VCSEL网络的混沌同步特性及其在多目标混沌雷达测距中的应用

发布时间：2020-07-14 00:26

【摘要】：垂直腔面发射激光器(VCSEL)是微型半导体激光器的典型代表,具有低阈值电流、单纵模输出、圆形光束输出而容易与光纤耦合、容易集成形成激光阵列或激光网络的优点。此外,在一定条件下,它还可以产生两个相互正交的大带宽混沌偏振模。利用这些独特的优势,VCSEL网络的混沌同步能推广到许多领域,例如混沌保密通信、高速和大带宽的随机码的产生、光混沌信号逻辑计算等。特别是,VCSEL网络中的同步混沌雷达为多目标测距提供了潜在的应用。然而,对于VCSEL网络,由于拓扑结构的多样性,网络中存在不同的耦合延迟时间,以及VCSEL具有复杂的非线性动力学行为和特有的偏振转换特性,VCSEL网络的混沌同步机制及其在多目标混沌雷达测距中应用的关键技术有待深入探讨。因此,本文的创新性内容如下:(1)对于不同的具有相同时间延迟耦合的三节点VCSEL网络,利用主稳态函数(MSF)提出了一个新的所有节点激光器之间达到全局完全混沌同步(GCCS)的判定方法。这里,通过计算最大李雅普诺夫指数(MLE),MSF被获得,其中MLE是常行和(外部耦合矩阵每一行的和是相等的常数,简称常行和)与外部耦合矩阵的特征值的函数,它是从修订的主稳态方程中计算出来的。值得注意的是网络中的外部耦合矩阵每一行的和是相等的常数(非耗散耦合),内部耦合函数是自身节点与延迟的连接节点的函数。结果发现,当由常行和与两个横断特征值所确定的两点在稳定性区域内(MLE为负),并且由常行和与特征值(与同步流形内的扰动有关)所确定的MLE是正的,那么这个任意给定的三节点VCSEL网络能够达到GCCS。该判定方法可以推广到多节点VCSEL网络中。基于理论判定和同步误差理论,进一步探索了具有环形拓扑结构和总线拓扑结构的三节点VCSEL网络的同步性质。结果显示,理论判定和模拟结果完全吻合,这表明理论判定是有效可行的。并且,针对环形拓扑结构的VCSEL网络,探讨了关键参数对GCCS质量的影响,讨论了完全同步质量对常行和失配的鲁棒性。该工作内容见本文第三章。(2)基于三节点VCSEL网络,提出了一个新颖的六方位目标实时测距方案。在该方案中,探索了一种方法来实现具有不同信道延迟的网络的GCCS。在GCCS下,基于希尔伯特变换理论,利用六个混沌偏振雷达对六方位目标进行测距。结果发现,六方位目标测距具有实时稳定性和高精度等良好性能,测距的绝对误差达到毫米级。并且,所有的相对误差都小于11%。该工作内容见本文第四章。综上所述,本文研究了三节点VCSEL网络的混沌同步特性及其在六方位目标实时测距中的应用。基于MSF,本文研究了非耗散、相同时间延迟耦合的三节点VCSEL网络的完全混沌同步特性,提出了适用于多种网络拓扑结构的GCCS的判定方法。在此基础上,进一步探索了具有不同信道延迟的环形拓扑结构的三节点VCSEL网络实现GCCS的方法,利用三节点VCSEL网络中的同步混沌偏振雷达对六方位目标进行了测距。
【学位授予单位】：五邑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248.4;TN953.2
【图文】：

图 1-1 光注入半导体激光器混沌雷达系统的原理框图[37]验证该系统的可行性，进行了以反射镜为目标的测距实验。当达系统约 2 米时，首先得到一组回波和延迟信号，它们的互相的黑色曲线所示；通过将镜子平移 50.0 cm，获得第二组回波和相关轨迹如图 1-2 中的灰色曲线所示。根据相关峰值之间的间隔差为 49.5cm，显示了亚厘米数量级的测距精度；并且,互相关峰，在实验上实现了 3cm 的距离分辨率。目前，该分辨率受到所用。

图 1-1 光注入半导体激光器混沌雷达系统的原理框图[37]验证该系统的可行性，进行了以反射镜为目标的测距实验。达系统约 2 米时，首先得到一组回波和延迟信号，它们的互黑色曲线所示；通过将镜子平移 50.0 cm，获得第二组回波和相关轨迹如图 1-2 中的灰色曲线所示。根据相关峰值之间的间差为 49.5cm，显示了亚厘米数量级的测距精度；并且,互相关峰在实验上实现了 3cm 的距离分辨率。目前，该分辨率受到所。

图 1-3 混沌雷达系统原理图[38]从图 1-4(a)可以看出，参考信号和回波信号在 1.5-3GHz 范围内均具有平坦且平滑的功率谱密度；图 1-4（b）中相关峰的 FWHM 为 0.6ns，从该结果中推导出测距分辨率为 9cm。证明了混沌雷达测距能力的概念验证实验如图 1-5 所示,在该实验中将金属板作为目标。从该图可以看出，尽管旁瓣相对较高，这主要是由于目标的低反射和所使用的全向天线，仍然可以清晰地识别指示目标位置的峰值。图 1-4 (a)参考信号与回波信号的功率谱；(b)参考信号与回波信号的互相关轨迹[38]

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