基于光子學(xué)的寬帶信號獲取研究.pdf

1、寬帶信號的獲取成了現(xiàn)代雷達(dá)，射電天文學(xué)，電子對抗以及另外一些先進(jìn)的通信系統(tǒng)必不可少的技術(shù)。傳統(tǒng)基于電器件的信號獲取具有帶寬小，功率損耗大以及易受電磁干擾等缺點。光子學(xué)技術(shù)由于具有帶寬大、重量輕、損耗低以及抗電磁干擾等諸多優(yōu)點，成為未來寬帶信號獲取的一個重要發(fā)展方向。目前，基于光子學(xué)寬帶信號獲取的兩種重要技術(shù)是光子模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)和光子壓縮感知技術(shù)。本論文中，我們以提高信號獲取的性能為目的，包括精度更高，帶寬更大，提出多種基于光子模數(shù)轉(zhuǎn)換和光

2、子壓縮感知的寬帶信號獲取方案。
　　論文首先介紹了微波光子學(xué)的研究背景、主要應(yīng)用方向和重要器件。然后針對光子學(xué)技術(shù)在寬帶信號獲取中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，介紹了基于光子模數(shù)轉(zhuǎn)換和光子壓縮感知的寬帶信號獲取以及與相應(yīng)的電技術(shù)相比存在的優(yōu)勢。針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出了一些創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)和方案，通過仿真和實驗對系統(tǒng)進(jìn)行了驗證。論文的主要創(chuàng)新點和學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)如下：
　　1.通過分析光子模數(shù)轉(zhuǎn)換經(jīng)典模型（Taylor方案）存在的限制，提出了一種

3、基于差分編碼的光子模數(shù)轉(zhuǎn)換方案，并通過數(shù)值仿真對系統(tǒng)進(jìn)行了驗證。方案中利用了一個相位調(diào)制器(PM)和一個干涉儀并結(jié)合波分復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)了輸入信號差分形式的編碼，克服Taylor方案中調(diào)制器電極長度成倍增長的問題，從而提高了系統(tǒng)的可行性。另外，差分編碼的實現(xiàn)提高了系統(tǒng)的等效量化等級。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能，我們利用雙驅(qū)動的非平衡調(diào)制器代替PM和干涉儀，不僅可以減少系統(tǒng)的體積，降低系統(tǒng)的損耗，也有利用系統(tǒng)的集成。
　　2.在深入研究對

4、稱數(shù)字系統(tǒng)(symmetrical number system，SNS)的編碼特性以及SNS在模數(shù)轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的基于SNS的光子模數(shù)轉(zhuǎn)換方案。方案中利用等半波電壓的干涉儀以及多個電比較器，并通過設(shè)計干涉儀之間的相移，實現(xiàn)了具有格雷碼性質(zhì)的SNS編碼，從而大大提高了系統(tǒng)的糾錯能力。為了消除光源幅度抖動的影響，提出將平衡檢測技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)中，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　3.在充分理解壓縮感知基本原理的基礎(chǔ)上，用理

5、論研究和數(shù)值仿真的方法詳細(xì)分析了基于光子壓縮感知的寬帶信號獲取。介紹了基于空間光調(diào)制器(SLM)和電光調(diào)制器(EOM)的光子壓縮感知方案，通過實驗驗證了系統(tǒng)的可行性以及存在的問題。提出基于平衡馬赫增德爾調(diào)制器(MZM)結(jié)構(gòu)的隨機調(diào)制方式，簡化了壓縮感知系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了零均值的隨機觀測矩陣，提高了系統(tǒng)的性能。
　　4.針對壓縮感知系統(tǒng)中，隨機序列的速率需達(dá)到輸入信號帶寬兩倍的限制，提出基于光時域拉伸技術(shù)的壓縮感知方案。光時域拉

6、伸技術(shù)充分利用色散導(dǎo)致的群延時對加載在啁啾光信號上的射頻信號進(jìn)行拉伸處理。將其與壓縮感知技術(shù)相結(jié)合不僅可以降低輸入信號的速率，從而降低系統(tǒng)對隨機序列速率的要求，而且可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的采樣速率。為了消除光強度調(diào)制和直接檢測引入的直流，進(jìn)一步提出基于平衡結(jié)構(gòu)的光時域拉伸子系統(tǒng)，提高了信號獲取的信噪比。
　　5.提出三種基于微波光子濾波的壓縮感知方案，在光域中實現(xiàn)壓縮感知中的低通濾波或累加過程。方案一利用多波長的非相干光源和色散介質(zhì)，