多模光纤射频频谱压缩感知系统研究

作     者：丁开强 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐坤

授予年度：2021年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：宽带射频频谱 压缩感知 多模光纤 频率-时间映射 

摘      要：随着信息技术的飞速发展,国防领域正面对着复杂多变的战场环境,广频谱、宽频带、非线性的电子战场为传统宽带频谱感知装备带来了新的挑战。模数转换器因受限于采样定理,所以需要更高的采样率,而产生的海量数据也将增加后端处理能力的压力。基于压缩感知理论可实现低于奈奎斯特速率,对稀疏信号进行采样和重构,因此可缓解上述压力。微波光子学因为具有瞬时带宽大、稳定性强、抗电磁干扰等特点,经过优势互补,产生了光子辅助压缩感知技术,这项技术也成为了一项具有战略研究意义的课题。为解决现有系统存在的复杂度高、实时性差、难以集成且成本高等问题,本文利用光脉冲在多模光纤传输时空间到频率的复杂映射对光谱进行随机编码,基于频率-时间映射理论,使用光子时域拉伸技术等价实现光脉冲的时域随机调制。此方式具有被动式随机编码、大带宽和低成本等优势。待测信号调制后,进一步色散展宽产生时域叠加,完成光上积分运算。单通道的结构简化了系统,使得可单次测量快速获取数据进行重构。本文主要研究成果和创新点如下:（1）剖析系统原理,并进行数学模型抽象,以实验结合仿真的方式论证方案的可行性,可实现以0.2GS/s采样率对4.8GHz内多音信号准确识别,仿真发现此系统相比于压缩比的变化,对噪声水平的变化更加敏感,且过度色散将会导致系统性能恶化。（2）在仿真基础上,设计系统参数搭建实验平台,利用多模光纤随机编码光谱构造测量矩阵,并研究其校准方式。测试系统性能,最终实现以15GS/s采样率对25GHz内单音信号的重构,以4.8GS/s采样率对9.6GHz内多音信号的感知识别,识别误差为～100MHz。对影响系统性能的因素作了深入分析,提出改良方案。此外,实验发现当前系统对2米内多模光纤的长度变化不敏感。本系统具有感知带宽大、结构简单成本低、单次测量实时感知等特点,面对复杂多变的电磁环境,具有较大应用前景,对于未来小型化、集成化装备的研究具有参考意义。