本发明专利技术提供了一种微波光子多普勒频移测量系统及其调节方法，射频信号和回波信号通过偏振复用马赫‑曾德尔调制器实现电光调制，结合平衡探测，通过数字信号处理，得到鉴频信息实现宽带射频信号多普勒频移测量，同时使平衡探测器探测出的光电流中抑制二阶交调失真，从而大幅度提高该多普勒频移测量系统的测量性能。本发明专利技术采用一种宽带微波光子多普勒频移测量系统，射频信号以推挽模式驱动PDM‑MZM，通过PBS和平衡探测抑制二阶交调失真。本发明专利技术结构简单，具有很强的可操作性；可采用对称度高的调制器、精准的偏压控制、响应度平衡性好且共模抑制比高的BPD来提高二阶交调失真的抑制效果，实现高精度的宽带微波光子多普勒频移测量。
A Microwave Photon Doppler Frequency Shift Measurement System and Its Adjustment Method
【技术实现步骤摘要】
一种微波光子多普勒频移测量系统及其调节方法
本专利技术涉及微波光子测量领域，尤其是微波光子多普勒频移测量及其调节方法。
技术介绍
如今微波技术已经被广泛的应用于城市环境和国防领域。而作为微波技术中最为重要基础应用微波测量技术更是在航空航天航海、通信、雷达防御系统、智能交通系统及医疗健康系统中得到了广泛的应用。多普勒雷达是利用多普勒效应获取远距离目标速度数据的专用雷达，广泛应用于航空、气象、放射、医疗等领域。对这些多普勒雷达系统的一个关键挑战是在宽带频率范围内高分辨率测量多普勒频移(DFS)。虽然采用传统电子技术实现的DFS估计具有高稳定性、高分辨率的优良性能，但由于电瓶颈的存在，纯电学方法难以提供上十GHz的宽工作频率范围。微波光子技术能够在较宽的频率范围内进行单一频率信号频率测量，利用这种优势可以大范围的提高多普勒频移测量的带宽，同时，微波光子技术拥有抗干扰，低功耗等优势，可以进一步的提高多普勒频移测量的性能。微波光子多普勒频移测量中回波射频信号和回波信号必须先在接收端被光载波调制，在使用光器件进行信号处理后光电探测后得到所需要信息。由于电光调制器和光电探测器的非线性，射频信号经过光载射频链路后会产生二阶交调失真，从而恶化信号质量。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种大动态范围的宽带多普勒频移测量系统及其调节方法，该微波光子多普勒频移测量系统中，射频信号和回波信号通过偏振复用马赫-曾德尔调制器(PolarizationDivisionMultiplexingMach-ZehnderModulator，PDM-MZM)实现电光调制，结合平衡探测，通过数字信号处理(DSP)，得到鉴频信息实现宽带射频信号多普勒频移测量，同时使平衡探测器探测出的光电流中抑制二阶交调失真，从而大幅度提高该多普勒频移测量系统的测量性能。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：所述微波光子多普勒频移测量系统包括激光源、PDM-MZM、掺饵光纤放大器(Erbium-dopedFiberAmplifier，EDFA)、光带通滤波器(OpticalBandPassFilter，OBPF)、光分路器、偏振控制器(PolarizationController，PC)、偏振分束器(PolarizationBeamSplitter，PBS)和平衡光电探测器(BalancedPhotodetector，BPD)，激光源的光输出端连接PDM-MZM的光信号输入端，PDM-MZM的输出端连接到EDFA输入端，EDFA的输出端连接OBPF输入端，OBPF的输出端连接光分路器输入端，光分路器的两个输出端分别各自连接一个PC，每一个PC的另一端连接一个PBS的公共输入端，PBS的两个输出端分别连接到BPD的两个光信号输入端；其中发射射频信号连接PDM-MZM的一个子调制器的射频端口，回波射频信号连接PDM-MZM的另一个子调制器的射频端口；所述PDM-MZM由一个Y型光路器、两个并行的MZM、一个90度偏振旋转器(PolarizationRotator，PR)和一个偏振合束器(PolarizationBeamCombiner，PBC)组成，两个并行的MZM分别为X-MZM和Y-MZM，Y-MZM的输出端连接90度PR，将信号进行90度偏振旋转，经PR后的光信号与X-MZM调制器输出的光信号共同输入PBC，光信号在PBC合并后从PDM-MZM输出；从激光源输出的光信号注入到PDM-MZM中，X-MZM和Y-MZM的偏置点均通过直流偏压进行控制，使得X-MZM和Y-MZM工作在最小点，发射射频信号和回波射频信号分别连接子调制器X-MZM和子调制器Y-MZM的射频端口，PDM-MZM输出的光信号依次通过EDFA和OBPF，将光信号放大后滤出上边带，再通过光分路器将光信号分为两路，每一路光信号经过偏振控制器PC和偏振分束器PBS，通过PC上的三个拨片旋转调节光信号偏振角和相位差，每路PBS后的两个光信号分别进入BPD两个输入端，光电探测后得到光电流，两路光电流在BPD中相减，输出携带多普勒频移信息的光电流，该光电流即包含多普勒频移信息。所述微波光子多普勒频移测量系统的调节方法的详细步骤如下：步骤1：分别定义激光源输出的光信号、发射射频信号和回波射频信号为：E(t)＝E0exp(j2πfct)(1)Es(t)＝Vssin(2πfst)(2)Em(t)＝Vmsin(2πfst+2πfdt)(3)其中E0为激光源输出光信号的电场幅度，fc为光信号的频率，Vs是发射信号的幅度，fs是发射信号的频率，Vm是回波信号的幅度，fd为回波信号的多普勒频移，使得X-MZM和Y-MZM工作在最小点，输出调制后的光信号为：其中，mX＝πVS/Vπ为X-MZM的调制指数，Vπ是调制器的半波电压；使调制器Y-MZM工作在最小点，输出调制后的光信号为：其中，mY＝πVm/Vπ为Y-MZM的调制指数；步骤2：两个子调制器X-MZM和Y-MZM输出光信号经过PR和PBC后变为一路偏振复用光信号，进入EDFA对输出信号进行放大，再进入OBPF，该OBPF提取偏振复用光信号的上边带或下边带的其中一个，则光滤波器输出为上边带或下边带的偏振复用光信号，假设光滤波器输出上边带光信号，则其中一个偏振态包含发射射频调制信息：EX_O(t)＝AXexp(j2πfct)×exp(j2πfst)(6)其中AX表示发射射频调制信息的强度，另一偏振态包含回波射频调制信息：EY_O(t)＝AYE0exp(j2πfct)×exp[j2π(fs+fd)t](7)其中AY表示回波射频调制信息的强度；步骤3：单边带的偏振复用光信号通过光分路器分为两路，分别记为I路和Q路，每路光信号均依次通过偏振控制器PC和偏振分束器PBS，其中I路中PBS两个端口输出的光信号分别表示为：Ea(t)＝EX_O(t)cosα+EY_O(t)sinαexp(jθ)(8)Eb(t)＝EX_O(t)cosα-EY_O(t)sinαexp(jθ)(9)其中α表示输入PBS的光信号偏振态方向与PBS主轴的夹角，θ表示光信号中两个偏振分量的相位差；PBS输出的两路光信Ea(t)和Eb(t)分别进入BPD的两个光输入口进行平衡探测，得到电信号表示为：iI(t)∝|Ea(t)|2+|Eb(t)|2∝AXAYsin2αcos(2πfdt+θ)(10)通过PC1调节光信号的偏振态，使I路中输入PBS的光信号偏振态方向与PBS主轴的夹角α为45度，同时调节输入PBS的光信号中两个偏振分量的相位差为θ，使该路信号两个偏振分量的相位差θ＝00，则该路电流表示为：iI(t)∝AXAYcos(2πfdt)(11)该电流即为本专利技术多普勒频移系统最终得到的I路电信号；但仅从单一I路电信号难以判断多普勒频移方向；步骤4：在Q路中PBS两个端口输出的光信号分别表示为：其中β表示输入PBS的光信号偏振态方向与PBS主轴的夹角，表示光信号中两个偏振分量的相位差；PBS输出的两路光信号Ec(t)和Ed(t)分别进入BPD的两个光输入口进行平衡探测，得到电信号表示为：通过PC2调节光信号的偏振态，使Q路中输入PBS的光信号偏振态方向与PBS主轴的夹角β为45度，同时调本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种微波光子多普勒频移测量系统，其特征在于：所述微波光子多普勒频移测量系统包括激光源、PDM‑MZM、掺饵光纤放大器、光带通滤波器、光分路器、偏振控制器、偏振分束器和平衡光电探测器，激光源的光输出端连接PDM‑MZM的光信号输入端，PDM‑MZM的输出端连接到EDFA输入端，EDFA的输出端连接OBPF输入端，OBPF的输出端连接光分路器输入端，光分路器的两个输出端分别各自连接一个PC，每一个PC的另一端连接一个PBS的公共输入端，PBS的两个输出端分别连接到BPD的两个光信号输入端；其中发射射频信号连接PDM‑MZM的一个子调制器的射频端口，回波射频信号连接PDM‑MZM的另一个子调制器的射频端口；所述PDM‑MZM由一个Y型光路器、两个并行的MZM、一个90度偏振旋转器和一个偏振合束器组成，两个并行的MZM分别为X‑MZM和Y‑MZM，Y‑MZM的输出端连接90度PR，将信号进行90度偏振旋转，经PR后的光信号与X‑MZM调制器输出的光信号共同输入PBC，光信号在PBC合并后从PDM‑MZM输出；从激光源输出的光信号注入到PDM‑MZM中，X‑MZM和Y‑MZM的偏置点均通过直流偏压进行控制，使得X‑MZM和Y‑MZM工作在最小点，发射射频信号和回波射频信号分别连接子调制器X‑MZM和子调制器Y‑MZM的射频端口，PDM‑MZM输出的光信号依次通过EDFA和OBPF，将光信号放大后滤出上边带，再通过光分路器将光信号分为两路，每一路光信号经过偏振控制器PC和偏振分束器PBS，通过PC上的三个拨片旋转调节光信号偏振角和相位差，每路PBS后的两个光信号分别进入BPD两个输入端，光电探测后得到光电流，两路光电流在BPD中相减，输出携带多普勒频移信息的光电流，该光电流即包含多普勒频移信息。...
【技术特征摘要】
1.一种微波光子多普勒频移测量系统，其特征在于：所述微波光子多普勒频移测量系统包括激光源、PDM-MZM、掺饵光纤放大器、光带通滤波器、光分路器、偏振控制器、偏振分束器和平衡光电探测器，激光源的光输出端连接PDM-MZM的光信号输入端，PDM-MZM的输出端连接到EDFA输入端，EDFA的输出端连接OBPF输入端，OBPF的输出端连接光分路器输入端，光分路器的两个输出端分别各自连接一个PC，每一个PC的另一端连接一个PBS的公共输入端，PBS的两个输出端分别连接到BPD的两个光信号输入端；其中发射射频信号连接PDM-MZM的一个子调制器的射频端口，回波射频信号连接PDM-MZM的另一个子调制器的射频端口；所述PDM-MZM由一个Y型光路器、两个并行的MZM、一个90度偏振旋转器和一个偏振合束器组成，两个并行的MZM分别为X-MZM和Y-MZM，Y-MZM的输出端连接90度PR，将信号进行90度偏振旋转，经PR后的光信号与X-MZM调制器输出的光信号共同输入PBC，光信号在PBC合并后从PDM-MZM输出；从激光源输出的光信号注入到PDM-MZM中，X-MZM和Y-MZM的偏置点均通过直流偏压进行控制，使得X-MZM和Y-MZM工作在最小点，发射射频信号和回波射频信号分别连接子调制器X-MZM和子调制器Y-MZM的射频端口，PDM-MZM输出的光信号依次通过EDFA和OBPF，将光信号放大后滤出上边带，再通过光分路器将光信号分为两路，每一路光信号经过偏振控制器PC和偏振分束器PBS，通过PC上的三个拨片旋转调节光信号偏振角和相位差，每路PBS后的两个光信号分别进入BPD两个输入端，光电探测后得到光电流，两路光电流在BPD中相减，输出携带多普勒频移信息的光电流，该光电流即包含多普勒频移信息。2.一种利用权利要求1所述微波光子多普勒频移测量系统的调节方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：分别定义激光源输出的光信号、发射射频信号和回波射频信号为：E(t)＝E0exp(j2πfct)(1)Es(t)＝Vssin(2πfst)(2)Em(t)＝Vmsin(2πfst+2πfdt)(3)其中E0为激光源输出光信号的电场幅度，fc为光信号的频率，Vs是发射信号的幅度，fs是发射信号的频率，Vm是回波信号的幅度，fd为回波信号的多普勒频移，使得X-MZM和Y-MZM工作在最小点，输出调制后的光信号为：其中，mX＝πVS/Vπ为X-MZM的调制指数，Vπ是调制器的半波电压；使调制器Y-MZM工作在最小点，输出调制后的光信号为：其中，mY＝πVm/Vπ为Y-MZM的调制指数；步骤2：两个子调制器X-MZM和Y-MZM输出光信号经过PR...
【专利技术属性】
技术研发人员：高永胜，康博超，樊养余，谭庆贵，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61
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