非线性频率调制的光脉冲压缩反射技术研究

摘要

光时域反射仪(OTDR)被广泛应用在光纤铺设和光纤故障监测等。现有的OTDR存在着空间分辨率和测量距离的矛盾关系。光频域反射仪(OFDR)虽然空间分辨率较高，但其测量距离受限于光源的线宽，对激光器的要求较高。我们在OTDR和OFDR基础上，提出一种新的反射测量技术：光脉冲压缩反射测量技术(OPCR)。OPCR不仅有和OTDR相同的测量距离，同时也有和OFDR相比拟的空间分辨率，它能有效地解决空间分辨率和测量距离间的矛盾关系。采用线性调频脉冲的OPCR原理简单易实现，压缩后的脉冲宽度只与调频范围有关，与脉冲宽度无关，但边带影响较明显。
　　本文提出基于非线性调频的光脉冲压缩反射技术，在已有的脉冲压缩基本理论和线性调频OPCR系统理论基础上，仿真分析了非线性调频脉冲的时间-频率特性和自相关函数特性及参数对其影响，仿真分析了非线性调频OPCR反射曲线的特性；实验分析了各个电光器件对调频脉冲信号的影响；实验验证非线性调频的OPCR系统对旁瓣抑制优于线性调频。
　　本文主要内容包括以下几个方面：
　　（1）理论分析
　　理论分析和推导了非线性调频脉冲压缩和在OPCR系统中的应用。首先介绍了雷达系统中调频脉冲压缩的基本原理，包括 I/Q解调和匹配滤波；其次，分析线性调频信号和非线性调频信号的区别；再者，分析了调频信号的自相关函数及其指标，包括：峰值旁瓣比(PSLR)，空间分辨率和积分旁瓣比(ISLR)；最后，建立非线性调频 OPCR的系统理论模型，分析每个环节对非线性调频信号及对OPCR反射曲线的影响。
　　（2）数值仿真
　　根据上述OPCR系统的理论分析，数值仿真了不同情况下OPCR曲线的性能。首先，仿真单个调频脉冲信号和其自相关函数，验证非线性调频信号自相关函数的PSLR明显优于线性调频，仿真得到非线性调频信号自相关函数的PSLR能达到60dB，远高于线性调频的13dB；其次仿真分析线性调频“加窗”和非线性调频的区别；最后，仿真分析了调频信号的OPCR系统及参数alpha的影响。仿真结果表明：非线性调频OPCR曲线的PSLR优于线性调频，且非线性调频能改善OPCR曲线的动态范围。
　　（3）实验验证
　　搭建了实验验证平台，主要验证上述理论推导和数值仿真的正确性。首先，我们搭建了一个“直通”系统，验证不同光电器件对非线性调频脉冲信号性能的影响。分别测试了压控振荡器(VCO)，低噪放放大后和单边带调制器(SSBM)后的调频脉冲信号质量。我们还搭建了一个OPCR系统，验证了OPCR采用非线性调频技术的OPCR曲线PSLR优于线性调频。该系统能区分5.4km光纤尾端30cm的跳线两端的反射峰，且非线性调频的PSLR有显著提高；为了验证非线性调频技术能提高OPCR曲线的动态范围，我们在“反射”系统中，验证了不同alpha值对OPCR曲线动态范围的改善；最后，我们在此基础上优化了实验链路，将测量距离提高到42km，空间分辨率仍是十厘米量级。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 三种常见的光纤传感模型及原理

1.3 本文的研究工作及创新点

1.4 本文的结构

第二章 光脉冲压缩反射技术的基本原理

2.1 雷达脉冲压缩的基本原理

2.2 光脉冲压缩反射系统的基本理论

2.3 本章总结

第三章 非线性调频光脉冲压缩反射技术的理论和数值仿真

3.1 非线性调频脉冲压缩的理论分析

3.2 非线性调频光脉冲压缩反射技术的性能仿真

3.3 本章小结

第四章 非线性调频光脉冲压缩反射技术的实验验证

4.1 实验平台

4.2 非线性调频光脉冲压缩性能验证

4.3空间分辨率和PSLR的性能验证

4.4 动态范围的实验验证

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

附录一 符号与标记

致谢

攻读硕士学位期间发表或录用的论文