基于时间压缩和光学傅里叶变换的高精度超快射频频谱检测的研究

The fast detection of the spectrum of the wideband radio frequency has been intensily researched in recent years. Optical Fourier transform is a good candidate for its ultra-high speed. It can be done in several microseconds or nanoseconds within a period of the pulse lasers, which is much faster than the other electronic methods. But the limitation of the optical Fourier transform is its low spectrum resolution. Different from the wide used time stretch technology, this application will use the time compression processing, when the signals modulated on the optical carrier are compressed, the signals’ spectrum is widen. Then the spectrum is mapped into time domain by optical Fourier transform. The effective spectrum resolution is improved because of the expansion in advance. The aim of this appliation is to make a fast spectrum detection of the wideband radio frequency by optical Fourier transform with its spectrum resolution to be MHz.

宽带射频信号的快速频谱检测是微波光子学的一个研究热点。光学傅里叶变换能够在一个脉冲周期内实现，达到微秒量级甚至纳秒量级，其检测速度远超基于电子技术的方法。但是现有的光学傅里叶变换方法频谱分辨率不足，达不到射频信号频谱检测的精度要求。在检测高速信号时，可以使用时间拉伸技术来展宽调制在啁啾光脉冲上的高速信号，提高等效采样率。本申请的主要目标是利用光脉冲压缩的过程，使调制在光脉冲上的信息在时域中被压缩，其频谱同时被展宽，再使用光学傅里叶变换的方法来将展宽后的频谱变换到时域，最终可以通过检测输出的时域波形得到输入射频信号的频谱。由于信号频谱被预先展宽，等效的频谱分辨率可以达到相应提高。本申请的目标是实现精度为MHz量级的基于光学傅里叶变换的射频频谱的快速测量。

从射频检测的角度来说，现代雷达和通信系统中，信号不断地向高频、高宽带、数字化、多制式发展。然而，受限于本地振荡器扫描时间和探测器、示波器带宽限制，传统测量仪器远远不能满足高分辨率、快速性、实时性要求。随着微波光子学的诞生和发展，人们发现光学信号的带宽远远超过电学信号，并且在处理的速度上也优于电学检测。但其频谱分辨率较低，离射频信号频率检测的要求还相距甚远。. 本项目的研究目标就是设法通过时间压缩的方法提高光谱检测的精度，用它来检测射频的频谱，将光谱检测速度快、带宽大的特点来提高频谱检测的带宽和速度。再配合信道化的精确频谱测量，达到快速测频的目的。我们通过时间压缩的方法，展宽信号光谱的带宽，获得了更好的等效光谱检测精度。系统的测试时间为脉冲的重复周期，20微秒之内就能完成频谱测试。目前，频谱的一致性还有待改善，但测试精度已经远好于现有的光学傅里叶变换，如果使用高速示波器进行测试，频谱分辨率可以到达100MHz左右。. 为了获得更为高效的方法来完成超精细光学频率检测的方法。我们还研究了游标卡尺的原理测光谱，利用频率梳来提高光谱测试精度。随着光谱检测精度的提高，可以将光谱检测的精度提高到小于10MHz，而且，系统体积小，成本低。该方法也有望在频谱测试中使用。结合扫频激光器和数字接收机的信道化测频方案，可以实现宽带射频信号的快速检测。. 我们在研究时间压缩的时候还发现，时间压缩的过程具有类似卷积的功能，将信号调制在一个啁啾光脉冲上，再进行脉冲压缩的时候，相当于对数据进行卷积操作。而目前深度学习中，卷积运算也是其中最重要的运算之一。因此，时间压缩的过程也有望用于加速神经网络的计算过程。