一种光子辅助探测弱射频信号的探测装置及探测方法
阅读说明：本技术 一种光子辅助探测弱射频信号的探测装置及探测方法 (Detection device and detection method for photon-assisted detection of weak radio frequency signals ) 是由 郑吉林 张鑫 蒲涛 周华 李晋 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：一种光子辅助探测弱射频信号的探测装置及探测方法,涉及光电领域。包括张驰振荡峰会随着偏置电流的改变而改变的半导体激光器,半导体激光器的输出光经过掺饵光纤放大器后被放大,放大后的输出光经过光电探测器被转换为电信号,电信号经过5:5的电功分器后,一半信号输出到频谱仪上观测,另一半信号输入到5:5耦合器的一个输入端口,5:5耦合器的另一个输入端口输入待测信号,一起加载到半导体激光器上,由此形成光电反馈环路。本发明使用直接调制方式,避免使用外调制器和光滤波器,极大地降低了系统成本,系统的灵敏度更高,频率调谐灵活。(A detection device and a detection method for photon-assisted detection of weak radio frequency signals relate to the field of photoelectricity. The semiconductor laser device comprises a semiconductor laser device of which relaxation oscillation peak can change along with the change of bias current, wherein output light of the semiconductor laser device is amplified after passing through an erbium-doped optical fiber amplifier, the amplified output light is converted into an electric signal through a photoelectric detector, after the electric signal passes through a 5:5 electric power divider, half of the signal is output to a frequency spectrograph for observation, the other half of the signal is input to one input port of a 5:5 coupler, and a signal to be detected is input to the other input port of the 5:5 coupler and is loaded on the semiconductor laser device together, so that an optical-electric feedback loop is formed. The invention uses direct modulation mode, avoids using external modulator and optical filter, greatly reduces system cost, and has higher system sensitivity and flexible frequency tuning.)
技术领域
本发明涉及光电领域，尤其涉及光子辅助探测弱射频信号的领域。
背景技术
对弱射频信号单位探测有很多的应用场景，例如现代雷达、无线通信、射电天文、信道化以及电子战系统。传统电学方法很难实现大瞬时带宽和宽探测范围。而光子辅助的方法由于其体积小，覆盖频率宽，低损耗，瞬时带宽大以及抗电磁干扰等特性，为射频信号的探测提供了一种潜在的方法，越来越成为研究的热点。人们提出了许多光子技术来检测宽带的射频信号，如色散元件、精细可调谐光学滤波器和微波信道化。然而，这些系统的灵敏度还不够高。
多模光电振荡器为低功率射频信号的探测提供了一种有效的方法。与能产生高频和低相位噪声射频信号的单模光电振荡不同，工作在单模振荡阈值增益以下的多模光电振荡为射频信号提供增益，该射频信号需要与其中某个振荡模式对齐，而对振荡模式以外的RF信号提供损耗。人们提出了许多基于多模光电振荡的射频信号检测方法。宽带低功率射频信号可以通过基于受激布里渊散射的OEO来检测，带宽可在1～17GHz范围内检测，这反映了光学方法探测的优点，但是灵敏度仅为-72dBm，采用了泵浦激光器和电子放大器的结构比较复杂，高非线性光纤会增加系统的不稳定性。基于注入锁定的方案可以探测1～6GHz的射频信号，增益为8dB，检测灵敏度为-83dBm。基于相移光纤布拉格光栅（PS-FBG）的可调谐OEO用于射频信号检测和放大。检测带宽为1.5～5GHz，功率低至-91dBm。然而，在上述系统中，为了保证低功率射频信号可以被调制到光载波上,使用高灵敏度的光调制器是必不可少的,同时其他有源/无源元件也增加了系统成本和结构复杂性。
发明内容
本发明目的是提供一种光子辅助探测弱射频信号的探测装置及探测方法，使用直接调制方式，避免使用外调制器和光滤波器，极大地降低了系统成本，系统的灵敏度更高，频率调谐灵活。
一种光子辅助探测弱射频信号的探测装置，包括张驰振荡峰会随着偏置电流的改变而改变的半导体激光器，半导体激光器的输出光经过掺饵光纤放大器后被放大，放大后的输出光经过光电探测器被转换为电信号，电信号经过5:5的电功分器后，一半信号输出到频谱仪上观测，另一半信号输入到5:5耦合器的一个输入端口，5:5耦合器的另一个输入端口输入待测信号，一起加载到半导体激光器上，由此形成光电反馈环路。
本发明的半导体激光器与掺饵光纤放大器之间使用单模光纤连接，掺饵光纤放大器与光电探测器之间使用单模光纤连接。
本发明的光电探测器与5:5电功分器的输入端之间使用射频电缆连接，5:5电功分器一输出端与频谱仪之间使用射频电缆连接，5:5电功分器另一输出端与5:5耦合器的输入端之间使用射频电缆连接，5:5耦合器的另一个输入端与待测信号之间使用射频电缆连接，5:5耦合器的输出端与半导体激光器的射频端口之间使用射频电缆连接。
基于本发明的光子辅助探测弱射频信号探测装置的探测方法，包括如下步骤：
步骤101：向所述半导体激光器加载偏置电流；
步骤102：调节掺饵光纤放大器的输出功率；
步骤103：将频率为fm的待测信号加载到半导体激光器上；
步骤104：调节半导体激光器的偏置电流。
调节半导体激光器的偏置电流，使半导体激光器发光，在固定的偏置电流下，半导体激光器会有一个张驰振荡峰，在该张驰振荡峰处具有最高的调制效率。半导体激光器的光经过掺饵光纤放大器后得到放大。经光电探测器后转换电信号，之后经过电功分器和电耦合器后反馈回半导体激光器，由此光电反馈环路形成。反馈环路中，张弛振荡峰处的射频信号不断得到增强。调节掺饵光纤放大器的输出功率，使系统处于多模振荡状态，该多模振荡状态时的模式间隔受环路长度影响。待测信号通过5:5的电耦合器加载到半导体激光器的射频端口，直接调制半导体激光器。若待测信号处于张弛振荡峰的频率处，并且其匹配其中的某个振荡模式，则待测信号会得到增益被放大，从而在频谱仪上可以探测到放大的射频信号。本发明使用直接调制方式，避免使用外调制器和光滤波器，极大地降低了系统成本。为射频信号提供了更高的增益，系统的灵敏度更高。频率调谐灵活，只需要调节半导体激光器的电流就能实现探测频率的调谐。
附图说明
图1是本发明探测装置的结构示意图。
图2是本发明探测方法的流程示意图。
图3a是频谱仪span为1GHz时的弱射频信号探测的输出信号图。
图3b是频谱仪span为25MHz时的弱射频信号探测的输出信号图。
图4是通过降低待测信号的功率，利用本发明探测装置的频谱示意图。
图5是通过改变半导体激光器的偏置电流，利用本发明探测装置的频谱示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
如图1所示，一种光子辅助探测弱射频信号的探测装置，包括张驰振荡峰会随着偏置电流的改变而改变的半导体激光器，半导体激光器的输出光经过掺饵光纤放大器后被放大，放大后的输出光经过光电探测器被转换为电信号，电信号经过5:5的电功分器后，一半信号输出到频谱仪上观测，另一半信号输入到5:5耦合器的一个输入端口，5:5耦合器的另一个输入端口输入待测信号，一起加载到半导体激光器上，由此形成光电反馈环路。
本发明的半导体激光器与掺饵光纤放大器之间使用单模光纤连接，掺饵光纤放大器与光电探测器之间使用单模光纤连接。光电探测器与5:5电功分器的输入端之间使用射频电缆连接，5:5电功分器一输出端与频谱仪之间使用射频电缆连接，5:5电功分器另一输出端与5:5耦合器的输入端之间使用射频电缆连接，5:5耦合器的另一个输入端与待测信号之间使用射频电缆连接，5:5耦合器的输出端与半导体激光器的射频端口之间使用射频电缆连接。
本发明的光子辅助探测弱射频信号探测装置在使用时，调节半导体激光器的偏置电流，产生光载波信号；调节掺饵光纤放大器的输出功率，经过光电转换以及光电反馈后，输出信号处于多模振荡状态；待测信号通过耦合器加载到半导体激光器上；当待测信号与半导体激光器的张驰振荡峰频率一致且处于最中心的振荡模式上时，待测信号得到最大增益，在频谱仪上可以观测得到，系统的灵敏度可以达到-97dBm。
增大掺饵光纤放大器的输出功率，使环路增益处于单模振荡所需阈值增益之下，可以使待测信号获得最大增益，增益将达到20dB。具体而言，由于射频信号在半导体激光器的张弛振荡峰处可以获得最大的调制效率，而改变半导体激光器的偏置电流可以改变张弛振荡峰的频率，所以该系统可以实现宽带可调谐的弱射频信号测量。通过改变偏置电流，实现扫描探测到未知频率的待测信号。
如图2所示，基于本发明的光子辅助探测弱射频信号探测装置的探测方法，包括如下步骤：
步骤101：向所述半导体激光器加载偏置电流。
在步骤101中，向半导体激光器加载偏置电流，产生光载波信号，此偏置电流条件下半导体激光器的张弛振荡峰频率为fm。
步骤102：调节掺饵光纤放大器的输出功率。
在步骤102中，调节掺饵光纤放大器的输出功率，使频谱仪上观测到的信号处于多模振荡状态。
步骤103：将频率为fm的待测信号加载到半导体激光器上。
在步骤103中，将频率为fm的待测信号加载到半导体激光器上，与特定偏置电流条件下半导体激光器的张驰振荡峰频率一致，若匹配到多模振荡的某个振荡模式上时，待测信号将会获得增益被放大。
步骤104：调节半导体激光器的偏置电流。
在步骤104中，调节半导体激光器的偏置电流，从而改变其张驰振荡峰的频率，当其频率与待测信号的频率对准时，待测信号将会得到最大增益被观测到。
本发明的半导体激光器为普通的半导体激光器，其张弛振荡峰会随着偏置电流的增加而增加到5GHz左右。掺饵光纤放大器可以调节增益，改变输出功率。半导体激光器、掺饵光纤放大器、光电探测器、5:5电功分器和5:5电耦合器组成光电反馈环路，调节掺饵光纤放大器的输出功率，可以是整个环路处于多模振荡状态。待测信号通过5:5耦合器耦合进环路并直接调制半导体激光器。输出信号通过5:5功分器输出至频谱仪上观测。
如图3a所示的频谱示意图，提供的是利用本发明的弱射频信号探测方法，待测信号的频率为2.6134GHz，调节半导体激光器的偏置电流，使其张弛振荡峰的频率为2.6134GHz。图3a可以看出，光电反馈回环后，系统处于多模振荡状态。未加载待测信号时，频谱仪上的频谱如图所示，其span为1GHz。加载功率为-75dBm的待测信号后，待测信号处于其中某个振荡模式上获得增益被放大，功率达到-60dBm，得到15dB的增益。其细节图如3b所示，span为25MHz。多模振荡的模式功率为-81.14dBm。其模式间隔为7.4MHz，主要取决于环路长度。
如图4所示，通过降低待测信号的功率，利用本发明的弱射频信号探测系统，可以探究整个系统的灵敏度。在频谱仪上，待测信号的的功率主要低于多模振荡模式的功率，则被认定为探测不到信号。在本实施例中，降低待测信号的功率至-97dBm时，频谱仪上观测到信号淹没在多模信号之中，由此，系统的灵敏度为-97dBm。
如图5所示，在本申请实施例提供的一种弱射频信号探测系统中，通过改变半导体激光器的偏置电流，改变张弛振荡峰的频率，对相应频率的待测信号均有放大现象。其中在1-3GHz范围内，增益高达15dBm。所以该系统可以通过改变偏置电流，实现对4.5GHz范围内位置频率的弱射频信号扫描探测出。
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