基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统及方法，所述系统包括：谐波扩增单元，用于对待测微波信号进行谐波扩增处理，产生多个以待测微波信号频率为基础频率的谐波扩增信号并输出，其中每个谐波扩增信号的频率是基础频率的正整数倍；信号探测单元，与所述谐波扩增单元的输出端口连接，用于对所述谐波扩增信号进行检测，实现模拟信号到数字信号的转换；信号处理单元，与所述信号探测单元的输出端口连接，用于对数字化的谐波扩增信号进行数字信号处理，实现原始信号频率的高精度估计。本发明专利技术通过对待测微波信号进行谐波扩增，再对一个或若干个谐波成分进行频率测量，可以显著提升原始信号频率的估计精度，实现频率高精度估计。

High Precision Microwave Frequency Measurement System and Method Based on Harmonic Amplification

The invention relates to a high-precision measurement system and method of microwave frequency based on harmonic amplification. The system includes: a harmonic amplification unit for harmonic amplification processing of microwave signal to be measured, generating and outputting multiple harmonic amplification signals based on the frequency of microwave signal to be measured, in which the frequency of each harmonic amplification signal is a positive integer multiple of the basic frequency; The detection unit is connected with the output port of the harmonic amplification unit for detecting the harmonic amplification signal and realizing the conversion from analog signal to digital signal. The signal processing unit is connected with the output port of the signal detection unit for digital signal processing of the digitized harmonic amplification signal and realizing the high precision estimation of the original signal frequency. By harmonic amplification of the microwave signal to be measured and frequency measurement of one or several harmonic components, the method can significantly improve the estimation accuracy of the original signal frequency and achieve high-precision frequency estimation.

【技术实现步骤摘要】
基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统及方法
本专利技术涉及微波频率测量
，尤其涉及一种基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统及方法。
技术介绍
微波信号频率的精确估计是通信、雷达、声纳以及电子对抗等领域信号处理中的一个重要问题。目前的技术方法都是针对已经数字量化的信号，在检测后端通过各种算法进行信号频率的高精度估计。其中，基于参数模型的谱估计、最大墒谱估计等方法具有频率分辨力高的优点，但对于长序列，其运算量大，不利于实时处理。而基于离散傅里叶变换(DFT)的谱分析方法，可采取快速傅里叶变换算法(FFT)，实现近于实时的信号处理和频率分辨能力。然而FFT的频率估计精度取决于信号的测量时间长度，受限于实际应用场景和观测端代价，测量时间长度不能任意延长，因而基于FFT的频率分辨力有限，一般只适用于频率的粗估计。针对此问题，现有技术中提出了若干基于FFT的提升频率估计精度的方法。其中最具代表性的是一种基于观测时间序列分段FFT相位差别的精确频率估计方法，在进行单个频点的频率检测时，能够显著提高频率估计精度。在使用hanning窗时，对于无噪声的单频点，该方法的最大检测误差相比于FFT的分辨率可以提升近三个量级。总体而言，尽管上述一些方法在提升信号频率估计精度方面具有显著的效果，但仍存在一些不可避免的问题。第一，上述算法主要依托后端的数字信号处理来提升频率估计精度，因此往往算法异常复杂，计算量大；第二，参数方法或分段FFT方法对信号的信噪比敏感，在信号信噪比较差时，频率估计精度的往往提升有限；第三，分段FFT方法不适用于窄带信号的分析，主要体现为，对于等于或低于FFT分辨率的窄带信号，该方法将无法有效区分检测到的是窄带信号还是单频信号，因而也就无法精确估计出窄带信号的载波频率和带宽；第四，FFT分段方法的频率估计精度显著依赖于时域序列窗口的类型，因而对于不同类型的信号，其精确频率估计的精度是非稳定的，需要自适应调节，这也进一步限制了该方法更适用于单个频点的测量。为此，为了进一步简化或者辅助提升后端信号处理算法的性能，本专利技术提出通过在信号检测前端，对信号实施谐波扩增预处理，来提升频率估计精度的方法。通过这种方法，不仅增加了信号在频域上的信息量，进而利用简单的算法实现频率的高精度估计，而且作为一种预处理手段，可以结合现有的常见频率估计算法，进一步提升频率估计精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决或优化现有技术中的至少一部分技术问题，提供了一种基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统及方法。本专利技术第一方面，提供了一种基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统，所述系统包括：谐波扩增单元，与微波信号输入端口连接，用于对待测微波信号进行谐波扩增处理，产生多个以待测微波信号频率为基础频率的谐波扩增信号并输出，其中每个谐波扩增信号的频率是基础频率的正整数倍；信号探测单元，与所述谐波扩增单元的输出端口连接，用于对所述谐波扩增信号进行检测，实现模拟信号到数字信号的转换；信号处理单元，与所述信号探测单元的输出端口连接，用于对数字化的谐波扩增信号进行数字信号处理，实现原始信号频率的高精度估计。在根据本专利技术所述的基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统中，可选地，所述信号处理单元包括：快速傅里叶变换子单元，用于对数字化的谐波扩增信号进行快速傅里叶变换；谐波频率估计子单元，用于基于快速傅里叶变换的结果对谐波频率进行估计；基频高精度估计子单元，用于基于谐波频率的估计结果对基础频率进行高精度估计。在根据本专利技术所述的基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统中，可选地，所述谐波扩增单元通过电光调制技术使待测微波信号在光域上产生多个谐波成分。在根据本专利技术所述的基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统中，可选地，所述谐波扩增单元包括：光源，用于输出光载波给光学频率梳产生器；光学频率梳产生器，由微波信号输入端口输入的待测微波信号电光调制，产生频率间隔等于待测微波信号频率的光学频率梳，该光学频率梳的频谱分布为待测微波信号在光载波上的谐波扩增信号频谱；所述光学频率梳产生器输出光载谐波信号；所述信号探测单元包括：光电探测器，用于进行光电转换，将光载谐波信号下变频到电域成为电谐波信号；模数转换器，用于将所述电谐波信号转换为数字信号并经由数字信号输出端口输出给信号处理单元。在根据本专利技术所述的基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统中，可选地，所述光学频率梳产生器包括：电功分器，其输入端与所述微波信号输入端口连接，用于将待测微波信号分成两路输出；第一电放大器，其输入端与电功分器的第一路输出端连接，用于对第一路微波信号进行放大；电相移器，其输入端与电功分器的第二路输出端连接，用于对第二路微波信号进行相位移动；第二电放大器，其输入端与电相移器的输出端连接，用于对相位移动后的第二路微波信号进行放大；相位调制器，其输入端与光源的输出端连接，且通过放大后的第一路微波信号进行相位调制；强度调制器，其输入端与相位调制器的输出端连接，且通过放大后的第二路微波信号进行强度调制输出光载谐波信号。在根据本专利技术所述的基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统中，可选地，所述光学频率梳产生器为单个电光调制器，单个相位调制器，单个强度调制器，多个级联或并联的相位调制器和强度调制器，或者基于声光调制器或电光调制器的循环频移器。在根据本专利技术所述的基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统中，可选地，所述谐波扩增单元为电谐波发生器，用于使待测微波信号在电域上产生多个谐波成分。在根据本专利技术所述的基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统中，可选地，所述谐波扩增单元包括：电谐波发生器，其输入端与微波信号输入端口连接，用于将输入的待测微波信号在电域生成谐波扩增信号；光源，用于输出光载波给电光调制器；电光调制器，用于利用谐波扩增信号调制由光载波输入端口输入的光载波，实现电谐波扩增信号到光域的上变换。本专利技术第二方面，提供了一种基于谐波扩增的微波频率高精度测量方法，所述方法包括：对待测微波信号进行谐波扩增处理，产生多个以待测微波信号频率为基础频率的谐波扩增信号并输出，其中每个谐波扩增信号的频率是基础频率的正整数倍；对所述谐波扩增信号进行检测，实现模拟信号到数字信号的转换；对数字化的谐波扩增信号进行数字信号处理，实现原始信号频率的高精度估计。在根据本专利技术所述的基于谐波扩增的微波频率高精度测量方法中，可选地，所述对数字化的谐波扩增信号进行数字信号处理包括：对数字化的谐波扩增信号进行快速傅里叶变换；基于快速傅里叶变换的结果对谐波频率进行估计；基于谐波频率的估计结果对基础频率进行高精度估计。实施本专利技术的基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统和方法，具有以下有益效果：本专利技术通过对待测微波信号进行谐波扩增，即在频域上产生重复频率等于原始信号频率的多个相干频率成分分布，通过对一个或若干个谐波成分的频率测量，可以显著提升原始信号频率的估计精度。附图说明图1为根据本专利技术实施例一的基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统的模块框图；图2为根据本专利技术的基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统的基本原理图；图3原始频率测量值的误差量分布和10th谐波归一化测量值的误差量分布；图4多个谐波归一化测量值误差量的统计平均结果；图5为根据本专利技术实施例二的基于谐波扩增的微波频率高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统，其特征在于，所述系统包括：谐波扩增单元，与微波信号输入端口连接，用于对待测微波信号进行谐波扩增处理，产生多个以待测微波信号频率为基础频率的谐波扩增信号并输出，其中每个谐波扩增信号的频率是基础频率的正整数倍；信号探测单元，与所述谐波扩增单元的输出端口连接，用于对所述谐波扩增信号进行检测，实现模拟信号到数字信号的转换；信号处理单元，与所述信号探测单元的输出端口连接，用于对数字化的谐波扩增信号进行数字信号处理，实现原始信号频率的高精度估计。

【技术特征摘要】
1.一种基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统，其特征在于，所述系统包括：谐波扩增单元，与微波信号输入端口连接，用于对待测微波信号进行谐波扩增处理，产生多个以待测微波信号频率为基础频率的谐波扩增信号并输出，其中每个谐波扩增信号的频率是基础频率的正整数倍；信号探测单元，与所述谐波扩增单元的输出端口连接，用于对所述谐波扩增信号进行检测，实现模拟信号到数字信号的转换；信号处理单元，与所述信号探测单元的输出端口连接，用于对数字化的谐波扩增信号进行数字信号处理，实现原始信号频率的高精度估计。2.根据权利要求1所述的基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统，其特征在于，所述信号处理单元包括：快速傅里叶变换子单元，用于对数字化的谐波扩增信号进行快速傅里叶变换；谐波频率估计子单元，用于基于快速傅里叶变换的结果对谐波频率进行估计；基频高精度估计子单元，用于基于谐波频率的估计结果对基础频率进行高精度估计。3.根据权利要求1所述的基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统，其特征在于，所述谐波扩增单元通过电光调制技术使待测微波信号在光域上产生多个谐波成分。4.根据权利要求3所述的基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统，其特征在于：所述谐波扩增单元包括：光源，用于输出光载波给光学频率梳产生器；光学频率梳产生器，由微波信号输入端口输入的待测微波信号电光调制，产生频率间隔等于待测微波信号频率的光学频率梳，该光学频率梳的频谱分布为待测微波信号在光载波上的谐波扩增信号频谱；所述光学频率梳产生器输出光载谐波信号；所述信号探测单元包括：光电探测器，用于进行光电转换，将光载谐波信号下变频到电域成为电谐波信号；模数转换器，用于将所述电谐波信号转换为数字信号并经由数字信号输出端口输出给信号处理单元。5.根据权利要求4所述的基于谐波扩增的微波频率高精度测量系统，其特征在于，所述光学频率梳产生器包括：电功分器，其输入端与所述微波信号输入端口连接，用于将待测微波信号分成两路输出；第一电放大器，其输入端与电功分器的第一路输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：高光宇，刘乃金，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11