连续光二次函数相位调制产生线性频率调制电信号的方法技术

本发明专利技术提供了一种连续光二次函数相位调制产生线性频率调制电信号的方法，包括以下步骤：通过无源积分器对三角波或锯齿波进行积分产生二次函数型电信号；使用加载二次函数型电信号的光相位调制器，对连续光的相位进行二次函数型调制，从而产生线性频率调制的光信号；将光信号与一个固定频率的连续光在光电探测器上进行拍频，最终产生线性频率调制电信号。本方法结构简单，可产生大带宽的FMCW信号，可方便地通过改变放大器的增益系数或者被积分信号的重复频率调整FMCW信号的带宽；可通过调节连续光波长改变拍频后产生的FMCW信号的工作波长，实现连续波雷达信号的捷变可调。

【技术实现步骤摘要】
连续光二次函数相位调制产生线性频率调制电信号的方法
本专利技术涉及光学
中的调制
，尤其涉及一种连续光二次函数相位调制产生线性频率调制电信号的方法。
技术介绍
频率调制连续波(FMCW)是一种振荡频率随时间变化的电磁波信号，这种信号常用于雷达中。不同于脉冲型雷达，使用FMCW作为探测信号的雷达属于连续波雷达。连续波雷达的主要优势在于信号能量是连续发射的而不是脉冲形式，峰值功率低，使得雷达发射机容易使用固态器件实现，无脉冲辐射具有高峰值功率安全性。这一特点使得连续波雷达容易小型化集成化。现在连续波雷达常用于中短距离的测量使用：在军事中常用于引导半自动追踪型导弹，比如美国AIM-7型麻雀空对空导弹和RIM161舰载反弹道导弹；在民用中多见于自动驾驶车辆的车载雷达[1]，比如德国博世(Bosch)公司的24GHz毫米波雷达和77GHz毫米波雷达。这些雷达系统中最常见的信号调制模式即是频率调制(FM)，因为FMCW雷达具有可同时测量多个目标，可同时测量目标速度和距离，分辨率较高，信号处理复杂度低，成本相对低廉等优势，而其中最为关键的指标就是分辨率。FMCW雷达可以在测量期间改变其工作频率，频率变化方式一般为线性频率调制，即三角波扫频或锯齿波扫频，可以工作在连续发射或等幅脉冲发射状态，其距离测量是通过将接收信号的频率与参考信号进行比较实现的，而其距离分辨率(δz)是由信号带宽(B)决定的(公式1)[2]公式(1)中c代表光速。从公式(1)中可以看出，发射信号的带宽越大可实现的距离分辨率越高，从而获得更精确的距离测量结果。除此之外，从雷达设计的角度来看还有角度分辨率(δθ)和速度分辨率(δv)，其精度分别与雷达信号的工作波长(λ)，雷达口径(D)和相干接受长度(τ)有关，公式(2)[2]。从公式(1)和(2)中可以看出，为了提高雷达分辨能力，发射信号需要使用宽带宽、高频率的FMCW信号。比如距离分辨能力达到1mm，发射信号的带宽必须大于150GHz，这样宽的频率调制信号很难用纯电学方法产生，一般都要采用光子学方法。但是到目前为止，还没有一种光子学方法能同时产生频率调制速率可控的、高线性度的及宽扫频范围的FMCW信号。目前现有的或已经发表的用于产生FMCW信号的方案中采用的光源主要分为两类，一种是连续光光源，另一种是脉冲光光源。2012年美国加州理工大学的Yariv组通过光电反馈回路的方式实现了波长为1550nm半导体连续激光器的频率控制，在2ms内激光的频率线性变化了400GHz[3]。这个啁啾的连续光可以通过宽带的光电二极管(PD)转化为线性FMCW电信号。该方案通过调节半导体的注入电流控制半导体增益区的载流子密度完成了激射波长的控制，虽然实现了极大的带宽但是该方案反馈系统极为复杂并且频率变化速率较慢(200GHz/ms)而且不可实时调整。2013年中国台湾大学超快光电元件实验室使用两个分布布拉格反馈(DFB)激光器，其中一个激光器通过注入电流调制工作在扫频状态，另一个以固定频率输出，通过两束光在PD上拍频产生啁啾电信号[4]。该方案实现了约40GHz的调制带宽，频率变化速率为10.3GHz/μs。但是由于DFB注入电流的频率响应不平坦，所以该系统产生的啁啾电信号不是线性的。上述两种都是基于连续光DFB激光器产生FMCW信号的方法。与上述方法不同的，还有使用脉冲光作为光源产生频率调制信号的光子学方案。在2006年的一篇综述文章中提到，可以使用任意波形发生器(AWG)产生的二次函数型电信号加载到光相位调制器上，改变脉冲光包络内的相位，当施加的相位变化是二次调制函数时，光的电场振荡频率就随时间线性变化[5]。同年，清华大学的陈明华课题组提出了使用飞秒激光脉冲色散展宽后的脉冲与一个固定频率的激光器拍频产生线性频率调制信号，实现了带宽33GHz持续时间3.2ns的线性频率调制信号[6]。2014年渥太华大学姚建平课题组使用了文献[5]提出的二次函数型电信号光调制技术，将无啁啾的光脉冲通入到带有光相位调制器的光纤循环腔中，使得光脉冲每次经过相位调制器时都引入一个二次相位变化，经过多次的调制后(文中最多为16次循环)，产生了最大带宽为1920MHz的线性频率调制光信号[7]。这三种方案均基于脉冲光源产生线性频率调制信号，会面临脉冲重复率低，占空比小的问题，影响探测效率。
技术实现思路
本专利技术提供了一种连续光二次函数相位调制产生线性频率调制电信号的方法，本专利技术降低了对驱动光调制器的电信号发生器的带宽需求，提高了探测效率，详见下文描述：一种连续光二次函数相位调制产生线性频率调制电信号的方法，所述方法包括以下步骤：通过无源积分器对三角波或锯齿波进行积分产生二次函数型电信号；使用加载二次函数型电信号的光相位调制器，对连续光的相位进行二次函数型调制，从而产生线性频率调制的光信号；将光信号与一个固定频率的连续光在光电探测器上进行拍频，最终产生线性频率调制电信号。所述无源积分器是通过截止带宽远小于三角波或锯齿波信号频率的低通滤波器实现。所述连续光是通过两个相位锁定的DFB激光器实现，其中，一个作为主激光器，另一个作为从激光器，且通过锁相环技术锁定或边带注入锁定的方式与主激光器实现具有一定频率差的相位锁定。所述方法生成带宽为的线性频率调制电信号；其中，Vmax为加载于相位调制器上的最大电压；Ba为模拟带宽；Vπ为电光晶体的半波电压。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、对产生同样带宽的FMCW信号而言，本方法降低了对驱动光调制器的电信号发生器的带宽需求；2、可以方便地通过改变放大器的增益系数或被积分信号的重复频率，实时调整FMCW信号的带宽；3、用连续波线性FMCW信号进行雷达探测，可以提高探测效率；4、可以通过调整锁定的边带调制频率改变FMCW信号的工作波长，实现连续波雷达信号波长的捷变可调。附图说明图1为连续光二次函数相位调制产生线性频率调制电信号的原理图；图2为三角波和锯齿波积分生成二次函数型电信号的示意图；图3为二次函数型信号产生方法的示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。通过对
技术介绍
的分析可以看出，为了产生大带宽的线性FMCW信号，光子学方法是最为优选的实现手段。特别是相比于脉冲光光源而言，连续光光源产生的线性FMCW信号可以作为连续发射工作状态的雷达探测信号，具有发射功率低，信号接收检测容易等优势。本专利技术实施例即为一种基于连续光产生线性频率调制信号的光子学方法。实施例1一种连续光二次函数相位调制产生线性频率调制电信号的方法，参见图1-图3，该方法包括以下步骤：步骤一、将仅在脉冲光里存在的二次函数型相位变化通过光相位调制器引入到连续光中；如图1所示，该方法是使用加载了二次函数型电信号的光相位调制器，对连续光的相位进行二次函数型调制，从而产生线性频率调制的光信号。步骤二、该光信号与一个固定频率的连续光在光电探测器上进行拍频，最终产生线性频率调制(FMCW)电信号。本方法中采用的二次函数型电信号是使用无源积分器对三角波或锯齿波进行积分产生(积分示意图见图2)，产生出来的二次函数型电信号经过微波放大器放大后，加载在光相位调制器上，对连续光进行二次函数型本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种连续光二次函数相位调制产生线性频率调制电信号的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：通过无源积分器对三角波或锯齿波进行积分产生二次函数型电信号；使用加载二次函数型电信号的光相位调制器，对连续光的相位进行二次函数型调制，从而产生线性频率调制的光信号；将光信号与一个固定频率的连续光在光电探测器上进行拍频，最终产生线性频率调制电信号。

【技术特征摘要】
1.一种连续光二次函数相位调制产生线性频率调制电信号的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：通过无源积分器对三角波或锯齿波进行积分产生二次函数型电信号；使用加载二次函数型电信号的光相位调制器，对连续光的相位进行二次函数型调制，从而产生线性频率调制的光信号；将光信号与一个固定频率的连续光在光电探测器上进行拍频，最终产生线性频率调制电信号。2.根据权利要求1所述的一种连续光二次函数相位调制产生线性频率调制电信号的方法，其特征在于，所述无源积分器是通过截止带宽远小于三角波或锯齿波信号频率的低通...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢炤宇，杨天新，葛春风，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12