[发明专利]基于色散补偿技术的远程微波频率测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于色散补偿技术的远程微波频率测量装置，包括：中心站、中间链路和远端天线单元；其特征在于

中心站内，设有连续波激光器LD、光隔离器Isolator、第一光环形器OC1、色散补偿光纤DCF、第一偏振控制器PC1、偏振分束器PBS、第一光电探测器PD_X和第二光电探测器PD_Y；

中间链路含有上行链路和下行链路，包括第一单模光纤SMF1、第二单模光纤SMF2、第一掺饵光纤放大器EDFA和第二掺饵光纤放大器EDFA；

远端天线单元，设有第二光环形器OC2、第二偏振控制器PC2、双偏振马赫增德尔调制器DPol-DMZM和天线；

在中心站，激光器产生的光载波经过第一光环形器的端口1输入，由端口3输出，沿下行链路经第一单模光纤SMF1和第一掺铒光纤放大器EDFA传输放大后到达远端天线单元；光隔离器位于激光器输出端与第一光环形器OC1端口1之间，只允许光载波沿着同一方向射出，防止光路反射；在远端天线单元，光载波输入第二偏振控制器PC2，由于光载波为线偏振光，因此通过控制第二偏振控制器PC2来对准双偏振马赫增德尔调制器主轴方向，第二偏振控制器PC2输出端连接到双偏振马赫增德尔调制器的3-dBY分支耦合器将光载波平均功分到双偏振马赫增德尔调制器两个支路；通过天线接收到的未知射频RF信号也分别加载到双偏振马赫增德尔调制器两个支路，分别对双偏振马赫增德尔调制器两个支路接收到的光载波进行调制；双偏振马赫增德尔调制器包括两个并联的双驱动马赫增德尔调制器、90°偏振旋转器PR和偏振束合器PBC；其中双驱动马赫增德尔调制器包括第一马赫增德尔调制器子调制器11和第二马赫增德尔调制器子调制器22，且每个子调制器包含2个射频输入口和2个直流偏置口；在第一马赫增德尔调制器子调制器11中，天线传输的未知射频RF信号加载到2个射频输入口，调节第一马赫增德尔调制器子调制器11的直流偏置电压值，第一马赫增德尔调制器子调制器11工作在正交偏置点，实现对第一马赫增德尔调制器子调制器11已接收到的光载波的双边带调制，获得第一调制光信号；在第二马赫增德尔调制器子调制器22中，天线传输的未知射频RF信号只加载到其中一路射频输入口，不施加偏置电压，实现对第二马赫增德尔调制器子调制器22已接收到的光载波的相位调制，获得第二调制光信号，且第二调制光信号经过90°偏振旋转器旋转后，实现与第一马赫增德尔调制器子调制器11输出的第一调制光信号正交，两路调制光信号经过偏振束合器合为一束正交偏振复用光；正交偏振复用光经过第二光环形器的端口2、端口3后，沿上行链路依次经第二单模光纤SMF2、第二掺饵光纤放大器EDFA的传输放大，之后送回远处的中心站；在中心站，接收到的正交偏振复用光经第一光环形器的端口2输入，由端口3输出，经过一段色散补偿光纤后，第一偏振控制器控制正交偏振复用光的偏振方向对准偏振分束器，由偏振分束器对正交偏振复用光进行偏振解复用处理，使两路偏振态分开；偏振分束器输出的两路信号分别由第一光电探测器输PD_X、第二光电探测器PD_Y进行光电检测；使用电功率计分别测量经第一光电探测器输PD_X、第二光电探测器PD_Y光电转换后的光电检测信号功率值，分别定义为P₁，P₂；使用所得两支路功率的比值构造出幅值比较函数ACF＝P₂/P₁，即能够通过公式反求出微波频率的大小。

2.一种基于色散补偿技术的远程微波频率测量方法，其采用如权利要求1所述的基于色散补偿技术的远程微波频率测量装置，其特征在于，该方法具体包括下列步骤：

首先假定激光器产生光载波信号E_in(t)＝E₀exp(jω_ct)，待测射频信号为V_RF(t)＝Vsin(ω_RFt)；其中E₀、ω_c分别为光载波信号的振幅和角频率，V、ω_RF分别为待测射频信号的幅度和角频率；

第一步：产生连续的线偏振光：在中心站，连续波激光器LD将光载波输入到第一光环形器OC1端口1，从连接第一单模光纤的端口3输出，经过第一单模光纤和第一掺铒光纤放大器的传输放大，传送至远端的天线接收单元；光隔离器位于激光器输出端与第一光环形器OC1端口1之间，只允许光载波沿着同一方向射出，防止光路反射；

第二步：调制处理：由中心站输入的光载波经第二光环形器OC2端口1进入远端天线单元，光载波继而由第二光环形器OC2端口2输出给第二偏振控制器，由第二偏振控制器经3-dB的Y分支耦合器将光载波功分两路到双偏振马赫增德尔调制器DPol-DMZM的第一马赫增德尔调制器子调制器11和第二马赫增德尔调制器子调制器22；同时，在第一马赫增德尔调制器子调制器11和第二马赫增德尔调制器子调制器22中将天线截获的未知射频信号调制到各自接收到的光载波上；分别调节两个子调制器直流偏置电压，使得第一马赫增德尔调制器子调制器11实现对已接收到的光载波的双边带调制，第二马赫增德尔调制器子调制器22实现对已接收到的光载波的相位调制，且第二马赫增德尔调制器子调制器22输出的调制信号经过90°的偏振旋转器PR旋转，实现与第一马赫增德尔调制器子调制器11输出的调制光信号正交；定义来自第一马赫增德尔调制器子调制器11的调制光信号工作在x偏振方向，来自第二马赫增德尔调制器子调制器2的调制光信号工作在y偏振方向；在小信号调制下，双偏振马赫增德尔调制器DPol-DMZM两个输出端口的调制信号表达式如下：

其中，是调制指数，V_π为半波电压，J_n(m)为n阶第一类贝塞尔函数，分别表示在x偏振方向的调制光信号和第二马赫增德尔调制器子调制器22在y偏振方向的调制光信号，分别表示两个正交偏振分量的单位向量，j代表虚数单位；通过公式(1)发现，经过强度调制和相位调制后的信号频谱函数都包含3个分量，输出光谱主要包括载波频率ω_c和正负一阶边带频率ω_c±ω_RF，边带之间频率间隔为ω_RF；两正交分量通过偏振合束器PBC合成一路后经过第二单模光纤和第二掺饵光纤放大器回传中心站，仍保持正交偏振态；

第三步：利用光纤的色散效应，使调制光信号产生与频率相关的功率衰落：偏振复用光信号经过长度为L₁的第二单模光纤SMF后，由于光纤的色散效应，光载波和正负一阶边带处引入额外相移，偏振复用光信号的表达式为：

其中，表示由单模光纤色散引起的相移，β₂₁＝-λ²D₁/2πc为单模光纤的二阶色散系数，L₁为单模光纤长度，D₁为单模光纤色散值，λ、c分别表示入射光波波长和真空光速；

第四步：色散补偿光纤DCF进行色散补偿：到达中心站后，偏振复用光信号通过第二光环形器OC2的端口2传输到端口3，再经过一段色散补偿光纤DCF产生相移，实现色散补偿；此时，偏振复用光信号表示为：

其中，表示色散补偿光纤引起的相移，β₂₂＝-λ²D₂/2πc为色散补偿光纤的二阶色散系数，L₂为色散补偿光纤长度，D₂为色散补偿光纤色散值；

第五步：光信号转换为电信号：经过一段色散补偿光纤传输后的偏振复用光信号，经第一偏振控制器PC1对准后，偏振分束器PBS将两路调制的正交偏振态信号再次分开，一路输出给第一光电探测器PD_X，另一路输出给第二光电探测器PD_Y；由于第一光电探测器PD_X、第二光电探测器PD_Y的带宽有一定的限制，因此忽略链路和器件的损耗和高阶分量，滤除直流分量后，得到两路光电检测信号功率值分别为：

其中，R_i(i＝1，2)分别为第一、第二光电探测器的响应度，f＝ω_RF/2π即待测微波信号频率；根据幅值比较函数ACF定义，在小信号调制情况下J0(m)≈1，ACF表示为：

其中K表示光链路中总的损耗量，在这里认为两路光在各自传输时总的损耗量是相等的，K＝1；由等式(6)知，当光载波固定时，幅值比较函数ACF只与待测信号频率和传输光纤参数有关，与射频功率、光功率均无关；由等式(4)和(5)可知，经第一光电探测器PD_X和第二光电探测器PD_Y两支路输出的的光电检测信号功率具有互补性，当传输光纤参数固定时，计算出ACF的一个单调映射区间，且在单调区间内，ACF值与待测信号的频率满足一一对应关系；由此，最大单调区间为tan函数的第一个单调递增区间(0-π/2)，最大测频点f_peak