一种时宽带宽积超过10000的周期信号产生的方法

技术领域

本发明涉及信号产生技术，特别涉及一种时宽带宽积超过10000的周期信号产生 的方法。

背景技术

随着数字信号处理理论和微电子技术的发展，对现代雷达的距离分辨率，速度分 辨率，作用距离，多目标分辨能力和抗干扰能力等各种性能要求都越来越高。为了同 时提高雷达的距离分辨率和作用距离，就需要同时提高信号的带宽和时宽。因此，基 于高时宽带宽积的高分辨率雷达将是未来雷达的发展趋势。

由于传统电学方法产生的信号时宽带宽积受到电学器件性能的限制，产生的信号 时宽带宽积很小。因此，近年来采用光学方法产生高时宽带宽信号的研究成为了热点。 利用光学方法产生高时宽带宽积信号主要是使用离散啁啾光纤布拉格光栅的光脉冲 整形方法。目前，这些光学方法产生的信号的时宽带宽积均小于100.

发明内容

本发明目的在于：克服现有信号产生方法中存在的时宽带宽积小，重复频率低的 问题。

本发明的技术方案是：一种时宽带宽积超过10000的周期信号产生的方法，其特 征在于，该方法包括：

步骤1、设定周期信号E_p(t)中子脉冲宽度为τ_cp，子脉冲幅度为A_j(j＝1,2…n)， 一个周期内的子脉冲间隔为Δτ_cp，一个周期内的子脉冲个数为n，所述周期信号E_p(t) 的周期为T，一共有N个周期；

所述周期信号E_p(t)的表达式为其中E_pij(t)为第i个周期中的 第j个子脉冲，n个子脉冲为一个周期，一共有N个周期；所述子脉冲宽度 τ_cp为子脉冲E_pij(t)的宽度，所述子脉冲幅度A_j是指子脉冲E_pij(t)的幅度，所述一个周 期内的子脉冲间隔Δτ_cp是指子脉冲E_pij(t)和子脉冲E_pi(j+1)(t)的间隔，所述周期信号 E_p(t)的周期ΔT为子脉冲E_pij(t)和子脉冲E_p(i+1)j(t)的间隔；

步骤2、根据所述周期信号E_p(t)中子脉冲宽度τ_cp，设定光谱光栅的带宽B，根 据所述周期信号E_p(t)的周期数N,所述光谱光栅的带宽B和所述周期信号E_p(t)的周 期T确定制备所述光谱光栅所需的参考光脉冲和编码光脉冲的参数，将所述参考光脉 冲和所述编码光脉冲入射到烧孔晶体材料上，完成所述光谱光栅的制备；

步骤3、根据所述周期信号E_p(t)中所述一个周期内的子脉冲个数n，所述一个周 期内的子脉冲间隔Δτ_cp，所述子脉冲幅度A_j,j＝1,2…n、所述光谱光栅的带宽B， 所述参考光脉冲和所述编码光脉冲的参数设定探测光脉冲的参数；将设定好的所述探 测光脉冲入射到所述光谱光栅上，完成所述周期信号E_p(t)的产生。

进一步地，步骤2中：

a、根据所述周期信号E_p(t)中子脉冲宽度τ_cp，设定光谱光栅的带宽为B＝1/τ_cp；

b、根据所述周期信号E_p(t)的周期数N，设定所述参考光脉冲为E₁(t)，所述编 码光脉冲中包含N个光脉冲E_2i(t),i＝1,2…N；

c、根据所述光谱光栅的带宽B，设定所述参考光脉冲E₁(t)和所述编码光脉冲 E_2i(t)的持续时间均为τ_c，啁啾率分别为α₁和α₂，所述参考光脉冲E₁(t)的起始频率为 f_s1，所述编码光脉冲E₂₁(t)的起始频率为f_s21，使所述参考光脉冲和所述编码光脉冲 在频域上重叠部分的带宽为B＝τ_c·α₂-(f_s1-f_s21)；

d、根据所述周期信号E_p(t)的周期T，设定所述编码光脉冲E_2i(t)的起始频率为 f_s2i＝f_s21+(i-1)·α₂·T；

e、将设定好的所述参考光脉冲E₁(t)和所述编码光脉冲E_2i(t)同时入射到所述烧孔 晶体材料的同一位置上，完成所述光谱光栅的制备，所述光谱光栅的带宽为B，即为 所述参考光脉冲和编码光脉冲在所述频域上重叠部分的带宽。

进一步地，步骤3中：

a、根据所述周期信号E_p(t)中所述一个周期内的子脉冲个数为n，设定所述探测 光脉冲中包含n个光脉冲E_3j(t),j＝1,2…n，根据所述子脉冲幅度A_j，设定探测光脉 冲E_3j(t)的幅度A_3j＝A_j；

b、根据所述光谱光栅的带宽B、所述编码光脉冲E_2i(t)的参数和所述一个周期内 的子脉冲间隔Δτ_cp，设定所述探测光脉冲E_3j(t)的啁啾率为α₃＝(α₁α₂)/(α₂-α₁)，时 间宽度为τ_p＝B/α₃，所述探测光脉冲E_3j(t)的起始频率为 f_s3j＝B+f_s21+(i-1)·α₃·Δτ_cp；

c、将设定好的所述n个探测光脉冲信号E_3j(t)同时入射到所述烧孔晶体材料上， 入射到所述烧孔晶体材料上的位置与所述编码光脉冲信号的入射位置相同，基于光子 回波理论，会产生所述周期信号E_p(t)。

本发明的有益效果是：

(1)本发明解决了现有信号产生方法中存在的时宽带宽积小，重复频率低的问题；

(2)本发明解决了现有信号产生方法中存在的脉冲时间宽度大的问题；

(3)本发明解决了现有信号产生方法中存在的带宽低的问题。

附图说明

图1为本发明公开的巴克码光信号产生方法流程图；

图2为本发明中周期信号参数的示意图。

图3为本发明产生周期信号所需光脉冲的时频关系图；

图4为本发明实施例产生的13位巴克码周期信号的仿真结果。

图5为本发明实施例产生的13位巴克码周期信号中一个周期的仿真结果。

具体实施方式

以下将参照图1-5对本发明的具体实施方式进行说明。

如图1所示，本发明实施例进行一种时宽带宽积超过10000的周期信号产生的方 法包括下列步骤：

步骤1、设定周期信号E_p(t)中子脉冲宽度为τ_cp，子脉冲幅度为A_j(j＝1,2…n)， 一个周期内的子脉冲间隔为Δτ_cp，一个周期内的子脉冲个数为n，所述周期信号E_p(t) 的周期为T，一共有N个周期；

需要说明的是:所述周期信号E_p(t)的表达式为其中E_pij(t)为 第i个周期中的第j个子脉冲，n个子脉冲为一个周期，一共有N个周期； 所述子脉冲宽度τ_cp为子脉冲E_pij(t)的宽度，所述子脉冲幅度A_j是指子脉冲E_pij(t)的幅 度，所述一个周期内的子脉冲间隔Δτ_cp是指子脉冲E_pij(t)和子脉冲E_pi(j+1)(t)的间隔， 所述周期信号E_p(t)的周期ΔT为子脉冲E_pij(t)和子脉冲E_p(i+1)j(t)的间隔；所述周期信 号E_p(t)的参数如图2所示，

步骤2、根据所述周期信号E_p(t)中子脉冲宽度τ_cp，设定光谱光栅的带宽B，根 据所述周期信号E_p(t)的周期数N,所述光谱光栅的带宽B和所述周期信号E_p(t)的周 期T确定制备所述光谱光栅所需的参考光脉冲和编码光脉冲的参数，将所述参考光脉 冲和所述编码光脉冲入射到烧孔晶体材料上，完成所述光谱光栅的制备；

其中，步骤2中，设定所述光谱光栅的带宽B和确定所述参考光脉冲和所述编码 光脉冲的参数的方法具体包括：

a、根据所述周期信号E_p(t)中子脉冲宽度τ_cp，设定光谱光栅的带宽为B＝1/τ_cp；

b、根据所述周期信号E_p(t)的周期数N，设定所述参考光脉冲为E₁(t)，所述编 码光脉冲中包含N个光脉冲E_2i(t)(i＝1,2…N)；

c、根据所述光谱光栅的带宽B，设定所述参考光脉冲E₁(t)和所述编码光脉冲 E_2i(t)的持续时间均为τ_c，啁啾率分别为α₁和α₂，所述参考光脉冲E₁(t)的起始频率为 f_s1，所述编码光脉冲E₂₁(t)的起始频率为f_s21，使所述参考光脉冲和所述编码光脉冲 在频域上重叠部分的带宽为B＝τ_c·α₂-(f_s1-f_s21)；

d、根据所述周期信号E_p(t)的周期T，设定所述编码光脉冲E_2i(t)的起始频率为 f_s2i＝f_s21+(i-1)·α₂·T；

e、将设定好的所述参考光脉冲E₁(t)和所述编码光脉冲E_2i(t)同时入射到所述烧 孔晶体材料的同一位置上，完成所述光谱光栅的制备，所述光谱光栅的带宽为B，即 为所述参考光脉冲和编码光脉冲在所述频域上重叠部分的带宽；

需要说明的是：

所述编码光脉冲信号E₁(t)和E_2i(t)的频域表达式分别为：

      $E_1\left(f\right)=A_1{e}^{-i\frac{2\pi {(f_{s1}-f)}^2}{{2\alpha }_1}}{e}^{i\frac{\pi }{4}\mathrm{sign}\left({\alpha }_1\right)}$      

      $E_{2i}\left(f\right)=A_2{e}^{-i\frac{2\pi {(f_{s2i}-f)}^2}{{2\alpha }_2}}{e}^{i\frac{\pi }{4}\mathrm{sign}\left({\alpha }_2\right)}$      

式中A₁、A₂分别为编码光脉冲信号E₁(t)和E_2i(t)的幅度；

所述光谱光栅的频域表达式为：

      $G\left(f\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{E_1}^{*}\left(f\right)E_{2i}\left(f\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{A}_1{A}_2{e}^{-i\frac{2\pi {(f_{s2i}-f)}^2}{{2\alpha }_2}+i\frac{2\pi {(f_{s1}-f)}^2}{{2\alpha }_1}}\times e^{i\frac{\pi }{4}[\mathrm{sign}\left({\alpha }_2\right)-\mathrm{sign}\left({\alpha }_1\right)]}$      

步骤3、根据所述周期信号E_p(t)中所述一个周期内的子脉冲个数n，所述一个周 期内的子脉冲间隔Δτ_cp，所述子脉冲幅度A_j(j＝1,2…n)、所述光谱光栅的带宽B， 所述参考光脉冲和所述编码光脉冲的参数设定探测光脉冲的参数；将设定好的所述探 测光脉冲入射到所述光谱光栅上，完成所述周期信号E_p(t)的产生。

其中，步骤3中，确定所述探测光脉冲的参数和完成周期信号产生的方法具体包 括：

a、根据所述周期信号E_p(t)中所述一个周期内的子脉冲个数为n，设定所述探测 光脉冲中包含n个光脉冲E_3j(t)(j＝1,2…n)，根据所述子脉冲幅度A_j，设定探测光 脉冲E_3j(t)的幅度A_3j＝A_j；

b、根据所述光谱光栅的带宽B、所述编码光脉冲E_2i(t)的参数和所述一个周期内 的子脉冲间隔Δτ_cp，设定所述探测光脉冲E_3j(t)的啁啾率为α₃＝(α₁α₂)/(α₂-α₁)，时 间宽度为τ_p＝B/α₃，所述探测光脉冲E_3j(t)的起始频率为 f_s3j＝B+f_s21+(j-1)·α₃·Δτ_cp；

c、将设定好的所述n个探测光脉冲信号E_3j(t)同时入射到所述烧孔晶体材料上，入 射到所述烧孔晶体材料上的位置与所述编码光脉冲信号的入射位置相同，基于光子回 波理论，会产生所述周期信号E_p(t)。

需要说明的是：

图3给出了参考光脉冲，编码光脉冲和探测光脉冲的时频关系图；

所述探测光脉冲信号E_3k(t)的频域表达式为：

      $E_{3j}\left(f\right)=A_3{e}^{-i\frac{2\pi {(f_{s3j}-f)}^2}{{2\alpha }_3}}{e}^{i\frac{\pi }{4}\mathrm{sign}\left({\alpha }_3\right)},(j=\mathrm{1,2}...,n)$      

式中，A₃为所述探测光脉冲信号的幅度。

产生的所述周期信号第i个周期中第k个子脉冲E_pij(t)的时域表达式为：

      $\left(\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{pij}}\left(t\right)={\int }_{f_c-\frac{B}{2}}^{f_c+\frac{B}{2}}{E}_1^{*}\left(f\right)E_{2i}\left(f\right)E_{3j}\left(f\right)\exp \left(i2\mathrm{\pi ft}\right)\mathrm{df}\\ =A·B·e^{-i\frac{f_{s3j}^2}{{2\alpha }_3}-i\frac{f_{s2i}^2}{{2\alpha }_2}+i\frac{f_{s1}^3}{{2\alpha }_1}}·e^{i\frac{\pi }{4}[\mathrm{sign}\left({\alpha }_3\right)+\mathrm{sign}\left({\alpha }_2\right)-\mathrm{sign}\left({\alpha }_1\right)]}\\ \times \sin c\left\{\mathrm{B\pi }\right[t-(-\frac{f_{s3j}}{{\alpha }_3}-\frac{f_{s2i}}{{\alpha }_2}+\frac{f_{s1}}{{\alpha }_1})\left]\right\}\end{array},·e^{i2\pi f_c[t-(t_p-\frac{f_{s3j}}{{\alpha }_3}-\frac{f_{s2i}}{{\alpha }_2}+\frac{{\omega }_{s1}}{{\alpha }_1})]}\right)$      

其中f_c是所述光谱光栅的中心频率，t_p是所述探测光脉冲 信号出现的时刻；

则产生的巴克码光信号E_b(t)的时域表达式为：

      $E_p\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{E}_{\mathrm{pij}}\left(t\right)$      

本发明以13位巴克码周期信号为实施例对本发明方法进行详细说明；本发明实 施例中选取的烧孔晶体材料为Tm³⁺:YAG晶体，Tm³⁺:YAG晶体的非均匀展宽吸收谱 的带宽B_SHB＝40GHz。

一、设定周期信号E_p(t)中子脉冲宽度为τ_cp＝25ps，子脉冲幅度为A₁＝1、A₂＝1、 A₃＝1、A₄＝1、A₅＝1、A₆＝0、A₇＝0、A₈＝1、A₉＝1、A₁₀＝0、A₁₁＝1、A₁₂＝0、 A₁₃＝1，一个周期内的子脉冲间隔为Δτ_cp＝50ps，一个周期内的子脉冲个数为n＝13， 所述周期信号E_p(t)的周期为T＝100ns，一共有N＝10个周期；

二、根据所述周期信号E_p(t)中子脉冲宽度τ_cp，设定光谱光栅的带宽B，根据所 述周期信号E_p(t)的周期数N,所述光谱光栅的带宽B和所述周期信号E_p(t)的周期T 确定制备所述光谱光栅所需的参考光脉冲和编码光脉冲的参数，将所述参考光脉冲和 所述编码光脉冲入射到烧孔晶体材料上，完成所述光谱光栅的制备；

1.设定光谱光栅的带宽

所述周期信号E_p(t)中子脉冲宽度τ_cp＝25ps，设计光谱光栅的带宽为 B＝1/τ_cp＝40GHz。

2.确定制备所述光谱光栅所需的两束光脉冲信号的参数

根据所述周期信号E_p(t)的周期数N＝10，设定设定所述参考光脉冲为E₁(t)，所 述编码光脉冲中包含N＝10个光脉冲信号E_2i(t)(i＝1,2,…10)；根据所述光谱光栅的 带宽B＝40GHz，设定所述参考光脉冲E₁(t)和编码光脉冲信号E_2i(t)的持续时间均为 τ_c＝1ms，啁啾率分别为α₁＝4.04×10¹³Hz/s和α₂＝4×10¹³Hz/s，所述参考光脉冲 E₁(t)的起始频率为f_s1＝80MHz，所述编码光脉冲E₂₁(t)的起始频率为f_s21＝63MHz， 使所述参考光脉冲和所述编码光脉冲在频域上重叠部分的带宽为 B＝τ_c·α₂-(f_s1-f_s21)≈40GHz；根据所述所述周期信号E_p(t)的周期T＝100ns，设定 所述编码光脉冲E_2i(t)的起始频率f_s2i＝f_s21+(n-1)·α₂·T＝63MHz+(n-1)·400kHz；

3.完成光谱光栅的制备

将设定好的所述参考光脉冲E₁(t)和编码光脉冲E_2i(t)同时入射到所述烧孔晶体材 料的同一位置上，完成所述光谱光栅的制备，所述光谱光栅的带宽为B≈40GHz，即 为所述参考光脉冲和编码光脉冲在所述频域上重叠部分的带宽。

三、根据所述周期信号E_p(t)中所述一个周期内的子脉冲个数n，所述一个周期 内的子脉冲间隔Δτ_cp，所述子脉冲幅度A_j(j＝1,2…n)、所述光谱光栅的带宽B， 所述参考光脉冲和所述编码光脉冲的参数设定探测光脉冲的参数；将设定好的所述探 测光脉冲入射到所述光谱光栅上，完成所述周期信号E_p(t)的产生。

1.设定所述探测光脉冲信号的参数

根据所述子脉冲幅度A_j，设定探测光脉冲信号E_3j(t)的幅度A_3j＝A_j·A₃，即 A₃₀₁＝A₃、A₃₀₂＝A₃、A₃₀₃＝A₃、A₃₀₄＝A₃、A₃₀₅＝A₃、A₃₀₆＝0、A₃₀₇＝0、A₃₀₈＝A₃、 A₃₀₉＝A₃、A₃₁₀＝0、A₃₁₁＝A₃、A₃₁₂＝0、A₃₁₃＝A₃；根据所述光谱光栅的带宽 B＝40GHz、所述编码光脉冲信号的参数和所述一个周期内的子脉冲间隔为Δτ_cp，设 定所述n＝13个探测光脉冲信号E_3j(t)的啁啾率为α₃＝(α₁α₂)/(α₂-α₁)＝10¹⁵Hz/s， 时间宽度为τ_p＝B/α₃＝40μs，所述探测光脉冲E_3k(t)的起始频率为 f_s3j＝B+f_s21+(j-1)·α₃·Δτ_cp＝40.063GHz+(j-1)·50kHz；

2.所述巴克码周期信号E_p(t)的产生

将设定好的所述n＝13个探测光脉冲E_3j(t)同时入射到所述烧孔晶体材料上，入 射到所述烧孔晶体材料上的位置与所述编码光脉冲信号的入射位置相同，基于光子回 波理论，会产生所述巴克码周期信号E_b(t)，其时域表达式为

      $E_b\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{10}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{13}{\Sigma }}{E}_{\mathrm{pij}}\left(t\right)$      

图4给出了产生的所述巴克码光信号E_b(t)的时域图形，图5给出了产生的所述 巴克码光信号E_b(t)中一个周期的时域图形，其时宽带宽积为4×10⁴，重复频率为 20GHz。

尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的， 并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不 脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。