本发明公开了一种大带宽线性调频信号产生装置及方法，包括：主激光器；移频调制模块；光强度调制模块；从激光器；光电检测模块；所述移频调制模块在连续时间段内对光载波信号进行不同频率差的移频调制，使得所述从激光器产生不同扫频范围的线性调频光载波信号，所述光电检测模块输出的线性调频电信号在时域上进行拼接，得到拼接后扫频范围增加的线性调频电信号；不同扫频范围的线性调频电信号具有相同的啁啾率，且连续时间段内，前一时间段结束时刻与后一时间段开始时刻的线性调频电信号的频率相同。本发明装置具有成本低、结构简单、易于操作、产生的线性啁啾信号稳定性高且其扫频带宽高达几十GHz的特点。
1.一种大带宽线性调频信号产生装置，其特征在于：包括：
移频调制模块，连接所述主激光器，其用于对波长稳定且连续的光载波信号进行调频，得到调频后的光载波信号；
光强度调制模块，连接所述移频调制模块，其用于对调频后的光载波信号进行强度调制，得到携带有强度调制信号的光载波信号；
从激光器，通过一光环形器与所述光强度调制模块连接，携带有强度调制信号的光载波信号通过光环形器注入所述从激光器以激发其的单周期振荡态，并在强度调制信号的影响下输出线性调频光载波信号；
光电检测模块，通过所述光环形器与所述从激光器连接，其将线性调频光载波信号转换为线性调频电信号输出；
其中，所述移频调制模块在连续时间段内对光载波信号进行不同频率差的移频调制，使得所述从激光器产生不同扫频范围的线性调频光载波信号，所述光电检测模块输出的线性调频电信号在时域上进行拼接，得到拼接后扫频范围的线性调频电信号；不同扫频范围的线性调频电信号具有相同的啁啾率，且连续时间段内，前一时间段结束时刻与后一时间段开始时刻的线性调频电信号的频率相同。
2.如权利要求1所述的一种大带宽线性调频信号产生装置，其特征在于：所述移频调制模块连接有第一调制信号发生器，所述第一调制信号发生器用于产生预设的移频调制信号并通过所述移频调制模块对光载波信号进行移频调制，所述第一调制信号发生器还用于控制所述移频调制模块对光载波信号的调制频率差和调制时长。
3.如权利要求1所述的一种大带宽线性调频信号产生装置，其特征在于：所述光强度调制模块连接有第二调制信号发生器，所述第二调制信号发生器用于产生预设的强度调制信号并通过所述光强度调制模块对光载波信号进行强度调制从而控制线性调频电信号的扫频范围、扫频周期及占空比，所述强度调制信号为具有所需波形、振幅、周期和占空比的电压信号。
4.如权利要求1所述的一种大带宽线性调频信号产生装置，其特征在于：所述光环形器设置有第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口与所述光强度调制器连接以接收调制后的光载波信号，所述第二端口与所述从激光器连接，所述第三端口与所述光电检测模块连接。
5.如权利要求1‑4中任一项所述的一种大带宽线性调频信号产生装置，其特征在于：所述光电检测模块包括光电探测器，所述光电探测器用于将从激光器产生的线性调频光信号转换为线性调频电信号。
6.一种大带宽线性调频信号产生方法，其特征在于：采用如权利要求1‑5中任一项所述的一种大带宽线性调频信号产生装置产生大宽带线性调频电信号。
7.如权利要求6所述的一种大带宽线性调频信号产生方法，其特征在于：所述产生大宽带线性调频电信号，具体包括以下步骤：S1、在时间段T1内，所述移频调制模块对主激光器发出的波长稳定且连续的光载波信号进行差频为Δf1移频调制；
S2、移频调制后的光载波信号经过光强度调制模块进行强度调制，输出携带有强度调制信号U1(t)的光载波信号；
S3、携带有强度调制信号U1(t)的光载波信号通过光环形器注入从激光器，所述从激光器激发单周期振荡态S1，并在强度调制信号U1(t)的影响下产生线性调频光载波信号C1；
S4、线性调频光载波信号C1经过光电检测模块转换为线性调频电信号LFM1；
S5、在下一时间段T2内，所述光移频调制模块对主激光器发出的波长稳定且连续的光载波信号进行差频为Δf2移频调制，其中，Δf1≠Δf2；
S6、移频调制后的光载波信号经过光强度调制模块进行强度调制，输出携带有强度调制信号U2(t)的光载波信号；
S7、携带有强度调制信号U2(t)的光载波信号通过光环形器注入从激光器，所述从激光器激发单周期振荡态S2，并在强度调制信号U2(t)的影响下产生线性调频光载波信号C2；
S8、线性调频光载波信号C2经过光电检测模块转换为线性调频电信号LFM2；
S9、对线性调频电信号LFM1和线性调频电信号LFM2在时域上进行拼接，得到线性调频电信号LFM3，线性调频电信号LFM3的周期为T1+T2，线性调频电信号LFM3的扫频范围为线性调频电信号LFM1和线性调频电信号LFM2拼接后的扫频范围。
8.如权利要求7所述的一种大带宽线性调频信号产生方法，其特征在于：所述线性调频电信号LFM1和线性调频电信号LFM2具有相同的啁啾率，且在时间段T1结束与时间段T2开始的时刻具有相同的频率。
9.如权利要求8所述的一种大带宽线性调频信号产生方法，其特征在于：所述啁啾率为线性调频电信号的频率与时间的比值，通过调节线性调频电信号的各时间段的时宽对各线性调频电信号的啁啾率进行改变。
10.如权利要求8所述的一种大带宽线性调频信号产生方法，其特征在于：所述强度调制信号U1(t)和强度调制信号U2(t)具有不同的波形、振幅、周期和占空比，使得所述线性调频电信号LFM1和线性调频电信号LFM2时间段T1结束与时间段T2开始的时刻具有相同的频率。
一种大带宽线性调频信号产生装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及调频信号产生技术领域，具体涉及一种大带宽线性调频信号产生装置及方法。
背景技术
[0002] 随着电磁环境和电子对抗环境的日益复杂化，雷达系统更是向着高频段、可调谐、大带宽、多功能、集成化快速发展。线性啁啾信号以其拥有强大的脉冲压缩能力和大时间带宽积特性，被广泛的应用在现代雷达系统中。传统的在电域中生成线性啁啾信号的方法受到了电子器件速率瓶颈的限制，已经无法满足现代雷达系统信号频率和带宽日益增加的需求。目前，随着微波光子交叉学科的兴起，微波光子技术已经在现代雷达信号的产生、传输和处理等方面有着广泛的应用。基于微波光子技术产生的线性啁啾信号有着中心频率高、带宽大、抗电磁干扰能力强、传输损耗小等优势。
[0003] 通常线性调频信号的产生是通过调制注入从激光器的光信号，进而改变从激光器单周期振荡态的输出频率，从而实现线性调频。然而其产生的啁啾信号的扫频范围受到从激光器的单周期动力学状态的限制；对于同一主从激光器的失谐频率的情况下，若注入从激光器的光信号强度过大，从激光器的动力学状态从单周期振荡态进入混沌状态，这使得从激光器只能输出扫频范围有限的线性调频信号。故在利用光注入半导体激光器动力学产生啁啾信号的情况下，若是只对注入光信号的强度进行控制，那么产生的啁啾信号的扫频范围十分有限。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种大带宽线性调频信号产生装置及方法，解决现有技术中只对注入半导体激光器的光信号进行强度调制，使得从激光器只能处于单一频率的单周期振荡态，从而限制产生啁啾信号的扫频范围的技术缺陷。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种大带宽线性调频信号产生装置，包括：
[0006] 主激光器，其用于产生波长稳定且连续的光载波信号；
[0007] 移频调制模块，连接所述主激光器，其用于对波长稳定且连续的光载波信号进行调频，得到调频后的光载波信号；
[0008] 光强度调制模块，连接所述移频调制模块，其用于对调频后的光载波信号进行强度调制，得到携带有强度调制信号的光载波信号；
[0009] 从激光器，通过一光环形器与所述光强度调制模块连接，携带有强度调制信号的光载波信号通过光环形器注入所述从激光器以激发其的单周期振荡态，并在强度调制信号的影响下输出线性调频光载波信号；
[0010] 光电检测模块，通过所述光环形器与所述从激光器连接，其将线性调频光载波信号转换为线性调频电信号输出；
[0011] 其中，所述移频调制模块在连续时间段内对光载波信号进行不同频率差的移频调制，使得所述从激光器产生不同扫频范围的线性调频光载波信号，所述光电检测模块输出的线性调频电信号在时域上进行拼接，得到拼接后扫频范围增加的线性调频电信号；不同扫频范围的线性调频电信号具有相同的啁啾率，且连续时间段内，前一时间段结束时刻与后一时间段开始时刻的线性调频电信号的频率相同。
[0012] 作为本发明的进一步改进，所述移频调制模块连接有第一调制信号发生器，所述第一调制信号发生器用于产生预设的移频调制信号并通过所述移频调制模块对光载波信号进行移频调制，所述第一调制信号发生器还用于控制所述移频调制模块对光载波信号的调制频率差和调制时长。
[0013] 作为本发明的进一步改进，所述光强度调制模块连接有第二调制信号发生器，所述第二调制信号发生器用于产生预设的强度调制信号并通过所述光强度调制模块对光载波信号进行强度调制从而控制线性调频电信号的扫频范围、扫频周期及占空比，所述强度调制信号为具有所需波形、振幅、周期和占空比的电压信号。
[0014] 作为本发明的进一步改进，所述光环形器设置有第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口与所述光强度调制器连接以接收调制后的光载波信号，所述第二端口与所述从激光器连接，所述第三端口与所述光电检测模块连接。
[0015] 作为本发明的进一步改进，所述光电检测模块包括光电探测器，所述光电探测器用于将从激光器产生的线性调频光信号转换为线性调频电信号。
[0016] 一种大带宽线性调频信号产生方法，采用如上所述的一种大带宽线性调频信号产生装置产生大宽带线性调频电信号。
[0017] 作为本发明的进一步改进，所述产生大宽带线性调频电信号，具体包括以下步骤：
[0018] S1、在时间段T1内，所述光移频调制模块对主激光器发出的波长稳定且连续的光载波信号进行差频为Δf1移频调制；
[0019] S2、移频调制后的光载波信号经过光强度调制模块进行强度调制，输出携带有强度调制信号U1(t)的光载波信号；
[0020] S3、携带有强度调制信号U1(t)的光载波信号通过光环形器注入从激光器，所述从激光器激发单周期振荡态S1，并在强度调制信号U1(t)的影响下产生线性调频光载波信号C1；
[0021] S4、线性调频光载波信号C1经过光电检测模块转换为线性调频电信号LFM1；
[0022] S5、在下一时间段T2内，所述光移频调制模块对主激光器发出的波长稳定且连续的光载波信号进行差频为Δf2移频调制，其中，Δf1≠Δf2；
[0023] S6、移频调制后的光载波信号经过光强度调制模块进行强度调制，输出携带有强度调制信号U2(t)的光载波信号；
[0024] S7、携带有强度调制信号U2(t)的光载波信号通过光环形器注入从激光器，所述从激光器激发单周期振荡态S2，并在强度调制信号U2(t)的影响下产生线性调频光载波信号C2；
[0025] S8、线性调频光载波信号C2经过光电检测模块转换为线性调频电信号LFM2；
[0026] S9、对线性调频电信号LFM1和线性调频电信号LFM2在时域上进行拼接，得到线性调频电信号LFM3，线性调频电信号LFM3的周期为T1+T2，线性调频电信号LFM3的扫频范围为线性调频电信号LFM1和线性调频电信号LFM2拼接后的扫频范围。
[0027] 作为本发明的进一步改进，所述线性调频电信号LFM1和线性调频电信号LFM2具有相同的啁啾率，且在时间段T1结束与时间段T2开始的时刻具有相同的频率。
[0028] 作为本发明的进一步改进，所述啁啾率为线性调频电信号的频率与时间的比值，通过调节线性调频电信号的各时间段的时宽对各线性调频电信号的啁啾率进行改变。
[0029] 作为本发明的进一步改进，所述强度调制信号U1(t)和强度调制信号U2(t)具有不同的波形、振幅、周期和占空比，使得所述线性调频电信号LFM1和线性调频电信号LFM2时间段T1结束与时间段T2开始的时刻具有相同的频率。
[0030] 本发明的有益效果：本发明不仅控制光注入半导体激光器的注入光强度，同时还控制了注入光的频率，从而可以实现不同时刻从激光器处于不同频率的单周期振荡态，这样可以将不同单周期振荡态产生的不同扫频范围的啁啾信号在时域上进行拼接，只要在器件允许的情况下可以拼接产生带宽几百G的线性啁啾信号，即本发明产生的线性调频光信号具有扫频带宽大、线性度高和时间带宽积大的优点，可以极大程度的提高雷达的探测精度，具有非常大的应用潜力；本发明的装置核心器件为商用单模半导体激光器和商用电光调制器，该方法具有系统结构简单、构造成本低和操控简单的优点，各个模块都可以小型化集成封装，且可通过计算机程序远程控制，使得线性调频信号产生系统可一体化集成。
附图说明
[0031] 图1是本发明原理结构示意图；
[0032] 图2是本发明实施例具体装置结构图；
[0033] 图3是本发明产生大宽带线性调频电信号的光频谱示意图；
[0034] 图4是本发明产生大宽带线性调频电信号的原理示意图；
[0035] 图5是本发明产生大宽带线性调频电信号的理论仿真结果示意图；
[0036] 图6是本发明产生大宽带线性调频电信号的实验产生结果示意图。
具体实施方式
[0037] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0038] 参考图1，本发明提供了一种大带宽线性调频信号产生装置，包括：
[0039] 主激光器，其用于产生波长稳定且连续的光载波信号；
[0040] 移频调制模块，连接主激光器，其用于对波长稳定且连续的光载波信号进行调频，得到调频后的光载波信号；
[0041] 光强度调制模块，连接移频调制模块，其用于对调频后的光载波信号进行强度调制，得到携带有强度调制信号的光载波信号；
[0042] 从激光器，通过一光环形器与光强度调制模块连接，携带有强度调制信号的光载波信号通过光环形器注入从激光器以激发其的单周期振荡态，并在强度调制信号的影响下输出线性调频光载波信号；
[0043] 光电检测模块，通过光环形器与从激光器连接，其将线性调频光载波信号转换为线性调频电信号输出；
[0044] 其中，移频调制模块在连续时间段内对光载波信号进行不同频率差的移频调制，使得从激光器产生不同扫频范围的线性调频光载波信号，光电检测模块输出的线性调频电信号在时域上进行拼接，得到拼接后扫频范围增加的线性调频电信号；不同扫频范围的线性调频电信号具有相同的啁啾率，且连续时间段内，前一时间段结束时刻与后一时间段开始时刻的线性调频电信号的频率相同。
[0045] 本发明在使用过程中，主激光器能够产生波长稳定且连续(波长可连续调谐)的光载波信号；移频调制模块能够在调制信号发生模块1的控制下，在不同的时刻对通过移频调制模块的光载波信号进行不同频率差的移频调制，使其在不同时间段内对光载波信号进行不同差频的移频调制；在本发明中，移频调制模块包括一个双平行结构的MZ调制器，根据载波抑制单边带调制的原理，可以通过双平行MZ调制器对光载波信号进行移频调制；光强度调制模块对通过频移调制模块的激光载波信号进行强度调制以获得光强度可由调制信号发生模块2调节的光载波信号，调制信号发生模块2能够产生具有特定波形、振幅、周期的电压信号来控制本发明所产生的线性调频电信号的扫频范围、扫频周期、以及占空比；从激光器与光环形器连接，光环形器将通过移频调制模块和光强度调制模块经由调制信号发生模块产生的调制信号调制后的光载波信号注入从激光器，以激发从激光器的单周期振荡态，从激光器的输出扫频信号再经过光环形器传入光电检测模块；光电检测模块与光环形器连接，将从激光器输出的线性调频光信号转换为线性调频的电信号。
[0046] 通过本发明装置具有以下优点：
[0047] 1、本发明通过同时合理可连续调节主激光器与自由运行的从激光器之间的频率失谐，以及光载波信号注入到从激光器中的光功率，从激光器在不同的时段内输出处于不同频率范围的单周期振荡态；
[0048] 2、本发明中的移频调制模块可以通过调制信号发生模块控制其对光载波进行移频调制的频率差和其调制的时长，在不同时间段内移频调制模块使得通过其的光载波信号产生了不同频率差的移频调制；
[0049] 3、通过调制信号发生模块2预设的特定波形的电压信号，可精确控制在各时间段内，从激光器单周期振荡态输出的调频信号是否为线性调频信号，并且通过调制信号发生模块2调整电压信号的振幅、周期，可简单精确地调谐啁啾光信号的扫频范围、扫频周期以及占空比。
[0050] 进一步地，本发明中的移频调制模块需要确保在下一时间段内经过移频调制后的光载波信号频率与从激光器的频率失谐恰好能使从激光器激发另一个频率范围的单周期振荡态；本发明中的调制信号发生模块2需要在连续两段时间段内分别产生不同波形、振幅、持续时间、占空比的调制信号，确保使得调制后的光载波信号注入从激光器后在两段时间内分别产生的线性调频信号在上一时间段结束、下一时间段开始的时刻有相同的频率；同时某一时间段内产生的线性调频信号和下一时间段内产生的线性调频信号需要具有相同的啁啾率，这样才能保证连续量时间段产生的两个线性调频信号可以在时域进行拼接，由此增强了产生的线性调频信号的带宽。
[0051] 实施例
[0052] 如图2‑图4所示，本实施例提供一种大带宽线性调频信号产生装置，基于上述实施方式，装置具体包括：主激光器、光衰减器、双平行MZ调制器、MZ调制器、光环形器、从激光器和光电探测器；主激光器、光衰减器、双平行MZ调制器和MZ调制器依次连接，MZ调制器通过光环形器连接从激光器，从激光器通过光环形器连接光电探测器；双平行MZ调制器连接有信号调制器1和MZ调制器连接有信号调制器2；在本实施例中，主激光器和从激光器的中心波长均在1550nm附近，二者频率之差被称之为“失谐频率”，不同失谐频率的光载波信号注入从激光器会激发从激光器具有不同频率范围的单周期振荡态。
[0053] 本实施例的工作过程：
[0054] 主激光器输出频率为fML的连续光载波信号，在T1时间内，信号调制器1产生信号调制信号V1(t)传入双平行MZ调制器(移频调制模块)，双平行MZ调制器对光载波信号进行频率差为Δf1的频移调制，经过双平行MZ调制器的光载波信号的频率变为(fML+Δf1)；信号调制器2产生调制信号U1(t)传入MZ调制器(光强度调制器)，使得MZ调制器对光载波信号进行强度调制；通过光载波移频调制模块后频率为(fML+Δf1)的信号在未经光强度调制模块调制的情况下注入从激光器即可激发从激光器的单周期振荡态S1，经过光强度调制器调制后的光载波信号的强度会随着U1(t)的振幅范围在某一强度范围Δξ1＝(ξ1,ξ2)内变化；
[0055] 如图3(a)所示，主激光器产生的频率为fML的光载波信号和自由运行的从激光器输出频率为fSL的连续光信号；信号调制器2产生特定波形的电压信号U1(t)通过光强度调制器对光载波信号进行强度调制，强度调制后的光载波信号经光环行器的第一端口1、第二端口2，然后注入到从激光器中，在适当的注入功率下，从激光器工作在单周期振荡态S1，从激光器输出的光信号不仅包括与注入从激光器的光载波频率相同的频率分量(fML+Δf1)，也包括一个频率范围为Δf1’＝fs2‑fs1的线性调频光信号，如图3(b)所示；从激光器产生的线性调频光信号通过单模光纤、商用大带宽光电探测器后转换为线性调频电信号；
[0056] 在T2时间段内，信号调制器1产生信号调制信号V2(t)传入双平行MZ调制器(移频调制模块)，移频调制模块对光载波信号进行频率差为Δf2的频移调制，经过移频调制模块的光载波信号的频率变为(fML+Δf2)，该频率的光载波信号在未经光载波强度调制器调制的情况下输入从激光器，可以激发从激光器的另一单周期振荡态S2；信号调制器2产生新的调制信号U2(t)传入光强度调制器，使得光强度调制器对光载波信号进行不同强度的调制，经过光载波强度调制器的调制后，光载波信号的光强度会在某一强度范围Δξ2＝(ξ3,ξ4)内变化；经过光强度调制器调制的光载波信号经过光环形器的第一端口1、第二端口2，然后注入到从激光器中，在适当的注入功率下，从激光器工作在单周期震荡状态S2，其输出的信号不仅包括注入从激光器的频率分量(fML+Δf2)，也包括一个频率范围Δf2’＝fs3‑fs2的线性调频信号，如图3(c)所示。线性调频光信号通过单模光纤、商用大带宽光电探测器后转换为线性调频电信号；
[0057] T1和T2两段时间内分别产生扫频范围为的Δf1’和Δf2’的线性调频信号在时域上拼接之后即产生一段时宽为(T1+T2)、扫频范围为(Δf1’+Δf2’)的带宽增强的线性调频信号。
[0058] 两段时间T1、T2内产生的线性调频信号具有相同的啁啾率且在T1结束、T2开始的时刻，两线性调频信号具有相同的频率，严格满足这两点要求，产生的线性调频信号才能获得大的带宽和良好的线性度。
[0059] 本实施例所涉及的产生大带宽线性调频信号的方法及装置的理论仿真结果已由图5给出，在失谐频率分别为6GHz与10GHz的情况下，理论上可以产生由12至16GHz(0‑0.8μs)和16至26GHz(0.8‑2.5μs)两段LFM信拼接而成的12至26GHz的大带宽线性调频信号，并且在设备允许的条件下仍可继续拼接由其它失谐频率产生的LFM信号；
[0060] 实验结果如图6所示，在主激光器输出的频率为193.250THz、从激光器自由运行频率为193.252THz的情况下，在(1.5‑2.5)μs内，移频调制模块对光载波进行8GHz的移频调制，调制后的光载波频率为193.258THz，此时的失谐频率为6GHz。经过移频调制后的光载波信号再通过光强度调制模块进行强度调制，调制后的光载波信号注入从激光器，从激光器产生12‑16GHz的线性扫频信号；在(2.5‑3.5)μs内，移频调制模块对光载波进行12GHz的移频调制，调制后的光载波频率为193.262THz，此时的失谐频率为10GHz。经过移频调制后的光载波信号再通过光载波强度调制模块进行强度调制，调制后的光载波信号注入从激光器，从激光器产生16‑20GHz的线性扫频信号。最终在(1.5‑3.5)μs内即可得到扫频范围为12‑20GHz的线性调频信号。需要注意的是，由于实验设备的带宽(0‑20GHz)限制，最终得到的线性调频信号范围并不是实际产生的范围，实际产生的线性调频信号的范围大于20GHz。
[0061] 通过本发明的装置及方法，从激光器工作在单周期振荡态使得产生的线性调频光信号具有扫频带宽大、扫描速率快时间带宽积大的优点；进一步地，本发明中的主激光器、频移调制模块、光强度调制模块、从激光器、光电探测器都可以小型化，且可通过计算机程序远程控制，使得该大带宽线性调频信号产生方法及装置系统可一体化集成；激光器可采用商用单模半导体激光器，无需高速射频源，具有结构简单、成本低以及易于操控的优点。
[0062] 以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
