新型低相噪OEO及其传感应用研究

发布时间:2018-01-01 05:19

  本文关键词:新型低相噪OEO及其传感应用研究 出处:《浙江大学》2017年博士论文 论文类型:学位论文


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【摘要】:传感器与精密测量技术在科学研究与工业发展中扮演着重要角色。随着光电子技术的快速发展,越来越多的光电传感器走向实用化并在系统中发挥着重要作用,探索新型传感技术对于应对测量领域日益苛刻的需求具有重要意义。光电振荡器(Optoelectronic Oscillator,OEO)采用具有较大延迟时间的光电反馈结构实现高品质因数的闭环回路,其产生的振荡信号具有极低的相位噪声,且相噪不随频率的升高而升高,这意味着OEO的频率抖动即使在微波、毫米波段也非常小。OEO的振荡频率对其谐振腔的腔长变化非常敏感,且振荡频率越高灵敏度越高,这使得OEO在高灵敏度、高分辨率传感中具有极大的潜力。本文首先对描述OEO的理论模型进行了回顾,深入探讨了 OEO的相位噪声性能。然后提出了基于外差锁相OEO的稳频方法以及基于中频选频的OEO结构并进行了理论分析与实验研究。最后对OEO在温度、应变、压力、振动等物理量的传感应用中进行了传感器结构设计、理论分析和实验验证。论文的学术价值与主要创新点如下:1.结合Yao-Maleki模型与Leeson模型对OEO的相噪分布进行了研究。实验研究了射频放大器中的强度噪声到相位噪声的转换关系,并根据Leeson模型反推出设计OEO相噪的方法。2.提出了两种产生低相噪微波信号的OEO结构。一是基于外差锁相的OEO,该结构通过外差方式,降低了锁相OEO的环路阶数,避免了高阶锁相环可能带来的环路稳定性问题。另一种是基于中频选频的单环路OEO结构,研究了本振相噪到OEO输出相噪之间的传递关系,并进行了实验验证。3.在OEO静态量的传感研究中,利用中频选频OEO结构进行温度传感器设计,克服了起振模式模糊带来的测量误差。基于多个变量同时控制OEO频率的外差锁相思想,提出了锁相跟踪解调方法,使OEO传感器的动态范围不再受模式间隔(FSR)限制,并设计应变传感实验进行了验证。最后提出了基于双环双频OEO的压力传感器结构,通过双环路的差分消除了温度漂移引起的传感误差。4.在基于OEO的振动传感研究中,提出一种基于级联双输出马赫增德尔调制器与光纤干涉仪的相移载波调制传感器结构,有效提高了 OEO中光纤的应变灵敏度。推导了 OEO相位噪声与传感器最小可检测量之间的关系,并研究了系统的动态范围。最后通过实验验证了理论推导,说明了 OEO传感器用于微小振动信号测量的优势。
[Abstract]:Sensor and precision measurement technology play an important role in scientific research and industrial development. With the rapid development of optoelectronic technology, more and more photoelectric sensors become practical and play an important role in the system. It is important to explore new sensing technology to meet the increasingly demanding requirements in the field of measurement. Optoelectronic Oscillator. OEO) adopts the optoelectronic feedback structure with large delay time to realize the closed-loop loop with high quality factor. The oscillation signal produced by OEO has extremely low phase noise and the phase noise does not increase with the increase of frequency. This means that the frequency jitter of OEO is very small even in microwave, the oscillation frequency of millimeter band is very sensitive to the change of cavity length, and the higher the oscillation frequency is, the higher the sensitivity is. This makes OEO have great potential in high sensitivity and high resolution sensing. Firstly, the theoretical model of OEO is reviewed in this paper. In depth. The phase noise performance of OEO. Then, the frequency stabilization method based on heterodyne phase-locked OEO and the structure of OEO based on intermediate frequency selection are proposed, and the theoretical analysis and experimental study are carried out. Finally, the temperature of OEO is studied. The sensor structure is designed in the sensing application of strain, pressure, vibration and other physical quantities. Theoretical analysis and experimental verification. The academic value and main innovations of the thesis are as follows:. 1. Combining Yao-Maleki model and Leeson model, the phase noise distribution of OEO is studied, and the conversion relationship between intensity noise and phase noise in RF amplifier is studied experimentally. Based on the Leeson model, the method of designing OEO phase noise is presented. 2. Two kinds of OEO structures are proposed to generate low phase noise microwave signals. One is based on heterodyne phase-locked OEO. The structure reduces the loop order of phase-locked OEO by heterodyne and avoids the loop stability problem caused by high-order phase-locked loop. The other is a single-loop OEO structure based on if frequency selection. The transfer relationship between the local oscillator phase noise and the OEO output phase noise is studied, and the experimental verification is carried out. 3. In the research of OEO static quantity sensing, the if frequency selective OEO structure is used to design the temperature sensor. The measurement error caused by fuzzy starting mode is overcome. Based on heterodyne Acacia which controls the frequency of OEO at the same time, a phase-locked tracking demodulation method is proposed. The dynamic range of the OEO sensor is no longer limited by the mode spacer FSRs, and the strain sensing experiments are designed to verify it. Finally, the structure of the pressure sensor based on the dual-loop dual-frequency OEO is proposed. The sensor error caused by temperature drift is eliminated by the differential of double loop. 4. In the research of vibration sensing based on OEO. A phase-shifted carrier modulation sensor structure based on cascaded double-output Maherzondel modulator and fiber interferometer is proposed. The strain sensitivity of fiber in OEO is improved effectively, and the relationship between OEO phase noise and minimum detectable sensor is deduced. The dynamic range of the system is also studied. Finally, the theoretical derivation is verified by experiments, and the advantages of the OEO sensor in the measurement of small vibration signals are illustrated.
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN752

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本文编号:1363102

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