微波光子測(cè)頻技術(shù)的典型研究成果

面對(duì)日趨復(fù)雜的電磁環(huán)境，傳統(tǒng)的測(cè)頻方法難以實(shí)現(xiàn)大范圍的帶寬測(cè)量，面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，不能滿足現(xiàn)代電子戰(zhàn)的需要。微波光子技術(shù)為瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)性能的提升和改進(jìn)提供了可能，能夠提供一個(gè)寬帶測(cè)頻、低損耗、抗干擾、系統(tǒng)小型便攜的解決方案。

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，雷達(dá)在信息獲取和精確制導(dǎo)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，如何快速的獲取敵方雷達(dá)發(fā)射的微波載波信號(hào)頻率參數(shù)，成為電子戰(zhàn)中左右戰(zhàn)局勝負(fù)的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)的瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)采用電子學(xué)的方法，能夠提供0.5-18GHz帶寬的頻率測(cè)試（靈敏度不高于-50dBm），結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，造價(jià)昂貴且易受電磁干擾。近年來，在電子戰(zhàn)系統(tǒng)中，毫米波段（0.5-40GHz）的雷達(dá)微波信號(hào)已投入使用。面對(duì)日趨復(fù)雜的電磁環(huán)境，傳統(tǒng)的測(cè)頻方法難以實(shí)現(xiàn)大范圍的帶寬測(cè)量，面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，不能滿足現(xiàn)代電子戰(zhàn)的需要，微波光子技術(shù)為瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)性能的提升和改進(jìn)提供了可能，能夠提供一個(gè)寬帶測(cè)頻、低損耗、抗干擾、系統(tǒng)小型便攜的解決方案?？梢源蠓鹊母倪M(jìn)和提升現(xiàn)有瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)的性能，能夠在適應(yīng)日益復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境。

用微波光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)頻率的瞬時(shí)測(cè)量，需要把截獲的雷達(dá)微波信號(hào)調(diào)制到光波上，通過一定的光路結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一個(gè)僅與待測(cè)微波信號(hào)頻率有關(guān)的幅度比較函數(shù)，進(jìn)而得到待測(cè)信號(hào)的頻率。近幾年，各國(guó)研究人員提出了多種光路結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了良好的效果。一些典型的研究成果如下：

加拿大渥太華大學(xué)

加拿大渥太華大學(xué)姚建平等人提出并論證了一種基于光功率監(jiān)測(cè)的微波頻率測(cè)量方法《An Approach to the Measurement of Microwave Frequency Based on Optical Power Monitoring》。該方法將要測(cè)量的頻率的微波信號(hào)在兩個(gè)光學(xué)載波上調(diào)制，其波長(zhǎng)設(shè)置為正弦濾波器的光譜響應(yīng)的一個(gè)峰值和一個(gè)谷值。調(diào)制由馬赫-曾德爾調(diào)制器執(zhí)行，該調(diào)制器被偏置以抑制光載波。開發(fā)了與來自兩個(gè)波長(zhǎng)信道的光功率和待測(cè)量的微波頻率相關(guān)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。通過簡(jiǎn)單地監(jiān)視兩個(gè)波長(zhǎng)信道的輸出處的光功率，可以評(píng)估微波頻率。實(shí)驗(yàn)證明該研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同功率水平的微波信號(hào)具有良好精度的頻率測(cè)量。

將待測(cè)微波信號(hào)調(diào)制到兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光波信號(hào)上，通過一個(gè)傳遞函數(shù)為正弦函數(shù)的微波光子濾波器后，用分波器把兩種不同波長(zhǎng)的調(diào)制光載波信號(hào)分開，如圖所示：

圖1 光功率監(jiān)測(cè)瞬時(shí)測(cè)頻原理圖

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置

不同波長(zhǎng)的光信號(hào)被兩個(gè)光電探測(cè)器分別轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，用于后續(xù)電路的處理。該系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)光源的中心頻率有不同的要求：其中一個(gè)光源的中心頻率應(yīng)為濾波器的帶通頻率，另一個(gè)光源的中心頻率為濾波器的抑制頻率。這樣可以得到一個(gè)線性度較好的幅度比較函數(shù)，有利于減少測(cè)量誤差。經(jīng)過信號(hào)處理，可得到幅度比較函數(shù)如下：

其中：fm為待測(cè)射頻信號(hào)頻率，F(xiàn)SR為濾波器的自由頻譜范圍，可通過設(shè)計(jì)濾波器的不同參數(shù)獲得一個(gè)合適的值。從式子可以看出，幅度比較函數(shù)僅與待測(cè)微波信號(hào)頻率有關(guān)，因此，不受光源功率波動(dòng)和待測(cè)信號(hào)功率大小的影響。實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了0～20GHz微波頻率的測(cè)量，誤差在±0.2GHz之內(nèi)。但該結(jié)構(gòu)中，采用Sagnac環(huán)作為光子濾波器，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；光調(diào)制器的偏置點(diǎn)漂移降低了測(cè)試精度，且系統(tǒng)不可重構(gòu)，測(cè)試范圍和分辨率不能調(diào)整。

澳大利亞國(guó)防科學(xué)技術(shù)組織

澳洲研究人員Linh.V.T等人提出了一種對(duì)微波頻率測(cè)量范圍和分辨率可調(diào)諧的解決方案。光路結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖3 微波光子頻率測(cè)試原理圖

對(duì)經(jīng)過不同通道所獲得的微波信號(hào)進(jìn)行處理，可以得到一個(gè)僅與待測(cè)信號(hào)頻率有關(guān)的幅度比較函數(shù)。這種光路結(jié)構(gòu)可在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)4～12GHz的微波頻率的瞬時(shí)測(cè)量，測(cè)量精度高于100MHz。使用多通道啁啾光纖光柵不同的通道，可以實(shí)現(xiàn)不同的微波頻率測(cè)試范圍，這有利于改善接收機(jī)微波頻率探測(cè)范圍，但需要改變光路結(jié)構(gòu)，不能實(shí)現(xiàn)靈活的可調(diào)諧的頻率范圍的切換。

為了破解上述光路結(jié)構(gòu)面臨的問題，姚建平小組提出了一種對(duì)微波信號(hào)測(cè)量頻率范圍和分辨率可調(diào)諧的解決方案（Adjustable Measurement Range and Resolution）。光路結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖4 瞬時(shí)測(cè)頻系統(tǒng)

用兩個(gè)可調(diào)諧的光源產(chǎn)生載波信號(hào)，未知功率和頻率的待測(cè)信號(hào)通過馬-澤調(diào)制器調(diào)制到光載波上，經(jīng)過一段色散光纖，對(duì)兩種不同波長(zhǎng)的載波引入不同的色散，使不同波長(zhǎng)的調(diào)制載波信號(hào)產(chǎn)生不同的功率補(bǔ)償，經(jīng)過兩個(gè)可調(diào)諧微波光子濾波器，把兩個(gè)不同波長(zhǎng)的載波信號(hào)分開，由光電探測(cè)器獲得待測(cè)微波信號(hào)功率。兩路探測(cè)信號(hào)功率如下：

其中：f為微波信號(hào)的頻率，c為光在真空中速度，λi（i=1，2，）為兩個(gè)光載波波長(zhǎng)，χi為相對(duì)于λi的色散光纖引入的總的色散，?i分別代表兩個(gè)信道的光載波功率損耗。盡管光纖色散對(duì)不同波長(zhǎng)的損耗是不同的，但可以通過調(diào)諧兩個(gè)光源的功率，實(shí)現(xiàn)?1=?2；故可得幅度比較函數(shù)：

由式子可以看出：為了獲得較高的微波頻率測(cè)量的分辨率，需要一個(gè)較大的載波波長(zhǎng)間隔，一般需在數(shù)十納米以上。同時(shí)，通過調(diào)整兩載波光源的波長(zhǎng)間隔，可以實(shí)現(xiàn)微波頻率測(cè)試范圍的改變，而不用改變光路結(jié)構(gòu)。采用多個(gè)波長(zhǎng)作為載波可以在保持較大微波測(cè)量頻率范圍下提高測(cè)量的分辨率，但會(huì)增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和成本。采用這種方法，通過調(diào)整兩載波光源的波長(zhǎng)間隔，可以改變系統(tǒng)的測(cè)頻帶寬，而無須改變光路結(jié)構(gòu)。為了取得較高的測(cè)頻分辨率，需要兩個(gè)載波光源有較大的波長(zhǎng)間隔。用該光路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)測(cè)頻，測(cè)頻帶寬和測(cè)頻精度之間有一個(gè)平衡關(guān)系，高的測(cè)頻精度往往以窄的測(cè)頻帶寬為代價(jià)。如果采用多個(gè)光源產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的載波，可以在保持較大測(cè)頻帶寬的情況下提高測(cè)量的分辨率，但會(huì)增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和成本。實(shí)驗(yàn)中在11GHz～13.6GHz的頻率范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了±0.02GHz的測(cè)量誤差精度。這種方法測(cè)頻精度相對(duì)較高，可通過載波光源實(shí)現(xiàn)測(cè)頻帶寬和分辨率的調(diào)諧，但對(duì)載波光源的要求苛刻，測(cè)頻帶寬受載波光源影響較大。此外，用色散光纖取代多通道啁啾光纖光柵可以減少色散紋波，提高測(cè)試精度。

03

澳大利亞墨爾本皇家理工學(xué)院

澳大利亞墨爾本皇家理工學(xué)院的研究人員Niusha Sarkhosh等人研究了非線性光學(xué)混合光子瞬時(shí)頻率測(cè)量方法《Photonic instantaneous frequency measurement using non-lineroptical mixing》。利用激光半導(dǎo)體放大器的非線性效應(yīng)對(duì)兩個(gè)差分延時(shí)的光載波進(jìn)行混頻，建立微波頻率與激光半導(dǎo)體放大器混頻效應(yīng)的關(guān)系函數(shù)，成功的實(shí)現(xiàn)了2～20GHz的微波頻率測(cè)量，且僅用一個(gè)低成本的直流光電探測(cè)器，降低了系統(tǒng)成本。

圖5 光子瞬時(shí)測(cè)頻配置

考慮到系統(tǒng)部件各組分的響應(yīng)情況，研究人員給出輸出直流電壓的表達(dá)式應(yīng)是：

實(shí)驗(yàn)得到的最后結(jié)果如以下兩圖所示：

圖6 測(cè)量和預(yù)測(cè)的瞬時(shí)測(cè)頻響應(yīng)

圖7 用上述表達(dá)式進(jìn)行轉(zhuǎn)化可實(shí)現(xiàn)如圖所示的瞬時(shí)頻率測(cè)量

Niusha Sarkhosh等人還探索了無視振幅的靈敏型光子頻率瞬時(shí)測(cè)量方法《Amplitude-Independent Photonic Instantaneous Frequency Measurement With Improved Sensitivity》。該方法利用鎖定放大將所需信號(hào)與背景噪聲隔離。演示在雙正交瞬時(shí)測(cè)頻系統(tǒng)上進(jìn)行，該系統(tǒng)利用多個(gè)波長(zhǎng)和橫向希爾伯特變換，在多倍頻程帶寬上實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的幅度和頻率測(cè)量，靈敏度為37dBm。這種性能可與傳統(tǒng)的電子瞬時(shí)測(cè)頻接收器相媲美。這種多通道光子系統(tǒng)中鎖定方法的成功應(yīng)用說明了它的靈活性，并表明它應(yīng)該適用于更復(fù)雜的系統(tǒng)。

圖8 靈敏度增強(qiáng)的IFM系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖9 IFM系統(tǒng)的輸出電壓作為頻率的函數(shù)在-20、-34、-37dBm輸入RF功率時(shí)的圖象（左）

不同RF輸入功率的輸出幅度差（右）

伊朗伊斯法罕阿扎德大學(xué)

伊朗伊斯法罕阿扎德大學(xué)Hossein Emami小組研究了應(yīng)用微波光子技術(shù)的多普勒頻移估計(jì)方法《Standalone Microwave Photonics Doppler Shift Estimation System》，設(shè)計(jì)了用于多普勒頻率測(cè)量目的的獨(dú)立微波光子系統(tǒng)。應(yīng)用該系統(tǒng)，在最壞的情況下的多普勒頻率估計(jì)中表現(xiàn)出的相對(duì)誤差最大為1.61％。全光混合使得RF頻率能夠獨(dú)立運(yùn)行。因此，該系統(tǒng)能夠在高達(dá)40GHz的任何雷達(dá)載波頻率下工作。這使其成為各種類型的基于光子的雷達(dá)和頻率捷變系統(tǒng)的理想選擇。

圖10 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換增益（左）測(cè)得的電壓（右）

圖11 轉(zhuǎn)換增益測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置

Hossein小組還研發(fā)了一種改進(jìn)的基于四波混頻效應(yīng)的高非線性光纖動(dòng)態(tài)范圍瞬時(shí)頻率測(cè)量方法，并開發(fā)了一種封閉形式的模型來預(yù)測(cè)系統(tǒng)的行為。該模型預(yù)測(cè)系統(tǒng)輸出將具有與RF輸入頻率對(duì)應(yīng)的低頻電壓。系統(tǒng)的敏感度可以利用鎖定放大技術(shù)改善，結(jié)合高非線性光纖產(chǎn)生的四波混頻效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)0．04GHz～40GHz的測(cè)量帶寬、小于100MHz的測(cè)量誤差以及51dB的動(dòng)態(tài)范圍。

圖12 基于四波混頻的瞬時(shí)測(cè)頻方法原理圖

浙江大學(xué)

用馬-澤強(qiáng)度調(diào)制器實(shí)現(xiàn)微波頻率的瞬時(shí)測(cè)量，需要用復(fù)雜的電路控制馬-澤強(qiáng)度調(diào)制器的直流偏置點(diǎn)，容易引入測(cè)量誤差。浙江大學(xué)張曉明（音譯）等人通過研究提出了一種使用光學(xué)相位調(diào)制器進(jìn)行瞬時(shí)微波頻率測(cè)量的新方法《Instantaneous Microwave Frequency Measurement Using an Optical Phase Modulator》。在所提出的系統(tǒng)中，在相位調(diào)制器處在兩個(gè)光學(xué)波長(zhǎng)上調(diào)制具有其待測(cè)頻率的微波信號(hào)，其中相位調(diào)制光學(xué)信號(hào)被發(fā)送到色散元件，并在兩個(gè)光電檢測(cè)器處被檢測(cè)。由于色散元件的色散，兩個(gè)微波信號(hào)將經(jīng)歷不同的功率衰落，導(dǎo)致不同的功率與頻率功能。建立微波頻率和微波功率之間的固定關(guān)系。通過測(cè)量微波功率，估計(jì)微波頻率。與使用強(qiáng)度調(diào)制器的技術(shù)相比，所提出的方法更簡(jiǎn)單且損失更少。由于不需要偏置，因此系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性，這在國(guó)防領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用潛力。

圖13 相位法測(cè)頻瞬時(shí)測(cè)頻原理圖

用相位調(diào)制器取代馬-澤強(qiáng)度調(diào)制器的測(cè)頻方案，不用設(shè)置調(diào)制器的直流偏置點(diǎn)，避免了偏置點(diǎn)的漂移引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。此外，相位調(diào)制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，插入損耗較少，更適于實(shí)際中的應(yīng)用。

南洋理工大學(xué)

為進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，可采用單光源產(chǎn)生載波信號(hào)，利用相位調(diào)制技術(shù)，通過兩個(gè)不同的光路，達(dá)到的瞬時(shí)測(cè)頻的目的。南洋理工大學(xué)周俊強(qiáng)等人提出了一種用于微波頻率測(cè)量的光子方法。在該方法中，光學(xué)載波通過相位調(diào)制器由未知微波信號(hào)調(diào)制。然后將調(diào)制的光信號(hào)分成兩部分;一部分通過一個(gè)偏振保持光纖（PMF），另一部分通過色散補(bǔ)償光纖（DCF），引入不同的微波功率損失。在通過兩個(gè)光電探測(cè)器測(cè)量?jī)蓚€(gè)部分的微波功率之后，通過獲得幅度比較函數(shù)（ACF）建立固定的頻率-功率映射。概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)演示了10.5GHz范圍內(nèi)的頻率測(cè)量，測(cè)量誤差小于±0.07GHz。光路結(jié)構(gòu)如圖所示：

圖14 微波頻率測(cè)試系統(tǒng)原理圖

上述結(jié)構(gòu)僅采用一個(gè)光源，可降低系統(tǒng)成本。用一分布反饋激光器作為光源產(chǎn)生載波信號(hào)，載波信號(hào)經(jīng)過半波片，需調(diào)整半波片的中心軸，使其與偏振保持光纖的慢軸成45°，產(chǎn)生兩束正交極化連續(xù)光載波，分別沿著偏振保持光纖的慢軸和快軸傳輸至相位調(diào)制器，未知頻率的待測(cè)微波信號(hào)驅(qū)動(dòng)相位調(diào)制器，產(chǎn)生調(diào)制載波信號(hào)，該信號(hào)后經(jīng)偏振保持耦合器等功率地分成兩部分，如圖中所示：上臂通過一段偏振保持光纖，偏振控制器的偏振角應(yīng)與偏振保持光纖的慢軸成135°。由于差分群延遲引入的功率衰退，使得調(diào)制載波信號(hào)經(jīng)歷了一個(gè)低通頻率效應(yīng)。頻率效應(yīng)的表達(dá)式可表示為：

其中：f為微波信號(hào)頻率，Δτ為偏振保持光纖引入的差分群延遲值。

下臂引入一段色散補(bǔ)償光纖，調(diào)整該臂上的偏振控制器，使其偏振軸與偏振保持光纖慢軸方向一致，這樣只有慢軸光束才能通過偏振控制器進(jìn)入色散補(bǔ)償光纖。色散光纖帶來的功率衰退使調(diào)制載波信號(hào)經(jīng)歷一個(gè)帶通頻率效應(yīng)，這種帶通效應(yīng)表達(dá)式可表示為：

上式中：D為色散光纖帶來的總的色散值，λ為載波波長(zhǎng)。由以上分析，可以得到該光路結(jié)構(gòu)的幅度比較函數(shù)：

該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以通過改變色散光纖和偏振保持光纖的長(zhǎng)度改變微波頻率測(cè)量范圍。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖所示：

圖15 （a)測(cè)試輸出頻率與輸入頻率關(guān)系圖；（b)對(duì)輸入頻率的測(cè)試誤差

從上圖可以看出，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了1.7～12.2GHz的微波頻率高精度測(cè)量，測(cè)量誤差低于±0.07GHz，能夠滿足現(xiàn)實(shí)需要。

選用兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光源產(chǎn)生載波，采用一個(gè)偏振調(diào)制器和一個(gè)偏光器，對(duì)待測(cè)微波信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制，調(diào)制后的載波信號(hào)經(jīng)過色散部件和后續(xù)的光信號(hào)處理，測(cè)得微波頻率。這種方法不僅可以測(cè)量連續(xù)的微波信號(hào)頻率，還可以測(cè)量微波脈沖信號(hào)頻率，實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了帶寬為17GHz的頻率測(cè)量，連續(xù)微波信號(hào)的測(cè)量分辨率達(dá)到±0.2GHz，微波脈沖信號(hào)的測(cè)量分辨率達(dá)到±0.5GHz。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要多個(gè)偏振控制器和微波光子濾波器，實(shí)現(xiàn)成本較高。

為進(jìn)一步降低成本，拓展微波頻率的測(cè)量范圍，加拿大姚建平小組采用單一光源和一個(gè)偏振調(diào)制器，利用保偏光纖形成延遲線結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整偏光器與偏振調(diào)制器主軸角度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制載波信號(hào)的低通濾波效應(yīng)和帶通濾波效應(yīng)，光路結(jié)構(gòu)如圖所示：

圖16 基于光子微分器的瞬時(shí)測(cè)頻系統(tǒng)原理圖

這種方法結(jié)構(gòu)緊湊，測(cè)頻范圍大，實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)連續(xù)微波信號(hào)0.5～36GHz帶寬的頻率測(cè)量，整體測(cè)頻精度達(dá)到±0.2GHz，利用光纖延遲線構(gòu)成微波光子濾波器對(duì)，有利于減少系統(tǒng)的體積、重量和成本，但在部分帶寬頻段測(cè)頻精度不高，有待改進(jìn)。

西南交通大學(xué)

西南交通大學(xué)盧冰等提出了一種同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量和信號(hào)分離的新型光子方法《Photonic Frequency Measurement and Signal Separation for Pulsed/CW Microwave Signals》，并通過實(shí)驗(yàn)證明了脈沖和連續(xù)波（CW）微波信號(hào)。

圖17 光子輔助的測(cè)頻方法原理圖，盧冰等

在該方法中，光波被外部調(diào)制，其中載波被要測(cè)量的脈沖或CW微波信號(hào)抑制，然后被發(fā)送到兩個(gè)光學(xué)互補(bǔ)濾波器以執(zhí)行頻率-幅度映射。兩個(gè)濾波器的輸出由低速光電探測(cè)器，低頻交流（AC）電子元件和直流電（DC）產(chǎn)生。可以通過監(jiān)視AC分量的功率來估計(jì)脈沖微波信號(hào)的載波頻率，同時(shí)將CW微波信號(hào)的頻率與DC分量的功率區(qū)分開，同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量和信號(hào)分離。在概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，在5至20GHz的頻率范圍內(nèi)，脈沖重復(fù)頻率為0.25、0.5或1MHz的脈沖信號(hào)的測(cè)量誤差小于±0.1、±0.11或±0.13GHz而對(duì)于CW信號(hào)，導(dǎo)出小于±0.08GHz的誤差。

圖18 所提出方法的實(shí)驗(yàn)裝置

此外通過DC或交流分量證明了連續(xù)波和脈沖微波信號(hào)的信號(hào)分離。所提出的方法將在脈沖和連續(xù)波微波信號(hào)共存的應(yīng)用中有用。

此前，該小組還研究了通過監(jiān)測(cè)光功率進(jìn)行瞬時(shí)測(cè)頻的方法。該方法使用了單個(gè)可調(diào)光源和兩個(gè)正交光濾波器（Photonic instantaneous frequency measurement using a single laser source and two quadrature optical filters）。調(diào)節(jié)可調(diào)激光源的波長(zhǎng)使已調(diào)光信號(hào)的邊帶位于同相濾波響應(yīng)的峰值點(diǎn)，正交響應(yīng)的-3dB點(diǎn)。經(jīng)正交濾波器對(duì)的兩個(gè)信號(hào)功率與參考信號(hào)的功率相對(duì)比建立兩個(gè)正交功率比函數(shù)。測(cè)頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。實(shí)驗(yàn)中得到的測(cè)頻范圍為20GHz～36GHz，測(cè)量誤差在±0.4GHz以內(nèi)。該方法理論上可以實(shí)現(xiàn)的測(cè)頻范圍為整個(gè)光濾波器的自由頻程。

圖19 采用兩個(gè)正交光濾波器和單光源實(shí)現(xiàn)IFM的原理圖

北京郵電大學(xué)

北京郵電大學(xué)戴建（音譯）等人提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的微波瞬時(shí)頻率測(cè)量光子方法《A Simple Photonic-Assisted Microwave Frequency Measurement System Based on MZI With Tunable Measurement Range and High Resolution》，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖20 基于MZI的光子輔助微波頻率測(cè)量系統(tǒng)示意圖

通過在最小點(diǎn)處偏置的馬赫-曾德爾調(diào)制器在光波上對(duì)未知微波信號(hào)及其待測(cè)頻率進(jìn)行載波抑制調(diào)制。由于馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）固有的互補(bǔ)傳輸響應(yīng)，建立了振幅比較函數(shù)和待測(cè)微波頻率之間的固定關(guān)系。通過監(jiān)測(cè)和處理MZI兩個(gè)輸出端口的光功率，可以容易地估計(jì)微波信號(hào)的頻率。

該方案經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證還具有許多其他優(yōu)點(diǎn)，例如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快，并且所有組件都是市售的、廉價(jià)的，并且可以集成在一個(gè)芯片上。隨著光子集成電路的發(fā)展，該系統(tǒng)的性能將得到提高，成本將進(jìn)一步降低，對(duì)未來的實(shí)際應(yīng)用具有吸引力。

圖21 各種RF輸入功率的測(cè)量結(jié)果在-18，-12，-6 dBm的水平。（a）-（c）在MZI的兩個(gè)輸出端口處進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量的輸出光功率。（d）ACF曲線和ACF誤差。（e）測(cè)量的RF頻率。（f）各種RF輸入功率的頻率誤差。

小結(jié)：目前微波光子測(cè)頻技術(shù)被廣泛研究，方法各異。未來，隨著集成光學(xué)技術(shù)和集成光學(xué)器件的發(fā)展，基于光子學(xué)的微波信號(hào)頻率測(cè)量系統(tǒng)可能會(huì)在芯片上實(shí)現(xiàn)，并擁有更卓越的性能。