[發明專利]一種基于等幅值等間隔多波長光源的衛星頻譜感知方法及系統

有效

• 申請號: 201810798148.2
• 申請日: 2018-07-19
• 公開（公告）號: CN109302251B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 張建軍;雷利華
• 申請（專利權）人: 中國空間技術研究院
• 主分類號: H04B17/382
• 分類號: H04B17/382;H04B10/118;H04B10/516;H04B10/532;H04B10/54;H04B10/556
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 胡健男

1.一種基于等幅值等間隔多波長光源的衛星頻譜感知方法，其特征在于步驟如下：

(1)構建相位調制器與強度調制器的級聯模型和偏振調制器與檢偏器輸出光譜的模型，根據相位調制器與強度調制器的級聯模型和偏振調制器與檢偏器輸出光譜的模型，得出實現平坦等幅值等間隔多頻率模型，光信號進入實現平坦等幅值等間隔多頻率模型，依次進行偏振調制、強度調制、相位調制，使輸入光信號的頻譜被周期性展開，最后進行強度調制，得到等幅值、等間隔的多頻率光載波信號；

構建相位調制器與強度調制器的級聯模型，具體如下：

相位調制器與強度調制器的級聯模型，包括：依次連接的第一相位調制器PM1、第二強度調制器PM2、第一強度調制器IM1、第二強度調制器IM2，還包括：與PM1連接的第一微波移相器PS1、與PM2連接的第二微波移相器PS2，與IM1連接的第三微波移相器，與IM2連接的PS4移相器，CW光分別經過兩個相位調制器PM和兩個強度調制器IM；經過相位調制器，將時域信號的波形映射到頻域上，經過強度調制器實現對脈沖的頂部平坦；

構建偏振調制器與檢偏器輸出光譜的模型，具體如下：

偏振調制器與檢偏器輸出光譜的模型，包括：依次連接的第一偏振控制器PC1、偏振調制器PolM、第二偏振控制器PC2、檢偏器Pol；直流光通過第一偏振控制器PC1，進入偏振調制器PolM，將該光信號通過第二個偏振控制器PC2輸入到一個檢偏器Pol中，通過檢偏器，實現偏振調制后的光信號由偏振調制到強度調制的轉換，最終在光譜上生成有平坦的光譜波長；

根據相位調制器與強度調制器的級聯模型和偏振調制器與檢偏器輸出光譜的模型，得出實現平坦等幅值等間隔多頻率模型，具體如下：

根據相位調制器和偏振調制器級聯對光譜的影響，將偏振調制器與相位調制器將偏振調制器作為一個整體，得出實現平坦等幅值、等間隔、多頻率模型，該模型包括：依次連接的第一偏振控制器PC1、偏振調制器PolM、第二偏振控制器PC2、檢偏器Pol、第三偏振控制器PC3、第一強度調制器PM1和第一相位控制器IM1；還包括：與第一強度調制器連接的第一微波移相器PS1，與第一相位調制器連接的第二微波移相器PS2；

光信號通過第一個偏振控制器進入到偏振調制器PolM，偏振調制器通過射頻RF信號調制，輸出光通過第二個偏振控制器，在通過檢偏器Pol時，檢偏器使信號由偏振調制轉化為強度調制，檢偏器的輸出光通過第三個偏振控制器輸入到相位調制器PM中，使輸入光的頻譜被周期性的展開，從而形成等間隔的多頻率，相位調制器的輸出信號輸入到強度調制器中，對產生的多頻率進行整形，得到等幅值、等間隔的多頻率光信號；

(2)將微波信號調制到步驟(1)得到的等幅值、等間隔的多頻率光載波信號上，具體如下：

通過外置的電光調制器將微波信號調制到光載波信號上，選用馬赫一曾德爾調制器MZM進行調制；

馬赫一曾德爾調制器MZM是由一個鈮酸鋰的襯底和共面型相位調制器組成，在調制器中，兩個分支的相位調制和基材的電光特性有關，每一個分支的相位變化轉為輸出光功率的相位變化，假設Y型分支具有理想的3dB特性，則輸出光信號為：

式中，Φ₁和Φ₂分別為上、下兩臂所引入的光信號總相移；E_out表示輸出光信號，E_in表示輸入光信號，輸出光信號功率為：

式中，I_out表示輸出光信號功率，I_in表示輸入光信號功率；

故MZM的強度傳輸響應函數為：

(3)進行I/Q解調，實現對步驟(2)調制后的信號進行幅度和相位的線性解調，從而在一個光路上完成并行多通道微波頻率高精度感知，具體如下：

先進行相干接收，即在接收端通過光電探測器將步驟(2)調制后的信號接收下來，接收到的光載波信號首先通過一個光耦合器與一個相干本振信號進行相干耦合，然后光耦合器的兩個輸出端與平衡探測器連接，將相干耦合后的光信號送入平衡探測器進行探測；

經過探測以后的電信號沒有直流分量，通過相干接收抑制共模噪聲，同時轉換后的光電流強度與信號光幅度和本振光幅度成正比，通過增加本振光的光功率來提高接收端的中頻信號的強度，實現對更低功率的信號光的檢測；在相干接收的基礎上，通過使用90°光混合耦合器以及兩套平衡探測器，實現對光載信號的完全解調，本振光和信號光都輸入到90°光混合耦合器中，得到理想的光耦合器的輸出光場；通過I/Q解調的方式，在數字域對信號進行靈活的處理，實現對幅度調制和相位調制的信號進行線性解調；

相干接收時，根據本振信號與接收信號載波的頻率是否相同，將相干接收分為零差檢測和外差檢測兩種接收方式；

零差檢測的本振光頻率與信號光頻率相同，通過光電轉換后光載信號會直接轉換到基帶上，這種檢測方式要求本振光與信號光相位鎖定；

外差檢測的本振光頻率與信號光頻率不同，通過光電轉換后光載信號會首先下變頻到中頻上，此時需要對中頻信號進行二次基帶解調。

2.一種基于等幅值等間隔多波長光源的衛星頻譜感知系統，其特征在于包括：光載波信號獲得模塊、調制模塊和線性解調模塊；

光載波信號獲得模塊，構建相位調制器與強度調制器的級聯模型和偏振調制器與檢偏器輸出光譜的模型，根據相位調制器與強度調制器的級聯模型和偏振調制器與檢偏器輸出光譜的模型，得出實現平坦等幅值等間隔多頻率模型，光信號進入實現平坦等幅值等間隔多頻率模型，依次進行偏振調制、強度調制、相位調制，使輸入光信號的頻譜被周期性展開，最后進行強度調制，得到等幅值、等間隔的多頻率光載波信號；

構建相位調制器與強度調制器的級聯模型，具體如下：

相位調制器與強度調制器的級聯模型，包括：依次連接的第一相位調制器PM1、第二強度調制器PM2、第一強度調制器IM1、第二強度調制器IM2，還包括：與PM1連接的第一微波移相器PS1、與PM2連接的第二微波移相器PS2，與IM1連接的第三微波移相器，與IM2連接的PS4移相器，CW光分別經過兩個相位調制器PM和兩個強度調制器IM；經過相位調制器，將時域信號的波形映射到頻域上，經過強度調制器實現對脈沖的頂部平坦；

構建偏振調制器與檢偏器輸出光譜的模型，具體如下：

偏振調制器與檢偏器輸出光譜的模型，包括：依次連接的第一偏振控制器PC1、偏振調制器PolM、第二偏振控制器PC2、檢偏器Pol；直流光通過第一偏振控制器PC1，進入偏振調制器PolM，將該光信號通過第二個偏振控制器PC2輸入到一個檢偏器Pol中，通過檢偏器，實現偏振調制后的光信號由偏振調制到強度調制的轉換，最終在光譜上生成有平坦的光譜波長；

根據相位調制器與強度調制器的級聯模型和偏振調制器與檢偏器輸出光譜的模型，得出實現平坦等幅值等間隔多頻率模型，具體如下：

根據相位調制器和偏振調制器級聯對光譜的影響，將偏振調制器與相位調制器將偏振調制器作為一個整體，得出實現平坦等幅值、等間隔、多頻率模型，該模型包括：依次連接的第一偏振控制器PC1、偏振調制器PolM、第二偏振控制器PC2、檢偏器Pol、第三偏振控制器PC3、第一強度調制器PM1和第一相位控制器IM1；還包括：與第一強度調制器連接的第一微波移相器PS1，與第一相位調制器連接的第二微波移相器PS2；

光信號通過第一個偏振控制器進入到偏振調制器PolM，偏振調制器通過射頻RF信號調制，輸出光通過第二個偏振控制器，在通過檢偏器Pol時，檢偏器使信號由偏振調制轉化為強度調制，檢偏器的輸出光通過第三個偏振控制器輸入到相位調制器PM中，使輸入光的頻譜被周期性的展開，從而形成等間隔的多頻率，相位調制器的輸出信號輸入到強度調制器中，對產生的多頻率進行整形，得到等幅值、等間隔的多頻率光信號；

調制模塊，將微波信號調制到等幅值、等間隔的多頻率光載波信號上；將微波信號調制到步等幅值、等間隔的多頻率光載波信號上，具體如下：

通過外置的電光調制器將微波信號調制到光載波信號上，選用馬赫一曾德爾調制器MZM進行調制；

馬赫一曾德爾調制器MZM是由一個鈮酸鋰的襯底和共面型相位調制器組成，在調制器中，兩個分支的相位調制和基材的電光特性有關，每一個分支的相位變化轉為輸出光功率的相位變化，假設Y型分支具有理想的3dB特性，則輸出光信號為：

式中，Φ₁和Φ₂分別為上、下兩臂所引入的光信號總相移；E_out表示輸出光信號，E_in表示輸入光信號，輸出光信號功率為：

式中，I_out表示輸出光信號功率，I_in表示輸入光信號功率；

故MZM的強度傳輸響應函數為：

線性解調模塊，進行I/Q解調，實現對調制后的信號進行幅度和相位的線性解調，從而在一個光路上完成并行多通道微波頻率高精度感知，具體如下：

先進行相干接收，即在接收端通過光電探測器將調制后的信號接收下來，接收到的光載波信號首先通過一個光耦合器與一個相干本振信號進行相干耦合，然后光耦合器的兩個輸出端與平衡探測器連接，將相干耦合后的光信號送入平衡探測器進行探測；

經過探測以后的電信號沒有直流分量，通過相干接收抑制共模噪聲，同時轉換后的光電流強度與信號光幅度和本振光幅度成正比，通過增加本振光的光功率來提高接收端的中頻信號的強度，實現對更低功率的信號光的檢測；在相干接收的基礎上，通過使用90°光混合耦合器以及兩套平衡探測器，實現對光載信號的完全解調，本振光和信號光都輸入到90°光混合耦合器中，得到理想的光耦合器的輸出光場；通過I/Q解調的方式，在數字域對信號進行靈活的處理，實現對幅度調制和相位調制的信號進行線性解調；

相干接收時，根據本振信號與接收信號載波的頻率是否相同，將相干接收分為零差檢測和外差檢測兩種接收方式；

零差檢測的本振光頻率與信號光頻率相同，通過光電轉換后光載信號會直接轉換到基帶上，這種檢測方式要求本振光與信號光相位鎖定；

外差檢測的本振光頻率與信號光頻率不同，通過光電轉換后光載信號會首先下變頻到中頻上，此時需要對中頻信號進行二次基帶解調。