光信息科學(xué)與技術(shù)仿真設(shè)計

1、<p>　　實(shí)驗(yàn)一 MATLAB基本操作</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康?lt;/b></p><p>　　1．熟悉MATLAB實(shí)驗(yàn)環(huán)境，練習(xí)MATLAB命令、m文件、Simulink的基本操作。</p><p>　　2．利用MATLAB編寫程序進(jìn)行矩陣運(yùn)算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理等。</p><p><b

2、>　　實(shí)驗(yàn)原理</b></p><p>　　MATLAB 環(huán)境是一種為數(shù)值計算、數(shù)據(jù)分析和圖形顯示服務(wù)的交互式的環(huán)境。MATLAB 有3 種窗口，</p><p>　　1．命令窗口（The Command Window） 當(dāng) MATLAB 啟動后，出現(xiàn)的最大的窗口就是命令窗口。用戶可以在提示符“>>”后面輸入交互的命令，這些命令就立即被執(zhí)行。在 MATLAB

3、中，一連串命令可以放置在一個文件中，不必把它們直接在命令窗口內(nèi)輸入。在命令窗口中輸入該文件名，這一連串命令就被執(zhí)行了。因?yàn)檫@樣的文件都是以“.m” 為后綴，所以稱為m-文件。 </p><p>　　2．m-文件編輯窗口（The Edit Window） 我們可以用 m-文件編輯窗口來產(chǎn)生新的m-文件，或者編輯已經(jīng)存在的m-文件。在MATLAB 主界面上選擇菜單“File/New/M-file”就打開了一個新的m-

4、文件編輯窗口；選擇菜單“File/Open”就可以打開一個已經(jīng)存在的m-文件，并且可以在這個窗口中編輯這個m- 文件。 </p><p>　　3．圖形窗口（The Figure Window） 圖形窗口用來顯示 MATLAB 程序產(chǎn)生的圖形。圖形可以是2 維的、3 維的數(shù)據(jù)圖形， 也可以是照片等。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容</b></p>&

5、lt;p>　　1 用MATLAB可以識別的格式輸入下面兩個矩陣</p><p>　　再求出它們的乘積矩陣C，并將C矩陣的右下角2×3子矩陣賦給D矩陣。賦值完成后，調(diào)用相應(yīng)的命令查看MATLAB工作空間的占用情況。</p><p>　　解：MATLAB源程序：</p><p>　　A=[1,2,3,3;2,3,5,7;1,3,5,7;3,2,3,9;1

6、,8,9,4]</p><p>　　B=[1+4*i,4,3,6,7,8;2,3,3,5,5,4+2*i;2,6+7*i,5,3,4,2;1,8,9,5,4,3]</p><p><b>　　C=A*B</b></p><p>　　D=C([4 5],[4 5 6])</p><p>　　在MATLAB主界面下輸入who

7、s即可查看MATLAB工作空間的占用情況。</p><p>　　MATLAB輸出為：</p><p><b>　　A =</b></p><p>　　1 2 3 3</p><p>　　2 3 5 7</p><p>　　1 3 5

8、 7</p><p>　　3 2 3 9</p><p>　　1 8 9 4</p><p><b>　　B =</b></p><p>　　Columns 1 through 4 </p><p>　　1.0000 + 4.0000i 4

9、.0000 3.0000 6.0000 </p><p>　　2.0000 3.0000 3.0000 5.0000 2.0000 6.0000 + 7.0000i 5.0000 3.0000

10、</p><p>　　1.0000 8.0000 9.0000 5.0000 </p><p>　　Columns 5 through 6 </p><p>　　7.0000 8.0000 </p><p>　　5.

11、0000 4.0000 + 2.0000i</p><p>　　4.0000 2.0000 </p><p>　　4.0000 3.0000 </p><p><b>　　C =</b></p><p>　　1.0

12、e+002 *</p><p>　　Columns 1 through 4 </p><p>　　0.1400 + 0.0400i 0.5200 + 0.2100i 0.5100 0.4000 </p><p>　　0.2500 + 0.0800i 1.0300 + 0.3500i 1.0300

13、 0.7700 </p><p>　　0.2400 + 0.0400i 0.9900 + 0.3500i 1.0000 0.7100 </p><p>　　0.2200 + 0.1200i 1.0800 + 0.2100i 1.1100 0.8200 </p

14、><p>　　0.3900 + 0.0400i 1.1400 + 0.6300i 1.0800 0.9300 </p><p>　　Columns 5 through 6 </p><p>　　0.4100 0.3100 + 0.0400i</p><p>　　0.7700

15、 0.5900 + 0.0600i</p><p>　　0.7000 0.5100 + 0.0600i</p><p>　　0.7900 0.6500 + 0.0400i</p><p>　　0.9900 0.7000 + 0.1600i</p><p

16、><b>　　D =</b></p><p>　　82.0000 79.0000 65.0000 + 4.0000i</p><p>　　93.0000 99.0000 70.0000 +16.0000i</p><p>　　Name Si

17、ze Bytes Class</p><p>　　A 5x4 160 double array</p><p>　　B 4x6 384 double array (complex)</p><p>　

18、　C 5x6 480 double array (complex)</p><p>　　D 2x3 96 double array (complex)</p><p>　　2 用MATLAB語言實(shí)現(xiàn)下面的分段函數(shù)</p><p>　　解：

19、MATLAB源程序：</p><p><b>　　if x>3</b></p><p><b>　　y=2;</b></p><p>　　elseif x<-3</p><p><b>　　y=-2;</b></p><p><b>

20、;　　else</b></p><p><b>　　y=2/3*x</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　plot(x,y)</b></p><p>　　MATLAB輸出為：</p><p><

21、b>　　y =</b></p><p>　　Columns 1 through 8 </p><p>　　1.0000 1.7492 -0.2091 -2.1468 -1.3383 -0.3987 -1.9563 -3.3224</p><p>　　Columns 9 through 11 </p><p>　　-1.827

22、1 -0.1530 -1.0000</p><p>　　3 分別用for和while循環(huán)結(jié)構(gòu)編寫程序，求出并考慮一種避免循環(huán)的簡潔方法來進(jìn)行求和。</p><p>　　解：MATLAB源程序：</p><p>　　用while循環(huán)結(jié)構(gòu)編寫程序?yàn)椋?用for循環(huán)結(jié)構(gòu)編寫程序?yàn)椋?lt;/p><p>　

23、　i=0; K=0;</p><p>　　K=0; for i=0:63</p><p>　　while i<=63 K=K+2^i;

24、 </p><p>　　K=K+2^i; end</p><p>　　i=i+1; K</p><p><b>　　end</b></p><p><b&

25、gt;　　K</b></p><p>　　避免循環(huán)簡潔方法編寫程序?yàn)椋?lt;/p><p><b>　　a=2;</b></p><p><b>　　i=64;</b></p><p>　　K=(1-a^i)/(1-a)</p><p>　　這三種方法MATLAB下輸

26、出結(jié)果都為：K =1.8447e+019</p><p>　　4 選擇合適的步距繪制出下面的圖形</p><p><b>　?。?），其中</b></p><p><b>　?。?），其中</b></p><p>　　5 求解下面的線性代數(shù)方程，并驗(yàn)證得出的解真正滿足原方程。</p>

27、<p><b>　　(a)，(b)</b></p><p>　　(a) 解：MATLAB源程序：</p><p>　　A=[7,2,1,-2;9,15,3,-2;-2,-2,11,5;1,3,2,13]</p><p>　　B=[4;7;-1;0]</p><p>　　X=inv(A)*B</p>

28、<p>　　MATLAB輸出為：</p><p>　　A = B = X =</p><p>　　7 2 1 -2 4 0.4979</p><p>　　9 15

29、 3 -2 7 0.1445</p><p>　　-2 -2 11 5 -1 0.0629</p><p>　　1 3 2 13 0 -0.081

30、3 </p><p>　　(b)解：MATLAB源程序：</p><p>　　A=[1,3,2,13;7,2,1,-2;9,15,3,-2;-2,-2,11,5]</p><p>　　B=[9,0;6,4;11,7;-2,-1]</p><p>　　X=inv(A)*B</p><p>　　A =

31、 B= X=</p><p>　　1 3 2 13 9 0 0.9807 0.4979</p><p>　　7 2 1 -2 6 4 0.2680

32、0.1445</p><p>　　9 15 3 -2 11 7 -0.2226 0.0629</p><p>　　-2 -2 11 5 -2 -1 0.5893 -0.0813</p><p>　　6 計

33、算機(jī)編程實(shí)踐： </p><p>　　若 對應(yīng)為的根，其中且取正整數(shù)。試用計算機(jī)仿真編程驗(yàn)證下列數(shù)學(xué)恒等式：成立。 </p><p>　　解：MATLAB源程序：</p><p>　　n=round(1000*random('beta',1,1))+1</p><p><b>　　su=1;</b><

34、;/p><p><b>　　sum=0;</b></p><p><b>　　for s=1:n</b></p><p>　　N(s)=exp(i*2*s*pi/n);</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　for

35、 k=1:n</b></p><p><b>　　for s=1:n</b></p><p><b>　　if s~=k</b></p><p>　　su=1/(N(k)-N(s))*su;</p><p><b>　　end</b></p><

36、p><b>　　end</b></p><p>　　sum=sum+su;</p><p><b>　　su=1;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　sum</b></p><p>

37、;　　仿真驗(yàn)證結(jié)果為：n=946 sum=1.0365e-016 -3.8573e-016i</p><p>　　其中n的值為隨機(jī)產(chǎn)生的整數(shù)，可見其和的實(shí)部和需部均接近于零。</p><p>　　7 用計算機(jī)編程實(shí)踐方法實(shí)現(xiàn)： </p><p>　　(1) 繪出單位圓及其內(nèi)接正十七邊形； </p><p>　　(2) 計算機(jī)編程求出其邊長l。

38、</p><p>　　解：MATLAB源程序：</p><p><b>　　n=17; </b></p><p><b>　　R=1; </b></p><p>　　t=0:0.01:2*pi;</p><p>　　x=R*cos(t);</p><p&g

39、t;　　y=R*sin(t);</p><p>　　theta=linspace(pi/2,5/2*pi,n+1);</p><p>　　x1=R*cos(theta);</p><p>　　y1=R*sin(theta);</p><p>　　plot(x,y,x1,y1);</p><p>　　axis '

40、equal'; </p><p>　　l=2*R*sin(pi/n) </p><p>　　輸出圖形如右圖所示；</p><p>　　MATLAB中輸出的結(jié)果為：</p><p>　　l= 0.3675</p><p>　　實(shí)驗(yàn)二 Zemax仿真設(shè)計</p><p><b&

41、gt;　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康?lt;/b></p><p>　　1．熟悉Zemax實(shí)驗(yàn)環(huán)境，練習(xí)使用元件庫中的常用元件組建光學(xué)系統(tǒng)。</p><p>　　2．利用Zeamx的優(yōu)化功能設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)并使其系統(tǒng)的各項(xiàng)性能參數(shù)達(dá)到最優(yōu)。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)原理</b></p><p>　　啟用Zemax，如何鍵入wav

42、elength，lens data，產(chǎn)生ray fan，OPD，spot diagrams，定義thickness solve以及variables，執(zhí)行簡單光學(xué)設(shè)計最佳化，即分為以下兩個部分。 </p><p>　　1、lens data editor </p><p>　　首先叫出ZEMAX的lens data editor(LDE)，什么是LDE呢？它是你要的工作場所，譬如你決定要用

43、何種鏡片，幾個鏡片，鏡片的radius，thickness，大小，位置……等。 </p><p>　　然后選取你要的光，再來我們要決定透鏡的孔徑有多大?；氐絃DE，可以看到3個不同的surface，依序?yàn)镺BJ，STO及IMA。OBJ就是發(fā)光物，即光源，STO即aperture stop的意思，STO不一定就是光照過來所遇到的第一個透鏡，你在設(shè)計一組光學(xué)系統(tǒng)時，STO可選在任一透鏡上，通常第一面鏡就是STO，若不

44、是如此，則可在STO這一欄上按鼠標(biāo)，可前后加入你要的鏡片，于是STO就不是落在第一個透鏡上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面?；氐轿覀兊膕inglet，我們需要4個面 (surface)，于是在STO欄上，選取insert cifter，就在STO后面再插入一個鏡片，編號為2，通常OBJ為0，STO為1，而IMA為3。 再來如何輸入鏡片的材質(zhì)為BK7?，F(xiàn)在你的輸入數(shù)據(jù)已大致完畢。你怎么檢驗(yàn)?zāi)愕脑O(shè)計是否達(dá)到要求呢？選a

45、nalysis中的fans，其中的Ray Aberration，將會把transverse的ray aberration對pupil coordinate作圖。其中ray aberration是以chief ray為參考點(diǎn)計算的。縱軸為EY的，即</p><p><b>　　2、數(shù)據(jù)優(yōu)化</b></p><p>　　在surface 2欄中的thickness項(xiàng)上點(diǎn)兩

46、下，把solve type從fixed變成Marginal Ray height，然后OK。現(xiàn)在談?wù)勅绾卧O(shè)Merit function，Zemax 已經(jīng)default 一個內(nèi)建的merit function，它的功能是把RMS wavefront error 減至最低，所以先在editors中選Merit function，進(jìn)入其中的Tools，再按Default Merit Function 鍵，再按ok，即我們選用default M

47、erit function ，這還不夠，我們還要規(guī)定給merit function 一個focal length 為100的限制，因?yàn)槿舨唤o此限制則Zemax會發(fā)現(xiàn)focal length為時，wavefront aberration的效果會最好，當(dāng)然就違反我們的設(shè)計要求。所以在Merit function editor第1列中往后插入一列，即顯示出第2列，代表surface 2，在此列中的type項(xiàng)上鍵入EFFL(effective

48、focal length)，同列中的target項(xiàng)鍵入100，wei</p><p>　　其它檢驗(yàn)optical performance還可以用Spot Diagrams及OPD等。從Analysis中選spot diagram中的standard，則該spot大約為400 microns上下左右交錯，與Airy diffraction disk比較而言，后者大約為6 microns交錯。 </p>

49、<p>　　而OPD為optical path difference，亦從Analysis中挑選，從Fans中的Optical Path，發(fā)現(xiàn)其中的aberration大約為20 waves，大都focus，并且spherical，sphero chromatism及axial color。Zemax 另外提供一個決定first order chromatic abberation 的工具，即the chromatic fo

50、cal shift plot，這是把各種光波的back focal length跟在paraxial上用primary wavelength 計算出first order的focal length之間的差異對輸出光波的wavelength 作圖，圖中可指出各光波在paraxial focus上的variation。從Analysis中Miscellaneous項(xiàng)的Chromatic Focal Shift即可叫出。 </p&g

51、t;<p><b>　　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容</b></p><p>　　1、顯微物鏡系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　在圖1 顯示一個10X 顯微物鏡。其包含二組遠(yuǎn)距的膠合雙重透鏡（Lister型式）。NA：0.25；EFL=0.591。表1 提供了這個設(shè)計的數(shù)據(jù)。第一鏡面到像距為0.999。第一鏡面到物距為6.076。最后一面供作保護(hù)面之用?；?0.26﹪。<

52、;/p><p>　　圖1 10倍顯微物鏡系統(tǒng) 表1 10倍顯微物鏡參數(shù)</p><p>　　要求：（1）運(yùn)用zemax軟件仿真實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，并進(jìn)行像質(zhì)評價和分析。</p><p>　?。?）改變某一Lens Data，觀察像質(zhì)評價和分析，然后設(shè)置該Lens Data為變量并進(jìn)行優(yōu)化，再觀察像質(zhì)評價和分析，最后比較優(yōu)化前后結(jié)果。</p>

53、<p>　　分析：按照表格輸入數(shù)據(jù)后，沒有添加優(yōu)化函數(shù)時，該顯微鏡各項(xiàng)指標(biāo)為：</p><p>　　對第4個RADIUS設(shè)為變量，并且添加優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，顯微鏡的各項(xiàng)指標(biāo)如圖所示：</p><p>　　比較優(yōu)化前后的指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)沒有什么區(qū)別，則說明該系統(tǒng)的參數(shù)已經(jīng)達(dá)到最好。</p><p>　　2、望遠(yuǎn)鏡頭系統(tǒng)設(shè)計</p><p>

54、;　　在圖2 是一個f / 6 . 5 望遠(yuǎn)鏡頭具有20°視場以及EFL=5 。這個鏡組的資料給定在表2。</p><p><b>　　圖2 望遠(yuǎn)鏡頭系統(tǒng)</b></p><p>　　表2 望遠(yuǎn)鏡頭系統(tǒng)參數(shù)</p><p>　　要求：（1）運(yùn)用zemax軟件仿真實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，并進(jìn)行像質(zhì)評價和分析。</p><p>

55、;　?。?）改變某一Lens Data，觀察像質(zhì)評價和分析，然后設(shè)置該Lens Data為變量并進(jìn)行優(yōu)化，再觀察像質(zhì)評價和分析，最后比較優(yōu)化前后結(jié)果。</p><p>　　分析:對第8個RADIUS設(shè)為變量，并且添加優(yōu)化函數(shù)優(yōu)化后，望遠(yuǎn)鏡的各項(xiàng)性能指標(biāo)為:</p><p>　　圖2-1 圖2-2</p><p&g

56、t;　　分析比較：比較優(yōu)化前后的指標(biāo)發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后系統(tǒng)的像差大大減小。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)三 Optisystem仿真設(shè)計</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康?lt;/b></p><p>　　1．熟悉Optisystem實(shí)驗(yàn)環(huán)境，練習(xí)使用元件庫中的常用元件組建光纖通信系統(tǒng)。</p><p>　　2．利用Optisyst

57、em的優(yōu)化功能仿真計算光纖通信系統(tǒng)的各項(xiàng)性能參數(shù)，并進(jìn)行分析。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)原理</b></p><p>　　OptiSystem是一款創(chuàng)新的光通訊系統(tǒng)模擬軟件包，它集設(shè)計、測試和優(yōu)化各種類型寬帶光網(wǎng)絡(luò)物理層的虛擬光連接等功能于一身，從長距離通訊系統(tǒng)到LANS和MANS都使用。一個基于實(shí)際光纖通訊系統(tǒng)模型的系統(tǒng)級模擬器，OptiSystem具有強(qiáng)大

58、的模擬環(huán)境和真實(shí)的器件和系統(tǒng)的分級定義。它的性能可以通過附加的用戶器件庫和完整的界面進(jìn)行擴(kuò)展，而成為一系列廣泛使用的工具。</p><p>　　OptiSystem允許對物理層任何類型的虛擬光連接和寬帶光網(wǎng)絡(luò)的分析，從遠(yuǎn)距離通訊到MANS和LANS都適用。它的廣泛應(yīng)用包括：物理層的器件級到系統(tǒng)級的光通訊系統(tǒng)設(shè)計；CATV或者TDM/s21 WDM網(wǎng)絡(luò)設(shè)計；SONET?s21 SDH的環(huán)形設(shè)計；傳輸器、信道、放大器

59、和接收器的設(shè)計；色散圖設(shè)計；不同接受模式下誤碼率（BER）和系統(tǒng)代價（penalty）的評估；放大的系統(tǒng)BER和連接預(yù)算計算。</p><p>　　Optisystem環(huán)境是一種為利用元件庫組建光纖通信系統(tǒng)，利用優(yōu)化功能仿真計算系統(tǒng)的各項(xiàng)性能參數(shù)，通過數(shù)據(jù)分析和圖形顯示來獲得最佳的光纖通信系統(tǒng)。Optisystem通過3部分來實(shí)現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)仿真，即：器件庫、光學(xué)方案圖編輯器、圖形演示。</p>&

60、lt;p><b>　　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容</b></p><p>　　1、OptiSystem用于WDM設(shè)計</p><p>　　根據(jù)下圖，運(yùn)用OptiSystem練習(xí)設(shè)計WDM通信系統(tǒng)，并得出WDM分析結(jié)果，在此基礎(chǔ)上練習(xí)使用該軟件的優(yōu)化功能，如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。</p><p><b>　　WDM分析結(jié)果：</b></

61、p><p>　　分析：打開軟件后，選擇所用器件并且連接好，選擇對noise bandwith和signal power進(jìn)行優(yōu)化后，其各項(xiàng)指標(biāo)如圖所示：</p><p>　　2 OptiSystem用于EDFA設(shè)計</p><p>　　根據(jù)下圖，運(yùn)用OptiSystem練習(xí)設(shè)計EDFA通信系統(tǒng)，并得出EDFA產(chǎn)生的增益，如采用雙泵浦，其增益又如何，在此基礎(chǔ)上練習(xí)使用該

62、軟件的優(yōu)化功能，如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。</p><p>　　分析：選擇好器件并且對其連接好后選擇對光線長度和Input:Max.signal Power(w)進(jìn)行優(yōu)化后，該系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)如下圖：</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)總結(jié)</b></p><p>　　通過這幾次實(shí)驗(yàn)我基本上懂的了MATLAB的基本操作和MATLAB命令、m文件、Simuli