基于光子技术的实时频率测量方法

胡 墅，韩秀友，石暖暖，谷一英，胡晶晶，赵明山＊

（大连理工大学 物理与光电工程学院，辽宁 大连 116024）

0 引 言

现代电子战中，为实现快速预警和拦截敌方未知信号，需要在雷达预警接收机中采用实时频率测量技术［1］.传统电子手段在微波频率测量方面具有测量带宽小、损耗大等问题［2］，而采用光子技术可以较好地解决上述问题，并且还具有抗电磁干扰等优势［3］.目前，光子学频率测量方法主要可以分为3类［4］：研究频率和时间参数的关系［5］，研究频率和空间参数的关系［6－7］，研究频率和功率的关系［8－11］.前两类测量方法由于需要特殊加工工艺的器件，系统体积庞大，成本高昂，并且误差超过几百兆赫兹，在实际使用中有一定的局限性.第三类方法是目前的研究热点，采用诸如保偏光纤和高色散光纤组合［8］、可调谐激光器与色散介质组合［9］、双输出马赫曾德调制器（Mach－Zehnder modulator，MZM）［10］、光子滤波器［11］等方式.此外，还有采用基于法布里－帕罗干涉仪［12］、光子希尔伯特转换［13］等特殊方法.上述方法虽然采取各种手段实现了宽带频率测量，误差保持在几十兆赫兹到几百兆赫兹，但是采用的可调谐激光器、几十千米单模光纤等仪器和器件，使得测量系统既复杂又笨重，并且连同高速率光电探测器又会带来较高的成本，这些都限制了其在要求系统小型化的电子战等一些领域的应用.一种光子学频率测量方法采用偏置在线性工作点的级联调制器实现光子混频，通过监测直流电压，实现实时测量，由于可以采用低速率光电探测器，该方案降低了系统成本，但是有效测量带宽仅为1GHz［14］.本文进一步研究一种基于光子混频技术的实时频率测量方法.设计方案采用偏置在光载波抑制点的两个级联马赫曾德调制器构成光子混频结构，微波信号经过3dB 功分器后，分别输入到两个调制器，由于光通道与射频通道存在一定的延时差，通过检测经混频后输出的直流光功率，可以实现实时频率测量.结合理论分析与模拟仿真，设计射频通道与光通道之间的延时差，优化系统频率测量范围.

1 理论分析

频率测量系统结构如图1所示，分布反馈式（distributed feedback，DFB）激光器输出的光载波先后经过两个级联马赫曾德调制器，并且调制器分别由偏置点控制电路稳定地控制在光载波抑制工作点.待探测的未知频率微波信号由天线接收后，首先由3dB 射频功分器分为两路，端口1输出微波信号直接输入到调制器1，端口2 输出微波信号经一定长度同轴电缆后输入到调制器2.经过两次调制的光载波从调制器2输出，由光功率计进行实时监控.

图1 基于光子技术的实时频率测量系统示意图Fig.1 Schematic of real－time frequency measurement system based on photonic technique

1.1 测量原理

式中，假设此时附加相位为0；功分器端口2输出微波信号经过一定长度电缆到达调制器2时的形式可以表示为

其中s是电缆的损耗，与微波信号频率相关；τ1是射频通道中电缆引入的相对延时.将调制器1工作点选择在光载波抑制点，直流偏置电压等于半波电压，即VDC1＝Vπ1，经微波信号调制后，调制器1输出的光场可表示为

调制器2同样工作在光载波抑制点，经另一路延时的微波信号调制后，调制器2输出光载波光场为

调制器输出光功率为

光功率计得到的是平均输出光功率，也就是输出的直流光功率，整理得出直流光功率为

1.2 模拟分析

图2 不同Δτ下理论计算输出光功率与输入频率之间关系Fig.2 Theoretical calculated results of the dependence of the optical output power on the input frequency by changingΔτ

根据确立的理论模型进行模拟仿真，以优化光通道与射频通道的延时差Δτ.如图2所示，通过改变Δτ得出输出光功率与输入频率之间关系.从图中可以看到，Δτ越大，关系曲线的变化周期越短，曲线的斜率越大，越利于提高测量精度，但是频率测量范围受限；Δτ越小，关系曲线的变化周期越长，频率测量范围变大，但是曲线的斜率变小，会降低测量精度.因此，在设计系统时，需要兼顾考虑测量频率范围与测量精度，针对测量频率范围为1～6GHz时，Δτ选取在20ps左右较为合适.

2 实验系统及测试结果

如图1所示，搭建频率测量系统，DFB激光器（Emcore 1772）工作波长为1 546nm，3dB功分器插入损耗为1.5dB，两个马赫曾德调制器（Oclaro AM40）完全相同，插入损耗为4.5dB，半波电压为5V，采用光载波抑制调制方式，偏置电压通过偏置点控制器（YYLabs MBC－2）来稳定控制，两次调制后输出的光信号经光功率计（Newport 2832C）探测后，由计算机进行数据处理得到输入信号频率值，整个系统由虚拟仪器（LabVIEW）程序控制.

2.1 标定延时差

标定和优化系统光通道与射频通道的延时差Δτ，是对频率测量系统进行实验设计的关键.采用矢量网络分析仪（R＆S ZVL）对延时进行测量，在确定Δτ时，要先分别测量微波信号通过光通道和射频通道的延时.先对光通道延时进行测量，将功分器端口2和调制器2射频输入端口断开，分别连接50Ω 匹配电阻，由矢量网络分析仪输出的微波信号只由功分器端口1进入系统，两个调制器都工作在线性偏置点，调制器2输出的光信号输入到光电探测器（U2T XPDV2120R），输出的微波信号再输入到矢量网络分析仪.光通道的相位响应曲线如图3所示，通过数据处理得出光通道对微波信号的延时为16 344.6ps.

图3 光通道相位响应曲线Fig.3 Phase response curve of optical path

同理，对射频通道延时进行测量时，将功分器端口1和调制器1射频输入端口断开，分别连接50Ω 匹配电阻，由矢量网络分析仪输出的微波信号只由功分器端口2进入系统.射频通道的相位响应曲线如图4所示，通过数据处理得出射频通道对微波信号的延时为16 362.3ps，得到光通道与射频通道延时差Δτ为17.7ps.完成延时量标定后，还需要利用矢量网络分析仪对射频通道中电缆的传输损耗进行标定，测试结果如图5所示.

图4 射频通道相位响应曲线Fig.4 Phase response curve of RF path

图5 射频通道电缆传输损耗Fig.5 Transmission loss of cable in RF path

2.2 频率测量

通过实验标定延时差Δτ、电缆损耗以及调制器插入损耗等参数后，根据式（8）可以得出微波频率与直流光功率关系查询表.在进行频率测量时，调制器1和调制器2的工作点都被稳定地控制在光载波抑制点，整个系统由虚拟仪器（LabVIEW）程序控制，通过对直流光功率的监测，可实现对微波信号频率的实时测量.图6为实验测得输出光功率随频率变化曲线，与理论计算得出的曲线变化趋势完全符合.得到的频率测量值和实际输入频率值比较曲线以及测量误差分别如图7和8所示.

图6 输出光功率随输入频率变化曲线Fig.6 The curve of optical output power with frequency

图7 测量频率与输入频率的比较Fig.7 Comparison between the measured frequency and the input frequency

图8 频率1～6GHz的测量误差Fig.8 Measurement error for a frequency range of 1－6GHz

3 误差分析

从图8中的测量误差曲线可以看出，在频率1～6GHz时，测量误差小于±0.12GHz.测量误差主要来源于两方面：光功率波动和参数测量误差.

3.1 光功率波动

实验中马赫曾德调制器通过偏置点控制器稳定地控制在光载波抑制点，因此光功率波动来源于激光器，而通过实验观察发现DFB激光器输出光功率有接近0.05dB 的波动，这可能会导致测量误差最大达到几十兆赫兹.改善这种误差的主要途径是提高激光器的工作稳定性，为其提供更稳定的工作温度和驱动电流［15］.

3.2 参数测量误差

矢量网络分析仪对相位测量有其本身的不确定度，导致时间延时测量存在误差，针对本系统的延时测量精度在1ps以内，在低频处引起的误差较小，而在高频处可能引起的测量误差较大，在几十兆赫兹左右.改善这种误差的一种方法是采用更高精度的矢量网络分析仪，另一种方法是通过增加延时测量频率孔径，来降低相位测量不确定度的影响.

另外，矢量网络分析仪对射频通道中电缆损耗的测量，还有调制器插入损耗的测量也存在误差，但这些因素对频率测量引入误差较小.

4 结 语

研究了一种基于光子混频技术的实时频率测量方法，通过建立理论模型进行仿真与分析，优化设计光通道与射频通道延时差，从而改变系统频率测量范围.实验上可实现在频率1～6GHz测量误差小于±0.12GHz.该方法未采用价格昂贵的高速率光电探测器，降低了检测设备的复杂度，为实时频率测量提供了一种低成本光子学解决方案.

［1］ Drummond M V，Monteiro P，Nogueira R N.Photonic RF instantaneous frequency measurement system by means of a polarization－domain interferometer［J］.Optics Express，2009，17（7）：5433－5438.

［2］ Gruchala H，Czyzewski M.The instantaneous frequency measurement receiver in the complex electromagnetic environment ［C］ ／／ 15th International Conference on Microwaves，Radar and Wireless Communications.Piscataway：IEEE，2004：155－158.

［3］ YAO Jian－ping.Microwave photonics［J］.Journal of Lightwave Technology，2009，27（3）：314－335.

［4］ NIU Jian，FU Song－nian，XU Kun，etal.Instantaneous microwave frequency measurement based on amplified fiber－optic recirculating delay loop and broadband incoherent light source ［J］.Journal of Lightwave Technology，2011，29（1）：78－84.

［5］ Nguyen L.Microwave photonic technique for frequency measurement of simultaneous signals［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2009，21（10）：642－644.

［6］ Hunter D B，Edvell L G，Englund M A.Wideband microwave photonic channelised receiver ［C］／／2005International Topical Meeting on Microwave Photonics.Piscataway：IEEE，2005：249－252.

［7］ WANG Wen－shen，Davis R L，Jung T J，etal.Characterization of a coherent optical RF channelizer based on a diffraction grating ［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2001，49（10）：1996－2001.

［8］ ZHOU Jun－qiang，FU Song－nian，Shum P P，etal.Photonic measurement of microwave frequency based on phase modulation ［J］.Optics Express，2009，17（9）：7217－7221.

［9］ ZOU Xi－hua，YAO Jian－ping.An optical approach to microwave frequency measurement with adjustable measurement range and resolution ［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2008，20（23）：1989－1991.

［10］ LI Jian－qiang，FU Song－nian，XU Kun，etal.Photonic－assisted microwave frequency measurement with higher resolution and tunable range［J］.Optics Letters，2009，34（6）：743－745.

［11］ ZOU Xi－hua，CHI Hao，YAO Jian－ping.Microwave frequency measurement based on optical power monitoring using a complementary optical filter pair ［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2009，57（2）：505－511.

［12］ Winnall S T，Lindsay A C.A Fabry－Perot scanning receiver for microwave signal processing［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1999，47（7）：1385－1390.

［13］ Emami H，Sarkhosh N，Bui L，etal.Amplitude independent RF instantaneous frequency measurement system using photonic Hilbert transform ［J］.Optics Express，2008，16（18）：13707－13712.

［14］ Sarkhosh N，Emami H，Bui L，etal.Reduced cost photonic instantaneous frequency measurement system ［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2008，20（18）：1521－1523.

［15］ 曾永福，熊汉林，朱宏韬，等.基于MAX3738 的激光器驱动电路设计与优化［J］.光通信技术，2012（8）：20－22.ZENG Yong－fu，XIONG Han－lin，ZHU Hong－tao，etal.Design and optimization of a laser driving circuit based on MAX3738 ［J］.Optical Communication Technology，2012（8）：20－22.（in Chinese）