基于光子學的寬帶信號獲取研究.pdf

1、寬帶信號的獲取成了現代雷達，射電天文學，電子對抗以及另外一些先進的通信系統(tǒng)必不可少的技術。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。光子學技術由于具有帶寬大、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，基于光子學寬帶信號獲取的兩種重要技術是光子模數轉換技術和光子壓縮感知技術。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轉換和光

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的研究背景、主要應用方向和重要器件。然后針對光子學技術在寬帶信號獲取中的應用進行了研究，介紹了基于光子模數轉換和光子壓縮感知的寬帶信號獲取以及與相應的電技術相比存在的優(yōu)勢。針對現有技術存在的問題，提出了一些創(chuàng)新的結構和方案，通過仿真和實驗對系統(tǒng)進行了驗證。論文的主要創(chuàng)新點和學術貢獻如下：
　　1.通過分析光子模數轉換經典模型（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轉換方案，并通過數值仿真對系統(tǒng)進行了驗證。方案中利用了一個相位調制器(PM)和一個干涉儀并結合波分復用技術實現了輸入信號差分形式的編碼，克服Taylor方案中調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，差分編碼的實現提高了系統(tǒng)的等效量化等級。為了進一步提高系統(tǒng)的性能，我們利用雙驅動的非平衡調制器代替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、稱數字系統(tǒng)(symmetrical number system，SNS)的編碼特性以及SNS在模數轉換中的應用的基礎上，提出了改進的基于SNS的光子模數轉換方案。方案中利用等半波電壓的干涉儀以及多個電比較器，并通過設計干涉儀之間的相移，實現了具有格雷碼性質的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應用到系統(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上，用理

5、論研究和數值仿真的方法詳細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制器(SLM)和電光調制器(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制器(MZM)結構的隨機調制方式，簡化了壓縮感知系統(tǒng)的數學模型，實現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到輸入信號帶寬兩倍的限制，提出基于光時域拉伸技術的壓縮感知方案。光時域拉

6、伸技術充分利用色散導致的群延時對加載在啁啾光信號上的射頻信號進行拉伸處理。將其與壓縮感知技術相結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，而且可以進一步降低系統(tǒng)的采樣速率。為了消除光強度調制和直接檢測引入的直流，進一步提出基于平衡結構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，