位差。失諧光學(xué)頻率梳中第一根梳齒的頻率與載波抑制雙邊帶調(diào)制信號(hào)中載波的頻率相同。

步驟二、載波抑制雙邊帶調(diào)制信號(hào)與失諧光頻梳在一個(gè)窄帶光電探測(cè)器(帶寬為dc-f0)上進(jìn)行拍頻。載波抑制雙邊帶信號(hào)的上邊帶與失諧頻率梳中第i個(gè)梳齒拍頻信號(hào)光強(qiáng)可表示為

如果載波抑制雙邊帶信號(hào)的上邊帶與第i個(gè)梳齒的頻率差在光電探測(cè)器的帶寬內(nèi)，即0≤|frf-(i-1)f0|≤f0時(shí)，光電探測(cè)器的交流輸出為

其中為光電探測(cè)器的響應(yīng)率。這一拍頻信號(hào)包含了頻率為|frf-(i-1)f0|的信號(hào)。否則，光電探測(cè)器將由于有限帶寬而不響應(yīng)。因此，上邊帶與其左右最相鄰梳齒之間的拍頻信號(hào)頻率在光電探測(cè)器相應(yīng)范圍之內(nèi)，所產(chǎn)生的微波頻率分量的頻率分別為f1、f2。而上邊帶與其非左右最相鄰梳齒之間的拍頻信號(hào)頻率不在光電探測(cè)器的相應(yīng)范圍內(nèi)，被光電探測(cè)器濾除。失諧光學(xué)頻率梳的各梳齒之間的拍頻信號(hào)的頻率為光學(xué)頻率梳頻率f0的整數(shù)倍。因此，在單頻rf信號(hào)入射的情況下，光電探測(cè)器的相應(yīng)范圍內(nèi)只有頻率為f1、f2的兩個(gè)拍頻信號(hào)(這兩個(gè)拍頻信號(hào)稱頻率對(duì)，其頻率和為失諧光學(xué)頻率梳的頻率間隔)。

步驟三、對(duì)拍頻信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析，獲取這兩個(gè)拍品信號(hào)的頻率信息及功率信息。由式(4)可以看出，未知rf信號(hào)的上邊帶與其最相鄰的左右梳齒之間的功率比可以表示為

其中pi為失諧光學(xué)頻率梳中第i個(gè)梳齒的功率。值得注意的是，如果上邊帶位于第1根與第2根梳齒之間(即0≤frf≤f0)，那么載波抑制雙邊帶信號(hào)的上邊帶和下邊帶與第1根梳齒之間的拍頻信號(hào)的頻率是相等的，這將導(dǎo)致上邊帶與第1根梳齒之間拍頻信號(hào)的功率成為原來的4倍。因此，式(5)應(yīng)該改寫為

由式(6)可以看出，功率比r只與失諧頻率梳中相鄰梳齒之間的功率比有關(guān)，與載波抑制雙邊帶信號(hào)的上邊帶與下邊帶的幅值無關(guān)，也與入射rf信號(hào)的功率無關(guān)。這樣，通過對(duì)拍頻信號(hào)頻譜分析中獲取的功率信息及已測(cè)定的失諧光學(xué)頻率梳中各相鄰梳齒之間的功率比即可確定i。

步驟四、根據(jù)已確定的i，f1，f2，及式(7)即可確定入射rf信號(hào)的頻率

frf＝(i-1)·f0+f1＝i·f0-f2(7)

多頻信號(hào)的頻率測(cè)量可以使用這一方法實(shí)現(xiàn)。在多頻測(cè)量過程中，在分析拍頻信號(hào)的頻譜后，挑選出包含兩個(gè)微波頻率分量且他們的頻率和為失諧光學(xué)頻率梳的頻率間隔的頻率對(duì)。然后，每一個(gè)rf信號(hào)頻率分量的頻率都可以根據(jù)相應(yīng)頻率對(duì)的頻率信息與功率信息獲得。

需要注意的是，在頻率測(cè)量過程中，如果入射rf信號(hào)中存在頻率在0-f0/2的分量，其上下邊帶的拍頻信號(hào)頻率在光電探測(cè)器的相應(yīng)范圍之內(nèi)；在多頻信號(hào)頻率測(cè)量過程中，入射rf信號(hào)的各個(gè)頻率分量的上邊帶之間可能產(chǎn)生的拍頻信號(hào)也在光電探測(cè)器的相應(yīng)范圍之內(nèi)，然而這些拍頻信號(hào)是單獨(dú)出現(xiàn)的，并不能找到相應(yīng)的信號(hào)與之構(gòu)成頻率對(duì)，因此這些信號(hào)不會(huì)影響頻率測(cè)量。

如圖2所示，本實(shí)施例所涉及的一種基于光學(xué)頻率梳的微波頻率測(cè)量裝置，包括：激光器1、第一耦合器2、強(qiáng)度調(diào)制器3、可編程濾波器4、摻鉺光纖放大器5、雙平行調(diào)制器6、信號(hào)發(fā)生器7、電學(xué)耦合器8、相移器9、光電探測(cè)器10、頻譜儀11、第二耦合器12、第三耦合器13和第四耦合器14，所述激光器1的一端與第一耦合器2的一端相連接，第三耦合器13和第四耦合器14串聯(lián)連接，第一耦合器2的另一端分別與強(qiáng)度調(diào)制器3的一端、第三耦合器13的一端相連接，強(qiáng)度調(diào)制器3的另一端與第二耦合器12的一端相連接，第二耦合器12與第四耦合器14之間串接有可編程濾波器4，第二耦合器12的另一端與光電探測(cè)器10的一端相連接，光電探測(cè)器10的另一端與頻譜儀11相連接，第三耦合器13的一端與摻鉺光纖放大器5的一端相連接，摻鉺光纖放大器5的另一端與雙平行調(diào)制器6的第一端相連接，雙平行調(diào)制器6的第二端與第四耦合器14的一端相連接，雙平行調(diào)制器6的第三端與相移器9的一端相連接，雙平行調(diào)制器6的第四端和相移器9的另一端均與電學(xué)耦合器8的一端相連接，電學(xué)耦合器8的另一端與信號(hào)發(fā)生器7相連接。

激光器1的功能：產(chǎn)生窄線寬連續(xù)激光信號(hào)。

第一耦合器2、第二耦合器12、第三耦合器13和第四耦合器14的功能：將一束光信號(hào)分成兩束光信號(hào)，或?qū)墒庑盘?hào)合成一束光信號(hào)。

強(qiáng)度調(diào)制器3的功能：對(duì)光信號(hào)進(jìn)行載波抑制單邊帶調(diào)制。

可編程濾波器4的功能：對(duì)產(chǎn)生的光學(xué)頻率梳中每根梳齒的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

摻鉺光纖放大器5的功能：對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大。

雙平行調(diào)制器6的功能：對(duì)光信號(hào)進(jìn)行載波抑制單邊帶調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的頻移。

信號(hào)發(fā)生器7的功能：產(chǎn)生固定頻率的微波信號(hào)。

電學(xué)耦合器8的功能：將一個(gè)電信號(hào)分成兩個(gè)電信號(hào)。

相移器9的功能：實(shí)現(xiàn)一個(gè)電信號(hào)相對(duì)另一個(gè)電信號(hào)的相對(duì)相位延遲。

光電探測(cè)器10的功能：載波抑制雙邊帶信號(hào)與失諧頻率梳在該探測(cè)器上拍頻，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

頻譜儀11的功能：對(duì)拍頻信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，這些具體實(shí)施方式都是基于本發(fā)明整體構(gòu)思下的不同實(shí)現(xiàn)方式，而且本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。