[发明专利]基于Sagnac环和I/Q探测的全光微波频移相移装置及测量方法

权利要求书

1.一种基于Sagnac环和I/Q探测的全光微波频移相移装置，包括激光源、DE-MZM、光耦合器、掺珥光纤放大器、双通道密集波分复用器、两个光电探测器和模数转换器，其特征在于：

所述基于Sagnac环和I/Q探测的全光微波频移相移装置，激光源的光输出端连接光耦合器的端口1，光耦合器的端口3连接至DE-MZM的光输入端口，光耦合器的端口4连接DE-MZM的光输出端口，光耦合器的端口2连接到EDFA输入端口，耦合器3口输出光信号经过DE-MZM注入耦合器端口4，耦合器端口4输出光信号经过DE-MZM注入耦合器端口3，构成了Sagnac环路，EDFA的输出端口连接双通道DWDM的公共输入端口，双通道DWDM的两个输出端口各自连接一个PD，两个PD分别连接至ADC；其中本振信号连接至DE-MZM的一个射频端口，待测射频信号连接DE-MZM的另一个射频端口；

从激光源输出的光信号通过光耦合器注入到DE-MZM中，DE-MZM的偏置点通过直流偏压进行控制；光耦合器的端口2输出的光信号通过EDFA将光信号放大后，再通过DWDM分离出上边带和下边带，上边带和下边带各自构成一路光信号，两路光信号各自进入一个PD的输入端，光电探测后得到光电流，光电流携带的多普勒频移信息或相位信息通过后端ADC处理。

2.一种利用权利要求1所述基于Sagnac环和I/Q探测的全光微波频移相移装置的测量方法，其特征在于包括下述步骤：

定义激光源输出的光信号、本振信号和待测信号分别为：

E(t)＝E₀exp(j2πf_ct) (1)

E_Lo(t)＝V_Losin(2πf_Lot) (2)

其中E₀为激光源输出光信号的电场幅度，f_c为光信号的频率，V_Lo是本振信号的幅度，f_Lo是本振信号的频率，V_RF是待测信号的幅度，f_RF为待测信号的频率，为待测信号的相位；经过DE-MZM输出调制后的光信号为：

其中，α_M为DE-MZM的插入损耗，V_π是调制器的半波电压，θ为DE-MZM的直流偏置引入的相位差，另一方面，由光耦合器端口4输出的另一路光载波注入到DE-MZM的输出端口，该路光信号经过Sagnac环，在光耦合器与DE-MZM输出的光信号合路，由光耦合器端口2输出，表达式为：

其中，J_±n(·)是±n阶第一类贝塞尔函数，和为调制指数，将耦合器端口4输出的光信号通过EDFA进行功率放大，并将放大后的光信号注入到双通道DWDM中；对光载波的中心波长进行调节，使光载波处于DWDM两个通道中间，从而将光信号的上下边带分离成两个光通道；两个光通道输出的光信号分别表示为：

其中β_E和α_D分别表示EDFA的增益和DWDM的插入损耗；

经过光电探测后，每个通道中的光电二极管(PD)输出光电流分别表示为：

通过调整DE-MZM的直流偏置将θ设置为45度；则光电探测后的光电流表示为：

当应用于多普勒频移测量时，待测回波信号的多普勒频移表示为f_d＝f_LO-f_RF，经过光电探测后，得到期望的频移项：

i_up(t)∝cos(2πf_dt-45°) (12)

i_down(t)∝cos(2πf_dt+45°) (13)

利用公式(12)和(13)得到的低频DFS信号，通过ADC和数字信号处理进行ADC采样量化，进行数字信号处理计算得到DFS频移信息，通过两个通道的信号的相位差，识别不同符号的DFS；进而实现可分辨方向的多普勒频移测量。

3.根据权利要求2所述的基于Sagnac环和I/Q探测的全光微波频移相移装置的测量方法，其特征在于：

在进行射频信号相移探测时，待测射频信号和本振信号之间的相位差表示为LO信号的频率与待测射频信号的频率相等f_Lo＝f_RF；由式(10)和(11)得到，经过光电探测后，得到待测相位项：

将I路和Q路的输出结果经过模数转换后输入到DSP信号处理模块，通过公式(14)和公式(15)运算得到进而实现了相移测量。