基于激光拍频高准确度相位式测距方法

介绍一种基于相位式激光测距的高动态、高准确度测距系统.系统引入光频调制技术实现激光拍频产生高频调制信号并完成信号的高速变测尺调制.在对回波信号进行鉴相时,为降低鉴相偏差采用无窗全相位谱分析并实现对测量信号的相位计算.计算表明,该方法可以有效抑制频谱泄露,减小噪声对测量结果的影响,提高鉴相准确度.实验表明该测距系统可以有效地解决相位法测距中存在的抗干扰能力差、距离模糊较难抑制等问题,调制信号频率为100 MHz、信噪比为30dB时测距准确度优于0.5mm.     

基于布里渊载波相移的宽带可调谐二倍频微波信号生成

本文提出并实验验证了一种基于光纤中受激布里渊散射效应的光子二倍频微波信号生成技术.利用布里渊增益谱内的强色散特性,对光强度调制器产生的双边带调制信号的载波进行π/2相移,可实现载波与±1阶边带拍频仅生成二倍频微波信号.由于光纤中受激布里渊散射的窄带特性以及仅对双边带调制信号的载波进行相移,不影响调制信号两个边带的幅值和相位,因而生成的二倍频微波信号可实现宽带调谐,调谐范围仅受其他光器件的工作带宽限制.此外,信号光和产生受激布里渊散射的抽运光均来自同一光源,因而不受波长漂移的影响,系统具良好的稳定性.     

基于载波抑制单边带调制的微波光子本振倍频上转换方法

提出了一种基于载波抑制单边带调制的微波光子本振倍频上转换方法.通过将本振信号加载在马赫-曾德尔调制器上产生±1阶本振边带,利用光纤光栅进行边带分离,将–1阶本振边带作为载波输入双平行马赫-曾德尔调制器进行二次调制.中频信号通过90°电桥加载在双平行马赫-曾德尔调制器上,并使其工作在载波抑制单边带调制状态.最后将输出的中频单边带调制信号与光纤光栅反射的+1阶本振单边带信号进行合路拍频,即可获得频率为2w_(LO)+w_(IF)的上变频信号.为了验证该方法的有效性,搭建了上变频链路并进行了性能测试,实验结果表明链路的输出光谱和频谱较为纯净,经过单边带调制后的光谱杂散抑制比达到了22.5 dB,产生的本振倍频上转换信号的杂散抑制比达到了23.6 dB,系统的无杂散动态范围达到了96.1 dB·Hz~(2/3).该本振倍频上转换方法可有效降低对本振信号的频率需求,并且产生的上转换信号纯净度较高,为光载无线通信、光控相控阵雷达等系统中的高频发射提供了有效途径.     

基于振动抑制高精度宽带激光扫频干涉测量方法

本文研究了基于振动抑制的高精度宽带激光扫频干涉测量方法.在激光扫频干涉测量中振动引起目标位移,导致在测量信号拍频中叠加了多普勒频移,该频移量通常远大于目标实际位移产生的频率变化,直接计算目标距离将造成测距精度下降.为解决该问题,本文首先建立了振动对宽带激光扫频干涉测距系统的影响模型,分析了振动对测距的影响机理,通过对测量系统的色散失配效应进行补偿降低了色散影响,然后对测量信号进行交叠分时Chirp Z变换计算不同时刻目标距离,进一步结合卡尔曼滤波方法对目标距离信息进行状态估计,使测量的标准差由185.4μm降低到9.0μm,有效降低了环境振动对测量结果的影响,提高了测量精度.该方法在不需要改变激光扫频干涉绝对距离测量装置的条件下,为进一步提高振动环境中的测距精度提供了解决方法,降低了装置复杂度和成本.     

一种相位调制激光多普勒频移测量方法

对相位调制拍频信号随信号光频率变化规律进行分析,发现拍频信号相位参量的频谱包含两个在值域上彼此分开的单调边缘,表明利用拍频信号的相位参量可以进行多普勒频移测量.如果利用拍频信号振幅参量对出射激光进行工作点锁定,其多普勒频移测量范围是Fabry-Perot干涉仪边缘技术的两倍.理论分析拍频信号振幅和相位参量的提取方法,表明基于此拍频信号相位参量的测量方法无需进行信号光能量检测,与Fabry-Perot边缘技术方法相比,结构更简单,且少了一条外部噪音混入的通道.为了对该多普勒频移测量方法定量分析和参量优化,利用误差合成原理以及计算机仿真,推导出其测量误差公式.根据测量原理搭建了实验系统,用频率可调光纤激光器的输出光模拟多普勒频移信号光进行测量,结果表明鉴频参量及其误差分布曲线的测量结果与理论分析相符合.     

基于微波频差转换的光学拍频研究

光学拍频是大学物理和光学实验教学中的重要内容.由于激光器存在中心波长漂移问题,实验中不易产生可观测的拍频信号.受到微波光子技术中微波波段和光波波段相互作用机理的启发,提出了基于微波频差转换的光学拍频方法.借助强度调制和相位调制将两个频差较小的微波信号调制到同一光载波上,结合光学滤波器获得了两个频差极小的稳定光信号,利用...     

一种改进的生成四倍频光毫米波的传输方案

针对光载无线通信系统中并联双驱动马赫-曾德尔调制器(MZM)的四倍频方案产生功率周期性衰落效应,以及传输距离短的不足,提出了一种改进的抑制双边带调制产生光毫米波方案。首先在并联MZM后用波分复用(WDM)分离抑制双边带信号的两个边带,将基带信号调制到下边带,再与未调信号耦合后产生光毫米波,最后传输至加入前置补偿的光纤链路中。用optisystem7.0软件对改进方案进行了仿真,结果表明用此类结构不仅能得到高纯度的四倍频光毫米波,还可以消除上述的效应,实现了更长距离、更佳性能的传输。     

双边带载波抑制调制载波信号馈送系统的研究

研究了基于双边带载波抑制调制的高频载波信号馈送系统的传输性能.分析了双边带载波抑制调制的原理,系统输出倍频信号的功率以及载波信号经过馈送系统后相位噪音发生劣化的原因.通过实验测量输入载波信号和输出倍频信号的功率和相位噪音验证了理论分析的正确性.结果表明,系统输出倍频信号的功率为-5.7dBm,载波信号经过馈送系统后近端相位噪音劣化了6dB,远端相位噪音劣化了21dB.     

双边带载波抑制调制载波信号馈送系统的研究

研究了基于双边带载波抑制调制的高频载波信号馈送系统的传输性能.分析了双边带载波抑制调制的原理,系统输出倍频信号的功率以及载波信号经过馈送系统后相位噪音发生劣化的原因.通过实验测量输入载波信号和输出倍频信号的功率和相位噪音验证了理论分析的正确性.结果表明,系统输出倍频信号的功率为-5.7 dBm,载波信号经过馈送系统后近端相位噪音劣化了6 dB,远端相位噪音劣化了21 dB.     

基于蓝光外腔半导体激光器的水下调频连续波激光测距

采用商用405 nm FP蓝光激光二极管,外加反射镜组成窄线宽外腔半导体激光器,在1 kHz调制周期下获得了无跳模连续调频范围1.5 GHz,相干长度大于10 m的激光输出。注入电流直接调制进行扫频,搭建空间光干涉仪组成调频连续波激光测距系统,采用10 m延时光纤辅助干涉仪对拍频信号进行重采样,以降低调制非线性对测距精度的影响。在水箱中模拟海水的衰减系数,在9.5 mW的探测信号功率下验证了5 m距离的探测,最大测量偏差0.051 m。     

基于双通道马赫曾德尔调制器调制边带滤波的微波光子移相器

提出了一种基于双通道马赫曾德尔调制器(DPMZM)调制边带滤波的微波光子移相器。在双通道马赫曾德尔调制器的结构中,在一路马赫曾德尔干涉仪上实现抑制光载波的双边带调制输出,而在另一路马赫曾德尔的相位调节臂上通过调节偏置电压实现光载波信号的光学移相,两路光信号经过干涉合路后由光纤布拉格光栅(FBG)滤除其中一个一阶边带,最后输入到光电探测器(PD)进行光电转换得到移相的微波信号。实验结果表明,基于DPMZM调制边带滤波的微波光子移相器具有传输特性稳定、输出幅度波动小的优点。该结构还具有相移调节响应速度快、应用频带宽以及移相范围大于360°等特点。     

三光路结构的调频连续波重采样测距方法

调频重采样是一种绝对测距技术。这种方法采用的光源波长随时间变化,形成一束宽光谱激光。激光在各时刻的波长通过辅助干涉装置进行测量,并对其中频率间隔相同的部分进行重采样,使调频测距系统具有较大的线性光谱带宽,较高的分辨率及精度。在实际测量过程中,测量装置本身及待测物都容易受到振动的影响,导致待测距离及辅助光纤长度发生变化,引入测距误差。针对这个问题,分析了振动对重采样测量结果产生的误差:(1)待测物的移动引入一个多普勒频移分量;(2)辅助光纤的振动使重采样频率也发生变化。为了弥补这两种误差,提出了一种三光路结构的补偿方法,在辅助光路中,使用一种光路结构简单小巧,且测量速度更快的全光纤马赫泽德干涉仪等效代替光谱仪,实时的监测信号光的瞬时频率。在测量光部分,在测量光路中引入两个部分反射镜产生两路补偿光信号,并通过FFT算法产生频谱。频谱的三个峰值分别与三路信号相对应。通过测量信号与其中一路补偿信号的峰值相减即可补偿多普勒误差,通过两路补偿信号的频率差与相对距离的比值即可得出实际的辅助光纤长度。实验证明,传统的重采样测距方法精度为23.6μm,三光路测距方法的精度可达到11μm,可见这种方法能够对系统的振动误差进行有效补偿。     

A full-duplex radio-over-fiber system based on a novel double-sideband modulation and frequency quadrupling

We propose a novel radio-over-fiber system based on double-sideband (DSB) modulation and frequency quadrupling to reduce the system cost both at central office (CO) and base station (BS). In this system, by properly biasing the intensity modulator, the repetitive frequency of the optical millimeter-wave (mm-wave) is four times frequency of the local oscillator (LO) signal. Additionally, due to the single-sideband of the mm-wave carrying base data signal, our theoretical simulation shows that the generated mm-wave can be immunized the fading effect and the walk-off of signals.     

可调谐半导体激光器的瞬时光谱测量方法研究

可调谐半导体激光器在调谐过程中的瞬时光谱特性,如瞬时的波长、调谐率、功率、线型和线宽等参数影响着以激光器为光源的光学测量和光相干通信系统的精度。然而,能够同时测量这些瞬变参数的技术至今未见报道。提出了一个基于时频分析的测量半导体激光器在调谐过程中瞬时光谱参数的方法,利用一个短时延外差测量系统,利用激光器瞬时光谱参数与差拍信号瞬时参数的关系,最终获得了半导体激光器在连续电流调谐过程中的瞬时光谱。测量系统采用了10 cm光程差的Mach-Zehnder干涉仪,调谐电流是幅度为20~120 mA、频率是1 kHz的锯齿波,差拍信号可视为直流信号、载波信号与噪声的叠加,按照短时延相干光测量原理,差拍信号中的直流分量幅度的大小反映了激光器输出光信号的功率;载波信号是一种多项式相位信号,由其频率可以推算激光器输出光谱的中心频率或波长;噪声信号则与激光器输出光谱的线型和线宽相关,通过对噪声信号进行时频分析,可以获知激光器在连续电流调谐过程中每一时刻或每个电流下的瞬时线型、线宽。采用了趋势局部均值分解方法对差拍信号进行了准确分离,并对分离信号分别进行处理,同时获知了半导体激光器在调谐过程中的瞬时输出光功率、光波长、调谐率及线型、线宽。在去掉弛豫部分后截取的整周期差拍信号对应的调谐电流60~115 mA变化范围内,半导体激光器(FRL15DDR0A31-18950, Furukawa)瞬时输出光功率变化范围是5.16~10.6 mW,瞬时光波长变化范围为1 579.2~1 579.6 nm;激光器的瞬时调谐率在0.004 8~0.011 5 nm·mA-1范围内单调变化;线宽是852.55~954.95 kHz,呈非线性随机分布。基于短时延、局部均值分解和时频分析方法的瞬时光谱参数测量系统可以准确得到各瞬时光谱参数,测量结果与激光器的静特性相符,且测量系统结构简单,使我们更深入地理解激光器的工作原理,具有广阔的应用前景。     

激光自外差相干测量中分布反馈半导体激光器电流调谐非线性的补偿方法

半导体激光器的电流调谐非线性对自外差相干测量的精度影响很大.研究了分布反馈半导体(DFB) 激光器的电流调谐特性,据此提出一种数学模型补偿方法.利用已知光程差下的差拍频率,建立了动态调频 系数的数学模型.以此模型对DFB激光器的电流调谐非线性进行补偿,可以将差拍信号频率预测值的相对误差 减小约3%,提高了系统的测量精度.数学模型补偿方法简化了测量系统的结构,适用于高精度的电流调谐 激光在线测量系统.     

Ultrafast and broadband frequency chirp signal generation using a high-extinction-ratio optical modulator

We successfully demonstrate ultrafast frequency sweep signal generation using the double-sideband suppressed carrier modulation technique with a high-extinction-ratio optical modulator that helps realize clear signals with no filters. The resultant sweep rate was achieved at 3.67 × 10(16) Hz/s with an extinction ratio above 25 dB, which corresponds to a bandwidth of 11 GHz with a pulse duration of 300 ns.     

Effects of temporal envelope modulation on acoustic signal recognition in a vocal fish, the plainfin midshipman.

Amplitude modulation is an important parameter defining vertebrate acoustic communication signals. Nesting male plainfin midshipman fish, Porichthys notatus, emit simple, long duration hums in which modulation is strikingly absent. Envelope modulation is, however, introduced when the hums of adjacent males overlap to produce acoustic beats. Hums attract gravid females and can be mimicked with continuous tones at the fundamental frequency. While individual hums have flat envelopes, other midshipman signals are amplitude modulated. This study used one-choice playback tests with gravid females to examine the role of envelope modulation in hum recognition. Various pulse train and two-tone beat stimuli resembling natural communication signals were presented individually, and the responses compared to those for continuous pure tones. The effectiveness of pulse trains was graded and depended upon both pulse duration and the ratio of pulse to gap length. Midshipman were sensitive to beat modulations from 0.5 to 10 Hz, with fewer fish approaching the beat than the pure tone. Reducing the degree of modulation increased the effectiveness of beat stimuli. Hence, the lack of modulation in the midshipman's advertisement call corresponds to the importance of envelope modulation for the categorization of communication signals even in this relatively simple system.     

一种提高迈克尔逊干涉系统抗干扰能力的新方法

为了提高迈克尔逊干涉系统的抗干扰能力,取代传统的动镜扫描结构,设计了基于电光调制晶体折射率实现光程扫描的干涉系统。通过加载在可变折射率晶体上的调制电信号,使晶体折射率产生周期性变化,从而在原有系统光路中调制折射率改变光程差。通过理论计算获得了电光调制过程中系统可以产生的最大光程差,并仿真分析了晶体厚度及晶体衍射效率对调制过程的影响。经仿真分析可知,随着调制电压范围的增大,可获得的光程变化范围也增大,从而系统光谱分辨能力也相应增大。同时,在调制过程中设置调制范围使衍射损失的能量小于总能量的10%,从而保证较好信噪比。实验结果显示,随着调制电压的变化,干涉条纹产生周期性移动,但超过一定范围时会产生非线性误差。通过修正算法后系统光谱分辨率可达7.2 cm-1。在无抗震实验平台的条件下,传统干涉系统的相对误差超过20%,而本系统的相对误差低于3%,证明了系统采用静态电光调制后抗干扰能力显著增强。     

Studies of phase characteristics of various photon echoes with a phase sensitive detection method

Various optical coherent transient signals in ruby have been examined by using an optical phase sensitive detection (PSD) technique. The PSD is performed by comparing the phase of the heterodyne beat signals obtained by the Stark switching technique with that of a local oscillator whose frequency is equal to the heterodyne beat frequency. The optical FID, two-pulse photon echoes, radiation locked echoes and notched echoes have been detected as υ-mode signals with small u-mode signals probably due to the asymmetry of the inhomogeneous broadening. The dependence of the phase of the radiation locked and notched echoes upon the driving pulses is also examined. The experimental results are in good agreement with theoretical predictions based on Bloch equations.