基于光子學(xué)的寬帶信號(hào)獲取研究.pdf

1、寬帶信號(hào)的獲取成了現(xiàn)代雷達(dá)，射電天文學(xué)，電子對(duì)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(hào)獲取具有帶寬小，功率損耗大以及易受電磁干擾等缺點(diǎn)。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(diǎn)，成為未來(lái)寬帶信號(hào)獲取的一個(gè)重要發(fā)展方向。目前，基于光子學(xué)寬帶信號(hào)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(hào)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(hào)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(duì)光子學(xué)技術(shù)在寬帶信號(hào)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(hào)獲取以及與相應(yīng)的電技術(shù)相比存在的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提出了一些創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)和方案，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)如下：
　　1.通過(guò)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(guò)數(shù)值仿真對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。方案中利用了一個(gè)相位調(diào)制器(PM)和一個(gè)干涉儀并結(jié)合波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)差分形式的編碼，克服Taylor方案中調(diào)制器電極長(zhǎng)度成倍增長(zhǎng)的問(wèn)題，從而提高了系統(tǒng)的可行性。另外，差分編碼的實(shí)現(xiàn)提高了系統(tǒng)的等效量化等級(jí)。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能，我們利用雙驅(qū)動(dòng)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(duì)

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(gè)電比較器，并通過(guò)設(shè)計(jì)干涉儀之間的相移，實(shí)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(cuò)能力。為了消除光源幅度抖動(dòng)的影響，提出將平衡檢測(cè)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(hào)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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性以及存在的問(wèn)題。提出基于平衡馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器(MZM)結(jié)構(gòu)的隨機(jī)調(diào)制方式，簡(jiǎn)化了壓縮感知系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了零均值的隨機(jī)觀測(cè)矩陣，提高了系統(tǒng)的性能。
　　4.針對(duì)壓縮感知系統(tǒng)中，隨機(jī)序列的速率需達(dá)到輸入信號(hào)帶寬兩倍的限制，提出基于光時(shí)域拉伸技術(shù)的壓縮感知方案。光時(shí)域拉

6、伸技術(shù)充分利用色散導(dǎo)致的群延時(shí)對(duì)加載在啁啾光信號(hào)上的射頻信號(hào)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(hào)的速率，從而降低系統(tǒng)對(duì)隨機(jī)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(qiáng)度調(diào)制和直接檢測(cè)引入的直流，進(jìn)一步提出基于平衡結(jié)構(gòu)的光時(shí)域拉伸子系統(tǒng)，提高了信號(hào)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(shí)現(xiàn)壓縮感知中的低通濾波或累加過(guò)程。方案一利用多波長(zhǎng)的非相干光源和色散介質(zhì)，