一種電磁信號(hào)特性測(cè)量系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種電磁信號(hào)特性測(cè)量系統(tǒng)和方法。該測(cè)量系統(tǒng)，包括多重頻脈沖光源、混頻裝置和信號(hào)采集處理單元；該測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量多重頻脈沖光源和待測(cè)信號(hào)在混頻裝置內(nèi)生成的低帶寬混頻信號(hào)來(lái)精確計(jì)算獲得待測(cè)信號(hào)的頻率、相位、強(qiáng)度及其變化量等特性信息。本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、成本低、可測(cè)量信號(hào)的頻率范圍巨大等優(yōu)點(diǎn)，可適用于從微波、毫米波、太赫茲乃至光波的各個(gè)電磁譜段。
【專利說(shuō)明】
_種電磁信號(hào)特性測(cè)量系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種電磁信號(hào)特性測(cè)量系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電磁信號(hào)特性測(cè)量對(duì)于科學(xué)研究、工業(yè)測(cè)量、現(xiàn)代通信、軍事偵查等應(yīng)用均有重要意義。目前常見(jiàn)的需要測(cè)量高頻電磁信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)，通常采用下變頻的方法將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)，然后進(jìn)行測(cè)量，但是對(duì)于頻率范圍未知或者寬頻的信號(hào)，往往無(wú)法確定下變頻的倍數(shù)，無(wú)法選擇固定的下變頻器件進(jìn)行精確測(cè)量，特別是無(wú)法對(duì)大頻率范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。
[0003]脈沖激光光源可以輸出具有恒定時(shí)間周期的脈沖信號(hào)，在頻域上看，則是一系列具有固定間隔的頻率梳，這個(gè)固定間隔就是光脈沖的重復(fù)頻率(重頻)f r。頻率未知的電磁信號(hào)可以和這些頻率梳中距離它最近的一條，即頻率為mfr的譜線，進(jìn)行混頻，從而下變頻到fr/2以下的頻帶內(nèi)。我們可以測(cè)量得到下變頻后的低頻信號(hào)的頻率、幅度、相位或者其變化等信息。光脈沖信號(hào)的頻譜寬，與通過(guò)對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生邊帶形成數(shù)量有限的一些譜線梳齒相比，其可以很容易地覆蓋很大的電磁頻譜范圍。
[0004]但是，如果需要由這些信息反推回待測(cè)電磁信號(hào)的信息，一方面，需要精確測(cè)量重頻的信息，另一方面，需要知道和待測(cè)電磁信號(hào)進(jìn)行混頻的是哪一條頻率梳譜線，即m的數(shù)值，但是采用一個(gè)光脈沖信號(hào)，得到一個(gè)混頻信號(hào)的情況下，無(wú)法得到m的數(shù)值。如果能夠同時(shí)有重頻不同的多個(gè)光脈沖信號(hào)和待測(cè)電磁信號(hào)進(jìn)行混頻，就可以得到多個(gè)混頻信號(hào)，進(jìn)而求出m的數(shù)值，從而得到待測(cè)電磁信號(hào)的相關(guān)信息。
[0005]之前日本的Yasui等研究人員提出采用兩個(gè)相互獨(dú)立的鎖模激光光源，兩個(gè)鎖模激光光源的脈沖重復(fù)頻率略有差別，分別入射到兩個(gè)光電導(dǎo)天線，可實(shí)現(xiàn)對(duì)固定單頻連續(xù)太赫茲波的實(shí)時(shí)頻率測(cè)量。但是，應(yīng)用兩個(gè)獨(dú)立的脈沖光源增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。
[0006]采用將一直流光分為兩路，分別進(jìn)行不同頻率的調(diào)制，可以形成兩套具有不同頻率間隔譜線的光譜，利用這樣具有不同頻率間隔譜線的光譜分別與待測(cè)信號(hào)拍頻可以獲得一定的待測(cè)信號(hào)信息。但其光譜覆蓋范圍有限、產(chǎn)生的調(diào)制譜線的數(shù)量較少，難以對(duì)高頻信號(hào)(如THz或光波信號(hào))進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)由于調(diào)制頻率一般較高，所以拍頻信號(hào)帶寬仍較大，數(shù)據(jù)獲取較難。同時(shí)與諧振腔產(chǎn)生的信號(hào)不同，調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)邊帶的信噪比較差，影響拍頻信號(hào)的質(zhì)量。
[0007]利用同一個(gè)光諧振腔內(nèi)的模式色散、偏振模色散、雙折射、色度色散、非線性效應(yīng)或鎖模機(jī)制上的不同，實(shí)現(xiàn)一個(gè)諧振腔同時(shí)輸出具有多個(gè)不同重復(fù)頻率的脈沖光則解決了上述方法的困難。采用這種方式實(shí)現(xiàn)的多重頻脈沖光源應(yīng)用于電磁信號(hào)特性測(cè)量中，可以對(duì)寬帶時(shí)變電磁信號(hào)的頻率、幅度、相位以及其變化等信息進(jìn)行精確的測(cè)量，這種系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的電磁測(cè)量方法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成化好等優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種電磁信號(hào)特性測(cè)量系統(tǒng)和方法。
[0009]本發(fā)明提供了一種電磁信號(hào)特性測(cè)量系統(tǒng)，包括多重頻脈沖光源、待測(cè)信號(hào)、混頻裝置、脈沖重頻測(cè)量裝置和數(shù)據(jù)采集處理單元;其中多重頻脈沖光源生成具有兩個(gè)以上重頻的脈沖光；多重頻脈沖光源生成的多重頻脈沖光和待測(cè)信號(hào)在混頻裝置中混頻，并產(chǎn)生兩個(gè)以上頻率不大于多重頻脈沖光中最大重頻的一半的混頻信號(hào);脈沖重頻測(cè)量裝置測(cè)量得到多重頻脈沖光源輸出的各個(gè)光脈沖的重頻數(shù)值和其相對(duì)強(qiáng)度;數(shù)據(jù)采集處理單元同時(shí)采集混頻裝置生成的混頻信號(hào)和脈沖重頻測(cè)量裝置測(cè)量得到的重頻信息，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得待測(cè)信號(hào)的特性。
[0010]在一個(gè)示例中，待測(cè)信號(hào)并沒(méi)有直接進(jìn)入混頻裝置，而是先通過(guò)光強(qiáng)度調(diào)制器、光相位調(diào)制器、光偏振調(diào)制器、非線性晶體、非線性光纖、非線性波導(dǎo)、聲光調(diào)制器、磁光調(diào)制器中的一種或幾種的組合，調(diào)制到一個(gè)直流光光源產(chǎn)生的直流光上，形成待測(cè)信號(hào)2，待測(cè)信號(hào)2再與多重頻脈沖光源生成的多重頻脈沖光進(jìn)一步在混頻裝置中混頻，并產(chǎn)生兩個(gè)以上頻率不大于多重頻脈沖光中最大重頻的一半的混頻信號(hào);脈沖重頻測(cè)量裝置測(cè)量得到多重頻脈沖光源輸出的各個(gè)光脈沖的重頻數(shù)值和其相對(duì)強(qiáng)度;數(shù)據(jù)采集處理單元同時(shí)采集混頻裝置生成的混頻信號(hào)和脈沖重頻測(cè)量裝置測(cè)量得到的重頻信息，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得待測(cè)信號(hào)的特性。
[0011]在一個(gè)示例中，多重頻脈沖光源只包含一個(gè)諧振腔，在這一個(gè)諧振腔中同時(shí)生成兩個(gè)以上重頻的脈沖光；由于這多個(gè)脈沖光具有不同的模式、偏振態(tài)、中心波長(zhǎng)、傳輸方向或非線性效應(yīng)等特性，利用脈沖由于諧振腔內(nèi)的模式色散、偏振模色散、雙折射、色度色散、非線性效應(yīng)或鎖模機(jī)制上的不同，產(chǎn)生脈沖的不同傳輸延時(shí)或相位，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)諧振腔中同時(shí)產(chǎn)生具有多個(gè)不同重復(fù)頻率的光脈沖。在頻域上，具有固定重復(fù)頻率的光脈沖就是一系列以該重復(fù)頻率為間隔的頻率梳，多重頻脈沖光源輸出的多重頻脈沖就是多組具有不同頻率間隔的梳齒構(gòu)成的頻率梳。
[0012]在一個(gè)示例中，多重頻脈沖光源可以是鎖模激光器，利用諧振腔中模式色散、偏振模色散、雙折射、色度色散、非線性效應(yīng)或鎖模機(jī)制上的不同，實(shí)現(xiàn)一個(gè)脈沖光源輸出多個(gè)不同重復(fù)頻率的脈沖。
[0013]在一個(gè)示例中，多重頻脈沖光源也可以采用微諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在直流光源栗浦下微諧振器通過(guò)非線性光學(xué)效應(yīng)，如光克爾效應(yīng)等，實(shí)現(xiàn)多重頻脈沖輸出。這種多重頻脈沖光源可利用微諧振器的不同諧振模式的折射率略有差別，也就是存在模式色散或偏振色散，同時(shí)輸出具有不同重復(fù)頻率的光脈沖。
[0014]在一個(gè)示例中，待測(cè)信號(hào)包括從毫米波到光波的各個(gè)譜段，可以是單頻信號(hào)，也可以是時(shí)變的寬頻信號(hào)。
[0015]在一個(gè)示例中，混頻裝置是光混頻器和光電探測(cè)器件的組合或光電導(dǎo)天線?；祛l后得到的頻域信號(hào)是由各個(gè)重頻的脈沖信號(hào)中與待測(cè)信號(hào)頻率距離最近的那條梳齒分別與待測(cè)信號(hào)混頻得到的，因此各個(gè)混頻信號(hào)的頻率低于脈沖光重頻最大值的一半。各個(gè)重頻的光脈沖信號(hào)可以分別通過(guò)不同的光混頻器件或光電導(dǎo)天線和待測(cè)信號(hào)進(jìn)行混頻，也可以在同一個(gè)光混頻器件或光電導(dǎo)天線中混頻?？梢杂猛粋€(gè)光電探測(cè)器檢測(cè)不同的光混頻器件的輸出，也可以用不同的光電探測(cè)器分別檢測(cè)各個(gè)光混頻器件的輸出。當(dāng)采用同一個(gè)光混頻器件或光電導(dǎo)天線或光電探測(cè)器時(shí)，根據(jù)其幅度、頻率等信息對(duì)不同的混頻信號(hào)通過(guò)算法進(jìn)行區(qū)分。混頻裝置中可以有低通濾波器、放大器或低帶寬的放大器，對(duì)光電導(dǎo)天線或者光電探測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，滿足數(shù)據(jù)采集和處理單元對(duì)于輸入電信號(hào)的要求。
[0016]當(dāng)待測(cè)信號(hào)是太赫茲波段的電磁信號(hào)時(shí)，混頻裝置可以是光電導(dǎo)天線或非線性晶體或非線性器件，它將太赫茲信號(hào)和多重頻脈沖光源輸出的多重頻脈沖信號(hào)在頻域進(jìn)行混頻。當(dāng)待測(cè)信號(hào)是其他波段微波信號(hào)時(shí)，混頻裝置可以是光混頻器和光電探測(cè)器的組合。
[0017]在一個(gè)示例中，光混頻器件為光電強(qiáng)度調(diào)制器、光電相位調(diào)制器、偏振調(diào)制器、非線性晶體、聲光調(diào)制器、磁光調(diào)制器、光耦合器及其組合。
[0018]在一個(gè)示例中，脈沖重頻測(cè)量裝置實(shí)時(shí)精確測(cè)量多重頻脈沖光源發(fā)出的各個(gè)脈沖光的重頻信息。
[0019]在一個(gè)示例中，脈沖重頻測(cè)量裝置為光電探測(cè)器和頻率計(jì)。
[0020]在一個(gè)示例中，脈沖重頻測(cè)量裝置包括基準(zhǔn)頻率源、光混頻器和光電探測(cè)器。多重頻脈沖信號(hào)和基準(zhǔn)頻率源在光混頻器中得到混頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器探測(cè)得到低帶寬的混頻信號(hào)。這里的低帶寬是指頻率低于脈沖光重頻最大值一半。根據(jù)低帶寬的混頻信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器、頻率計(jì)等測(cè)量設(shè)備或數(shù)據(jù)采集器與處理算法得到各個(gè)光脈沖重復(fù)頻率和相對(duì)幅度、相位等信息。
[0021 ]在一個(gè)示例中，數(shù)據(jù)采集處理單元根據(jù)多重頻脈沖光源各個(gè)脈沖光的重頻信息與混頻裝置產(chǎn)生的兩個(gè)以上混頻信號(hào)的頻率、幅度、相位，計(jì)算得到待測(cè)信號(hào)的頻率、幅度、相位或其變化量。
[0022 ]本發(fā)明提供了一種電磁信號(hào)特性測(cè)量方法，包括:
[0023]步驟I，多重頻脈沖光源生成兩個(gè)以上重頻的脈沖光；
[0024]步驟2、將多重頻脈沖光源生成的多重頻脈沖光與待測(cè)信號(hào)輸入混頻裝置、產(chǎn)生兩個(gè)以上頻率不大于多重頻脈沖光中最大重頻的一半的混頻信號(hào)；
[0025]步驟3、同時(shí)將多重頻脈沖光源生成的多重頻脈沖光輸入脈沖重頻測(cè)量裝置，獲得各個(gè)脈沖光的重頻信息；
[0026]步驟4、數(shù)據(jù)采集處理器件根據(jù)多重頻脈沖光源各個(gè)脈沖光的重頻與混頻裝置產(chǎn)生的兩個(gè)以上混頻信號(hào)的頻率、幅度、相位，計(jì)算得到待測(cè)信號(hào)的頻率、幅度、相位或其變化量。
[0027]在一個(gè)示例中，在步驟2中，可以將待測(cè)信號(hào)先通過(guò)光強(qiáng)度調(diào)制器、光相位調(diào)制器、光偏振調(diào)制器、非線性晶體、非線性光纖、非線性波導(dǎo)、聲光調(diào)制器、磁光調(diào)制器中的一種或幾種的組合，調(diào)制到一個(gè)直流光光源產(chǎn)生的直流光上，形成待測(cè)信號(hào)2，再將多重頻脈沖光源生成的多重頻脈沖光與待測(cè)信號(hào)2輸入到混頻裝置。
【附圖說(shuō)明】
[0028]下面結(jié)合附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，其中:
[0029]圖1是電磁信號(hào)特性測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0030]圖2是雙波長(zhǎng)鎖模激光器的結(jié)構(gòu)圖，其中2-1是栗浦激光管，2-2是波分復(fù)用/隔離器，2-3是偏振控制器，2-4是碳納米管飽和吸收體，2-5是偏振分光棱鏡，2-6是光耦合器，2-7是摻鉺光纖，2-8是光親合器。；
[0031 ]圖3是雙波長(zhǎng)鎖模的光譜圖；
[0032]圖4是采用光電探測(cè)器和頻譜儀觀測(cè)雙波長(zhǎng)鎖模的頻譜圖；
[0033]圖5是實(shí)例I的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0034]圖6是實(shí)例2的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0035]圖7是第一種情況下兩個(gè)光脈沖頻率梳的第m條梳齒相對(duì)位置和混頻后的低頻信號(hào)的頻譜示意圖；
[0036]圖8是第二種情況下兩個(gè)光脈沖頻率梳的第m條梳齒相對(duì)位置和混頻后的低頻信號(hào)的頻譜示意圖；
[0037]圖9是第三種情況下兩個(gè)光脈沖頻率梳的第m條梳齒相對(duì)位置和混頻后的低頻信號(hào)的頻譜示意圖；
[0038]圖10是實(shí)例3的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0039]圖11是實(shí)例4的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0040]圖12是實(shí)例5的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0041 ]圖13是實(shí)例5中寬帶時(shí)變待測(cè)信號(hào)頻率與混頻后的低頻信號(hào)頻率隨時(shí)間變化的曲線；
[0042]圖14是實(shí)例6的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
【具體實(shí)施方式】
[0043]在本發(fā)明的電磁頻率測(cè)量系統(tǒng)中，使用一個(gè)多重頻脈沖光源。該多重頻脈沖光源只包含一個(gè)諧振腔，在這一個(gè)諧振腔中同時(shí)生成兩個(gè)以上重頻的脈沖光；由于這多個(gè)脈沖光具有不同的模式、偏振態(tài)、中心波長(zhǎng)、傳輸方向或非線性效應(yīng)等特性，利用脈沖由于諧振腔內(nèi)的模式色散、偏振模色散、雙折射、色度色散、非線性效應(yīng)或鎖模機(jī)制上的不同，產(chǎn)生脈沖的不同傳輸延時(shí)或相位，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)諧振腔中同時(shí)產(chǎn)生具有多個(gè)不同重復(fù)頻率的光脈沖。
[0044]實(shí)例中的多重頻脈沖光源可以為一個(gè)鎖模激光器，利用了諧振腔中具有濾波效果的器件以及光腔的色度色散，實(shí)現(xiàn)一個(gè)脈沖光源輸出多個(gè)不同波長(zhǎng)、不同重復(fù)頻率的脈沖光。除此之外，也可以采用具有腔內(nèi)雙折射的諧振腔實(shí)現(xiàn)鎖模激光器，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)脈沖光源輸出具有多個(gè)不同偏振態(tài)、不同重復(fù)頻率的脈沖光。此外，多重頻脈沖光源也可以采用微諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在直流光源栗浦下微諧振器通過(guò)非線性光學(xué)效應(yīng)，如光克爾效應(yīng)等，產(chǎn)生光頻梳的方式，實(shí)現(xiàn)多重頻脈沖光源。這種多重頻脈沖光源可利用微諧振器的不同諧振模式的折射率略有差別，也就是存在模式色散或偏振色散，同時(shí)輸出具有不同重復(fù)頻率的光脈沖。
[0045]在本發(fā)明的電磁信號(hào)特性測(cè)量系統(tǒng)中，光混頻器件利用材料特性隨其輸入信號(hào)變化而變化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)改變光波參量，從而實(shí)現(xiàn)脈沖光和輸入信號(hào)在頻域上的混頻。光電探測(cè)器將光混頻器件輸出的脈沖光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。這里光電探測(cè)器的帶寬可以不大于脈沖光的重復(fù)頻率?；祛l器件也可以與光電探測(cè)器結(jié)合，直接產(chǎn)生與被輸入信號(hào)調(diào)制的脈沖光信號(hào)相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，如光電導(dǎo)天線。
[0046]本發(fā)明中的多重頻脈沖光源可以經(jīng)過(guò)分光器件，將各個(gè)重頻的脈沖光分開(kāi)，分別進(jìn)入混頻裝置中的不同光混頻器件和光電探測(cè)器的組合，或者分別進(jìn)入混頻裝置中的光電導(dǎo)天線來(lái)分別獲得混頻信號(hào)。分光器件主要針對(duì)多重頻脈沖光源輸出脈沖光的特性進(jìn)行選擇。如果各個(gè)重頻的脈沖光中心波長(zhǎng)不同，則分光器件為濾波器;如果各個(gè)重頻的脈沖光偏振不同，則分光器件為偏振分?jǐn)?shù)器件；
[0047]本發(fā)明中的多重頻脈沖光源中各個(gè)重頻的光脈沖也可以不經(jīng)過(guò)分光，同時(shí)輸入到混頻裝置中。
[0048]本發(fā)明中的脈沖重頻測(cè)量裝置可以包括光電探測(cè)器和電頻率計(jì)。此外，脈沖重頻測(cè)量裝置也可以包括基準(zhǔn)頻率源、光混頻器和光電探測(cè)器。多重頻脈沖信號(hào)和基準(zhǔn)頻率源在光混頻器中得到混頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器探測(cè)得到低帶寬的混頻信號(hào)。這里的低帶寬是指頻率低于脈沖光重頻最大值一半。根據(jù)低帶寬的混頻信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器、頻率計(jì)等測(cè)量設(shè)備或數(shù)據(jù)采集器與處理算法得到各個(gè)光脈沖重復(fù)頻率和相對(duì)幅度、相位等信息。
[0049]實(shí)例一至四中使用的混頻裝置為電光強(qiáng)度調(diào)制器和低帶寬半導(dǎo)體光電探測(cè)器。根據(jù)電磁信號(hào)調(diào)制光波參量的不同，也可以選用電光相位調(diào)制器、光偏振調(diào)制器、光電導(dǎo)天線、非線性晶體、聲光調(diào)制器、磁光調(diào)制器及其組合。
[0050]實(shí)例I
[0051]本實(shí)例中，多重頻脈沖光源為一個(gè)雙波長(zhǎng)鎖模激光器，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。它采用摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，碳納米管飽和吸收體作為鎖模器件，通過(guò)腔內(nèi)的偏振分束器帶來(lái)的濾波效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)中心波長(zhǎng)處同時(shí)鎖模，由于在光腔中光纖等器件存在的色度色散，兩個(gè)波長(zhǎng)的群速度不同，所以兩個(gè)波長(zhǎng)脈沖輸出的重復(fù)頻率也不同。雙波長(zhǎng)鎖模的光譜如圖3所示，采用光電探測(cè)器和頻譜儀觀測(cè)到的頻譜圖如圖4所示，可見(jiàn)兩個(gè)脈沖光的重復(fù)頻率約為52.74MHz，重復(fù)頻率差約1.28kHz。雙波長(zhǎng)鎖模的中心波長(zhǎng)分別為1532nm和1544nm。設(shè)1544nm波長(zhǎng)脈沖光的重復(fù)頻率是，1532nm波長(zhǎng)脈沖光的重復(fù)頻率是f2，由于光纖腔內(nèi)的總色散為反常色散，有fl〈f2。
[0052]本實(shí)例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，雙波長(zhǎng)鎖模激光器作為多重頻脈沖光源。所輸出的雙波長(zhǎng)脈沖光經(jīng)過(guò)光耦合器分為兩路，一路經(jīng)過(guò)光濾波器后將兩個(gè)波長(zhǎng)的光脈沖分開(kāi)，重頻為fi的脈沖進(jìn)入電光強(qiáng)度調(diào)制器I和光電探測(cè)器I構(gòu)成的混頻器件來(lái)產(chǎn)生混頻信號(hào)fbl，重頻為f2的脈沖進(jìn)入電光強(qiáng)度調(diào)制器2和光電探測(cè)器2構(gòu)成的混頻器件來(lái)產(chǎn)生混頻信號(hào)fb2;另一路輸入光強(qiáng)度調(diào)制器3、光電探測(cè)器3和數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)過(guò)處理算法得到各個(gè)光脈沖重復(fù)頻率和相對(duì)幅度、相位等信息?；祛l信號(hào)被數(shù)據(jù)采集處理單元采集，和上述脈沖重頻信息經(jīng)過(guò)處理計(jì)算獲得待測(cè)信號(hào)的頻率、幅度和相位等信息。
[0053]本實(shí)例中，電光強(qiáng)度調(diào)制器的調(diào)制帶寬不小于其輸入電信號(hào)的最高頻率，為10GHz。光電探測(cè)器，為低帶寬半導(dǎo)體光電探測(cè)器，其帶寬遠(yuǎn)低于待測(cè)信號(hào)頻率但保證其在多重頻脈沖光源輸出脈沖光的重復(fù)頻率的最大值的一半處有足夠響應(yīng)。數(shù)據(jù)采集處理單元使用NI PX1-5122 A/D數(shù)據(jù)采集卡，其實(shí)時(shí)采樣率為lOOMS/s，采樣率大于f2，采用相關(guān)軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
[0054]本實(shí)例中，基準(zhǔn)頻率信號(hào)fr為3GHz的正弦信號(hào)。已經(jīng)知道脈沖光的大概頻率，通過(guò)計(jì)算得出，兩個(gè)脈沖光產(chǎn)生的頻率梳中最接近基準(zhǔn)頻率信號(hào)fr的梳齒均為各自的第57條頻率梳齒，即n = 57。且基準(zhǔn)頻率信號(hào)fr的頻率低于第57條頻率梳齒。上述兩條光頻梳齒與基準(zhǔn)頻率信號(hào)fr的混頻信號(hào)在6.18MHz附近，兩個(gè)拍頻差為72.96KHz。在某一瞬時(shí)時(shí)刻，數(shù)據(jù)采集器采樣記錄混頻數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到基準(zhǔn)頻率信號(hào)混頻產(chǎn)生的拍頻fbrl=6355263.02Hz、fbr2 = 6428489.03Hz。由于fr低于第 57條頻率梳齒利用負(fù)=(fr+fbn) /n、f2 =(fr+fbr2)/n可以得出，在該時(shí)刻兩個(gè)光脈沖的重復(fù)頻率瞬時(shí)值分別為匕=52743074.79取、f2 = 52744359.46Hz。并且可以得到fbri的幅度大于fbr2的幅度，因此fi的幅度大于f2的幅度，將上述重頻信息提供給數(shù)據(jù)采集處理單元。
[0055]在上述時(shí)刻，數(shù)據(jù)采集處理單元采集混頻裝置輸出的混頻信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換、頻域?yàn)V波、反傅里葉變換和希爾伯特變換，并以1ms內(nèi)希爾伯特變換獲得頻率的均值作為該時(shí)刻的瞬時(shí)頻率值，fbi = 6735456.64Hz、fb2 = 6691778.78Hz。兩個(gè)脈沖光信號(hào)的頻率梳中距離待測(cè)信號(hào)最近的梳齒記作各自的第m條梳齒，得出
=33.9993，最相鄰取整后 m = 34。進(jìn)一步計(jì)算出 fx = fbi+m*fi= 1799999999.49Hz。在 200 秒的時(shí)間內(nèi)連續(xù)測(cè)量，獲得的200個(gè)頻率測(cè)量值的算術(shù)平均值為1800000000.09Hz，標(biāo)準(zhǔn)差為0.51Hz。待測(cè)信號(hào)fx為信號(hào)發(fā)生器輸出的1.8GHz的正弦信號(hào)。因此誤差為0.09Hz，準(zhǔn)確度為5x10—n。
[0056]實(shí)例2
[0057]本實(shí)例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，多重頻脈沖光源為雙波長(zhǎng)鎖模激光器，和實(shí)例I相同。所輸出的多雙波長(zhǎng)脈沖光經(jīng)過(guò)光耦合器分為兩路，一路信號(hào)和待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)由電光強(qiáng)度調(diào)制器I和光電探測(cè)器I構(gòu)成的混頻器件來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)混頻信號(hào)fbjPfb2。另一路輸入光強(qiáng)度調(diào)制器2、光電探測(cè)器2和數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)過(guò)處理算法得到各個(gè)光脈沖重復(fù)頻率和相對(duì)幅度、相位等信息?；祛l信號(hào)被數(shù)據(jù)采集處理單元采集，和上述脈沖重頻信息經(jīng)過(guò)處理計(jì)算獲得待測(cè)信號(hào)的頻率、幅度和相位等信息。
[0058]本實(shí)例中兩個(gè)重頻的光脈沖和在一個(gè)電光強(qiáng)度調(diào)制器中同時(shí)產(chǎn)生混頻信號(hào)，兩個(gè)光脈沖頻率梳中距離待測(cè)信號(hào)最近的梳齒記作各自的第m條梳齒。其相對(duì)位置和混頻后的低頻信號(hào)的頻譜示意圖如圖7、8、9所示。在圖7中，待測(cè)信號(hào)頻率高于第m條梳齒，有fbl = fx-m*fi，fb2 = fx-m*f2，m= (fbi_fb2)/(f2_fi)，m最相鄰取整。從而得到待測(cè)信號(hào)頻率fx = fbi+m*fl。在圖8中，待測(cè)信號(hào)頻率低于第!!1條梳齒。有；1^1=111*；1；'1-；1^，；1^2=111*1；'2-；1^，111=(；1^1-；1^2)/(f1-f2)，111最相鄰取整。從而得到待測(cè)彳目號(hào)頻率€\=1]1*;1^1-;1^1。在圖9中，待測(cè)彳目號(hào)頻率尚于重復(fù)頻率為fi的脈沖光產(chǎn)生的頻率梳的第m條梳齒，低于重復(fù)頻率為f2的脈沖光產(chǎn)生的頻率梳的第m條梳齒。有fbi = fx-m*fi，fb2 = m*f2-fx，m= (fbi+fb2)/(f2_fi)，m最相鄰取整。從而得到待測(cè)信號(hào)頻率。通過(guò)上述的重頻測(cè)量獲得f JPf2的精確值后，計(jì)算得出待測(cè)信號(hào)的頻率fx。
[0059]實(shí)例3
[0060]本實(shí)例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖10所示，多重頻脈沖光源為偏振復(fù)用鎖模激光器，即利用光諧振腔內(nèi)的雙折射，使得同時(shí)鎖模的兩個(gè)脈沖光偏振垂直，而且重頻不同。所輸出的兩個(gè)偏振的脈沖光經(jīng)過(guò)光親合器分為兩路，一路經(jīng)過(guò)偏振分束棱鏡將兩個(gè)偏振的光脈沖分開(kāi)，重頻為的脈沖進(jìn)入光強(qiáng)度調(diào)制器I和光電探測(cè)器I構(gòu)成的混頻器件來(lái)產(chǎn)生混頻信號(hào)fbl，重頻為f2的脈沖進(jìn)入光強(qiáng)度調(diào)制器2和光電探測(cè)器2構(gòu)成的混頻器件來(lái)產(chǎn)生混頻信號(hào)fb2;另一路輸入光電探測(cè)器3和頻率計(jì)，得到各個(gè)光脈沖重復(fù)頻率和相對(duì)幅度、相位等信息?；祛l信號(hào)被數(shù)據(jù)采集處理單元采集，和上述脈沖重頻信息經(jīng)過(guò)處理計(jì)算獲得待測(cè)信號(hào)的頻率、幅度和相位等信息。[0061 ]實(shí)例4
[0062]本實(shí)例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖11所示，多重頻脈沖光源為微諧振器雙頻率梳光源，輸出的多雙頻梳光經(jīng)過(guò)光耦合器分為兩路，一路信號(hào)和待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)由電光強(qiáng)度調(diào)制器I和光電探測(cè)器I構(gòu)成的混頻器件來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)混頻信號(hào)fbjPfb2。另一路輸入電光強(qiáng)度調(diào)制器2，被基準(zhǔn)頻率信號(hào)調(diào)制，再輸入頻率計(jì)得到各個(gè)光脈沖重復(fù)頻率和相對(duì)幅度、相位等信息?；祛l信號(hào)被數(shù)據(jù)采集處理單元采集，和上述脈沖重頻信息經(jīng)過(guò)處理計(jì)算獲得待測(cè)信號(hào)的頻率、幅度和相位等信息。
[0063]實(shí)例5
[0064]本實(shí)例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖12所示，待測(cè)信號(hào)為頻率時(shí)變的寬譜信號(hào)。雙波長(zhǎng)鎖模激光器作為多重頻脈沖光源。所輸出的雙波長(zhǎng)脈沖光經(jīng)過(guò)光耦合器分為兩路，一路經(jīng)過(guò)光濾波器后將兩個(gè)波長(zhǎng)的光脈沖分開(kāi)，重頻為^的脈沖和被待測(cè)信號(hào)在電光強(qiáng)度調(diào)制器中調(diào)制的光信號(hào)在光耦合器2中混頻，其混頻后的信號(hào)被光電探測(cè)器I探測(cè)，得到混頻信號(hào)fbl，頻率為f2的脈沖和被待測(cè)信號(hào)在電光強(qiáng)度調(diào)制器中調(diào)制的光信號(hào)在光耦合器3中混頻，其混頻后的信號(hào)被光電探測(cè)器2探測(cè)，得到混頻信號(hào)fb2;另一路輸入光電探測(cè)器3和頻率計(jì)得到各個(gè)光脈沖重復(fù)頻率和相對(duì)幅度、相位等信息?；祛l信號(hào)被數(shù)據(jù)采集處理單元采集，和上述脈沖重頻信息經(jīng)過(guò)處理計(jì)算獲得待測(cè)信號(hào)的頻率、幅度和相位等信息。
[0065]本實(shí)例中，數(shù)據(jù)處理包括小波變換或希爾伯特變換或希爾伯特-黃變換或傅里葉變換及傅里葉反變換，得到的隨時(shí)間變化的混頻頻率和計(jì)算得到的待測(cè)信號(hào)頻率曲線，如圖13所示。
[0066]實(shí)例6
[0067]本實(shí)例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖14所示，待測(cè)信號(hào)為直流光信號(hào)。雙波長(zhǎng)鎖模激光器作為多重頻脈沖光源。所輸出的雙波長(zhǎng)脈沖光經(jīng)過(guò)光耦合器分為兩路，一路經(jīng)過(guò)光濾波器后將兩個(gè)波長(zhǎng)的光脈沖分開(kāi)，重頻為^的脈沖和待測(cè)信號(hào)在光耦合器3中混頻，其混頻后的信號(hào)被光電探測(cè)器I探測(cè)，得到混頻信號(hào)fbl，頻率為f2的脈沖和被待測(cè)信號(hào)在光耦合器4中混頻，其混頻后的信號(hào)被光電探測(cè)器2探測(cè)，得到混頻信號(hào)fb2;另一路輸入光電探測(cè)器3和頻率計(jì)得到各個(gè)光脈沖重復(fù)頻率和相對(duì)幅度、相位等信息?；祛l信號(hào)被數(shù)據(jù)采集處理單元采集，和上述脈沖重頻信息經(jīng)過(guò)處理計(jì)算獲得待測(cè)信號(hào)的頻率、幅度和相位等信息。
[0068]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但本發(fā)明保護(hù)范圍并不局限于此。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明公開(kāi)的技術(shù)范圍內(nèi)，均可對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖兓蜃兓?，而這種改變或變化都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種電磁信號(hào)特性測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括多重頻脈沖光源、混頻裝置、脈沖重頻測(cè)量裝置和數(shù)據(jù)采集處理單元;其中多重頻脈沖光源生成具有兩個(gè)以上重頻的脈沖光；多重頻脈沖光源生成的多重頻脈沖光和待測(cè)信號(hào)在混頻裝置中混頻，并產(chǎn)生兩個(gè)以上頻率不大于多重頻脈沖光中最大重頻的一半的混頻信號(hào);脈沖重頻測(cè)量裝置測(cè)量得到多重頻脈沖光源輸出的各個(gè)光脈沖的重頻和相對(duì)強(qiáng)度;數(shù)據(jù)采集處理單元同時(shí)采集混頻裝置生成的混頻信號(hào)和脈沖重頻測(cè)量裝置測(cè)量得到的重頻信息，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得待測(cè)信號(hào)的特性。2.如權(quán)利要求1所述的電磁信號(hào)特性測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，待測(cè)信號(hào)先通過(guò)光強(qiáng)度調(diào)制器、光相位調(diào)制器、光偏振調(diào)制器、非線性晶體、非線性光纖、非線性波導(dǎo)、聲光調(diào)制器、磁光調(diào)制器中的一種或幾種的組合，調(diào)制到一個(gè)直流光光源產(chǎn)生的直流光上，形成待測(cè)信號(hào)2，待測(cè)信號(hào)2與多重頻脈沖光源生成的多重頻脈沖光進(jìn)一步在混頻裝置中混頻，并產(chǎn)生兩個(gè)以上頻率不大于多重頻脈沖光中最大重頻的一半的混頻信號(hào)。3.如權(quán)利要求1所述的電磁信號(hào)特性測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，多重頻脈沖光源只包含一個(gè)諧振腔，在這一諧振腔中同時(shí)生成兩個(gè)以上重頻的脈沖光；由于這多個(gè)脈沖光具有不同的模式、偏振態(tài)、中心波長(zhǎng)、傳輸方向、或非線性效應(yīng)等特性，利用脈沖由于諧振腔內(nèi)的模式色散、偏振模色散、雙折射、色度色散、非線性效應(yīng)或鎖模機(jī)制上的不同，產(chǎn)生脈沖的不同傳輸延時(shí)或相位，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)諧振腔中同時(shí)產(chǎn)生具有多個(gè)不同重復(fù)頻率的光脈沖序列。4.如權(quán)利要求1所述的電磁信號(hào)特性測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，混頻裝置是光混頻器與光電探測(cè)器件的組合或光電導(dǎo)天線。5.如權(quán)利要求3所述的混頻裝置，其特征在于，光混頻器為光強(qiáng)度調(diào)制器、光相位調(diào)制器、光偏振調(diào)制器、非線性晶體、非線性光纖、非線性波導(dǎo)、聲光調(diào)制器、磁光調(diào)制器、光耦合器及其組合。6.如權(quán)利要求1所述的電磁信號(hào)特性測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，脈沖重頻測(cè)量裝置實(shí)時(shí)精確測(cè)量多重頻脈沖光源發(fā)出的各個(gè)脈沖光的重頻信息。7.如權(quán)利要求1所述的電磁信號(hào)特性測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)據(jù)采集處理單元根據(jù)多重頻脈沖光源各個(gè)脈沖光的重頻信息與混頻裝置產(chǎn)生的兩個(gè)以上混頻信號(hào)的頻率、幅度、相位，計(jì)算得到待測(cè)信號(hào)的頻率、幅度、相位或其變化量。8.一種電磁信號(hào)特性測(cè)量方法，其特征在于，包括: 步驟I，多重頻脈沖光源生成兩個(gè)以上重頻的脈沖光； 步驟2、將多重頻脈沖光源生成的多重頻脈沖光與待測(cè)信號(hào)輸入混頻裝置、產(chǎn)生兩個(gè)以上頻率不大于多重頻脈沖光中最大重頻的一半的混頻信號(hào)； 步驟3、同時(shí)將多重頻脈沖光源生成的多重頻脈沖光輸入脈沖重頻測(cè)量裝置，獲得各個(gè)脈沖光的重頻信息； 步驟4、數(shù)據(jù)采集處理器件根據(jù)多重頻脈沖光源各個(gè)脈沖光的重頻信息與混頻裝置產(chǎn)生的兩個(gè)以上混頻信號(hào)的頻率、幅度、相位，計(jì)算得到待測(cè)信號(hào)的頻率、幅度、相位或其變化量。9.如權(quán)利要求8所述的電磁信號(hào)特性測(cè)量方法，其特征在于，在步驟2中，將待測(cè)信號(hào)先通過(guò)光強(qiáng)度調(diào)制器、光相位調(diào)制器、光偏振調(diào)制器、非線性晶體、非線性光纖、非線性波導(dǎo)、聲光調(diào)制器、磁光調(diào)制器中的一種或幾種的組合，調(diào)制到一個(gè)直流光光源產(chǎn)生的直流光上，形成待測(cè)信號(hào)2，再將多重頻脈沖光源生成的多重頻脈沖光與待測(cè)信號(hào)2輸入到混頻裝置。
【文檔編號(hào)】G01R29/08GK106093598SQ201610391279
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月3日 公開(kāi)號(hào)201610391279.X, CN 106093598 A, CN 106093598A, CN 201610391279, CN-A-106093598, CN106093598 A, CN106093598A, CN201610391279, CN201610391279.X
【發(fā)明人】趙欣, 鄭錚, 李璀
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)