一种100捕获率的超高速大带宽射频谱仪

技术领域

本发明涉及射频谱分析领域，特别涉及一种超大带宽射频谱仪，更具体是一种100％捕获率的超高速射频谱仪。

背景技术

射频谱分析是指将时域信号变换至频域加以分析的方法，它是对场的幅度包络进行傅里叶变换得到的频谱强度。随着电磁环境的日益复杂，雷达、无线通信等领域通常要求射频谱分析仪具有实时分析能力，其主要参数包括分辨率、带宽、帧频、捕获率等。分辨率是指能恰好分辨两个频率的最小频率间隔。带宽指该系统能够工作的频率范围。帧频描述了该系统每秒能捕获的频谱数量，是系统测量速率的体现。捕获率则指对连续信号采集的程度。当前Keysight公司的型号为N9041B的商用电谱仪，尽管其可实现Hz量级分辨率，最大带宽能到110GHz，但是其刷新速率仅在Hz-kHz量级。

基于时域光学的射频谱分析仪克服了电谱仪测量速度低的缺点，它利用联合时频分布，能够直观、快速地求解给定高速时域信号的频域特性，实现实时射频谱分析。但是，基于时域光学的射频谱分析仪受限于映射机理，帧频通常在10MHz量级，带宽受限于系统失真通常在40GHz以下，同时，由于时间分析窗口不重叠，即窗口之间存在间隙，连续的时间信号会被不连续的时间分析窗口截断，因此这种方案的信号捕获率通常在50％以下，最终导致部分时间信号丢失。

为克服基于时域光学的射频谱分析仪的不足，将色散延迟线设计为满足关于脉冲采样率的整数倍的泰伯自成像条件，能够将连续且严重重叠的时间信号的频谱在系统输出端良好分辨，分辨率为340MHz，且实现了100％捕获率(S.R.Konatham,et al.,Real-timegap-free dynamic waveform spectral analysis with nanosecond resolutionsthrough analog signal processing,Nature Communications,11,3309(2020))。然而受限于时域泰伯效应机理，该方案的系统带宽仅有不到3GHz，其适用场景非常受限。因此当前技术很难同时实现100％信号捕获率、百MHz以上帧频的超高速和几十GHz以上的大带宽，导致在相关雷达等应用场景存在技术空白。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种100％捕获率的超高速大带宽射频谱仪，以弥补当前技术在信号捕获率及帧频上的不足，扩大射频分析的应用范围。

为解决上述技术问题，本发明提出的100％捕获率的超高速大带宽射频谱仪，包括由光纤连接的锁模光纤激光器、带通型光学滤波器、第一啁啾布拉格光栅、第二啁啾布拉格光栅、调制器和光电探测器；

所述锁模光纤激光器，用于产生百MHz以上重复频率的光脉冲作为泵浦信号；

所述光学滤波器，用于接收所述锁模光纤激光器发出的超高重复频率的光脉冲信号，然后滤出部分光谱用作分析窗口；

所述第一个啁啾布拉格光栅与第二啁啾布拉格光栅形成串行结构，第一啁啾布拉格光栅提供大量的二阶色散并累积少量的三阶及以上高阶色散，而第二啁啾布拉格光栅提供相反的少量二阶色散和相反的大量三阶及以上高阶色散，从而实现提供大量二阶色散的同时消除三阶及以上高阶色散；

所述调制器，用于将任意待测射频信号加载到具有大量二阶色散的同时消除三阶及以上高阶色散后的光脉冲信号上；

所述光电探测器，用于采集第二啁啾布拉格光栅的正向端口输出的脉冲信号，将该光脉冲射频信号转换成相应的电射频信号输出。

进一步的，第一个啁啾布拉格光栅与第二啁啾布拉格光栅形成串行结构，具体为，所述第一个啁啾布拉格光栅的正向端口，将光滤波后的该光脉冲信号进行色散拉伸，色散拉伸后的光脉冲信号进入所述第二啁啾布拉格光栅的反向端口；所述第二啁啾布拉格光栅的反向端口，将光脉冲信号进行第一次三阶及以上高阶色散补偿，第一次三阶及以上高阶色散补偿后被加载待测射频信号的光脉冲信号进入所述第一啁啾布拉格光栅的反向端口；所述第一个啁啾布拉格光栅的反向端口，将调制后的光脉冲信号进行色散压缩，色散压缩后的光脉冲信号进入所述第二啁啾布拉格光栅的正向端口；所述第二啁啾布拉格光栅的正向端口，将色散压缩后的光脉冲信号进行再次三阶及以上高阶色散补偿。

更进一步的，所述第一个啁啾布拉格光栅将光脉冲信号进行色散拉伸，并使某个时间分析窗口内的连续时间信号的频谱信息不与相邻时间分析窗口发生混叠。

优选的，本发明的100％捕获率的超高速大带宽射频谱仪，具有下列参量特性：

其中，T

另优选的，本发明的100％捕获率的超高速大带宽射频谱仪，具有下列参量特性：

其中，光脉冲信号的重复频率为f

优选的，所述滤波器为带通型光学滤波器。

本发明的具体原理如下：

1)超高重复频率的锁模光纤激光器输出脉冲信号，设其时域周期为T

2)第一啁啾布拉格光栅与第二啁啾布拉格光栅的串联组合对滤波后的光脉冲进行色散拉伸。通过合理设计色散，实现大二阶色散、三阶及以上高阶色散近乎为零的色散组合。假定色散组合的总色散量为Φ，则脉冲包络A

式中，A

其中，FT表示对信号的傅里叶变换。

3)调制器将待测时间信号u(t)加载到拉伸光脉冲上，设该信号具有Δω

A'

4)啁啾布拉格光栅组合的相反端口进行压缩，此时色散组合的总色散量为-Φ，则最终输出的光脉冲包络变为v(t)：

由公式(4)可知，待测时间信号u(t)首先在时间上被孔径函数A

Δt＝|Φ|Δω ⑸

在现有的实时射频分析方案中，为了避免信号混叠，都不允许让拉伸脉冲发生重叠，以用公式描述为：

T

然而，不重叠的拉伸脉冲间存在间隙，当加载连续的时间信号时，这种由存在间隙的拉伸脉冲构成的不连续的时间分析窗口将会导致连续时间信号在加载时被窗口截断，信息发生丢失，也即无法实现100％捕获率。

而本发明研究发现，当色散量大到使拉伸脉冲发生部分重叠时，根据公式(4)，待测连续时间信号的频谱信息将同时出现在与其对应的多个时间分析窗口内，也即时间分析窗口重叠的实质是重叠部分对应的待测连续时间信号的频谱信息将在多个时间分析窗口内重复出现，而不同时间分析窗口间并没有被影响。因此，当使用大色散使拉伸脉冲发生部分重叠时，只需要保证某个时间分析窗口内的连续时间信号的频谱信息不与相邻时间分析窗口发生混叠导致串扰，即可实现100％信号捕获率，用公式描述为：

其中，Δω

将f

其中，f

5)大带宽的光电探测器将光信号转换为电信号，用高速实时示波器观测，即可实现帧频为f

上述推导适用于任意脉冲宽度在ps量级及以下的超窄脉冲及任意纯二阶色散模块，在满足公式(7)的条件下，即可实现100％信号捕获率。同时，由公式(8)可知，色散量|Φ|的倒数决定了系统的帧频f

综上，理论和实验表明，本发明提出的100％捕获率的超高速大带宽射频谱仪，能实现100％捕获率、百MHz以上的测量帧频和几十GHz以上的测量带宽，较好地填补了当前技术空白。此外，采用体积与损耗都较小的啁啾布拉格光栅，能有效减小射频谱仪的体积并提高系统信噪比。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明；但本发明的适用于时域光学的大带宽任意二阶色散模块及调制器不局限于实施例。

图1为本发明具体实施的100％信号捕获的超高速射频分析仪结构示意图。

图2(a)为实施案例一中的经色散拉伸后部分重叠的时间分析窗口。

图2(b)为实施案例一中的在时间分析窗口上加载连续射频信号调制。

图2(c)为实施案例一中的最终输出射频谱。

图3为实施案例一中射频谱仪的带宽表征图。

图4为实施案例一中射频谱仪的映射准确度表征图。

图5为实施案例一中射频谱仪的分辨率表征图。

图6(a)为实施案例二中的经色散拉伸后部分重叠的时间分析窗口。

图6(b)为实施案例二中的在时间分析窗口上加载连续射频信号调制。

图6(c)为实施案例二中的最终输出射频谱。

图7为实施案例二中射频谱仪的带宽表征图。

图8为实施案例二射频谱仪的映射准确度表征图。

图9为实施案例二射频谱仪的分辨率表征图。

图10(a)为实施案例二射频谱仪实时识别单频信号与扫频信号组合的能力表征图。

图10(b)为实施案例二给定时刻信号的识别结果。

图11(a)为实施案例二射频谱仪实时识别单频信号与跳频信号组合的能力表征图。

图11(b)为实施案例二给定时刻信号的识别结果。

具体实施方式

如图1所示的本发明具体实施的100％捕获率的超高速实时射频谱仪示意图，该图不是实际器件的连接图。100％捕获率的超高速实时射频谱仪包括由光纤连接的锁模光纤激光器1、带通型光学滤波器2、第一啁啾布拉格光栅的正向端口3、第二啁啾布拉格光栅的反向端口4、调制器5、第一啁啾布拉格光栅的反向端口6、第二啁啾布拉格光栅的正向端口7、光电探测器8。

其中，锁模光纤激光器1利用现有成熟产品，其产生百MHz以上重复频率的超高帧频光脉冲作为泵浦信号，使本发明的射频谱仪具备超高速性能。

带通型光学滤波器2接收锁模光纤激光器发出的超高重复频率的光脉冲信号，然后滤出部分光谱用作分析窗口。

所述第一个啁啾布拉格光栅与第二啁啾布拉格光栅形成串行结构，第一啁啾布拉格光栅提供大量的二阶色散并累积少量的三阶及以上高阶色散，而第二啁啾布拉格光栅提供相反的少量二阶色散和相反的大量三阶及以上高阶色散，从而实现提供大量二阶色散的同时消除三阶及以上高阶色散，从而避免三阶及以上高阶色散引起的脉冲展宽以及非线性映射，进而扩大了系统的测量带宽。

串行结构具体为，第一个啁啾布拉格光栅的正向端口3将光滤波后的该光脉冲信号进行色散拉伸，第二啁啾布拉格光栅的反向端口4将拉伸后的光脉冲信号进行第一次三阶及以上高阶色散的补偿；调制器5将任意待测射频信号加载到拉伸后的光脉冲信号上；第一个啁啾布拉格光栅的反向端口6将所述调制器调制后的光脉冲信号进行色散压缩；第二啁啾布拉格光栅的正向端口7将色散压缩后的光脉冲信号进行再次三阶及以上高阶色散补偿。

完全不同于现有基于时域光学的射频谱分析仪不允许色散拉伸产生重叠的特征，本发明的射频谱仪的光脉冲信号中大量的二阶色散使得拉伸的光脉冲发生部分重叠，消除了实时时间分析窗口的间隙，从而确保加载射频信号的100％信号捕获。同时，在光脉冲信号进行色散拉伸的基础上，使某个时间分析窗口内的连续时间信号的频谱信息不与相邻时间分析窗口发生混叠，从而克服了因色散拉伸容易产生的相邻时间分析窗口信号混叠导致的信号串扰。同时满足上述两个目的，本发明的射频谱仪具有下列参量特性：

其中，T

时频域变换的表达，如下列参量特性：

其中，光脉冲信号的重复频率为f

此外，啁啾布拉格光栅的体积与损耗都较小，能有效减小系统体积并提高系统信噪比。

下表1给出了不同色散量|Φ|时，本发明可同时实现的几组指标示例，其中模拟带通型光学滤波器的中心波长为1550nm，3dB带宽为1.5nm，调制方式选用单边带调制，并模拟59GHz的电学带宽限制。

表1不同色散量下本发明可同时实现的指标参数。

实施例一

为了验证本方案理论可实现一种100％捕获率的超高速实时射频谱分析仪，本方案仿真演示了一种帧频达到500MHz、带宽大于100GHz、分辨率可达400MHz的100％捕获率的实时射频谱分析仪，验证了本方案可实现100％捕获率的超高速实时射频谱分析仪。

图1给出了本发明具体实施的一种100％捕获率的超高速实时射频谱分析仪示意图。

图2(a)给出了重复频率为500MHz的光脉冲经色散拉伸后部分重叠，呈现出了明显的干涉图样。其中，色散模块模拟消除三阶及以上高阶色散，总色散量为Φ＝3000ps

图2(b)给出了当强度调制器将5GHz的余弦信号加载到拉伸脉冲上时，信号被100％捕获。

图2(c)给出了该5GHz余弦信号最终在时域上映射的射频谱，采用单边带载波抑制调制方式，在每个时间分析窗口内仅在泵浦脉冲(强度降低的脉冲)的右侧映射出脉冲，相邻时间分析窗口的间隔为2ns，对应着500MHz帧频。

图3为本射频谱仪的带宽表征图，验证了大于100GHz的工作带宽。

图4为本射频谱仪的映射准确度表征图。射频信号从2GHz扫频至100GHz，实际映射出的频率与设定频率一致。

图5为本射频谱仪的分辨率表征图。模拟59GHz的实时示波器带宽限制下，在本射频谱仪的系统带宽内，分辨率均在400MHz以下。

实施例二

为了验证本方案实际可实现一种100％捕获率的超高速实时射频谱分析仪，根据公式(8)，系统的帧频可根据实际需求任意选择，本方案中实验实施了一种帧频为233MHz、带宽大于60GHz、分辨率可达600MHz的100％捕获率的实时射频谱分析仪，验证了本方案可实现100％捕获率的超高速实时射频谱分析仪。

本发明具体实验实施的一种100％捕获率的超高速实时射频谱分析仪示意图仍为图1所示。

图6(a)给出了重复频率为233MHz的光脉冲经色散拉伸后部分重叠，呈现出了明显的干涉图样。其中，第一、第二啁啾布拉格光栅组合的色散经合理设计，其总色散量为Φ＝4320ps

图6(b)给出了当强度调制器将5GHz的余弦信号加载到拉伸脉冲上时，信号被100％捕获，其中强度调制器的带宽为40GHz。

图6(c)给出了该5GHz余弦信号最终在时域上映射的射频谱，由于采用双边带载波抑制调制方式，在每个时间分析窗口内呈现出了两个对称的脉冲，相邻时间分析窗口的间隔为4.29ns，对应着233MHz帧频。

图7为本射频谱仪的带宽表征图，受限于强度调制器的40GHz带宽，超过40GHz的信号功率明显衰减，但仍然验证了大于60GHz的工作带宽。

图8为本射频谱仪的映射准确度表征图。射频信号从1GHz扫频至60GHz，实际映射出的频率与设定频率一致。

图9为本射频谱仪的分辨率表征图。使用70GHz带宽的高速PD探测，并在Keysight公司的型号为DSAZ594的实时示波器上观测，在系统带宽内，分辨率均在600MHz以下。

图10(a)表征了本射频谱仪对10GHz的单频信号与6-14GHz的扫频信号组合的实时频率识别能力。其中每个环程代表4.29ns的时间间隔，即233MHz帧频。在任意给定时刻，两个信号的频率可以被准确识别出来。单频信号的频率不随时间变化，在图中呈现为一条平直线；而扫频信号的频率随时间连续变化，在图中呈现为一条连续斜线。

图10(b)为图10(a)中三条虚线对应时刻的频率识别结果，两个信号被准确地分辨，且当两个信号的频率靠近时，出现了明显的干涉现象。

图11(a)表征了本射频谱仪对2-6GHz的扫频信号与8-12GHz的跳频信号组合的实时频率识别能力。在任意给定时刻，两个信号的频率同样可以被准确识别出来。同样的，扫频信号的频率随时间连续变化，在图中呈现为一条连续斜线；而跳频信号的频率在一段时间内保持不变，随后突然跳变为另一个频率，在图中呈现出不连续的台阶状。

图11(b)为图11(a)中三条虚线对应时刻的频率识别结果，两个信号被准确地分辨。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。