[发明专利]基于微波光子学的宽范围高精度微波频率测量方法及装置

权利要求书

1.一种基于受激布里渊增益谱损耗谱相抵消和相移谱的微波频率测量装置，其特征在于：是由可调激光器、耦合器、相位调制器、第一强度调制器1、第二强度调制器2、滤波器、矢量网络分析仪、隔离器、第一单模光纤1、第二单模光纤2、第一环形器1、第一环形器2、第一微波信号源1、第二微波信号源2、第一直流稳压电源1、第二直流稳压电源2、光电转换器组成；

可调激光器输出的光信号进入到耦合器中，耦合器将光信号分为第一支路和第二两个支路，第一支路的光信号输入到相位调制器中，被矢量网络分析仪输出的一系列等频率间隔的扫频微波信号调制，相位调制器输出的信号经过隔离器进入第二单模光纤2中，作为受激布里渊散射效应的探测光；

耦合器输出的第二支路的光信号由1端口输入到第一环形器1中，再从2端口输出到第一单模光纤1中，在第一单模光纤1中发生受激布里渊散射效应，布里渊频移为V_B；然后从2端口输入到环形器1中，再由3端口输出进入到强度调制器1中；待测频率为f_x的微波信号由微波信号源1输出，并作为第一强度调制器1的微波信号输入；第一强度调制器1的直流偏置端与第一直流稳压电源1相连接，通过第一直流稳压电源1给第一强度调制器1施加直流偏置电压，使第一强度调制器1工作在最小传输点，实现载波抑制双边带调制；第一强度调制器1输出的载波抑制的双边带调制光信号通过滤波器滤掉下边带，实现抑制载波的单边带调制；然后进入到第二强度调制器2中，固定频率为V_B的微波信号由第二微波信号源2输出，作为第二强度调制器2的微波信号输入，第二强度调制器2的直流偏置端与第二直流稳压电源2相连接，通过第二直流稳压电源2给第二强度调制器2施加直流偏置电压，使第二强度调制器2工作在最小传输点，实现载波抑制双边带调制；调制后的光信号通过第二环形器2的1端口输入2端口输出，进入第二单模光纤2中，作为受激布里渊散射效应的泵浦光；当泵浦光与探测光之间的频率间隔为布里渊频移量V_B时，受激布里渊散射效应发生，使探测光的幅度发生增益或者衰减，相位也发生相应的变化，探测光的边带平衡被打破，实现相位调制到强度调制的转换；经受激布里渊散射效应处理的探测光从2端口进入到环形器2，再从3端口输出经过光电转换器拍频之后输入到矢量网络分析仪中去，由矢量网络分析仪测量出幅频特性曲线与相频特性曲线，进而实现未知信号频率的粗略测量和精确测量。

2.如权利要求1所述的一种基于受激布里渊增益谱损耗谱相抵消和相移谱的微波频率测量装置，其特征在于：选用波长为1530nm～1565nm的可调谐激光器作载波光源；耦合器为5:5的耦合器；第一强度调制器1和第二强度调制器2的带宽为20GHz；相位调制器的带宽为38GHz；第一单模光纤1和第二单模光纤2的长度为500m～2000m，受激布里渊频移量V_B为9GHz～11GHz；隔离器的隔离度大于40dB；光电转换器的带宽为40GHz；矢量网络分析仪的频率范围为50MHz～40GHz；第一微波信号源1和第二微波信号源2的输出频率范围为1GHz～70GHz；第一直流稳压电源1和第二直流稳压电源2的输出电压的幅度在1V～20V可调；可调光滤波器的可调带宽为50pm-800pm。

3.一种如权利要求1所述基于受激布里渊增益谱损耗谱相抵消和相移谱的微波频率测量装置的微波频率测量方法，其特征在于：权利要求1所述的装置 连接好之后，打开所有的仪器设备开关，使所有的设备处于工作状态，可调激光器输出频率为f_c的光信号进入到耦合器中，耦合器将光信号分为第一支路和第二支路；第一支路的光信号输入到相位调制器中，被矢量网络分析仪输出的一系列包含频率为f_s的扫频微波信号调制，这些扫频信号的频率间隔设置为ΔV_B为在单模光纤1和单模光纤2中产生受激布里渊散射效应时布里渊增益的线宽，这样能够保证测量时f_s落在泵浦光产生的相移谱的单调区间之中；相位调制器输出的信号f_c、f_c±f_s、……经过隔离器进入单模光纤2中，作为受激布里渊散射效应的探测光；耦合器输出的第二支路的光信号通过环形器1的1端口输入并由2端口输出进入到单模光纤1中，f_c作为泵浦光，调节可调激光器输出功率，使第二支路光信号功率超过单模光纤1的受激布里渊散射阈值，从而在单模光纤1中发生受激布里渊散射效应，受激布里渊散应产生的光信号从2端口进入到环行器1中，并从环形器1的3端口输出频率为f_c+V_B的光信号，该光信号进入第一强度调制器1；待测频率为f_x的微波信号由第一微波信号源1输出进入第一强度调制器1的射频输入端口，调整与第一强度调制器1相连的第一直流电压源1的输出电压，使第一强度调制器1工作在抑制载波的双边带调制状态，输出频率值为f_c+f_x-V_B和f_c+f_x+V_B的下边带和上边带信号；之后调节滤波器的波长和带宽滤掉下边带，使频率值为f_c+f_x+V_B的上边带信号进入到强度调制器2中；微波信号源2输出的频率为V_B的信号进入强度调制器2的射频输入端口，对频率为f_c+f_x+V_B的上边带信号进行强度调制，强度调制器2的直流偏置端与直流稳压电源2相连接，通过直流稳压电源2给强度调制器2施加直流偏置电压，使强度调制器2工作在最小传输点，实现载波抑制双边带调制，输出频率值为f_c+f_x+2V_B和f_c+f_x的上、下阶边信号；强度调制器2输出的光信号通过环形器2的1口输入2口输出，进入单模光纤2中，作为受激布里渊散射效应的泵浦光；当泵浦光与探测光的频率差值为布里渊频移量时，受激布里渊散射效应发生，探测光的边带平衡被打破，实现相位调制到强度调制的转换，由于频率为f_c+f_x+2V_B和f_c+f_x的两个泵浦光的频率间隔为2V_B，泵浦光f_c+f_x的损耗谱与泵浦光f_c+f_x+2V_B的增益谱完全抵消；由于布里渊增益损耗补偿，频率为f_c+f_x-V_B的增益谱和频率为f_c+f_x+3V_B的损耗谱之间的间隔为4V_B；同时由于布里渊散射效应，探测光幅度增加或衰减的同时探测光的相位也发生相应变化，经受激布里渊散射效应处理的频率为f_c+f_x-V_B和f_c+f_x+3V_B的光信号从环形器2的3端口输出经过光电转换器拍频之后输入到矢量网络分析仪中，能得到与待测频率为f_x的微波信号对应的幅频特性和相频特性曲线；

为了实现精确测量需要分段构建相移-频率特性曲线，分段的相移-频率特性曲线的构建方法如下：使微波信号源1从权利要求1所述装置能够测量的最小频率f₀开始，以1MHz～5MHz的微小步进增加至频率为f₁＝f₀+1/2ΔV_B，在矢量网络分析仪中得到一系列与第一微波信号源1输出信号对应的相频特性数据，建立当扫频信号f_s＝f₀-V_B+1/4ΔV_B时的微波信号源1输出信号频率f_x与相频特性数据的相移-频率曲线；然后再使微波信号源1的输出信号频率从f₁变化到f₁+1/2ΔV_B，同样建立扫频信号f_s＝f₁-V_B+1/4ΔV_B时微波信号源1输出信号频率f_x与相频特性数据的相移-频率曲线；之后重复上述步骤，依次建立f₁+1/2ΔV_B变化到f₁+ΔV_B、f₁+ΔV_B变化到f₁+3/2ΔV_B……其它频带相移-频率曲线，进而得到多个频带的相移-频率曲线；

进行正式测量时，通过微波信号源1输入未知信号f_x，根据矢量网络分析仪上的幅频特性曲线第一峰值的频率值加上布里渊频移量V_B粗略地得到未知信号的频率f_x′，从而确定精确测量时对应的相移-频率曲线的频带，根据矢量网络分析仪上读出的f_s的相移数值，在对应频带的相移-频率曲线获得未知信号f_x的精确频率。