基于光子技術(shù)的實(shí)時(shí)頻率測(cè)量方法

胡 墅，韓秀友，石暖暖，谷一英，胡晶晶，趙明山＊

（大連理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 引 言

現(xiàn)代電子戰(zhàn)中，為實(shí)現(xiàn)快速預(yù)警和攔截?cái)撤轿粗盘?hào)，需要在雷達(dá)預(yù)警接收機(jī)中采用實(shí)時(shí)頻率測(cè)量技術(shù)［1］.傳統(tǒng)電子手段在微波頻率測(cè)量方面具有測(cè)量帶寬小、損耗大等問(wèn)題［2］，而采用光子技術(shù)可以較好地解決上述問(wèn)題，并且還具有抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)［3］.目前，光子學(xué)頻率測(cè)量方法主要可以分為3類［4］：研究頻率和時(shí)間參數(shù)的關(guān)系［5］，研究頻率和空間參數(shù)的關(guān)系［6－7］，研究頻率和功率的關(guān)系［8－11］.前兩類測(cè)量方法由于需要特殊加工工藝的器件，系統(tǒng)體積龐大，成本高昂，并且誤差超過(guò)幾百兆赫茲，在實(shí)際使用中有一定的局限性.第三類方法是目前的研究熱點(diǎn)，采用諸如保偏光纖和高色散光纖組合［8］、可調(diào)諧激光器與色散介質(zhì)組合［9］、雙輸出馬赫曾德調(diào)制器（Mach－Zehnder modulator，MZM）［10］、光子濾波器［11］等方式.此外，還有采用基于法布里－帕羅干涉儀［12］、光子希爾伯特轉(zhuǎn)換［13］等特殊方法.上述方法雖然采取各種手段實(shí)現(xiàn)了寬帶頻率測(cè)量，誤差保持在幾十兆赫茲到幾百兆赫茲，但是采用的可調(diào)諧激光器、幾十千米單模光纖等儀器和器件，使得測(cè)量系統(tǒng)既復(fù)雜又笨重，并且連同高速率光電探測(cè)器又會(huì)帶來(lái)較高的成本，這些都限制了其在要求系統(tǒng)小型化的電子戰(zhàn)等一些領(lǐng)域的應(yīng)用.一種光子學(xué)頻率測(cè)量方法采用偏置在線性工作點(diǎn)的級(jí)聯(lián)調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光子混頻，通過(guò)監(jiān)測(cè)直流電壓，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，由于可以采用低速率光電探測(cè)器，該方案降低了系統(tǒng)成本，但是有效測(cè)量帶寬僅為1GHz［14］.本文進(jìn)一步研究一種基于光子混頻技術(shù)的實(shí)時(shí)頻率測(cè)量方法.設(shè)計(jì)方案采用偏置在光載波抑制點(diǎn)的兩個(gè)級(jí)聯(lián)馬赫曾德調(diào)制器構(gòu)成光子混頻結(jié)構(gòu)，微波信號(hào)經(jīng)過(guò)3dB 功分器后，分別輸入到兩個(gè)調(diào)制器，由于光通道與射頻通道存在一定的延時(shí)差，通過(guò)檢測(cè)經(jīng)混頻后輸出的直流光功率，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)頻率測(cè)量.結(jié)合理論分析與模擬仿真，設(shè)計(jì)射頻通道與光通道之間的延時(shí)差，優(yōu)化系統(tǒng)頻率測(cè)量范圍.

1 理論分析

頻率測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，分布反饋式（distributed feedback，DFB）激光器輸出的光載波先后經(jīng)過(guò)兩個(gè)級(jí)聯(lián)馬赫曾德調(diào)制器，并且調(diào)制器分別由偏置點(diǎn)控制電路穩(wěn)定地控制在光載波抑制工作點(diǎn).待探測(cè)的未知頻率微波信號(hào)由天線接收后，首先由3dB 射頻功分器分為兩路，端口1輸出微波信號(hào)直接輸入到調(diào)制器1，端口2 輸出微波信號(hào)經(jīng)一定長(zhǎng)度同軸電纜后輸入到調(diào)制器2.經(jīng)過(guò)兩次調(diào)制的光載波從調(diào)制器2輸出，由光功率計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.

圖1 基于光子技術(shù)的實(shí)時(shí)頻率測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of real－time frequency measurement system based on photonic technique

1.1 測(cè)量原理

式中，假設(shè)此時(shí)附加相位為0；功分器端口2輸出微波信號(hào)經(jīng)過(guò)一定長(zhǎng)度電纜到達(dá)調(diào)制器2時(shí)的形式可以表示為

其中s是電纜的損耗，與微波信號(hào)頻率相關(guān)；τ1是射頻通道中電纜引入的相對(duì)延時(shí).將調(diào)制器1工作點(diǎn)選擇在光載波抑制點(diǎn)，直流偏置電壓等于半波電壓，即VDC1＝Vπ1，經(jīng)微波信號(hào)調(diào)制后，調(diào)制器1輸出的光場(chǎng)可表示為

調(diào)制器2同樣工作在光載波抑制點(diǎn)，經(jīng)另一路延時(shí)的微波信號(hào)調(diào)制后，調(diào)制器2輸出光載波光場(chǎng)為

調(diào)制器輸出光功率為

光功率計(jì)得到的是平均輸出光功率，也就是輸出的直流光功率，整理得出直流光功率為

1.2 模擬分析

圖2 不同Δτ下理論計(jì)算輸出光功率與輸入頻率之間關(guān)系Fig.2 Theoretical calculated results of the dependence of the optical output power on the input frequency by changingΔτ

根據(jù)確立的理論模型進(jìn)行模擬仿真，以優(yōu)化光通道與射頻通道的延時(shí)差Δτ.如圖2所示，通過(guò)改變?chǔ)う拥贸鲚敵龉夤β逝c輸入頻率之間關(guān)系.從圖中可以看到，Δτ越大，關(guān)系曲線的變化周期越短，曲線的斜率越大，越利于提高測(cè)量精度，但是頻率測(cè)量范圍受限；Δτ越小，關(guān)系曲線的變化周期越長(zhǎng)，頻率測(cè)量范圍變大，但是曲線的斜率變小，會(huì)降低測(cè)量精度.因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要兼顧考慮測(cè)量頻率范圍與測(cè)量精度，針對(duì)測(cè)量頻率范圍為1～6GHz時(shí)，Δτ選取在20ps左右較為合適.

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試結(jié)果

如圖1所示，搭建頻率測(cè)量系統(tǒng)，DFB激光器（Emcore 1772）工作波長(zhǎng)為1 546nm，3dB功分器插入損耗為1.5dB，兩個(gè)馬赫曾德調(diào)制器（Oclaro AM40）完全相同，插入損耗為4.5dB，半波電壓為5V，采用光載波抑制調(diào)制方式，偏置電壓通過(guò)偏置點(diǎn)控制器（YYLabs MBC－2）來(lái)穩(wěn)定控制，兩次調(diào)制后輸出的光信號(hào)經(jīng)光功率計(jì)（Newport 2832C）探測(cè)后，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到輸入信號(hào)頻率值，整個(gè)系統(tǒng)由虛擬儀器（LabVIEW）程序控制.

2.1 標(biāo)定延時(shí)差

標(biāo)定和優(yōu)化系統(tǒng)光通道與射頻通道的延時(shí)差Δτ，是對(duì)頻率測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（R＆S ZVL）對(duì)延時(shí)進(jìn)行測(cè)量，在確定Δτ時(shí)，要先分別測(cè)量微波信號(hào)通過(guò)光通道和射頻通道的延時(shí).先對(duì)光通道延時(shí)進(jìn)行測(cè)量，將功分器端口2和調(diào)制器2射頻輸入端口斷開(kāi)，分別連接50Ω 匹配電阻，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的微波信號(hào)只由功分器端口1進(jìn)入系統(tǒng)，兩個(gè)調(diào)制器都工作在線性偏置點(diǎn)，調(diào)制器2輸出的光信號(hào)輸入到光電探測(cè)器（U2T XPDV2120R），輸出的微波信號(hào)再輸入到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀.光通道的相位響應(yīng)曲線如圖3所示，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得出光通道對(duì)微波信號(hào)的延時(shí)為16 344.6ps.

圖3 光通道相位響應(yīng)曲線Fig.3 Phase response curve of optical path

同理，對(duì)射頻通道延時(shí)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將功分器端口1和調(diào)制器1射頻輸入端口斷開(kāi)，分別連接50Ω 匹配電阻，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的微波信號(hào)只由功分器端口2進(jìn)入系統(tǒng).射頻通道的相位響應(yīng)曲線如圖4所示，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得出射頻通道對(duì)微波信號(hào)的延時(shí)為16 362.3ps，得到光通道與射頻通道延時(shí)差Δτ為17.7ps.完成延時(shí)量標(biāo)定后，還需要利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)射頻通道中電纜的傳輸損耗進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)試結(jié)果如圖5所示.

圖4 射頻通道相位響應(yīng)曲線Fig.4 Phase response curve of RF path

圖5 射頻通道電纜傳輸損耗Fig.5 Transmission loss of cable in RF path

2.2 頻率測(cè)量

通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定延時(shí)差Δτ、電纜損耗以及調(diào)制器插入損耗等參數(shù)后，根據(jù)式（8）可以得出微波頻率與直流光功率關(guān)系查詢表.在進(jìn)行頻率測(cè)量時(shí)，調(diào)制器1和調(diào)制器2的工作點(diǎn)都被穩(wěn)定地控制在光載波抑制點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)由虛擬儀器（LabVIEW）程序控制，通過(guò)對(duì)直流光功率的監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)頻率的實(shí)時(shí)測(cè)量.圖6為實(shí)驗(yàn)測(cè)得輸出光功率隨頻率變化曲線，與理論計(jì)算得出的曲線變化趨勢(shì)完全符合.得到的頻率測(cè)量值和實(shí)際輸入頻率值比較曲線以及測(cè)量誤差分別如圖7和8所示.

圖6 輸出光功率隨輸入頻率變化曲線Fig.6 The curve of optical output power with frequency

圖7 測(cè)量頻率與輸入頻率的比較Fig.7 Comparison between the measured frequency and the input frequency

圖8 頻率1～6GHz的測(cè)量誤差Fig.8 Measurement error for a frequency range of 1－6GHz

3 誤差分析

從圖8中的測(cè)量誤差曲線可以看出，在頻率1～6GHz時(shí)，測(cè)量誤差小于±0.12GHz.測(cè)量誤差主要來(lái)源于兩方面：光功率波動(dòng)和參數(shù)測(cè)量誤差.

3.1 光功率波動(dòng)

實(shí)驗(yàn)中馬赫曾德調(diào)制器通過(guò)偏置點(diǎn)控制器穩(wěn)定地控制在光載波抑制點(diǎn)，因此光功率波動(dòng)來(lái)源于激光器，而通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)DFB激光器輸出光功率有接近0.05dB 的波動(dòng)，這可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差最大達(dá)到幾十兆赫茲.改善這種誤差的主要途徑是提高激光器的工作穩(wěn)定性，為其提供更穩(wěn)定的工作溫度和驅(qū)動(dòng)電流［15］.

3.2 參數(shù)測(cè)量誤差

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)相位測(cè)量有其本身的不確定度，導(dǎo)致時(shí)間延時(shí)測(cè)量存在誤差，針對(duì)本系統(tǒng)的延時(shí)測(cè)量精度在1ps以內(nèi)，在低頻處引起的誤差較小，而在高頻處可能引起的測(cè)量誤差較大，在幾十兆赫茲左右.改善這種誤差的一種方法是采用更高精度的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，另一種方法是通過(guò)增加延時(shí)測(cè)量頻率孔徑，來(lái)降低相位測(cè)量不確定度的影響.

另外，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)射頻通道中電纜損耗的測(cè)量，還有調(diào)制器插入損耗的測(cè)量也存在誤差，但這些因素對(duì)頻率測(cè)量引入誤差較小.

4 結(jié) 語(yǔ)

研究了一種基于光子混頻技術(shù)的實(shí)時(shí)頻率測(cè)量方法，通過(guò)建立理論模型進(jìn)行仿真與分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)光通道與射頻通道延時(shí)差，從而改變系統(tǒng)頻率測(cè)量范圍.實(shí)驗(yàn)上可實(shí)現(xiàn)在頻率1～6GHz測(cè)量誤差小于±0.12GHz.該方法未采用價(jià)格昂貴的高速率光電探測(cè)器，降低了檢測(cè)設(shè)備的復(fù)雜度，為實(shí)時(shí)頻率測(cè)量提供了一種低成本光子學(xué)解決方案.

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