一种光子可重构波形产生方法及装置与流程

1.本发明涉及一种波形产生方法，尤其涉及一种光子可重构波形产生方法，属于微波光子技术领域。


背景技术：

2.随着电磁环境的日益复杂，作战方式的不断更新迭代，对雷达系统的要求也逐渐提高。一方面要求雷达能够实现高精度、长距离、抗干扰的探测目标，另外一方面要求雷达能够根据战场环境灵活调整以适应不同的需求，这就要求雷达工作的中心频率、带宽和时宽能够灵活改变。为此，雷达系统的发射信号需要灵活多变，可以根据不同的战场环境快速切换。发射信号的带宽，中心频率和时宽的可重构可以帮助雷达实现不同的探测目标，除此之外，信号的幅度和相位的任意操控增加了发射信号的灵活性，对雷达系统具有重要的意义。
3.传统的电子学信号产生方法主要有两种，一是模拟法，二是数字法。模拟法一般是利用压控振荡器或者声表面波器件，压控法的问题是起始脉冲的相位不相参并且稳定性比较差，造成产生的宽带信号质量较差。声表面波器件(saw)法由于受限于电子器件的性能，产生信号的脉宽较窄并且系统比较复杂且笨重。数字法主要通过直接数字合成器(dds)来产生信号，这种方法的优势在于可以精确的对输出波形的幅度、相位和频率操控，但是由于电子瓶颈的限制，产生信号的中心频率和带宽受到限制。雷达系统对于大带宽发送信号的需求仍然面临着挑战，并且要求发射信号的参数灵活可调。
4.为了突破电子瓶颈，光子技术凭借其低损耗、重量轻、大带宽、抗电磁干扰等优势，近些年来得到广泛关注。基于光子技术的信号产生方案得到了很大发展，主要分为：映射法、光注入法和倍频法。映射法可以分为波长-时间映射法和频率-时间映射方案，波长-时间映射法的典型方案(zhang h,zou w,chen j.generation of a widely tunable linearly chirped microwave waveform based on spectral filtering and unbalanced dispersion[j].optics letters,2015,40(6):1085-1088.)是在通过在频域的滤波和不平衡色散来实现，经过不同色散的光脉冲进入光电探测器被转换为电信号得到线性啁啾波形信号。通过调谐光滤波器的通带便可以得到所需的波形，但是其时宽通常为纳秒级。频率时间映射方案通常需要一个光谱整形器，在文献(zhang f,ge x,pan s.background-free pulsed microwave signal generation based on spectral shaping and frequency-to-time mapping[j].photonics research,2014,2(4):b5-b10.)中，光谱整形器是由一个差分群延时器件、两个偏振控制器和一个偏振分束器组成。将短光脉冲通过光谱整形器和色散元件后，经过平衡光电探测便可以得到所需微波信号。该方案的优势在于使用平衡探测避免了低频杂散干扰，但是该方案受偏振和温度影响比较明显。光注入技术(zhou p,zhang f,guo q,et al.linearly chirped microwave waveform generation with large time-bandwidth product by optically injected semiconductor laser[j].optics express,2016,24(16):18460-18467.)利用工作在p1震
荡态的半导体激光器来实现，通过调节电控制信号的波形和注入强度，可以控制产生的线性啁啾信号的中心频率、带宽和时宽，但是由于半导体激光器的温度敏感性，产生的信号的频率没有随时间严格线性变化，需要加反馈环路或者温度控制装置来弥补。倍频法来产生宽带信号是通过集成的电光调制器来实现(guo q,zhang f,zhou p,et al.dual-band lfm signal generation by optical frequency quadrupling and polarization multiplexing[j].ieee photonics technology letters,2017,29(16):1320-1323.)，利用偏分复用双平衡调制器实现载波抑制且只留下正负二阶边带，最终输出的信号是原始加载信号的四倍，这样便可以产生原始信号中心频率和带宽四倍的信号，但是该方案受限于调制器的性能，杂余边带不能够完全抑制，会有基频、倍频信号出现，影响最终需要的信号质量。
[0005]
综上所述，传统的啁啾信号产生方案的可重构性受到限制，不能够满足日益复杂电磁环境下的电子作战需求，严重制约了一体化雷达、卫星等射频综合系统的可重构和多功能化。


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，提供一种光子可重构波形产生方法，可实现中心频率、带宽和时宽的灵活可重构，极大地扩展所产生啁啾信号的带宽和时宽，并且所产生啁啾信号的幅度、相位和中心频率也可以在光域被灵活操控。
[0007]
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0008]
一种光子可重构波形产生方法，产生一对偏振正交且梳齿数均为n，梳齿间隔之差为定值的光频梳：载波光频梳和本振光频梳，n为大于1的整数；将载波光频梳和本振光频梳的合束光信号经过一个偏振控制器后输入一个偏分复用双平衡调制器的光输入端，将一个中频电啁啾信号和一个电控制信号分别输入所述偏分复用双平衡调制器的两个子双平衡调制器的微波输入端，并令这两个子双平衡调制器均工作在载波抑制单边带调制模式，令所述偏分复用双平衡调制器输出的光信号经过一个检偏器；将经过检偏器后的光信号划分为n个光信道，第i个光信道中包含载波光频梳的第i个梳齿和本振光频梳的第i个梳齿；将所述n个光信道光电转换为n个子电啁啾信号并进行延时匹配；从所述n个子电啁啾信号中选取其中连续的若干个子电啁啾信号进行拼接组合，得到中心频率、带宽和时宽可重构的啁啾信号。
[0009]
优选地，通过带宽和中心频率可调的n个光滤波器，或可编程光处理器进行所述光信号的划分。
[0010]
进一步地，所述光子可重构波形产生方法还包括：通过对所述n个子电啁啾信号的幅度、相位和中心频率这三个参数中的至少一个进行调整，以对所述可重构的啁啾信号的参数进行调控。
[0011]
更进一步地，通过改变所述偏分复用双平衡调制器的偏置电压来调整所述n个子电啁啾信号的相位，通过改变所述检偏器的检偏角度来调整所述n个子电啁啾信号的幅度，通过改变所述电控制信号的频率来调整所述n个子电啁啾信号的中心频率。
[0012]
优选地，载波光频梳和本振光频梳满足以下条件：
[0013]
nδf f0 b＜fs[0014]
其中，δf为所述梳齿间隔之差，f0、b分别为所述中频啁啾信号的起始频率、带宽，fs为载波光频梳的梳齿间隔。
[0015]
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
[0016]
一种光子可重构波形产生装置，包括：
[0017]
偏振正交光频梳产生模块，用于产生一对偏振正交且梳齿数均为n，梳齿间隔之差为定值的光频梳：载波光频梳和本振光频梳，n为大于1的整数；
[0018]
幅相频调控模块，用于将载波光频梳和本振光频梳的合束光信号经过一个偏振控制器后输入一个偏分复用双平衡调制器的光输入端，将一个中频啁啾信号和一个电控制信号分别输入所述偏分复用双平衡调制器的两个子双平衡调制器的微波输入端，并令这两个子双平衡调制器均工作在载波抑制单边带状态，令所述偏分复用双平衡调制器输出的光信号经过一个检偏器；
[0019]
通道处理模块，用于将经过检偏器后的光信号划分为n个光信道，第i个光信道中包含载波光频梳的第i个梳齿和本振光频梳的第i个梳齿；将所述n个光信道光电转换为n个子电啁啾信号并进行延时匹配；从所述n个子电啁啾信号中选取其中连续的若干个子电啁啾信号进行拼接组合，得到中心频率、带宽和时宽可重构的啁啾信号。
[0020]
优选地，通过带宽和中心频率可调的n个光滤波器，或可编程光处理器进行所述光信号的划分。
[0021]
进一步地，幅相频调控模块通过对所述n个子电啁啾信号的幅度、相位和中心频率这三个参数中的至少一个进行调整，以对所述可重构的啁啾信号的参数进行调控。
[0022]
更进一步地，通过改变所述偏分复用双平衡调制器的偏置电压来调整所述n个子电啁啾信号的相位，通过改变所述检偏器的检偏角度来调整所述n个子电啁啾信号的幅度，通过改变所述电控制信号的频率来调整所述n个子电啁啾信号的中心频率。
[0023]
优选地，载波光频梳和本振光频梳满足以下条件：
[0024]
nδf f0 b＜fs[0025]
其中，δf为所述梳齿间隔之差，f0、b分别为所述中频啁啾信号的起始频率、带宽，fs为载波光频梳的梳齿间隔。
[0026]
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
[0027]
采用本发明技术方案，所产生的啁啾信号的中心频率、带宽和时宽均可灵活地进行大范围重构，最重要的是，产生的啁啾信号的中心频率、相位和幅度也可以在光域上被操控，增加了产生信号的灵活性。
附图说明
[0028]
图1为本发明光子可重构波形产生装置一个具体实施例的结构示意图；
[0029]
图2为本发明光子可重构波形产生装置的原理示意图。
具体实施方式
[0030]
针对现有啁啾信号产生技术的不足，本发明的思路是基于双光梳技术，利用多信道组合拼接的方式将电中频啁啾信号扩展成中心频率、带宽和时宽可重构的啁啾信号，另外所产生啁啾信号的中心频率、相位、幅度可通过光域控制，最终得到幅相频可控的可重构
啁啾信号。
[0031]
本发明所提出的光子可重构波形产生方法，具体如下：
[0032]
产生一对偏振正交且梳齿数均为n，梳齿间隔之差为定值的光频梳：载波光频梳和本振光频梳，n为大于1的整数；将载波光频梳和本振光频梳的合束光信号经过一个偏振控制器后输入一个偏分复用双平衡调制器的光输入端，将一个电中频啁啾信号和一个电控制信号分别输入所述偏分复用双平衡调制器的两个子双平衡调制器的微波输入端，并令这两个子双平衡调制器均工作在载波抑制单边带调制模式，令所述偏分复用双平衡调制器输出的光信号经过一个检偏器；将经过检偏器后的光信号划分为n个光信道，第i个光信道中包含载波光频梳的第i个梳齿和本振光频梳的第i个梳齿；将所述n个光信道光电转换为n个子电啁啾信号并进行延时匹配；从所述n个子电啁啾信号中选取其中连续的若干个子电啁啾信号进行拼接组合，得到中心频率、带宽和时宽可重构的啁啾信号。
[0033]
本发明所提出的光子可重构波形产生装置，包括：
[0034]
偏振正交光频梳产生模块，用于产生一对偏振正交且梳齿数均为n，梳齿间隔之差为定值的光频梳：载波光频梳和本振光频梳，n为大于1的整数；
[0035]
幅相频调控模块，用于将载波光频梳和本振光频梳的合束光信号经过一个偏振控制器后输入一个偏分复用双平衡调制器的光输入端，将一个中频啁啾信号和一个电控制信号分别输入所述偏分复用双平衡调制器的两个子双平衡调制器的微波输入端，并令这两个子双平衡调制器均工作在载波抑制单边带状态，令所述偏分复用双平衡调制器输出的光信号经过一个检偏器；
[0036]
通道处理模块，用于将经过检偏器后的光信号划分为n个光信道，第i个光信道中包含载波光频梳的第i个梳齿和本振光频梳的第i个梳齿；将所述n个光信道光电转换为n个子电啁啾信号并进行延时匹配；从所述n个子电啁啾信号中选取其中连续的若干个子电啁啾信号进行拼接组合，得到中心频率、带宽和时宽可重构的啁啾信号。
[0037]
为了便于公众理解，下面通过一个具体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：
[0038]
如图1所示，本实施例的光子可重构波形产生装置，包括：偏振正交光频梳产生模块、幅相频调控模块、通道处理模块，以及图1中未示出的直接信号发生器(dds)、微波源、直流电源；偏振正交光频梳产生模块用于产生一对偏振正交且梳齿数均为n，梳齿间隔之差为定值的光频梳：载波光频梳和本振光频梳，n为大于1的整数；幅相频调控模块用于将载波光频梳和本振光频梳的合束光信号经过一个偏振控制器后输入一个偏分复用双平衡调制器的光输入端，将一个电中频啁啾信号和一个电控制信号分别输入所述偏分复用双平衡调制器的两个子双平衡调制器的微波输入端，并令这两个子双平衡调制器均工作在载波抑制单边带调制模式，令所述偏分复用双平衡调制器输出的光信号经过一个检偏器；通道处理模块用于将经过检偏器后的光信号划分为n个光信道，第i个光信道中包含载波光频梳的第i个梳齿和本振光频梳的第i个梳齿；将所述n个光信道光电转换为n个子电啁啾信号并进行延时匹配；从所述n个子电啁啾信号中选取其中连续的若干个子电啁啾信号进行拼接组合，得到中心频率、带宽和时宽可重构的啁啾信号。
[0039]
其中，偏振正交光频梳产生模块可采用各种现有技术实现，例如以下现有文献所公开的方式：[陈之文.基于多频光本振的微波光子宽带射频接收技术研究[d].南京航空航
天大学,2019]，[谢晨旭.基于偏振调制的微波光子信道化技术研究[d].南京航空航天大学，2020.]。
[0040]
幅相频调控模块通过一个偏分复用双平衡调制器实现，为了更灵活地对所生成啁啾信号的参数进行重构，在其光输入端之前接有一个偏振控制器，在其光输出端之后接有一个检偏器。如图1所示，一个偏分复用双平衡调制器由两个子双平衡调制器和一个偏振分束器、一个偏振合束器、一个偏振旋转片构成。
[0041]
本实施例中的通道处理模块采用可编程光处理器进行所述光信道的划分，并采用一组可调光延时线(vodl)在光域进行所述延时匹配，采用可编程电处理器进行所述子电啁啾信号的拼接组合；当然也可采用其他现有技术实现，例如，通过带宽和中心频率可调的n个光滤波器来实现光信道的划分，也可以通过一组可调电延时线实现所述延时匹配。
[0042]
假设将偏振正交光频梳产生模块所生成的一对偏振正交的双光梳中初始频率为f1,频率间隔为fs的光梳作为载波光频梳，初始频率为f1,频率间隔为f
l
的光频梳作为本振光频梳，梳齿数量都为n，并且载波光频梳和本振光频梳的频率间隔满足关系：fs＝f
l
δf，他们的光场可以表示为：
[0043][0044]
其中an，bn(n＝1,2
…
n)是各个频率分量的幅度。
[0045]
然后偏振正交的双光梳经过偏振控制器后被发送到偏分复用双平衡调制器，该调制器由两个子双平衡调制器组成。直接信号发生器产生起始频率为f0,带宽为b，时宽为τ的电中频啁啾信号，该啁啾信号调制到上路子双平衡调制器的载波光频梳，通过调节偏置电压使其工作在载波抑制双边带状态，上路子双平衡调制器的输出光场可以表示为：
[0046][0047]
其中cn为各个频率分量的幅度，为两个边带的相位差，其值与偏置电压有关，满足关系：v
bias
和v
π
分别为上路子调制器的偏置电压和半波电压。
[0048]
本振光频梳被发送到下路的子双平衡调制器，然后被微波源发射的电控制信号调制，调制偏置电压使调制器工作在载波抑制单边带状态，下路子双平衡调制器的输出光场可以表示为：
[0049][0050]
其中dn为各个频率分量的幅度，f
cs
为电控制信号的频率。当符合为“ ”时，表示只保留正一阶边带，当符号为
“‑”
时表示只保留负一阶边带。
[0051]
经过调制后的光信号是偏振正交的，然后进入到检偏器转换为线偏振光，本实施
例用的检偏器是由偏振控制器和偏振分束器组成，通过调节偏振控制器，相互垂直的偏振光可以变成线偏振光，检偏器输出的光信号可以表示为：
[0052]eout
＝cosαe
upper
sinαe
lower
ꢀꢀ
(4)
[0053]
其中α为检偏器的检偏角度。
[0054]
经过检偏的光信号被发送到可编程光处理器中，信号光频梳的其中一个边带被滤除，每个信道对应的信号分量经过滤波后得到1，2，
…
n信道的光场分别为：
[0055][0056]
每个信道经过可调光延时线进行延时匹配，其中1,2，
…
n信道对应的延时量分别为t1，t2…
tn，延时后的每个信道的光场可以表示为：
[0057][0058]
延时匹配后光信号被发送到光电探测阵列被转换为电啁啾信号，电啁啾信号的表达式为：
[0059][0060]
由上式可见，利用双光梳产生了多个子啁啾信号，啁啾信号的中心频率可以通过选择不同的信道来改变，每个信道的相位可以通过改变上路子调制器的偏置电压来实现，每个信道的幅度可以通过改变检偏器的检偏角度来实现，并且啁啾信号的中心频率还可以通过改变电控制信号的频率来改变。然后子啁啾信号经过可编程电处理器拼接组合之后可以得到中心频率、带宽和时宽任意可重构的啁啾信号，组合后的啁啾信号可以表示为：
[0061][0062]
通过子信道的拼接组合，最终产生的啁啾信号的带宽和时宽得到极大的扩展，并且中心频率可以任意编辑，产生的啁啾信号的相位、幅度和中心频率也可以在光域进行调节。图2给出了本实施例的各个过程的光谱/频谱示意图。
[0063]
为了使信号光频梳和本振光频梳不发生重叠，需要满足下面的关系式：
[0064]
nδf f0 b＜fsꢀꢀ
(9)
[0065]
如果δf＝b,那么拼接之后的啁啾信号将会是连续的，选择信道1，2
…
n拼接，将会得到带宽为n*b，时宽为n*τ的大时宽带宽的啁啾信号。如果选择信道m,m 1,
…
n-1,n(m为拼接的第一个信道,m《n)拼接，那么将会得到带宽为(n-m 1)*b,时宽为(n-m 1)*τ的可重构的啁啾信号。如果δf≠b，拼接之后的啁啾信号会发生重叠，影响产生的啁啾信号的质量，这样的情况应该尽量避免。