[发明专利]一种采用低频参考信号的光子辅助微波多普勒频移测量装置及方法

说明书

本发明涉及一种采用低频参考信号的光子辅助微波多普勒频移测量的装置及方法，其装置包括连续波激光器、发射信号源、回波信号源、参考信号源、电耦合器、第一、第二90°电混合器、双平行马赫曾德尔调制器、双驱动马赫曾德尔调制器、掺铒光纤放大器、光电探测器。其方法是对发射信号和固定频率的低频参考信号进行抑制载波单边带调制，调制后的光信号再被回波信号单边带调制，所得光信号经光电探测后，通过分析得到的低频电信号即可同时测得多普勒频移的大小和方向。本发明结构紧凑、简单有效，采用一个固定频率的低频参考信号，无需使用光学滤波即可以在低频波段进行多普勒频移测量，降低了系统的复杂度和成本，具有较好的可行性和应用前景。

技术领域

本发明属于微波信号测量技术领域，具体涉及一种采用低频参考信号的且无需光学滤波的光子辅助微波多普勒频移测量装置及方法。

背景技术

多普勒频移指的是由于多普勒效应导致的接收信号与发射信号之间的频率差，测量多普勒频移在许多领域具有广泛应用，如：移动通信、医疗成像、电子对抗系统及雷达系统。目前，基于电子学的测量手段仍然是微波多普勒频移最主要、最直接的测量方法。然而，随着数据通信的发展和科技的进步，传统的电子学测量手段在高频及大的频率调谐范围上面临着巨大的挑战，也就是说，纯粹的电子学测量手段无法实现如此高频及如此大的测量带宽或者所需的成本很高。近年来，基于微波光子技术的多普勒频移测量方案可以利用光子技术的大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优势，被认为是一种极具潜力的解决方案。因此，基于微波光子技术的多普勒频移测量具有重要的现实意义，并且已经被积极地研究。

一般而言，现有的光子辅助微波多普勒频移测量方案都可以测量多普勒频移的大小，而为了能够分辨多普勒频移的方向，目前所采用的技术方法大致上可以三类，一是在系统中引入一个频移模块（IEEE Microw. Theory Techn., 63(4): 1421-1430, 2015；Opt.Lett., 40(10): 2321-2324, 2015），该类方法虽然最终也能分辨出多普勒频移的方向，但往往需要额外的光电器件，增加了系统的复杂度和成本；二是采用正交探测（J. Lightw.Technol., 34(20): 4639-4645, 2016； Electron. Lett., 54(11): 708-710, 2018），通过正交两路输出信号之间的相位差判断多普勒频移的方向，因而该类方法均需要使用示波器，增加了系统的成本；三是在测量系统中直接引入一个参考信号（IEEE Photon.Technol. Lett., 30(3): 246-249, 2018； IEEE Photon. Technol. Let ., 31(20):1643-1646, 2019）。在所有这些研究方案中，相对其他两种测量方法，在系统中直接引入一个参考信号是一种最简单和有效的方法。

为了分辨多普勒频移的方向，上述基于微波光子技术测量微波多普勒频移的三类技术方法中，方法一和方法二的实现过程均需要在系统中使用额外的光电器件，不仅增加了系统的复杂度及成本，且可能由于系统引入的额外光电器件带宽的限制而限制整个系统的工作带宽，降低了系统的可调谐性。而方法三所述的引入参考信号的方案是目前一种最简单有效的手段，然而目前报道的方案需要引入一个随发射信号频率变化的参考信号（IEEE Photon. Technol. Lett.,30(3): 246-249, 2018），不仅增加了系统的成本，且系统的可行性较差；有的方案尽管使用了固定的低频参考信号，但仍需要光学滤波器滤除光边带（IEEE Photon. Technol. Let., 31(20): 1643-1646, 2019），不仅增加了系统的复杂度和成本，且由于光学滤波器的使用，减弱了系统的可调谐性和稳定性。基于此，如何实现在整个测量系统中恰当引入一个固定频率的低频参考信号且无需滤波的测量方案是一个极具现实意义及应用价值的问题。

发明内容