基于光电反馈光注入扫频与受激布里渊散射效应的微波信号时频分析装置及方法

技术领域

本发明属于微波信号测量技术领域，具体涉及一种基于光电反馈光注入扫频与受激布里渊散射效应的微波信号时频分析装置及方法。

背景技术

频谱感知技术在无线通信、电子战和智能交通等领域的应用需求广泛。以电子战为例，该技术能够实时地感知并分析周围的电磁频谱环境，准确监测电磁频谱的占用及干扰状况，并迅速捕捉电磁威胁信息。频谱感知的核心功能是精确测量信号的频率信息。在信号频率信息的基础上，为了构建信号的时频二维图谱，还需要进一步获取信号的时间维度信息。现有获取信号时频二维信息的方法，如短时傅里叶变换、小波变换等，一般在数字域中完成对信号的时频分析。虽然这些方法能够获取时频信息，但其在对大带宽微波信号进行分析时面临采样率受限及数据量庞大的挑战，分析实时性受限。近年来，得益于光子技术大带宽、低损耗及抗电磁干扰等显著优势，具有大带宽、高实时性的微波光子模拟时频分析技术获得了广泛的关注，展现出巨大的应用潜力和发展前景。

目前，微波光子模拟时频分析技术主要有两条技术路线：1)基于光学色散的频率到时间映射方案；2)基于高速扫频光信号和滤波的频率到时间映射方案。早期的基于光学色散的频率到时间映射方案(Nat.Commun.,11(1):2020,Art.no.3309)实现了5ns的优秀时间分辨率，但其分析带宽和频率分辨率均受系统色散量限制，仅分别为2.43GHz和340MHz。在后续方案中(J.Lightw.Technol.,41(16):5284-5295,2023)，通过使用一个阶梯宽度约为22ps、带宽超过46GHz的复杂多电平波形，瞬时分析带宽被扩展到了数十GHz。虽然该方案对测量带宽进行了大幅扩展，但仍对色散量有较高要求。此外，由于信号分析带宽与多电平电信号的阶梯宽度之间的倒数关系，实现较大分析带宽需要采用极高速率的多电平信号。在实际应用中，对于大带宽信号的分析，产生多电平信号所面临的难度和成本是极高的。为了降低系统对色散量的要求，可以利用光纤环路实现等效的大色散量，进而大幅减小系统对所使用的色散介质的色散量要求。在相关报道中(J.Lightw.Technol.,41(19):6149-6156,2023)，通过使用长度仅为0.38m的光纤环即可以提供约4.5×10

与基于光学色散的频率到时间映射方案相比，基于高速扫频光信号和滤波的频率到时间映射方案在瞬时分析带宽和重构能力方面具有显著优势。采用高速扫频电信号调制光信号从而产生高速扫频光信号，并结合受激布里渊增益谱提供的窄带宽光滤波器，能够实现对任意微波信号进行时频分析(J.Lightw.Technol.,40(15):5052-5061,2022)，实现的频率分辨率约60MHz，瞬时分析带宽为12GHz。该方案中的频率到时间映射是在光域中通过受激布里渊增益谱来实现的，受激布里渊增益谱的光域滤波可以通过窄带电带通滤波器替代，实现类似的时频分析功能(J.Lightw.Technol.,42(1):194-200,2024)。上述两种方案中，利用高速电扫频信号调制单频光载波来实现高速光扫频信号。然而，实现大带宽的高速电扫频信号较为困难，限制了这些方案在实际应用中的可行性。

因此，基于全光高速扫频光信号的光子模拟时频分析方法被提出。其中，基于直调分布式反馈激光器的方法(IEEE Photon.Technol.Lett.,35(2):109-112,2023)在分析带宽方面存在限制。此外，直调激光器除了改变激光器输出频率外，还会同时影响激光器的输出光功率，进而对时频分析的性能造成一定的影响。采用光注入的方法能够产生高速扫频光信号，实现更大带宽的时频分析(IEEE Microw.Wirel.Technol.Lett.,34(1):135-138,2024)。然而，受到光注入产生高速扫频光信号的稳定性限制，时频分析获得的时频图质量较差，并且在频率测量时存在较大的误差，难以满足实际应用的需求。此外，该方案采用的相移光纤布拉格光栅滤波器在滤波过程中无法同时提供信号增益，且其滤波带宽难以操控，导致系统的灵活性较差。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明公开了一种基于光电反馈光注入扫频与受激布里渊散射效应的微波信号时频分析装置及方法，通过使用光电反馈环路，稳定了由光注入半导体激光器单周期振荡态产生的扫频光信号，将其与基于受激布里渊散射效应的光带通滤波器结合使用，实现了微波信号的频率-时间映射，进一步通过后补偿技术补偿扫频信号的非线性对映射结果的影响，实现了微波信号的时频参数分析。通过光电反馈环路的引入以及进一步结合受激布里渊增益谱拓宽技术，获得了更好的频率-时间映射效果，提高了基于光注入扫频的时频分析方法的频率分辨率和频率测量方法的频率测量精度。该方法在兼具光注入扫频方法低成本优势的同时，实现了测量分析性能的提升，展现出较好的应用前景。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于光电反馈光注入扫频与受激布里渊散射效应的微波信号时频分析装置，其特征在于，该装置包括主激光器、第一光耦合器、波形发生器、双驱动马赫-曾德尔调制器、从激光器、第一光环形器、第二光耦合器、第一单模光纤、可变光衰减器、光学可调延迟线、第一光电探测器、单驱动马赫-曾德尔调制器、光隔离器、第二单模光纤、窄带扫频信号发生器、双平行马赫-曾德尔调制器、掺铒光纤放大器、第二光环形器及第二光电探测器；所述主激光器的输出端口与第一光耦合器的输入端口相连，所述第一光耦合器的输出端口分别与双平行马赫-曾德尔调制器和双驱动马赫-曾德尔调制器的光学输入端口相连；所述双驱动马赫-曾德尔调制器的光学输出端口与第一光环形器的I口相连，所述从激光器的光学输入/输出端口与光环形器的II口相连，所述光环形器的III口与第二光耦合器的输入端口相连，所述第二光耦合器的输出端口分别与第一单模光纤的一端和单驱动马赫-曾德尔调制器的光学输入端口相连；所述第一单模光纤的另一端与可变光衰减器的输入端口相连，所述可变光衰减器的输出端口与光学可调延迟线的一端相连，所述光学可调延迟线的另一端与第一光电探测器的光学输入端口相连，所述第一光电探测器的电学输出端口与双驱动马赫-曾德尔调制器的一个射频输入端口相连，所述双驱动马赫-曾德尔调制器的另一个射频输入端口与波形发生器的输出端口相连；所述第二光耦合器的输出端口输出周期扫频光信号；所述系统待测信号被输入到单驱动马赫-曾德尔调制器的射频输入端口，所述单驱动马赫-曾德尔调制器的光学输出端口与光隔离器的输入端口相连，所述光隔离器的输出端口与第二单模光纤的一端相连，所述第二单模光纤的另一端与第二光环形器的II口相连；所述双平行马赫-曾德尔调制器的两个射频输入端口与窄带扫频信号发生器的两个输出端口相连，所述双平行马赫-曾德尔调制器的光学输出端口与掺铒光纤放大器的输入端口相连，所述掺铒光纤放大器的输出端口与第二光环形器的I口相连，所述第二光环形器的III口与第二光电探测器的光学输入端口相连；所述第二光电探测器的电学输出端口输出低速电脉冲信号；对低速电脉冲信号进一步处理即可获得待测信号的时频分析结果。

所述装置中，波形发生器产生周期三角波或锯齿波，对主激光器输出光信号的强度进行调制，双驱动马赫-曾德尔调制器输出的强度调制光信号注入从激光器使从激光器工作在单周期振荡态产生周期扫频光信号。

所述装置中，光注入产生的周期扫频光信号经光电反馈环路反馈到双驱动马赫-曾德尔调制器的一个射频输入端口，反馈环路与扫频光信号周期需满足傅里叶域锁模条件。

所述装置中，窄带扫频信号发生器输出的窄带扫频电信号在双平行马赫-曾德尔调制器中调制激光器输出的光信号，产生窄带扫频泵浦光；从激光器输出的扫频光信号在单驱动马赫-曾德尔调制器中被待测信号调制，产生探测光；在色散介质中，即第二单模光纤中，泵浦光和探测光相互作用，进而产生布里渊增益谱，用于对探测光进行滤波，增益谱的宽度与窄带扫频泵浦光的扫频带宽呈正相关关系。

所述装置中，探测光受泵浦光产生的布里渊增益谱作用，完成待测信号频率到时间的映射；由于经光注入产生的扫频光信号的扫频特性往往不是理想线性的，需要通过预补偿或后补偿技术补偿扫频信号非线性对映射结果的影响，从而获得更准确的待测信号时频分析与频率测量结果。

所述装置中，时频分析的带宽取决于周期扫频光信号的扫频带宽；时频分析的频段范围由周期扫频光信号的扫频带宽和扫频泵浦波中心频率共同决定。

一种采用上述装置的微波信号时频分析方法，包括如下步骤：

1)主激光器输出的连续波光信号，经过第一光耦合器分成两部分，分别注入双驱动马赫-曾德尔调制器和双平行马赫-曾德尔调制器中；

2)波形发生器产生的周期三角波或锯齿波输入到双驱动马赫-曾德尔调制器的一个射频端口对激光器输出的光信号进行强度调制，然后将产生的强度随时间线性周期变化的光信号注入到从激光器中，工作在单周期振荡态的从激光器根据注入光信号强度的周期性变化产生周期扫频光信号；

3)周期扫频光信号经过第二光耦合器分成两部分，其中一部分被注入到单驱动马赫-曾德尔调制器中，由施加在该调制器上的待测信号进行抑制载波双边带调制；另一部分经过反馈环路反馈到双驱动马赫-曾德尔调制器的另一个射频输入端口，通过调节反馈环路延时，使环路延时等于波形发生器产生的三角波或锯齿波的周期或其整数倍，以满足傅里叶域锁模条件；然后，通过可变光衰减器调节反馈环路中的反馈功率，产生稳定的周期扫频光信号；

4)窄带扫频信号发生器产生相位差为90°的两路窄带线性扫频电信号，分别输入双平行马赫-曾德尔调制器的两个射频输入端口，通过合理设置偏置点，产生抑制载波的负一阶光边带；该负一阶光边带经放大后通过第二光环形器注入到色散介质，即第二单模光纤中，作为受激布里渊散射效应的扫频泵浦光；通过调节窄带扫频信号发生器产生的窄带线性扫频电信号的扫频带宽，扫频泵浦光的带宽会随之变化，从而导致其产生的布里渊增益谱的带宽随之相应变化。

5)将单驱动马赫-曾德尔调制器输出的光信号通过光隔离器注入色散介质，即第二单模光纤中，作为受激布里渊散射效应的探测光，与反向传播的泵浦光相互作用，完成待测信号频率到时间的映射，产生了一系列承载待测信号频率信息的光脉冲；在一定的探测光扫频速率下，存在一个最优的布里渊增益谱宽度，能够产生最窄的光脉冲，因此为了达到更好的分析效果，扫频泵浦光的带宽需要与探测光的扫频速率进行合理匹配；产生的光脉冲由第二光环形器的III口输出，然后被注入到第二光电探测器中，将光脉冲转换为低速电脉冲；通过对低速电脉冲进行采集处理，能够获得待测信号的频率或时间频率信息。由于经光注入产生的扫频光信号的扫频特性往往不是理想线性的，需要通过预补偿或后补偿技术补偿扫频信号的非线性对映射结果的影响，从而获得更准确的待测信号时频分析与频率测量结果。

6)为了在时频分析中能够使用较低中心频率的窄带线性扫频电信号，可以将周期扫频光信号的最高频率f

该方法中，时频分析的带宽由周期扫频光信号的扫频带宽决定，时频分析的频段由周期扫频光信号的扫频带宽和扫频泵浦波中心频率共同决定。相比背景技术中基于光注入扫频的时频分析方案，本发明引入光电反馈环路提高光注入扫频光信号的稳定性，且与无反馈环路的结果比较，有反馈环路的时频分析系统获取待测信号的时频图更清晰、更准确；相比背景技术中使用相移光纤布拉格光栅滤波的方法，使用受激布里渊散射效应实现的滤波能够实现最佳的时频分析性能。综合来看，本发明具有优异的系统性能，为微波光子学的模拟时频分析系统提供了极具竞争力的解决方案。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为利用本发明对带宽为6GHz、周期为200μs的双啁啾线性调频信号进行时频分析的结果图，包括无反馈和无非线性后补偿条件下的分析结果、以及有反馈和有非线性后补偿条件下的分析结果；

图3为利用本发明对带宽为4GHz、周期为200μs的双啁啾线性调频信号和跳频信号进行时频分析的结果图，包括有反馈和无反馈条件下获得的分析结果，所有结果均进行了非线性后补偿；

图4为利用本发明对频率间隔分别为1GHz和3GHz的双音信号进行测量所得到的平均绝对误差。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作详细说明。其实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见图1，本发明装置包括：主激光器1、第一光耦合器2、波形发生器3、双驱动马赫-曾德尔调制器4、从激光器5、第一光环形器6、第二光耦合器7、第一单模光纤8、可变光衰减器9、光学可调延迟线10、第一光电探测器11、单驱动马赫-曾德尔调制器12、光隔离器13、第二单模光纤14、窄带扫频发生器15、双平行马赫-曾德尔调制器16、掺铒光纤放大器17、第二光环形器18及第二光电探测器19。

所述主激光器1的输出端口与第一光耦合器2的输入端口相连，所述第一光耦合器2的输出端口分别与双平行马赫-曾德尔调制器16和双驱动马赫-曾德尔调制器4的光学输入端口相连；所述双驱动马赫-曾德尔调制器4的光学输出端口与第一光环形器6的I口相连，所述从激光器5的光学输入/输出端口与光环形器6的II口相连，所述光环形器6的III口与第二光耦合器7的输入端口相连，所述第二光耦合器7的输出端口分别与第一单模光纤8的一端和单驱动马赫-曾德尔调制器12的光学输入端口相连；所述第一单模光纤8的另一端与可变光衰减器9的输入端口相连，所述可变光衰减器9的输出端口与光学可调延迟线10的一端相连，所述光学可调延迟线10的另一端与第一光电探测器11的光学输入端口相连，所述第一光电探测器11的电学输出端口与双驱动马赫-曾德尔调制器4的一个射频输入端口相连，所述双驱动马赫-曾德尔调制器4的另一个射频输入端口与波形发生器3的输出端口相连；所述第二光耦合器7的输出端口输出周期扫频光信号；所述系统待测信号被输入到单驱动马赫-曾德尔调制器12的射频输入端口，所述单驱动马赫-曾德尔调制器12的光学输出端口与光隔离器13的输入端口相连，所述光隔离器13的输出端口与第二单模光纤14的一端相连，所述第二单模光纤14的另一端与第二光环形器18的II口相连；所述双平行马赫-曾德尔调制器16的两个射频输入端口与窄带扫频信号发生器15的两个输出端口相连，所述双平行马赫-曾德尔调制器16的光学输出端口与掺铒光纤放大器17的输入端口相连，所述掺铒光纤放大器17的输出端口与第二光环形器18的I口相连，所述第二光环形器18的III口与第二光电探测器19的光学输入端口相连；所述第二光电探测器19的电学输出端口输出低速电脉冲信号；对低速电脉冲信号进一步处理即可获得待测信号的时频分析结果。

参见图2，本发明实现基于光电反馈光注入扫频与受激布里渊散射效应的微波信号时频分析，具体步骤是：

步骤一、主激光器输出的连续波光信号，经过第一光耦合器分成两部分，分别注入双驱动马赫-曾德尔调制器和双平行马赫-曾德尔调制器中；

步骤二、波形发生器产生的周期三角波或锯齿波输入到双驱动马赫-曾德尔调制器的一个射频端口对激光器输出的光信号进行强度调制，然后将产生的强度随时间线性周期变化的光信号注入到从激光器中，工作在单周期振荡态的从激光器根据注入光信号强度的周期性变化产生周期扫频光信号；

步骤三、周期扫频光信号经过第二光耦合器分成两部分，其中一部分被注入到单驱动马赫-曾德尔调制器中，由施加在该调制器上的待测信号进行抑制载波双边带调制；另一部分经过反馈环路反馈到双驱动马赫-曾德尔调制器的另一个射频输入端口，通过调节反馈环路延时，使环路延时等于波形发生器产生的三角波或锯齿波的周期或其整数倍，以满足傅里叶域锁模条件；然后，通过可变光衰减器调节反馈环路中的反馈功率，产生稳定的周期扫频光信号；

步骤四、窄带扫频信号发生器产生相位差为90°的两路窄带线性扫频电信号，分别输入双平行马赫-曾德尔调制器的两个射频输入端口，通过合理设置偏置点，产生抑制载波的负一阶光边带；该负一阶光边带经放大后通过第二光环形器注入到色散介质，即第二单模光纤中，作为受激布里渊散射效应的扫频泵浦光；通过调节窄带扫频信号发生器产生的窄带线性扫频电信号的扫频带宽，扫频泵浦光的带宽会随之变化，从而导致其产生的布里渊增益谱的带宽随之相应变化。

步骤五、将单驱动马赫-曾德尔调制器输出的光信号通过光隔离器注入色散介质，即第二单模光纤中，作为受激布里渊散射效应的探测光，与反向传播的泵浦光相互作用，完成待测信号频率到时间的映射，产生了一系列承载待测信号频率信息的光脉冲；在一定的探测光扫频速率下，存在一个最优的布里渊增益谱宽度，能够产生最窄的光脉冲，因此为了达到更好的分析效果，扫频泵浦光的带宽需要与探测光的扫频速率进行合理匹配；产生的光脉冲由第二光环形器的III口输出，然后被注入到第二光电探测器中，将光脉冲转换为低速电脉冲；通过对低速电脉冲进行采集处理，能够获得待测信号的频率或时间频率信息。由于经光注入产生的扫频光信号的扫频特性往往不是理想线性的，需要通过预补偿或后补偿技术补偿扫频信号非线性对映射结果的影响，从而获得更准确的待测信号时频分析与频率测量结果。

步骤六、为了在时频分析中能够使用较低中心频率的窄带线性扫频电信号，可以将周期扫频光信号的最高频率f

实施例

参见图1，本实施例中，主激光器1产生工作波长为1549.973nm，功率为15.5dBm的单频光。该光信号经过第一光耦合器2分成两部分，其中一部分光信号在双驱动马赫-曾德尔调制器4处被波形发生器3产生的周期为1.18μs、峰峰值为3.6V的三角波进行调制。在偏置电流为35mA、温度稳定在26.643℃的条件下，从激光器5的自由运行波长为1550.143nm。双驱动马赫-曾德尔调制器4的输出经过第一光环形器6注入到从激光器5中，通过控制注入光的强度，从激光器5工作在单周期振荡态产生周期扫频光信号。从激光器5输出的光功率为8.6dBm，经过第二光耦合器7分成两部分。其中一部分光信号经第一单模光纤8、可变光衰减器9、光学可调延迟线10输入第一光电探测器11中。在第一光电探测器11中，将周期扫频光信号转换为周期扫频电信号，并将其反馈到双驱动马赫-曾德尔调制器4的一个射频输入端口上。先调节反馈环路延时，使环路延时T

本实施例中，通过时频分析装置获得的带宽为6GHz的双啁啾线性调频信号的时频图如图2所示，其中白色虚线表示待测信号的理论时频关系位置。当反馈环路断开且未对扫频非线性带来的影响进行补偿时，如图2(a)所示，获得的时频图与理论图之间存在偏差，这是由于单周期振荡态产生的周期扫频光信号的非线性特性所引起的。为了解决周期扫频光信号的非线性对映射结果的影响，通过向时频分析系统输入已知的线性扫频信号，并记录、分析获得的失真时频关系，从而能够得到在周期扫频光信号作用下输入频率和输出频率之间的对应关系。因此，在测量任何未知的待测信号时，可以使用这种关系来校正失真的时频图，从而获得正确的时频曲线。从图2(b)可以观察到，经过后补偿的时频图与理论图一致，证明了后补偿方法的可行性。在获取图2的结果时，光注入产生的周期扫频光信号的扫频带宽为8.4GHz，扫频周期为0.59μs(对应的扫频啁啾率约为14.23GHz/μs)，系统测量的频率范围为3～11.4GHz。由于图2中垂直坐标的频率范围较大，利用光电反馈环路带来的改进在图中无法观察到。因此，在接下来的实验中，只分析4GHz带宽内的信号，以便更好地观察反馈带来的性能改进。待测信号包括双啁啾线性调频信号和跳频信号，其带宽和周期分别为4GHz和200μs。从图3中可以明显看出，待测信号的时频曲线被准确且完整地获取，且光电反馈的结果比无光电反馈的结果呈现出更好、更清晰的效果。在获取图3的结果时，光注入产生的周期扫频光信号的扫频带宽为9.2GHz，扫频周期为0.59μs(对应的扫频啁啾率为15.59GHz/μs)，系统测量的频率范围为0～9.2GHz。通过使用光电反馈环路，可以提高光注入产生的扫频光信号的稳定性，从而在使用单个周期内的脉冲进行频率测量时提高频率测量的精度。本时频分析装置使用了两组双音信号进行频率测量，并利用80个扫频周期的测量结果的平均绝对误差来评估测量性能。泵浦波的扫频范围分别设置为90、120、150、180、240和270MHz，光注入扫频光信号的扫频啁啾率为14.75GHz/μs。两个双音信号的频率差分别设置为1GHz和3GHz。图4展示了在不同泵浦波扫频带宽下获得的测频平均绝对误差。当泵浦波的扫频带宽固定时，观察到没有反馈的测频平均绝对误差大于有反馈的情况。此外，将泵浦波的扫频带宽设置为150MHz时，可以观察到测频平均绝对误差达到了最小值，小于6MHz。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换。例如，稳定光注入产生的扫频光信号，还可以通过使用全光反馈或是光电反馈的其他结构；除了三角波和锯齿波之外，还可以采用其他形式的驱动信号来调制光载波，并将其注入到从激光器中，以生成扫频光信号；此外，通过采用其他形式的窄带光滤波器，也可以实现与本发明中受激布里渊散射效应相似的滤波功能。这些等同变形、替换与调整也应视为本发明保护的范围。