本文關(guān)鍵詞：新型低相噪OEO及其傳感應(yīng)用研究　出處：《浙江大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：傳感器與精密測量技術(shù)在科學(xué)研究與工業(yè)發(fā)展中扮演著重要角色。隨著光電子技術(shù)的快速發(fā)展,越來越多的光電傳感器走向?qū)嵱没⒃谙到y(tǒng)中發(fā)揮著重要作用,探索新型傳感技術(shù)對于應(yīng)對測量領(lǐng)域日益苛刻的需求具有重要意義。光電振蕩器(Optoelectronic Oscillator,OEO)采用具有較大延遲時間的光電反饋結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)的閉環(huán)回路,其產(chǎn)生的振蕩信號具有極低的相位噪聲,且相噪不隨頻率的升高而升高,這意味著OEO的頻率抖動即使在微波、毫米波段也非常小。OEO的振蕩頻率對其諧振腔的腔長變化非常敏感,且振蕩頻率越高靈敏度越高,這使得OEO在高靈敏度、高分辨率傳感中具有極大的潛力。本文首先對描述OEO的理論模型進(jìn)行了回顧,深入探討了 OEO的相位噪聲性能。然后提出了基于外差鎖相OEO的穩(wěn)頻方法以及基于中頻選頻的OEO結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了理論分析與實驗研究。最后對OEO在溫度、應(yīng)變、壓力、振動等物理量的傳感應(yīng)用中進(jìn)行了傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論分析和實驗驗證。論文的學(xué)術(shù)價值與主要創(chuàng)新點如下:1.結(jié)合Yao-Maleki模型與Leeson模型對OEO的相噪分布進(jìn)行了研究。實驗研究了射頻放大器中的強(qiáng)度噪聲到相位噪聲的轉(zhuǎn)換關(guān)系,并根據(jù)Leeson模型反推出設(shè)計OEO相噪的方法。2.提出了兩種產(chǎn)生低相噪微波信號的OEO結(jié)構(gòu)。一是基于外差鎖相的OEO,該結(jié)構(gòu)通過外差方式,降低了鎖相OEO的環(huán)路階數(shù),避免了高階鎖相環(huán)可能帶來的環(huán)路穩(wěn)定性問題。另一種是基于中頻選頻的單環(huán)路OEO結(jié)構(gòu),研究了本振相噪到OEO輸出相噪之間的傳遞關(guān)系,并進(jìn)行了實驗驗證。3.在OEO靜態(tài)量的傳感研究中,利用中頻選頻OEO結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度傳感器設(shè)計,克服了起振模式模糊帶來的測量誤差。基于多個變量同時控制OEO頻率的外差鎖相思想,提出了鎖相跟蹤解調(diào)方法,使OEO傳感器的動態(tài)范圍不再受模式間隔(FSR)限制,并設(shè)計應(yīng)變傳感實驗進(jìn)行了驗證。最后提出了基于雙環(huán)雙頻OEO的壓力傳感器結(jié)構(gòu),通過雙環(huán)路的差分消除了溫度漂移引起的傳感誤差。4.在基于OEO的振動傳感研究中,提出一種基于級聯(lián)雙輸出馬赫增德爾調(diào)制器與光纖干涉儀的相移載波調(diào)制傳感器結(jié)構(gòu),有效提高了 OEO中光纖的應(yīng)變靈敏度。推導(dǎo)了 OEO相位噪聲與傳感器最小可檢測量之間的關(guān)系,并研究了系統(tǒng)的動態(tài)范圍。最后通過實驗驗證了理論推導(dǎo),說明了 OEO傳感器用于微小振動信號測量的優(yōu)勢。
[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.
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN752

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本文編號：1363102