基于声光偏转效应的载频相干探测系统的研究

摘要

目前,电磁波信号环境正变得越来越复杂,它包含的信号形式各异,如脉冲压缩、频率捷变等,覆盖着日益增宽的频率范围,脉冲密度为每秒数百万个。这就要求接收测量系统能够在更宽的瞬时带宽内和更大的动态范围内检测并识别多个同时到达的信号,传统的测频方法显然已经不能完全满足这些要求。本文结合声光偏转技术和相干光探测技术,提出了一种基于声光效应的载频相干探测方法,它采用光学处理方式改善系统接收性能和实现频率的连续无缝测量。基于声光偏转效应的载频相干探测系统具有高速并行处理能力、实时性好、截获率高、带宽大、灵敏度高、精度高、系统简单等特点,同时还可以获得频率、幅度和方位向等多种信息,所有这些优势使得它非常适合在复杂而密集的电磁信号环境中实现多个同时到达信号的精确、实时测量。
　　本文从理论分析和实验验证两方面着手对此测频系统进行研究,主要内容如下:
　　(1)介绍了声光效应及其衍射模式,并从声波和光波在介质中的耦合波方程出发,分析了声光互作用规律,得出了正常布拉格衍射的耦合波方程和衍射效率。同时,对相干光探测技术的原理、优点及关键技术也进行了相应的研究,从而为方案的确定提供了理论依据。
　　(2)针对现代载频测量对信号的实时捕获、并行处理、带宽和分辨率的要求,对比超外差接收机、瞬时测频接收机等几种传统测频技术,提出一种基于声光效应的载频相干探测方法,确定了系统的具体实现方案,并对其测频原理和优点进行了概述,其创新点在于将光束从空间注入到保偏光纤内进行传输与相干合路,在提高探测效率的同时利用了光纤中的多路复用技术。
　　(3)阐述了耦合系统中高斯光源与单模光纤间的耦合理论,并通过仿真分析了存在对准误差时的耦合效率。
　　(4)通过仿真研究了激光器线宽和参考光功率对相干光探测系统性能的影响,并在以上理论基础上,购买或自制相关器件构建了系统实验平台,从而进行实验验证与性能测试。
　　实验证明,该相干光探测系统在工作带宽内能有效进行弱信号幅度、频率的连续无缝测量,其光电探测接收灵敏度为68.7dBm,频率分辨率优于30KHz。相对输入信噪比而言,系统对输出信噪比的改善至少为6dB。此外,与传统光强度直接探测系统相比较,其灵敏度提高了近10dB,同时它还具有良好的稳定性和实时并行处理能力,故其应用前景非常广阔。

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第一章 绪论

§1.1 研究背景及意义

§1.2 声光技术的发展与应用

§1.3 光相干探测技术的发展与应用

§1.4 保偏光纤和保偏光纤耦合器的发展与应用

§1.5 本文的研究内容及创新点

第二章 声光互作用理论

§2.1 声光效应

§2.2 声光衍射模式分类

§2.3 声光互作用耦合波方程

§2.4 正常声光互作用耦合波方程

§2.5 正常布拉格衍射的衍射效率

§2.6 本章小结

第三章 相干光探测原理

§3.1 光的相干性

§3.2 光相干探测原理

§3.3 外差探测器的信噪比及极限灵敏度

§3.4 外差探测效率分析

§3.5 光相干探测的关键技术

§3.6 本章小结

第四章 外差式声光偏转测频系统的总体设计方案

§4.1 测频技术分类

§4.2 外差式声光测频系统的设计方案

§4.3 本章小结

第五章 耦合系统

§5.1 高斯光束与光纤的耦合理论

§5.2 高斯光束与光纤间的耦合方式

§5.3 本章小结

第六章 相干探测系统设计与实验分析

§6.1 系统仿真

§6.2 系统实验

§6.3 实验结果与分析

§6.4 本章小结

第七章 总结与展望

§7.1 论文总结

§7.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果