1 概述

瞬时频率测量(IFM)技术是一种测量未知微波信号的重要手段,被广泛应用于雷达和电子侦察领域。传统的快速瞬时频率测量依赖于纯微波的解决方案,一般将频率映射为功率^[1]或时延^[2]。其中,前者通常将频率的高低转化为幅度的强弱,也就是获取一条单调变化的频率-功率映射(ACF)曲线。该解决方案虽然受限于微波器件的带宽瓶颈,但通过光学器件替代(即微波光子技术)有望获得更大的测量带宽^[3-6]。现有的微波光子技术方案主要通过色散^[4]、四波混频^[5]或其他非线性光学现象^[6]来实现,但这些方案会受到光学器件特定参数的影响,很难设计出任意形状的ACF曲线。近期,本课题组提了出一种基于受激布里渊散射(SBS)的快速瞬时频率测量方案,该方案可以有效地解决这一难题^[7-8]。

光纤中的受激布里渊散射是一种涉及抽运光、探测光和声场的三波耦合非线性光学效应。当相向而行的抽运光和探测光在介质(如光纤)中相遇时,相干拍频会因光致声场效应而激励产生声场,该声场又会以声波光栅的方式反作用于抽运光,进而放大探测光。SBS已被大量研究,并被广泛应用于信号处理、传感和光源等场合^[8-17]。通过扫描抽运光信号的频率,再加上SBS的窄带滤波特性,可实现对未知信号的瞬时频谱测量^[7]。但受限于扫频过程的时间消耗,很难实现快速实时测量。近期,本课题组提出了一种基于非线性扫频信号的瞬时频率测量系统^[8],该系统通过ACF将未知信号的瞬时频谱信息实时转换为布里渊增益分布。通过检测布里渊增益分布,并与事先测得的ACF进行对比,可实时获取待测信号的频率分布。虽然通过抽运光信号的合理设计可以实现任意的ACF曲线,但由于光在光纤中的偏振随机偏转,布里渊增益的测量会受到系统误差的影响,需要较复杂的ACF标定处理才能将其有效消除。

本文分析了光纤偏振随机偏转在基于SBS的瞬时频率测量系统中引入测量误差的原因,并展示了一种简单有效的偏振优化方法,即将保偏光纤作为SBS工作介质的方法。保偏光纤通过特殊的工艺增强了光纤的双折射效应,实现了光在光纤中传输时的偏振保持,进而抑制了偏振随机偏转引入的测量误差。通过实验对比了200 m的单模光纤和保偏光纤的测量效果,实现了X波段500 MHz瞬时带宽的Costas编码信号的瞬时频率测量。实验结果表明,在16次平均条件下,与使用单模光纤的测量系统相比,使用保偏光纤的测量系统受到偏振随机偏转的影响更小,具有更高的稳定性,其频率分辨率从225 MHz提高至90 MHz。

2 基本原理

在基于SBS的瞬时频率测量系统中,抽运光采用非线性扫频的形式与待测探测光信号发生SBS作用^[8]。因为抽运光信号在不同频段中的持续时间不同,所以探测信号的对应频率分量(即抽运光频率减去SBS介质的布里渊频移)将获得不同的布里渊增益,这一现象可以实现瞬时频率测量中的ACF标定,如图1(a)所示。由于探测信号在光纤中与相对应的抽运信号的接触时间缩短,信噪比随之降低,故其分辨率和频率测量范围相对于传统的基于SBS的瞬时频率测量系统有所下降^[7-8],但仍可以实现对信号的实时快速测量。光的偏振状态受到光纤机械状态的影响后会发生随机偏转,进而影响光纤中不同位置处SBS的增益强度,从而将误差引入频率测量结果中。在测量过程中,当光纤的物理状态固定时,其中的偏振偏转程度不随时间变化,抽运光与探测光在SBS过程中的耦合效率也不随时间变化,仅与两束光反应的位置z相关,记为a(z)。由于待测信号注入SBS作用光纤的时刻是未知的,所以其在光纤中发生SBS的位置也是随机的;最终,不同时刻注入的待测信号将获得截然不同的SBS增益。如图1(b)所示,随机偏振偏转甚至会影响到ACF的单调性,一个增益强度可能对应多个不同的频率,无法实现精准可靠的瞬时频率测量。

图 1. 不同情形下的布里渊增益示意图。(a)理想情形;(b)受到偏振影响

Fig. 1. Illustration of Brillouin gain under different conditions. (a) Ideal; (b) polarization-influenced

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之前的工作^[8]对两种不同调制的抽运光分别进行测量,将其相除后可在一定程度上消除该误差。值得一提的是,为了更好地消除该影响,还需要进行多次平均处理:将未知信号的测量结果多次平均后,与同样经过多次平均的ACF进行对比。随着平均次数增加,探测信号与抽运信号的相遇位置在光纤上逐渐分布均匀,探测结果受偏振的影响逐渐减小。然而,平均处理较难满足实际应用中探测信号的不可重复性和快速实时测量的要求。

另一种方法是使用保偏光纤来抑制偏振的随机偏转,保偏光纤通过特殊工艺实现了光纤内对偏振的维持。一般认为,在200 m的保偏光纤中,偏振状态不随位置而发生变化。因此,在此情形中,a(z)退化为一个常数a,从而有效消除了光在光纤中的偏振随机偏转影响及其引入的测量误差。这将增加一定的成本,其数额取决于具体选取的光纤类型。

3 实验验证

为了验证方案的可行性,采用长度为200 m的单模光纤和保偏光纤进行对比实验,实验框图如图2所示,其中:SSBM为单边带马赫-曾德尔调制器,EOM为电光调制器,EDFA为光放大器,OF为光滤波器,PD为光电探测器,PMF为保偏光纤,SMF为单模光纤。将1550 nm的连续激光器(DFB-LD, NLK1C6DAAA,NEL Laser Diodes, 美国)作为激光源,其产生的连续光经1∶1耦合器后分为两束光:用单边带马赫-曾德尔调制器将设计好的非线性扫频信号调制至频率下边带,作为抽运光;用光电调制器调制待测信号,作为探测光。偏振控制器(PC1和PC2)分别用于优化两调制器(SSBM和EOM)的调制效果,两路光分别经掺饵光纤放大器(EDFA1和EDFA2)放大,并由偏振控制器(PC3和PC4)调整后,通过环形器注入长度为200 m的SBS作用介质(即单模光纤或保偏光纤)中。抽运光和探测光注入SBS作用介质时的功率分别为26 dBm和20 dBm。将获得布里渊增益后的探测光在环形器后接出,用光滤波器去除载波,再通过光电探测器将其转化为电信号。光电探测器前的光功率约为-33 dBm,光功率的衰减主要来自光滤波器对载波的抑制。实验所用单模光纤和保偏光纤的重要参数如表1所示。

图 2. 实验装置示意图

Fig. 2. Schematic of experimental setup

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首先,对瞬时频率测量所需的ACF曲线进行测定。调制抽运光的信号是带宽为500 MHz、起始频率为1 GHz、重复周期为4.096 μs的非线性扫频信号,其时频分布如图3(a)所示。探测光信号采用带宽为500 MHz、持续时间为4 μs的LFM信号,如图3(b)所示。在进行单模光纤实验时,设置起始频率为11.801 GHz;在进行保偏光纤实验时,设置起始频率为11.861 GHz。实验测得的ACF曲线如图3(c)所示。值得一提的是,实验中将示波器的采样带宽设置为50 MHz。

图 3. SMF-IFM实验中ACF曲线标定所需的抽运光和探测光的调制信号时频特性。(a)抽运光信号;(b)探测光信号;(c)测得的ACF曲线

Fig. 3. Time-frequency characteristics of pump and probe signals used for ACF curve calibration in SMF-IFM experiment. (a) Pump signal; (b) probe signal; (c) measured ACF curve

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其次,将持续时间为4 μs的Costas编码脉冲作为待测信号,其瞬时频率测量结果如图4所示。同样,Costas编码脉冲的起始频率在单模光纤系统和保偏光纤系统中分别为11.801 GHz和11.861 GHz。需要指出的是,与前期工作^[8]使用的色散补偿光纤相比,单模光纤/保偏光纤的布里渊增益系数和布里渊增益均较小,各个频点需要更长的时间积累布里渊增益,因此,在抽运信号持续时间不变的情况下,可实现的系统瞬时带宽将相应减小。实验中,将Costas编码脉冲的带宽设定为500 MHz。此外,由于单模/保偏光纤中的固有布里渊增益谱线宽约为40~50 MHz,若选取的Costas编码信号的阶数过高,则相邻频率分量的SBS增益会发生串扰,进而影响测量效果,因此采用10阶Costas编码脉冲。

图 4. 不同平均次数下的典型测量结果。(a) 4次;(b) 1024次

Fig. 4. Typical measurement results under different averaging times. (a) 4 times; (b) 1024 times

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4 分析讨论

将Costas编码脉冲的测量结果与ACF进行对比,获得了最终的测量结果。图4给出了基于单模光纤和保偏光纤的4次平均和1024次平均的瞬时频率测量结果。在每一次测量过程中,都为Costas编码脉冲设置了一个随机的延时来模拟不同时刻注入SBS作用光纤的情况。可以看到:在4次平均时,使用保偏光纤的系统测量结果与原信号基本吻合,仅在分辨率最差的1.5 GHz处出现了一定误差,而使用单模光纤的系统测量结果则完全偏离了原信号;在1024次平均时,使用保偏光纤的测量结果与原信号几乎完全吻合,而使用单模光纤的测量结果仍然存在较大误差。实验结果表明:单模光纤中的增益受到的偏振随机偏转的影响更为明显,且表现出不稳定性;而在保偏光纤中,这一现象得到了有效抑制。

为了进一步评估测量所得信号的稳定性,进行了30组重复测试,其测量结果的归一化方差如图5所示。可以看到,使用保偏光纤的系统的稳定性明显优于使用单模光纤的系统,这正是保偏光纤抑制偏振随机旋转的结果。

图 5. 30组测量结果中的逐点方差曲线

Fig. 5. Point-by-point variance curve from 30 measurements

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最终,通过实验对比了不同平均次数下,单模光纤系统与保偏光纤系统的频率分辨率,结果如图6所示。可以看到:随着平均次数增加,随机误差得到抑制,分辨率逐渐得以改善;采用单模光纤的测量系统由于受到非单调的ACF的影响,分辨率始终不如采用保偏光纤的系统;在平均次数较低的情况下,采用单模光纤的测量系统的性能急剧下降,在不平均的情况下甚至无法测量出有意义的结果;在16次平均处,使用保偏光纤的测量系统的分辨率可达90 MHz,而相同平均次数下,使用单模光纤的测量系统的分辨率仅为225 MHz。

图 6. 不同平均次数下的频率分辨率

Fig. 6. Frequency resolutions under different averaging times

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5 结论

针对光纤中的偏振随机偏转问题,提出了一种基于受激布里渊散射的瞬时频率测量技术的优化方案。光纤中的偏振随机偏转现象使得测量过程中的布里渊增益会受到光纤位置的影响,进而引入噪声。

针对这一问题,本课题组提出了采用保偏光纤抑制偏振随机偏转的测试方法。通过实验对比了长度为200 m的单模光纤与保偏光纤系统对X波段10阶Costas信号的测量性能,结果表明:使用保偏光纤的系统具有更高的稳定性;与采用单模光纤的系统相比,采用保偏光纤的系统的频率分辨率在16次平均的测试中由225 MHz提高至90 MHz。