[发明专利]一种宽带可调谐高精度光学分数阶傅里叶变换器及其实现方法

说明书

本发明属于光电技术领域，涉及宽带可调谐高精度光学分数阶傅里叶变换器及其实现方法。本发明利用三路自由光谱范围互质的移频光环路构建光学分数阶傅里叶变换器，基于信号的移频复制和延迟干涉原理，获得连续可调谐的等效大群速度色散，进而在模拟域内实现信号的高精度分数阶傅里叶变换，并且阶数可自由调谐，结合重构算法，可以实现宽带微波信号的频率测量和啁啾率测量。

技术领域

本发明光电技术领域，具体涉及一种宽带可调谐高精度光学分数阶傅里叶变换器及其实现方法。

背景技术

分数阶傅里叶变换是傅里叶变换的一般形式，相比于傅里叶变换，分数阶傅里叶变换在时域和频域之间的中间域实现信号分析，具有更大的阶数自由度和灵活性，由于其基函数具有线性啁啾特性，特别适合实现线性啁啾信号等非平稳信号的分析和处理。因此，分数阶傅里叶变换器已经被广泛应用于雷达信号处理、图像加密、图像数字水印、全息计算等领域。

目前，在数字域内实现分数阶傅里叶变换器存在如下两个关键瓶颈问题：第一，由于载流子迁移速率存在物理极限，电子模数转换器存在速率和带宽瓶颈，分数阶傅里叶变换器的速率和带宽被限制在较低的水平；第二，在处理复杂信号时，会占用庞大的存储空间和计算开销，难以满足实时信号处理需求。光学分数阶傅里叶变换器利用光波宽带、高速的特性，在模拟域内直接实现信号的分数阶傅里叶变换被认为是解决上述问题的潜在技术途径。

基于空间透镜光学系统的分数阶傅里叶变换器体积庞大，不利于系统集成(P.Pellat-Finet,“Fresnel diffraction and the fractional-order Fouriertransform,”Opt.Lett.,1994,19(18):1388-1390)。基于光纤群速度色散效应的光学分数阶傅里叶变换器结构较紧凑(S.M.Brunel,D.Lebrun,and C.“Characterization of chirped pulses with the fractional-order Fouriertransformation,”J.Opt.Soc.Am.A,2001,18(11):2754-2759)，但阶数可调谐性差和分辨率低(最佳分辨率仅为GHz量级)。若通过增加光纤长度的方法提高分辨率，会导致信号处理实时性的劣化；若利用时间透镜的方法提高分辨率，则会严重限制待处理信号的持续时间(限制在几百ps以下)。利用啁啾光纤光栅代替光纤可以获得更大的色散量以提高分辨率，同时减小系统延迟，保证实时性需求，但可调谐性差的问题并没有得到解决(Cuadrado-Laborde,A.Carrascosa,A.Díez,J.L.Cruz,and M.V.Andres,“Photonics fractionalFourier transformer with a single dispersive device,”Opt.Express,2013,21(7):8558-63)。综上所述，现有的光学分数阶傅里叶变换器方案无法同时实现高精度、宽带和阶数可调谐的实时分数阶傅里叶变换，这也是本发明要解决的关键问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种宽带可调谐高精度光学分数阶傅里叶变换器及其实现方法，该方法基于移频光环路结构，通过信号的移频复制和延迟干涉原理，获得连续可调谐的等效大群速度色散，进而在模拟域内实现信号高精度分数阶傅里叶变换，并且阶数可任意调谐；利用三个自由光谱范围互质的光纤环路实现无混叠测量范围的提升，进而同时实现宽带、高精度、阶数可调谐的实时分数阶傅里叶变换功能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种宽带可调谐高精度光学分数阶傅里叶变换器，包括直流光源和电光强度调制器，所述直流电源与所述电光强度调制器连接，所述电光强度调制器的输出端与第一光纤耦合器的输入端连接；

所述第一光纤耦合器的a输出端与第二光纤耦合器的a输入端连接，第二光纤耦合器的c输出端、第一光学移频器、第一光放大器、第一光学带通滤波器、第二光纤耦合器的b输入端依次连接，第二光纤耦合器的d输出端、第一光电探测器、实时示波器的a输入端依次连接；