一種相位穩定的光子微波信號產生方法及系統的製作方法

2023-05-13 05:45:41 2

專利名稱：一種相位穩定的光子微波信號產生方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種提高光子微波信號相位穩定性的方法，特別涉及通過兩束偏振光的幹涉反饋來提高微波信號相位的穩定性。
背景技術：
光控相控陣雷達系統中的移相微波信號的相位穩定技術是影響光控相控陣雷達系統測量精確的關鍵因素之一，本發明涉及的正是提高移相微波信號的相位穩定的一種方法。光控相控陣雷達是將光電子技術應用在相控陣雷達中，用以傳輸、分配雷達信號和控制信號，實現光波束控制。光控相控陣雷達相比較於以往的相控陣雷達，在尺寸、重量、 傳輸損耗、輻射幹擾等問題得到了有效的改善；光延遲線作為移相器，可獲得大的瞬時帶寬；採用光纖傳輸和分配技術，可減輕系統重量，減小體積，提高雷達可靠性，增強抗電磁幹擾的能力，改善線路傳輸特性；天線子系統與雷達子系統可分置不光延遲線是光電子技術在光控相控陣雷達技術中的關鍵應用同位置，不僅帶來結構上的方便，還提高雷達和人員的生存能力。光延遲線是光電子技術在光控相控陣雷達技術中的關鍵應用，然而光延遲線應用在光控相控陣雷達系統中的同時，引入了相位噪聲和相位漂移，使得微波信號的分配和傳輸受到幹擾。從傳輸損耗、帶寬以及抗電磁幹擾特性方面看，光纖是傳送微波信號的理想介質，然而環境溫度、壓力以及彎曲均會導致光纖折射率變化，積累的傳輸延遲變化將直接導致微波信號的相位噪聲和相位漂移。實驗研究表明，光纖折射率隨溫度的變化率約為 40ps/(kmX V )，對於長度為IOOm的光纖，溫度變化1°C相應的延遲約為4ps。壓力對光纖傳輸相位的影響更為明顯，實驗研究表明，光纖折射隨壓強的變化率約為70ps/(kmXMPa)， 對於長度為IOOm的光纖，壓強變化IMPa相應的延遲約為7ps。綜上考慮，這些隨機變化的附加延時對於光控相控陣雷達系統中的微波信號來講是無法接受的，必須採用相應的相位穩定技術配合光延遲線才能實現移相微波信號的高質量傳輸。目前，傳統的光延遲線長度校準或者相位穩定問題的處理思路如下在不考慮光纖非線性和非互易性的情況下，同一光纖中同向傳輸的信號互相之間是獨立的、經歷的相位擾動也是一致的。因此，通過比較基準信號與光信號的相位差，即可測得光纖的相位擾動。利用該信號反饋控制光纖的延遲即可實現光纖的長度校準或相位穩定，具體實現方式一般為非相干式。一般來說，首先將一個微波信號調製到兩個光載波上(一路為傳輸信號， 一路為基準信號)，在遠端分別接收兩路微波信號，用鎖相環比較基準的微波信號和傳輸微波信號之間的相位差，獲得光纖傳輸相位變化的信息，反饋控制光纖相位，實現相位穩定的目的。但是，傳統的這種非相干方式中基準信號與傳輸信號的相位差是在光電轉換之後的電域進行的，增加了系統的複雜度和不確定性，同時穩定精度不夠高。因此，如何在不增加系統複雜度的情況下，能夠提高光子微波信號相位穩定性的精度和響應度成為本文的目標。

發明內容
技術問題本發明的目的在於克服現有技術的缺陷，提供一種基於垂直偏振態的相干光檢測方案來提高光子微波信號相位穩定性。該方案基於兩束相位相干的偏振光同時在光子微波鏈路系統中傳輸，其中一束為基準光，一束為傳輸光，通過對兩束光在光纖鏈路末端的比較來反饋控制光子微波移相模塊。技術方案本發明提供的提高光子微波信號相位穩定性的方法，包括對兩束分別在光子微波鏈路系統中傳輸的相干偏振光進行相干檢測來反饋光延時模塊；其特性在於， 直接在光域內進行的，避免了微波接收再調製帶來的一系列問題。主要實施原理如下雷射器輸出的光被偏振光分束器分為兩束垂直的偏振光，其中一束被作為基準光，被移頻後，再與另外一束作為傳輸光的經過偏振光合束器合束到一起，再經過光微波調製和光延時鏈路後被偏振光分束器後，基準光被法拉第旋光鏡旋轉偏振態後與傳輸光幹涉，再經低速的光檢測器檢測出拍頻信號。根據幹涉原理，兩幹涉臂的相位差將直接反映在25MHz拍頻信號的相位中，即25MHz拍頻信號的相位反映了傳輸光纖的相位變化。將該拍頻信號與25MHz的參考信號進行相位比較，即可獲得傳輸系統相位擾動的情況，將鑑相器輸出的信號處理後， 作為微波光子移相器的控制信號，達到反饋控制微波信號相位的目標。有益效果與背景技術相比，本發明具有如下的技術效果1、本相干方式相位穩定技術的相位檢測是直接在光域內進行的，由於光波頻率非常高(在1550nm波段，193THz左右)，因此可以獲得波長量級的穩定精度，從而滿足X波段微波信號的傳送。2、本方案檢測模塊光檢測器只需要一個低速的，節約了成本。3、通過光的幹涉，代替了傳統相位穩定技術上的高頻電信號相位檢測，使可行性和系統穩定性大大提高。


圖1是本發明技術方案一的結構示意圖。圖2是圖1的詳細器件連接圖。圖3是相位穩定模塊不工作的情況下系統輸出相位圖。圖4是相位穩定模塊工作的情況下系統輸出相位圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明，本發明的目的和效果將變得更加明顯。如圖1所示，可將微波光子移相鏈路系統分為四個模塊光子微波信號發生模塊、 光子微波信號移相模塊、光子微波信號移相反饋控制模塊以及光子微波移相信號接收模塊，這其中(2)和(3)如圖2所示是相互關聯的。一種偏振相干光幹涉反饋穩定微波信號相位的系統，如圖2所示，包括分布反饋式(DFB)雷射器1、偏振光分束器2、聲光頻移器3、25MHz信號發生器4、偏振光合束器5、RF 信號發生器(10GHZ)6、馬赫曾德爾調製器7、光子微波信號移相器8、偏振光分束器9、分路器(splitler) 10、光環行器11、光幹涉儀12、低頻光接收機13、法拉第旋光鏡14、鑑相器15和比例積分器16。如圖2所示，窄線寬、頻率穩定的分布反饋式(DFB)雷射器1輸出的連續光載波被偏振光分束器2分離成TE波和TM波，其中TM波作為基準光經由25MHz的信號聲光頻移器 (AOFS) 3移頻後再與作為傳輸光的TE波經偏振光合束器5合束到一起，經過由X波段微波信號6 (以IOGHz為例)驅動的單邊帶調製器7後，生成光強度變化頻率為IOGHz的單邊帶光載波信號。單邊帶調製器輸出的光信號經由光子微波移相器送入偏振光分束器9 (PBS)， 重新被分為TE波和TM波輸出，傳輸光TE波經3dB保偏分路器10後分為兩路。其中一路作為移相信號檢測輸出，另外一路為Michelson幹涉儀12參考臂的信號輸入。PBS分離出的TM波經光環行器和法拉第旋轉鏡後被轉化成TE波，由Michelson幹涉儀另外一臂輸入。 Michelson幹涉儀的輸出光送入光電檢測器13進行拍頻，將該拍頻信號與25MHz的參考信號通過鑑相器15進行相位比較，即可獲得傳輸系統相位擾動的情況，最後將鑑相器輸出的信號經比例積分器PID16處理後，作為微波光子移相器的控制信號，達到反饋控制微波信號相位的目標。圖3是相位穩定模塊不工作的情況下系統輸出相位圖，可以看到在預計180°相位差輸出的情況下，有大約10°左右的相位偏差。圖4是相位穩定模塊工作的情況下系統輸出相位圖，相位誤差被消除，得到了預期的180°相位差。因此，可以看到，在通過本專利要求保護偏振光反饋控制方案後，可以有效的改善系統的相位偏差。
權利要求
1.一種相位穩定的光子微波信號產生方法，其特性在於雷射器輸出的光被偏振光分束器分為兩束垂直的偏振光，其中一束被作為基準光，另一束為傳輸光，基準光被移頻一個中頻的頻率後與傳輸光經過偏振光合束器合束到一起，再經過光微波調製和光延時鏈路後經過偏振光分束器，最後基準光被法拉第旋光鏡旋轉偏振態後與傳輸光幹涉，再經低速的光檢測器檢測出拍頻信號；將該拍頻信號與25MHZ的參考信號進行相位比較，即可獲得傳輸系統相位擾動的情況，將鑑相器輸出的信號經過處理後，作為微波光子移相器的控制信號，達到反饋控制微波信號相位的目標。
2.一種相位穩定的光子微波信號產生系統，其特徵在於包括DFB雷射器(1)、偏振光分束器(2)、聲光頻移器(3) ,25MHz信號發生器(4)、偏振光合束器(5)、RF信號發生器(6)、 單邊帶調製器(7)、光子微波信號移相器(8)、偏振光分束器(9)、保偏耦合器(10)、光環行器(11)、光幹涉儀(12)、低頻光接收機(13)、法拉第旋光鏡(14)、鑑相器(15)和比例積分器(16)；其中DFB雷射器(1)輸出的連續光載波被偏振光分束器( 分離成TE波和TM波， 其中TM波作為基準光經由25MHz的信號聲光頻移器(3)移頻後再與作為傳輸光的TE波經偏振光合束器( 合束到一起，經過由RF信號發生器(6)驅動的單邊帶調製器(7)後生成單邊帶光載波信號；單邊帶調製器(7)輸出的光信號經由光子微波移相器送入偏振光分束器(9)，重新被分為TE波和TM波輸出，傳輸光TE波經保偏耦合器(10)後分為兩路其中一路作為移相信號檢測輸出，另外一路為光幹涉儀(1 參考臂的信號輸入，偏振光分束器 (9)分離出的TM波經光環行器和法拉第旋光鏡(14)後被轉化成TE波，由光幹涉儀(12)另外一臂輸入；光幹涉儀(1 的輸出光送入光電檢測器13進行拍頻，將該拍頻信號與25MHz 的參考信號通過鑑相器(1 進行相位比較，即可獲得傳輸系統相位擾動的情況，最後將鑑相器輸出的信號經比例積分器比例積分器(16)處理後，作為微波光子移相器的控制信號， 達到反饋控制微波信號相位的目標。
全文摘要
本發明涉及一種提高光子微波信號相位穩定性的方法及系統，所述方法雷射器輸出的光被偏振光分束器分為兩束垂直的偏振光，基準光被移頻後與傳輸光經過偏振光合束器合束到一起，再經過光微波調製和光延時鏈路後經過偏振光分束器，最後基準光被法拉第旋光鏡旋轉偏振態後與傳輸光幹涉，再經低速的光檢測器檢測出拍頻信號；將該拍頻信號與25MHz的參考信號進行相位比較獲得傳輸系統相位擾動的情況，將鑑相器輸出的信號處理後，作為微波光子移相器的控制信號。所述系統包括DFB雷射器、偏振光分束器、聲光頻移器、偏振光合束器、RF信號發生器、馬赫曾德爾調製器、光子微波信號移相器、偏振光分束器、光幹涉儀、低頻光接收機鑑相器和比例積分器。
文檔編號G01S7/02GK102591091SQ20111044988
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月29日 優先權日2011年12月29日
發明者孫小菡, 孫明明, 陳翰 申請人:東南大學