本發(fā)明涉及射頻頻譜分析
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及射頻頻譜的超快測量方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：射頻頻譜分析技術(shù)在無線通信、雷達(dá)系統(tǒng)、射電天文學(xué)等諸多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。目前，關(guān)于射頻頻譜分析技術(shù)的研究主要朝著高分辨率、高帶寬以及高測量速率三個(gè)方向發(fā)展。傳統(tǒng)的基于電子學(xué)的射頻頻譜分析技術(shù)可以做到超高的頻譜分辨率，但是由于電子瓶頸的存在，其難以做到超大帶寬和超快的測量速率。近年來，隨著微波光子學(xué)的迅速發(fā)展，基于光子輔助的射頻分析方法得到了廣泛的研究。借助于光學(xué)的大帶寬和高速率，基于光子輔助的射頻頻譜分析可以突破傳統(tǒng)電子學(xué)方法所存在的技術(shù)瓶頸，從而實(shí)現(xiàn)超大的測量帶寬。目前，已有很多基于微波光子學(xué)的射頻頻譜測量方案相繼被提出，其中，較為典型的方案主要分為三類。第一類是通過光學(xué)功率監(jiān)測來進(jìn)行頻率測量。在這類方案中，待測射頻信號被調(diào)制到光信號上，通過一定的光學(xué)技術(shù)手段建立待測頻率與輸出光功率之間的一一對應(yīng)關(guān)系，最后通過測量輸出光功率的大小來反推出待測射頻信號的頻率。這類方案可以實(shí)現(xiàn)較高的頻譜分辨率以及較大的測量帶寬(BuiL.A.etal.Instantaneousfrequencymeasurementsystemusingopticalmixinginhighlynonlinearfiber.OpticsExpress，2009，vol.17,no.25,22983-22991)。但是由于待測頻率與輸出光功率之間的一一映射關(guān)系，使得其只適用于測量單一頻率的射頻信號，因此也無法對快速變化的頻譜進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。第二類是基于光學(xué)分信道的方案，其中較為典型的方法是用待測射頻信號調(diào)制單色光信號得到對應(yīng)于射頻頻率的光學(xué)邊帶，再通過光學(xué)濾波濾出所有的邊帶并測量其強(qiáng)度從而得出待測信號的頻譜。由于光學(xué)濾波器帶寬的局限，這種方法難以實(shí)現(xiàn)較高的頻譜分辨率。而這類方案中的另一種方法則很好地解決了這一問題，其具體做法是利用色散將超短脈沖展寬得到其時(shí)域光譜，待測射頻信號通過強(qiáng)度調(diào)制加載到時(shí)域光譜上，再通過光學(xué)濾波的方法對調(diào)制后的光信號實(shí)現(xiàn)時(shí)域采樣從而恢復(fù)出待測信號的波形，最后通過數(shù)字信號處理得到待測信號頻譜(WangC.andJ.Yao.Ultrahigh-resolutionphotonic-assistedmicrowavefrequencyidentificationbasedontemporalchannelization.MicrowaveTheoryandTechniques,IEEETransactionson,2013,vol.61,no.12,4275-4282)。這種方法以較低的光學(xué)濾波帶寬要求實(shí)現(xiàn)了大測量范圍以及高頻譜分辨率，但是由于最后數(shù)字信號處理環(huán)節(jié)的存在，其測量速率存在較大的局限性，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的頻譜測量，因此不適用于頻譜快速變化的應(yīng)用場景。第三類是基于超短脈沖時(shí)域傅里葉變換的方案，超短脈沖經(jīng)過正色散光纖展寬實(shí)現(xiàn)傅里葉變換，得到其時(shí)域光譜，待測射頻信號通過強(qiáng)度調(diào)制加載到時(shí)域光譜上，再通過一段負(fù)色散光纖實(shí)現(xiàn)反傅里葉變換將調(diào)制后的時(shí)域光譜轉(zhuǎn)換到時(shí)域上，所得輸出信號的時(shí)域波形即對應(yīng)于待測信號的頻譜(待測信號的每一個(gè)頻率分量對應(yīng)于一個(gè)超短脈沖)，最后通過自相干的方法測出輸出信號的時(shí)域波形即可得到待測信號的頻譜(R.E.Sapersteinetal.Demonstrationofamicrowavespectrumanalyzerbasedontime-domainopticalprocessinginfiber.OpticsLetters,2004,vol.29,no.5,501-503)。這種方案為了保證高的分辨率需要使用幾皮秒甚至飛秒量級的超短脈沖，其輸出信號的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了探測器的探測能力，因此需要用到自相干的方法來測量輸出信號的波形，這大大降低了其測量速率，使其不適用于需要超快測量的應(yīng)用場景。通過對現(xiàn)有技術(shù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的射頻頻譜測量技術(shù)難以在保證高分辨率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)超快的測量速率。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出能在保證高分辨率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)超快測量的所謂實(shí)時(shí)射頻頻譜測量的方法和系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對快速變化頻譜的實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明首先提出一種頻譜分辨率高并且可以實(shí)時(shí)測量快速變化頻譜的射頻頻譜測量方法，包括以下步驟：A、第一路超短光脈沖經(jīng)色散Φ1充分展寬以實(shí)現(xiàn)時(shí)域傅里葉變換，得到其時(shí)域光譜；B、待測射頻信號通過強(qiáng)度調(diào)制加載到所述時(shí)域光譜上；C、被調(diào)制后的時(shí)域光譜通過色散Φ2壓縮實(shí)現(xiàn)時(shí)域傅里葉反變換，得到時(shí)域攜帶待測射頻信號頻譜信息的超快光信號；D、時(shí)域攜帶待測射頻信號頻譜信息的超快光信號通過時(shí)域透鏡成像系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域拉伸得到其低速的“像”；E、將所得低速光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡蠼?jīng)校準(zhǔn)、定標(biāo)得到待測射頻信號的頻譜。步驟D分解為如下步驟：D1、時(shí)域攜帶待測射頻信號頻譜信息的超快光信號經(jīng)過一定的色散作用進(jìn)行發(fā)散，色散大小Φin為時(shí)域透鏡成像系統(tǒng)的“物距”；D2、對發(fā)散后的光信號加載時(shí)間上的二次相位實(shí)現(xiàn)時(shí)域透鏡功能，所述時(shí)域透鏡的“焦距”為Φf；D3、攜帶時(shí)間二次相位的光信號通過一定的光纖色散作用使之壓縮得到步驟D所述超快光信號的低速的“像”，色散大小Φout為時(shí)域透鏡成像系統(tǒng)的“像距”；其中，步驟A中的色散量Φ1與步驟C中的色散量Φ2需精確匹配，即Φ1＝-Φ2。其中，步驟D2中加載二次相位也即實(shí)現(xiàn)時(shí)域透鏡功能得方法主要有相位調(diào)制器和光學(xué)非線性過程兩種。其中，步驟D中所述時(shí)域透鏡成像系統(tǒng)的“物距”Φin、“焦距”Φf、“像距”Φout之間根據(jù)加載二次相位的方式需滿足一定的成像關(guān)系。本發(fā)明同時(shí)提出了一種超快射頻頻譜測量系統(tǒng)，包括第一脈沖光源，第一色散補(bǔ)償光纖，MZ強(qiáng)度調(diào)制器，第一單模光纖，時(shí)域透鏡放大系統(tǒng)，光電探測器，實(shí)時(shí)示波器；所述第一脈沖光源，用于產(chǎn)生脈寬小于1ps的超短脈沖序列；所述第一色散補(bǔ)償光纖，用于將超短脈沖充分展開以實(shí)現(xiàn)時(shí)域傅里葉變換；所述MZ強(qiáng)度調(diào)制器，用于將待測射頻信號加載到光信號上；所述第一單模光纖，用于對調(diào)制后的光信號進(jìn)行色散壓縮，實(shí)現(xiàn)反傅里葉變換；所述時(shí)域透鏡放大系統(tǒng)，用于對超快光信號進(jìn)行時(shí)域拉伸以適合于光探測器直接探測；所述光電探測器，用于將輸出的光信號轉(zhuǎn)換為電信號；所述實(shí)時(shí)示波器，用于對光電探測器輸出的電信號進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，并實(shí)時(shí)顯示；所述時(shí)域透鏡放大系統(tǒng)包括第二單模光纖，第二脈沖光源，第三單模光纖，WDM耦合器，高非線性光纖，光濾波器，第二色散補(bǔ)償光纖。所述第二單模光纖，用于對輸入光信號進(jìn)行色散作用，形成探測光；所述第二脈沖光源，用于產(chǎn)生超短脈沖序列作為初始泵浦脈沖，脈沖重復(fù)頻率與第一脈沖光源同步；所述第三單模光纖，用于對初始泵浦脈沖進(jìn)行色散作用，使其攜帶二次相位，形成泵浦脈沖；所述WDM耦合器，用于將探測光和泵浦光耦合到一起；所述高非線性光纖，用于為探測光和泵浦光之間的非線性參量混頻過程提供非線性介質(zhì)；所述光濾波器，用于將非線性參量混頻過程中產(chǎn)生的閑頻光濾出；所述第二色散補(bǔ)償光纖，用于壓縮閑頻光，得到輸入光信號的“像”。其中，所述第一色散補(bǔ)償光纖和第一單模光纖的色散量大小相等；其中，所述時(shí)域透鏡放大系統(tǒng)采用非線性四波混頻過程來實(shí)現(xiàn)時(shí)域透鏡功能；時(shí)域透鏡的“焦距”為第三單模光纖的色散量Φp的一半，即Φf＝Φp/2，其與第二單模光纖的色散量Φin以及第二色散補(bǔ)償光纖的色散量Φout需滿足成像關(guān)系：時(shí)域透鏡放大系統(tǒng)的“放大倍數(shù)”須足夠大，使得其輸出信號能夠被光電探測器準(zhǔn)確測量。其中，所述第一脈沖光源與第二脈沖光源由同一寬譜脈沖激光器進(jìn)行濾波產(chǎn)生。其中，所述第一單模光纖和第二單模光纖可以合并在一起；其中，所述光探測器為一般商用光探測器，所述實(shí)時(shí)示波器為實(shí)時(shí)連續(xù)采集模式。本發(fā)明通過光纖中的時(shí)域光信號處理過程將射頻信號的頻率信息映射為超短光脈沖的時(shí)間位置信息，超短光脈沖精細(xì)的時(shí)間尺度保證了對待測信號較高的頻譜分辨率；而通過時(shí)域透鏡放大技術(shù)對超快光信號進(jìn)行時(shí)域拉伸，使得光探測器能夠直接對其進(jìn)行探測并送入實(shí)時(shí)示波器實(shí)時(shí)顯示，從而保證了超快的測量速度，整個(gè)系統(tǒng)的測量幀速率可達(dá)100MHz。附圖說明下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說明；但本發(fā)明的超快射頻頻譜測量方法及裝置不局限于實(shí)施例。圖1為本發(fā)明具體實(shí)施的超快射頻頻譜測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2(a)為待測信號直接進(jìn)行傅里葉變換得到的頻譜圖。圖2(b)為待測信號通過本發(fā)明的測量裝置得到的仿真測量結(jié)果。具體實(shí)施方式本發(fā)明的超快射頻頻譜測量方法采用如圖1所示的超快射頻頻譜測量系統(tǒng)來具體實(shí)施，該裝置包括第一脈沖光源1，第一色散補(bǔ)償光纖2，MZ強(qiáng)度調(diào)制器3，第一單模光纖4，時(shí)域透鏡放大系統(tǒng)，光電探測器12，實(shí)時(shí)示波器13；其中，時(shí)域透鏡放大系統(tǒng)包括第二單模光纖5，第二脈沖光源6，第三單模光纖7，WDM耦合器8，高非線性光纖9，光濾波器10，第二色散補(bǔ)償光纖11。本發(fā)明具體實(shí)施的超快射頻頻譜測量方法具體包括如下步驟：1)第一脈沖光源采用鎖模光纖激光器產(chǎn)生脈寬為1ps左右、脈沖重復(fù)頻率為100MHz的超短脈沖序列，單個(gè)脈沖時(shí)域波形表示為A0(τ)，光譜表示為U0(ω)，由光纖中光脈沖線性傳輸方程可以得到經(jīng)過第一色散補(bǔ)償光纖后，輸出光信號的頻域表達(dá)式為U1(ω)＝U0(ω)exp(iΦ1ω2/2)，其中Φ1為第一色散補(bǔ)償光纖的群速度色散大小。2)經(jīng)過第一色散補(bǔ)償光纖展寬的光信號輸入強(qiáng)度調(diào)制器，待測射頻信號f(τ)通過強(qiáng)度調(diào)制加載到光信號上，被調(diào)制后的光信號可表示為A2(τ)=A1(τ)×cos[π2Vπ(Vbias+f(τ))]---(1)]]>其中Vπ為強(qiáng)度調(diào)制器的半波電壓，Vbias為強(qiáng)度調(diào)制器的直流偏置電壓，這里將其設(shè)置為Vbias＝Vπ。在f(τ)<<Vπ的條件下，可將式(1)中的余弦項(xiàng)展開并忽略三階以上項(xiàng)得到因此調(diào)制后光信號的光譜可表示為其中F(ω)為待測射頻信號的傅里葉變換。3)被調(diào)制后的光信號經(jīng)過第一單模光纖(色散量與第一色散補(bǔ)償光纖大小相等)后被映射回時(shí)域，由光纖中光脈沖的線性傳輸方程得到輸出信號光譜為由于Φ1＝-Φ2＝Φ0，則其時(shí)域表達(dá)式可寫為為計(jì)算方便，考慮待測射頻信號為單一頻率信號，即f(τ)＝acos(ω0t)，則上式可簡化為A3(τ)=-a8Vπexp(-iΦ0ω022)[A0(τ+Φ0ω0)e-iω0τ+A0(τ-Φ0ω0)eiω0τ]---(4)]]>從式(4)可以看出待測射頻信號的頻率被轉(zhuǎn)換為輸出光脈沖的時(shí)間位置，轉(zhuǎn)換關(guān)系為τ＝Φ0ω0，因此只需測得輸出光脈沖的時(shí)間位置即可計(jì)算出待測射頻信號的頻率，但是由于輸出光脈沖時(shí)間尺度為ps量級，無法直接用光電探測器準(zhǔn)確探測，因此需要進(jìn)一步通過時(shí)域透鏡放大技術(shù)進(jìn)行時(shí)間尺度的拉伸。4)由光纖中光脈沖的線性傳輸方程可以得到光信號A3(τ)經(jīng)過第二單模光纖后頻域表達(dá)式為U4(ω)＝U3(ω)exp(iΦinω2/2)，其中，Φin為第二單模光纖的群速度色散大小。5)第二光脈沖源產(chǎn)生的超短高斯脈沖(T0為脈沖半寬度)經(jīng)過第三單模光纖后得到Ap(τ)，將其寫為幅度項(xiàng)乘以相位項(xiàng)的形式為Ap(τ)＝|Ap(τ)|exp[iφp(τ)]。通過計(jì)算光纖中光脈沖的線性傳輸方程容易得到其中，Φp為第三單模光纖的群速度色散。6)WDM耦合器將光信號A4(τ)與Ap(τ)一起耦合到高非線性光纖中，通過簡并四波混頻過程產(chǎn)生閑頻光場A5(τ),根據(jù)四波混頻過程幅度與相位關(guān)系可以得到忽略泵浦脈寬引入的時(shí)間窗口限制，即認(rèn)為|Ap(τ)|≡1，則輸出閑頻光場可寫為A5(τ)∝A4*(τ)exp(-iτ2Φp)---(5)]]>7)濾波器濾出閑頻光并通過第二色散補(bǔ)償光纖后得到輸出信號光譜為其中，Φf＝Φp/2為時(shí)域透鏡的焦距色散。通過傅里葉變換得到輸出信號的時(shí)域表達(dá)式為當(dāng)滿足成像條件時(shí)，式(6)可化簡為A6(τ)=ΦfΦf+Φoutexp[-iτ22(Φout+Φf)]×12π∫U3*(-S)exp(-iτΦfSΦout+Φf)dS=ΦfΦf+Φoutexp[-iτ22(Φout+Φf)]A3*(ΦfτΦf+Φout)---(7)]]>記則式(18)可進(jìn)一步寫為A6(τ)=1Mexp[-iτ22MΦf]A3*(τM)---(8)]]>將式(4)中A3(τ)的表達(dá)式代入可以得到A6(τ)=-a8VπMexp[-iτ22MΦf]×{exp(iΦ0ω022)[A0(τM+Φ0ω0)eiω0τM+A0(τM-Φ0ω0)e-iω0τM]}---(9)]]>其光強(qiáng)表達(dá)式為I6(τ)=A6(τ)×A6*(τ)∝I0(τM+Φ0ω0)+I0(τM-Φ0ω0)---(10)]]>其中I0為第一脈沖光源產(chǎn)生的超短脈沖光強(qiáng)。從上式可以看到，射頻信號的頻率轉(zhuǎn)換成了光脈沖的時(shí)間位置信息，轉(zhuǎn)換關(guān)系為τ＝MΦ0ω0，且由于輸出脈沖相比于初始光脈沖I0在時(shí)間尺度上被拉伸了M倍，因此只要M足夠大，則輸出脈沖可以用光電探測器直接探測。8)用光電探測器將輸出光信號轉(zhuǎn)換為電信號并采用實(shí)時(shí)示波器實(shí)時(shí)顯示射頻信號的頻譜信息。圖2(a)、2(b)分別給出了待測信號直接進(jìn)行傅里葉變換得到的頻譜圖和通過本發(fā)明的測量裝置得到的仿真測量結(jié)果。從圖中可以看出，本發(fā)明的一種超快射頻頻譜測量方法及裝置可以準(zhǔn)確地對射頻信號的頻譜進(jìn)行超快測量，測量幀速率達(dá)到了100MHz。以上具體實(shí)施例僅用來進(jìn)一步說明本發(fā)明的一種超快射頻頻譜測量方法及裝置，本發(fā)明并不局限于實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)指出，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。當(dāng)前第1頁1 2 3