光子辅助压缩感知研究

发布时间：2020-08-17 11:08

【摘要】：压缩感知技术使得以低于奈奎斯特准则的速率对宽带稀疏信号采样成为可能,从而减轻了信号在采集、存储、传输过程中带来的压力。又由于光子学技术具有带宽大、损耗小、抗干扰能力强等特点,将两者的优势结合,应运而生的光子辅助压缩感知技术在信号处理中是一项具有重大研究价值的课题。本文在对现有光子辅助压缩感知系统性能进行分析的同时,提出了多种新型光子辅助压缩感知(为简明起见,下文中均称为“光子压缩感知”)方案。首先,针对基于空间光调制器的光子压缩感知系统建立了数学模型,通过理论分析指出了该系统中的局限性。其次,在对微波光子滤波技术进行研究之后,提出了基于微波光子滤波的压缩感知结构。之后,对基于脉冲展宽和压缩的高速光子压缩感知方案建立了模型并进行理论分析,同时,提出了基于光混频的光子压缩感知系统,不仅实现了宽带信号的超高速获取,而且简化了系统结构,降低了成本。另外,将压缩感知技术和成像系统相结合,提出了基于光子压缩感知的单像素成像系统,大大减轻了在图像信号获取方面数据存储和处理的压力。本文的主要工作如下:(1)针对使用空间光调制器的光子压缩感知方案,基于频率-时间映射理论,建立了数学模型用于描述频域混频过程。从远场条件出发,指出了在使用空间光调制器进行混频时随机序列的最小频谱位宽和随机序列长度的上限,在系统设计中应该考虑到这个限制。同时对信号恢复性能进行了评估,并通过仿真和实验进行了论证。(2)提出将微波光子滤波技术用于光子压缩感知系统,以实现压缩感知所需的低通滤波功能,并减少所需光载波的波长数量。在低通滤波的第一阶段,信号被调制在多波长连续光上,通过色散光纤,由于群速度色散产生累加效果。在第二阶段,信号被分成多个通道,经过一组可调延迟线,由光电探测器检测并叠加在一起。该系统对可调谐激光器数量的要求大大降低,且两阶段模式为滤波器设计提供了更多的灵活性,也提高了光子压缩感知方案中低通滤波的性能。(3)提出基于频域编码混频的光子压缩感知方案,在对频谱编码实现混频的同时,在时域实现了信号的积分累加。方案中可编程频谱整形器根据随机序列对宽带光谱进行切割和编码,之后利用色散器件在各个波长之间引入延迟。由于群时延与波长的对应关系,实现了输入信号与随机序列相乘以及混合信号在时域的累加功能。该方案避免了重复脉冲和随机序列之间的时域同步,并具有采样率和压缩率易于调节的优点。由于采用了非相干宽带光源,也避免了脉冲包络和非理想频率-时间映射对恢复性能的影响。(4)提出光子压缩感知的单像素成像系统,将图像信息刻画在光脉冲频谱上,在频域实现了和随机序列的混频过程。根据所提方案,由于混频功能在频域实现,避免了在时域中的光脉冲拉伸,调制,压缩和同步。该方案显著简化了系统结构,具有体积小,成本低,功耗低的优点,在实时性要求相对较低的场景下具有很好的应用前景。另外,在针对微波光子滤波器进行研究的基础上,提出了具有矩形频率响应的正系数抽头微波光子滤波器的设计方法。在滤波器设计中,通过将冲激响应序列乘以±1序列并加上常数,从而避免了负系数的存在。在实现方面,通过使用宽带非相干光源和可编程频谱整形器来产生所需的多个波长,光电转换中仅使用一个光电探测器,具有结构和体积上的优势。在对混频和累加功能深入理解的基础上,针对基于脉冲展宽和压缩的光子压缩感知方案,建立了数学模型来描述其测量过程。并证明在每个测量过程中,对输出脉冲的峰值采样等效于对输入信号和随机序列的混频结果的积分值进行采样。同时,也分析了光电探测器带宽对这一等效性及信号恢复性能的影响,并给出了仿真结果来验证所提出的理论。综上所述,本文重点研究了基于光子压缩感知的信号获取技术。由于光子技术所独有的大带宽、抗电磁干扰的优势,上述研究成果在宽带时域信号、图像信号的获取方面具有参考价值。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN911.7
【图文】：

微波光子,电光转换,光电转换,链路

ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ逡逑ｍｅｄｉｕｍ逡逑图１．１微波光子链路基本结构图１５１邋（Ｅ／Ｏ：电光转换；Ｏ／Ｅ：光电转换）逡逑徼波光子链路的基本结构如图１．１所示，在微波频率下的一个或多个模拟电逡逑信号先经过光电转换，再通过光纤或光子链路传输，之后经过电光转换为电信号逡逑输出。微波光子链路与传统电传输系统相比，具有成本低、体积小、重量轻（每逡逑公里光纤重量约１．７ｋｇ，每公里同轴电缆重量约５６７邋ｋｇ［５］）、色散量低、损耗低（在逡逑１５５０邋ｎｍ附近，光纤传输损耗约为０．２邋ｄＢ／ｋｍ，而电传输损约为０．４邋ｄＢ／ｋｍ）、横逡逑截面积小、抗电磁干扰能力强等优势。另外，光纤传输损耗不会随着微波信号的逡逑频率改变而改变，如图１．２所示，光纤传输损耗基本是恒定的，而微波传输带、逡逑声表面波、超导微波传输带等延时介质的传输损耗随着频率的增大而变大。逡逑＾逦／逦／逦ａｔ邋１．５５逡逑ｏ．ｉ丨■邋／逦／■邋■逦」————逡逑０．１邋１．０邋

特性图,传输损耗,特性,微波传输带

示意图,直接调制,原理,示意图

士学位论文逦第１章波光子链路中，电光转换主要由电光调制模块完成，电光调制可通外调制实现。直接调制是指将随时间变化的信号加在激光器上，使光功率随着信号改变而改变。但是，在室温下直接调制带宽很难，而且可能会存在啁啾问题，该缺点可通过使用激光器的连续光模制方式解决（调制带宽可达到１００邋ＧＨｚ）邋［４］。直接调制激光器二ｄｉｏｄｅ，ＬＤ）所需要的驱动电流小，一般在ｍＡ量级，而且易于和其光器件集成在芯片上。逡逑Ｄｉｒｅｃｔ邋ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ逡逑

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