【摘要】：壓縮感知技術(shù)使得以低于奈奎斯特準(zhǔn)則的速率對(duì)寬帶稀疏信號(hào)采樣成為可能,從而減輕了信號(hào)在采集、存儲(chǔ)、傳輸過(guò)程中帶來(lái)的壓力。又由于光子學(xué)技術(shù)具有帶寬大、損耗小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),將兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合,應(yīng)運(yùn)而生的光子輔助壓縮感知技術(shù)在信號(hào)處理中是一項(xiàng)具有重大研究?jī)r(jià)值的課題。本文在對(duì)現(xiàn)有光子輔助壓縮感知系統(tǒng)性能進(jìn)行分析的同時(shí),提出了多種新型光子輔助壓縮感知(為簡(jiǎn)明起見(jiàn),下文中均稱為“光子壓縮感知”)方案。首先,針對(duì)基于空間光調(diào)制器的光子壓縮感知系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型,通過(guò)理論分析指出了該系統(tǒng)中的局限性。其次,在對(duì)微波光子濾波技術(shù)進(jìn)行研究之后,提出了基于微波光子濾波的壓縮感知結(jié)構(gòu)。之后,對(duì)基于脈沖展寬和壓縮的高速光子壓縮感知方案建立了模型并進(jìn)行理論分析,同時(shí),提出了基于光混頻的光子壓縮感知系統(tǒng),不僅實(shí)現(xiàn)了寬帶信號(hào)的超高速獲取,而且簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),降低了成本。另外,將壓縮感知技術(shù)和成像系統(tǒng)相結(jié)合,提出了基于光子壓縮感知的單像素成像系統(tǒng),大大減輕了在圖像信號(hào)獲取方面數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的壓力。本文的主要工作如下:(1)針對(duì)使用空間光調(diào)制器的光子壓縮感知方案,基于頻率-時(shí)間映射理論,建立了數(shù)學(xué)模型用于描述頻域混頻過(guò)程。從遠(yuǎn)場(chǎng)條件出發(fā),指出了在使用空間光調(diào)制器進(jìn)行混頻時(shí)隨機(jī)序列的最小頻譜位寬和隨機(jī)序列長(zhǎng)度的上限,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮到這個(gè)限制。同時(shí)對(duì)信號(hào)恢復(fù)性能進(jìn)行了評(píng)估,并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了論證。(2)提出將微波光子濾波技術(shù)用于光子壓縮感知系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)壓縮感知所需的低通濾波功能,并減少所需光載波的波長(zhǎng)數(shù)量。在低通濾波的第一階段,信號(hào)被調(diào)制在多波長(zhǎng)連續(xù)光上,通過(guò)色散光纖,由于群速度色散產(chǎn)生累加效果。在第二階段,信號(hào)被分成多個(gè)通道,經(jīng)過(guò)一組可調(diào)延遲線,由光電探測(cè)器檢測(cè)并疊加在一起。該系統(tǒng)對(duì)可調(diào)諧激光器數(shù)量的要求大大降低,且兩階段模式為濾波器設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性,也提高了光子壓縮感知方案中低通濾波的性能。(3)提出基于頻域編碼混頻的光子壓縮感知方案,在對(duì)頻譜編碼實(shí)現(xiàn)混頻的同時(shí),在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)了信號(hào)的積分累加。方案中可編程頻譜整形器根據(jù)隨機(jī)序列對(duì)寬帶光譜進(jìn)行切割和編碼,之后利用色散器件在各個(gè)波長(zhǎng)之間引入延遲。由于群時(shí)延與波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)與隨機(jī)序列相乘以及混合信號(hào)在時(shí)域的累加功能。該方案避免了重復(fù)脈沖和隨機(jī)序列之間的時(shí)域同步,并具有采樣率和壓縮率易于調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。由于采用了非相干寬帶光源,也避免了脈沖包絡(luò)和非理想頻率-時(shí)間映射對(duì)恢復(fù)性能的影響。(4)提出光子壓縮感知的單像素成像系統(tǒng),將圖像信息刻畫(huà)在光脈沖頻譜上,在頻域?qū)崿F(xiàn)了和隨機(jī)序列的混頻過(guò)程。根據(jù)所提方案,由于混頻功能在頻域?qū)崿F(xiàn),避免了在時(shí)域中的光脈沖拉伸,調(diào)制,壓縮和同步。該方案顯著簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),具有體積小,成本低,功耗低的優(yōu)點(diǎn),在實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低的場(chǎng)景下具有很好的應(yīng)用前景。另外,在針對(duì)微波光子濾波器進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,提出了具有矩形頻率響應(yīng)的正系數(shù)抽頭微波光子濾波器的設(shè)計(jì)方法。在濾波器設(shè)計(jì)中,通過(guò)將沖激響應(yīng)序列乘以±1序列并加上常數(shù),從而避免了負(fù)系數(shù)的存在。在實(shí)現(xiàn)方面,通過(guò)使用寬帶非相干光源和可編程頻譜整形器來(lái)產(chǎn)生所需的多個(gè)波長(zhǎng),光電轉(zhuǎn)換中僅使用一個(gè)光電探測(cè)器,具有結(jié)構(gòu)和體積上的優(yōu)勢(shì)。在對(duì)混頻和累加功能深入理解的基礎(chǔ)上,針對(duì)基于脈沖展寬和壓縮的光子壓縮感知方案,建立了數(shù)學(xué)模型來(lái)描述其測(cè)量過(guò)程。并證明在每個(gè)測(cè)量過(guò)程中,對(duì)輸出脈沖的峰值采樣等效于對(duì)輸入信號(hào)和隨機(jī)序列的混頻結(jié)果的積分值進(jìn)行采樣。同時(shí),也分析了光電探測(cè)器帶寬對(duì)這一等效性及信號(hào)恢復(fù)性能的影響,并給出了仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證所提出的理論。綜上所述,本文重點(diǎn)研究了基于光子壓縮感知的信號(hào)獲取技術(shù)。由于光子技術(shù)所獨(dú)有的大帶寬、抗電磁干擾的優(yōu)勢(shì),上述研究成果在寬帶時(shí)域信號(hào)、圖像信號(hào)的獲取方面具有參考價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN911.7
【圖文】：

ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ逡逑ｍｅｄｉｕｍ逡逑圖１．１微波光子鏈路基本結(jié)構(gòu)圖１５１邋（Ｅ／Ｏ：電光轉(zhuǎn)換；Ｏ／Ｅ：光電轉(zhuǎn)換）逡逑徼波光子鏈路的基本結(jié)構(gòu)如圖１．１所示，在微波頻率下的一個(gè)或多個(gè)模擬電逡逑信號(hào)先經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換，再通過(guò)光纖或光子鏈路傳輸，之后經(jīng)過(guò)電光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)逡逑輸出。微波光子鏈路與傳統(tǒng)電傳輸系統(tǒng)相比，具有成本低、體積小、重量輕（每逡逑公里光纖重量約１．７ｋｇ，每公里同軸電纜重量約５６７邋ｋｇ［５］）、色散量低、損耗低（在逡逑１５５０邋ｎｍ附近，光纖傳輸損耗約為０．２邋ｄＢ／ｋｍ，而電傳輸損約為０．４邋ｄＢ／ｋｍ）、橫逡逑截面積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。另外，光纖傳輸損耗不會(huì)隨著微波信號(hào)的逡逑頻率改變而改變，如圖１．２所示，光纖傳輸損耗基本是恒定的，而微波傳輸帶、逡逑聲表面波、超導(dǎo)微波傳輸帶等延時(shí)介質(zhì)的傳輸損耗隨著頻率的增大而變大。逡逑＾邐／邐／邐ａｔ邋１．５５逡逑ｏ．ｉ丨■邋／邐／■邋■邐」————逡逑０．１邋１．０邋

ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ逡逑ｍｅｄｉｕｍ逡逑圖１．１微波光子鏈路基本結(jié)構(gòu)圖１５１邋（Ｅ／Ｏ：電光轉(zhuǎn)換；Ｏ／Ｅ：光電轉(zhuǎn)換）逡逑徼波光子鏈路的基本結(jié)構(gòu)如圖１．１所示，在微波頻率下的一個(gè)或多個(gè)模擬電逡逑信號(hào)先經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換，再通過(guò)光纖或光子鏈路傳輸，之后經(jīng)過(guò)電光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)逡逑輸出。微波光子鏈路與傳統(tǒng)電傳輸系統(tǒng)相比，具有成本低、體積小、重量輕（每逡逑公里光纖重量約１．７ｋｇ，每公里同軸電纜重量約５６７邋ｋｇ［５］）、色散量低、損耗低（在逡逑１５５０邋ｎｍ附近，光纖傳輸損耗約為０．２邋ｄＢ／ｋｍ，而電傳輸損約為０．４邋ｄＢ／ｋｍ）、橫逡逑截面積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。另外，光纖傳輸損耗不會(huì)隨著微波信號(hào)的逡逑頻率改變而改變，如圖１．２所示，光纖傳輸損耗基本是恒定的，而微波傳輸帶、逡逑聲表面波、超導(dǎo)微波傳輸帶等延時(shí)介質(zhì)的傳輸損耗隨著頻率的增大而變大。逡逑＾邐／邐／邐ａｔ邋１．５５逡逑ｏ．ｉ丨■邋／邐／■邋■邐」————

士學(xué)位論文邐第１章波光子鏈路中，電光轉(zhuǎn)換主要由電光調(diào)制模塊完成，電光調(diào)制可通外調(diào)制實(shí)現(xiàn)。直接調(diào)制是指將隨時(shí)間變化的信號(hào)加在激光器上，使光功率隨著信號(hào)改變而改變。但是，在室溫下直接調(diào)制帶寬很難，而且可能會(huì)存在啁啾問(wèn)題，該缺點(diǎn)可通過(guò)使用激光器的連續(xù)光模制方式解決（調(diào)制帶寬可達(dá)到１００邋ＧＨｚ）邋［４］。直接調(diào)制激光器二ｄｉｏｄｅ，ＬＤ）所需要的驅(qū)動(dòng)電流小，一般在ｍＡ量級(jí)，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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