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王如刚，盐城工学院信息工程学院副教授，博士。主要从事光纤通信及光纤传感技术的研究。研究领域：高频通信载波信号的光学产生技术、光纤传感技术等。已在国内外期刊上发表论文十余篇。周锋，盐城工学院信息工程学院讲师，博士在读。主要从事光纤传感网络的研究。研究领域：光纤传感网络的组网、光纤传感网络的安全等。已在国内外期刊上发表论文十余篇。 目錄： 目录 第1章绪论 1．1研究意义 1．2高频微波信号光学产生方法的国内外研究现状 1．2．1外部调制方法 1．2．2光注入半导体激光器方法 1．2．3光电振荡器微波信号产生方法 1．3研究内容分析 1．4研究思路与框架结构 1．4．1研究思路 1．4．2研究框架结构 参考文献 第2章光纤中的布里渊散射效应及其激光器设计 2．1光纤中的布里渊散射 2．1．1自发布里渊散射 2．1．2受激布里渊散射 2．2光纤中布里渊散射特性 2．2．1布里渊散射谱特性 2．2．2布里渊频移与温度和应力的关系 2．3光纤中布里渊散射阈值分析 2．4基于布里渊散射的单纵模激光器设计 2．4．1布里渊激光器理论分析 2．4．2实验系统 2．4．3实验结果与分析 2．5本章小结 参考文献 第3章基于单环结构的布里渊散射效应的宽带微波信号产生技术 3．1差频结合平衡检测基本原理 3．2基于布里渊散射的可调微波信号产生的实验系统 3．2．1温度控制系统设计 3．2．2性能分析 3．3可调谐微波信号产生的实验结果与分析 3．4本章小结 参考文献 第4章基于双环结构的布里渊散射效应的宽带微波信号产生技术 4．1光外差法产生微波信号原理 4．2基于布里渊散射的可调微波信号产生机理 4．3基于布里渊激光器的可调谐微波信号产生方法 4．3．1实验系统 4．3．2实验结果与分析 4．4本章小结 参考文献 第5章基于多波长布里渊激光器的可调谐微波信号产生技术 5．1受激布里渊散射放大效应理论分析 5．2基于布里渊散射放大效应的多波长激光器研究 5．2．1实验结构 5．2．2实验结果与分析 5．3基于多波长布里渊激光器的微波信号产生研究 5．3．1实验装置 5．3．2结果与分析 5．4本章小结 参考文献 第6章基于布里渊散射光电振荡器的高频微波信号产生技术 6．1光电振荡器基本原理 6．2基于布里渊散射光电振荡器的微波信号产生技术的 阶段性研究成果 6．3基于布里渊散射光电振荡器微波信号产生方法的 研究计划 6．3．1研究的主要内容 6．3．2拟采取的研究方法和技术路线 6．4本章小结 参考文献 第7章光纤中的布里渊散射效应在通信信号速度控制系统中的应用 7．1基于布里渊散射效应的通信信号传输速度控制理论分析 7．2基于布里渊散射效应的单通道通信信号速度控制 系统实验研究 7．2．1半导体光放大器性能分析 7．2．2实验装置 7．2．3实验结果与分析 7．3基于布里渊散射效应的多通道通信信号速度控制 系统实验研究 7．3．1实验装置 7．3．2实验结果与分析 7．4本章小结 参考文献 內容試閱： 序言 前言 随着互联网业务和网络电视等多媒体业务的迅速发展，无线通信技术已经发展到了新的阶段，但随着用户数量的增多以及对带宽需求的增加，无线通信系统又面临频谱资源受限的挑战。为了解决此问题，无线通信技术必须拓宽频率范围，将通信频段提高至微波信号频段，因此，光载无线技术应运而生。光载无线技术结合光纤通信技术和无线通信技术，充分利用了光纤低损耗、高容量以及抗电磁干扰等优点，能够实现低成本、大容量的超宽带无线接入和有线传输，为下一代融合接入网提供了技术支撑。同时，光载无线技术既能满足信号带宽的需求，又能克服未来的光无线接入网中的频率拥堵等问题。在光载无线技术中，微波信号的光学产生是实现低成本高性能光载无线传输系统的关键，而使用电子器件产生微波信号的传统方法受限于电子器件的瓶颈，对产生高频微波信号具有一定的挑战性。目前，使用光学方法产生微波信号是最有前途的解决方案，在过去的几年里，国内外对光生微波技术开展了大量的研究。从这些研究可以看出，布里渊散射效应是光纤中常见的一种散射，其散射光相对入射光具有一定的频移，且频移量与外界环境的温度和应力呈线性关系。利用光纤中的布里渊散射特性可以实现微波信号的产生、交换及获取等，这些方面都是实现光载无线技术的核心。因此，系统地研究光纤中的布里渊散射效应在光载无线通信技术中的应用，不仅具有学术价值，而且具有十分重要的社会意义。本书首先讨论光纤中泵浦光场、斯托克斯光场和声波场之间相互作用而产生自发和受激布里渊散射的机理，分析光纤中布里渊散射的性能，设计单纵模布里渊激光器；其次，利用获得的单纵模布里渊激光器，提出基于单纵模激光器融合布里渊散射移频单元的多带宽微波信号产生的方法，并分析产生的微波信号性能；在此基础上，提出并实验验证多环结构的布里渊散射效应的微波信号产生方法；从理论上分析受激布里渊散射放大效应的基本原理，利用受激布里渊放大效应结合获得的单纵模布里渊激光器，提出多波长布里渊激光器的方法，利用该多波长布里渊激光器设计高频微波信号产生的方案；分析布里渊散射光电振荡器微波信号产生的基本原理，提出利用光注入DFB激光器结合液芯单模光纤布里渊散射效应的光电振荡器微波信号产生的技术；最后，分析多布里渊增益线的纵模间隔对信号延迟和增益控制性能的影响，获得优化的纵模间隔，针对目前的高速通信系统，提出基于半导体激光器的高频通信速度控制系统，通过实验分析可调谐和多通道宽带控制系统的性能。希望以上的研究方法和观点能够对我国微波信号光学产生技术的研究与实现提供一些技术上的支持，对关注光纤通信和光纤传感技术发展的学者以后的进一步研究提供一些借鉴，为光电子技术企业经营者的理性决策提供一些参考。本书得到了盐城工学院学术专著出版基金、江苏省六大人才高峰项目DZXX028、中国博士后科学基金资助项目2015M571637、江苏省产学研前瞻性项目BY201505739，BY201606503、江苏省高校自然科学研究基金项目14KJB510034和盐城工学院人才引进KJC2013014项目的资助。由于作者水平有限，时间仓促，不足和不妥之处在所难免，恳请读者批评指正。作者2016年8月 第3章基于单环结构的布里渊散射效应的宽带微波信号产生技术 由于具有较高的应用范围、抗电磁干扰等优点，微波信号的光学产生方法引起了研究人员的高度重视［13］，并已经报道了一些方法。例如，使用强度或者相位调制器的调制技术［48］，光学差频等方法［913］。调制方法的主要原理是在光电转换器上产生高阶光分量，例如，通过射频信号驱动的外部调制器。当射频信号驱动调制器时，由于调制器的非线性响应在输出端有多个高阶信号输出，这些高阶信号之间将会产生交叉噪声，并且由于各个参量之间的间隔非常小，因此很难利用滤波器的方法滤除掉，这些缺点将降低输出的微波信号质量。由于具有较低的相位噪声和较低成本等优点，基于同一个布里渊泵浦的外插布里渊散射微波信号产生方法被认为是一种非常有效和具有前景的方法［913］。然而，在以前的相关报道中微波信号的调谐范围较窄，信号的频率相对较低，这些缺点将限制该种方法在未来无线通信网及光通信系统中的应用。为了能够获得更高质量和较宽调谐范围的微波信号，一种基于受激布里渊散射的宽带微波信号产生的方法被实验验证［13］，然而，该方法获得的微波信号频率相对较低。在本章中，提出并实验验证一种双带宽高频可调谐微波信号产生的方法，该方法在单频布里渊环形腔激光器中使用温度控制器，且在系统中增加了移频控制单元，获得了宽带高频微波信号。该微波信号源主要包括带有温度控制系统的布里渊单频激光器，通过控制增益介质的温度、泵浦源的中心波长和可调衰减器的损耗等获得可调谐微波信号输出。3．1差频结合平衡检测基本原理差频检测是利用光的相干性对光载波所携带的信息进行检测和处理，图31所示为差频检测的原理示意图，在差频检测系统中，除了用于检测的信号光外，还需要增加用来与信号光进行相干检测的参考光，又称为本振光。信号光与参考光经耦合器耦合到光电检测器中，光电检测器将信号光与参考光混合时产生的拍频信号转换为电信号后，经滤波器滤波、放大器放大，即可得到信号光与参考光的差频信号。 图31差频检测系统示意图 在图31中，若窄线宽可调谐激光光源TLS输出频率为S的光作为信号光，参考光的频率为L，那么信号光和参考光的电磁场可以分别表示为［14］ ESt=ESexpiSt31ELt=ELexpiLt32 其中，ES和EL分别是信号光和参考光的振幅，n为光纤的折射率，c为真空中的光速，r为光场矢量。在光纤中rS=rL，当信号光和参考光混合后被光电检测器接收到的信号光波场可以表示为 Ect=EStELt =ESELexpiS Lt nS Lcr E*SE*Lexp－iS Lt nS Lcr E*SELexpiS－Lt nS－Lcr ESE*Lexp－iS－Lt nS－Lcr33 从式33中可以看出，方程式中有四个子项，分别对应两个频率成分，第一个和第二个子项为高频光S L，第三个和第四个子项为低频光S－L。由于检测器带宽的限制，式33中的高频分量在检测器上不发生响应，可以忽略，此时检测器检测到低频光的光场可以表示为 Ect=E*SELexpiS－Lt nS－Lcr c．c 34 由式33和式34可知，差频检测得到的光功率可以表示为 Pc=Ect2=E2S E2L 2ESELcosS－Lt t =PS PL 2PSPLcosS－Lt t 35 式中，为光电检测器的响应率，t为参考光和信号光的相位差，PL和PS分别为参考光和信号光的功率。光电检测器输出的光电流可以表示为 i=kEE*=kE2S E2L 2ESELcosS－Lt36 式中，k=eh0是光电检测器的响应度，由式36可以看出，光电检测器产生的电信号包含直流分量kE2S E2L和交流分量2kESELcosS－Lt。通过使用滤波器或者使用交流耦合输出的检测器，可以得到交流输出信号，可以表示为 iS=2kESELcosS－Lt37 从式37可以看出，交流输出电流的大小正比于信号光的振幅ES。由于信号的功率正比于检测器输出电流的均方值，因此可以表示为 iS2=2k2E2SE2L=2PSPLe238 式中，PS和PL分别为信号光和参考光信号的功率，e为电子电荷，为检测器量子效率，为约化普朗克常数，为信号光与参考光的平均频率，因此，差频检测系统测量的信噪比可表示为 SN=2PSPLe22eidB 2ePLeB 2ePNeB39 式中，id为检测器暗电流，B为检测器带宽，PN为检测器其他噪声所具有的等效光功率，式39右边分母中的各项分别代表暗电流噪声、参考光引起的散粒噪声以及检测器的其他噪声如热噪声等所引起的噪声，通常情况下，参考光的功率PL远高于其他成分，故其引起的噪声在系统噪声中占主导，所以信噪比可简化为 SN=2PSPL2ePLBe=PSB310 从式310可以看出，信噪比仅与检测器的量子效率成正比，而与检测器中的噪声无关，因此差频检测在理论上能达到检测器的量子极限，检测器的量子效率越高，它就能达到越高的信噪比。差频检测技术与平衡检测方法相结合可以提高测量信号的质量，在后面微波信号产生过程中对光电信号的接收通常采用平衡检测方法，如图32所示，信号光与参考光经一个3dB耦合器混合相干后再经耦合器两输出端口进入平衡检测器Balanced PD的两端口，平衡检测器是由两个性能几乎一样的雪崩光电二极管组成，其电路设计可以将这两个雪崩光电二极管输出的电流作差，从而获得交流分量输出。利用平衡检测器可以很好地抑制电路中的噪声，获得极高的检测灵敏度和共模抑制比。 图32平衡检测方法示意图 若信号光和参考光的光功率分别为PSt和PLt，其角频率分别为S和L，下面分析平衡检测原理的数学描述 ESt=PStexpiStexpiSt311ELt=PLtexpiLtexpiLt312 外差相干后，耦合器两端输出的电流可以分别表示为 I1t=k2PSt PLt 2PStPLt sinS－Lt St－Lt 313I2t=k2PSt PLt－2PStPLt sinS－Lt St－Lt 314 式中，k为平衡检测器的响应度，于是可以得出平衡检测器的交流耦合输出的表达式 It=2kPStPLtsinS－Lt St－Lt 315 从上面的分析可以看出，利用平衡检测方法得到的检测信号的功率是普通检测方法的4倍，而且获得信号的共模抑制比高、失真小。 由上面的分析可见，差频检测方法不仅可以将太赫兹量级的高频信号降至易于检测和处理的百兆赫兹的中频信号，而且还可以提高待测信号谱的测量精度。从获得的交流信号还可以看出，无论是信号光还是参考光功率的增强都将增加输出信号的功率，在检测器不饱和的情况下，通过增大参考光功率可以增大输出信号的功率，以提高检测的灵敏度和信号的测量精度。在获得的交流信号中，两束光的相位差t将影响输出信号的功率，导致噪声的增加。所以，为了减小噪声以及提高测量精度，要求本振光与信号光是相干光源且功率可调。3．2基于布里渊散射的可调微波信号产生的实验系统 图33微波信号产生的实验装置 基于布里渊激光器的可调谐微波信号产生的实验装置，如图33所示。窄线宽可调谐激光器TLS输出的激光被耦合器Coupler1分成两束信号，90%的一路信号光进入环形器OC1的第一个端口，从第二个端口进入可调衰减器VOA1和普通单模光纤SMF1中，SMF1的长度为10km，该信号光在SMF1中产生受激布里渊散射，受激布里渊散射信号通过OC1的第二个端口进入环形器，从其第三个端口输出，经可调衰减器VOA2调节进入掺铒光纤放大器EDFA放大的输入功率，以免超过其输入功率的上限，被掺铒光纤放大器放大的信号作为单频布里渊激光器的泵浦源，该布里渊泵浦光进入环形器OC2的第一个端口，从第二个端口输出到环形腔中。环形腔包括偏振控制器PC、光隔离器ISO、单模光纤SMF2、温度控制器TC和一个80∶20的光耦合器Coupler2。在这个环形腔中，布里渊泵浦和背向散射信号的传输方向分别是顺时针和逆时针方向。为了确保在环形腔中只有一阶斯托克斯波产生，环形腔中使用了光隔离器ISO，其传输方向与一阶斯托克斯波的传输方向一致。第一个可变光衰减器VOA1是为了调节普通单模光纤SMF1中的泵浦信号功率，调节VOA1的损耗，当泵浦光功率超过第SMF1中的受激布里渊散射阈值时，从环形器OC1的第三个端口输出的信号即为受激布里渊散射信号； 若VOA1损耗较大，在普通单模光纤SMF1中产生的是瑞利散射信号，从环形器OC1的第三个端口输出的信号波长就等于可调谐激光器TLS的波长，这样就可以改变单纵模环形腔激光器的泵浦波长，从而改变输出单频布里渊激光器的输出信号波长。从耦合器Coupler2的20%端口输出的光与耦合器Coupler1输出端的光在耦合器Coupler3上混合后在光电检测器PD上进行差频检测，获得微波信号输出。为了获得可调谐微波信号，在环形腔中的增益介质SMF2被温度控制器控制其温度，单模光纤SMF2的长度约为5m，通过改变SMF2的温度，将会获得不同波长的布里渊散射信号输出。通过频谱分析仪ESA对获得的微波信号进行测量和分析。 3．2．1温度控制系统设计在实验系统中需要使用温度控制系统，因此必须针对微波信号产生的性能要求设计温度控制系统，以保证输出信号的稳定性和可调谐性能。在温度控制系统的设计方面，研究人员做了大量的研究工作，主要是利用DSP或者单片机等处理器设计温度控制系统，获得了一定的进展［1520］。例如，夏金宝等利用MSP430单片机进行温度控制系统的设计，实现了0．2℃的控制精度［20］。为了进一步提高温度控制系统性能，相关学者针对温度控制系统提出了多种控制算法［2123］，戴俊珂等提出了自整定模糊PID算法的LD温度控制系统［21］； 杨智等采用模糊PID控制的方法应用于试验箱，相对常规PID控制，该算法具有更快的响应速度以及更小的超调［22］； 冯晨纯等利用模糊PID算法，仿真了黏度仪恒温系统，仿真结果显示积分分离PD和模糊自适应PID相结合的复合算法具有较小的超调量［23］。为了使系统能够快速地达到稳定工作状态，降低温度的稳态时间，王如刚等提出并实验验证了一种串联双PID控制的高精度热电制冷器TEC温度控制系统。该控制系统的控制芯片采用飞思卡尔MC9S12XS128MAL单片机，通过负温度系数热敏电阻进行温度信息的采集，驱动电路采用BTN7971芯片驱动TEC工作，在软件编程上，通过采用串联PID算法，利用闭环负反馈结构实现温度的稳定控制。1． 控制单元设计温度控制系统的结构主要由单片机、液晶显示器、键盘输入、热电制冷器TEC芯片、TEC驱动电路、温度传感器电路及其驱动电路和AD转换器等构成，系统结构如图34所示。系统核心处理单元采用飞思卡尔公司16位控制器MC9S12XS128MAL，该芯片具有16位S12CPU，CPU总线频率是40MHz，可以超频到64MHz，全功率模式下单电源供电范围为3．15~5V，可设置8、10和12位ADC，具有高性能的12位AD转换器。微控制器通过AD模数转化器采集激光器的温度，并利用PID控制算法，自动调节制冷片的TEC电压值和PWM脉冲。为了实现系统的温度控制和响应时间最小，并保证系统在稳定后所消耗的电功率最少，系统采用微控制器IO端口调节电压和定时器实现PWM脉冲输出相结合的方式。该控制器芯片的PWM调制波有8个输出通道，每一个输出通道都可以独立地进行输出，都有一个精确的计数器，每一个PWM输出通道都能调制出占空比从0~100%变化的波形。电压调节控制TEC的最大输出工作电压，PWM脉冲的宽度控制TEC的加热或制冷时间，驱动电路的电流流向控制TEC的工作方式。 图34温度控制系统的结构示意图 2． 温度采样模块以温度作为反馈量的闭环温度控制系统，测温元件的灵敏度和分辨率对系统起着至关重要的作用。热敏电阻依照其电阻值随温度变化的情况，主要分为负温度系数negative temperature coefficient，NTC热敏电阻和正温度系数positive temperature coefficient，PTC热敏电阻［24］。PTC的电阻值可以随温度的上升而增大，由于其温度系数非常大，主要应用于消磁电路、加热器、电路保护和温度补偿电路，NTC的电阻值随温度的上升而下降，可以检测微小的温度变化，因此被广泛地应用于温度的检测电路、电路软启动、控制与补偿电路。此外，NTC还具有电阻温度系数大、灵敏度高、电阻率高、热惯性小等优点。因此，选择NTC作为温度控制系统的温度传感器。NTC热敏电阻阻值与温度变化的关系式为［20］ RT=RNexpB1T－1TN316 其中，RT为在规定温度T时的NTC热敏电阻阻值，RN为在额定温度TN时的NTC热敏电阻阻值，B为NTC热敏电阻的材料系数，RN通常用额定零功率电阻值R25表示，额定零功率电阻值是NTC热敏电阻在基准温度25℃时测得的电阻值，这个电阻值就是NTC热敏电子的标称电阻值。NTC实测电阻值与温度的关系如表31所示。 表31热敏电阻实测温度值 温度℃电阻k温度℃电阻k201．5251．2211．42261．17221．38271．12231．32281．06241．25291．03 根据式315和表31可以计算出NTC热敏电阻的材料系数B为3900K。由于传感器直接输出的模拟量幅度一般较低，同时为了更好地提高系统的抗干扰能力，在温度传感器的后端对信号进行放大，采用的是由OPA842组成的放大电路，信号经过放大后输出给AD转换器，温度采样电路如图35所示。在温度采样电路中，10k的NTC热敏电阻与10k电阻串联在高精度2．5V电压源与地之间，通过分压间接得到NTC阻值。AD芯片是16位模数转换芯片LTC1859，采用5V电压工作模式。 图35温度采样电路 3． 驱动电路模块驱动电路模块是温控系统的核心模块，为保证高精度地控制温度，温控执行元件必须容易控制，而且为了与增益光纤封装在一起，温控执行元件还需具有结构简单等特点。因此，选择半导体致冷器TEC作为温控执行元件。TEC是利用帕尔帖效应的装置，通过控制TEC电流的方向可以控制其吸热或放热，但是TEC的电流一旦超过某值，就只是发热而不再制冷，因此应避免这种情况的发生。若TEC过压、过流，容易造成激光器损坏。只有集成了控制电路和保护功能的专用芯片才能完成精确温度控制的任务，因此该系统选用BTN7971作为控制TEC的芯片。BTN7971是应用于电机驱动的大电流、半桥高集成芯片，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。P沟道高边开关省去了电荷泵的需求，因而减小了EMI电磁干扰。BTN7971集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护等功能。通态电阻典型值为16m，驱动电流可达43A。设计的驱动电路模块如图36所示，该电路采用两片BTN7971构成一个全桥驱动，由于BTN7971是大电流驱动芯片，因此，在单片机控制信号的输出和BTN7971的IN端之间加入了双通道逻辑输出高速光耦合HCPL2630电路，该电路起到隔离保护的作用，避免因过流、短路等故障导致大电流流入，而损坏单片机。从两个BTN7971输出的两个PWM波的高低电平控制TEC的加热或制冷，当其中一个BTN7971IC2的PWM波电压高于另一个BTN7971IC1的PWM波电压时，电流从TEC 流向TEC-，同理也可提供从TEC-流向TEC 的电流，能够为TEC提供双向电流。 图36TEC驱动电路 4． 双PID控制算法设计PID控制算法是工程控制领域常用的一种算法，它具有结构简单、易实现、性能良好等优点，因此，在高精度温度控制系统中常采用PID控制，PID算法连续系统的表达式可以表示为［22］ ut=Kpet Ki0etdt Kddetdt317 式中，Kp为比例作用系数，影响系统响应速度和精度，Kp越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定，Kp取值过小，则会降低系统调节精度，使系统响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变差； Ki为积分作用系数，影响系统稳态精度，但Ki过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调，若Ki过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度； Kd为微分作用系数，影响系统动态特性，其作用主要是在响应的过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报，但Kd过大会使响应过程提前制动从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。et为设定量和实际输出量之间的偏差，由此可以看出PID算法其实是对偏差的控制过程，系统使用的微处理器只能根据采样时刻的偏差值计算输出控制量，因此，PID算法要离散化，离散后的PID算法表达式为 uk=Kpek KiTkj=0ej Kdek－ek－1T318 式中，k为采样序列号，T为采样时间。从式317可以得出增量PID算法的表达式为 uk=uk－uk－1=Kpek－ek－1 Kiek Kdek－2ek－1 ek－2319 从式319可以看出增量PID算法控制的只是系统输出量的增量uk，并且uk的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果。由上述分析可以看出Kp、Ki和Kd的变化对系统的影响，若系统只取一组固定的Kp、Ki和Kd值，则偏差变化时系统不能及时应对，因此，我们设计的PID算法的温度控制系统的结构如图37所示，由图37可以看出，与常规的PID温度控制器相比，该设计利用两个串联的PID控制和一个温度反馈环节，第一个PID控制器首先对反馈的温度量进行粗略调节，而通过第二个PID控制器对温度进行精细的控制，通过两次的控制可以提高系统的响应速度和系统的稳定性。对于每一个PID控制部分，当设定量和实际输出量之间的偏差et的值比较小时，为了使系统具有较好的稳定性，在Kp和Ki选取时，偏向大一点的数值； 当偏差et的值为中等大小时，为了使系统超调量变得更小，Kp应取小一点的数值，在这种情况下，Kd取值的大小对系统的影响会比较大，因此，Kd的取值要适当； 当偏差et的值比较大时，为了使系统能更快地达到稳定状态，应取较大的Kp和较小的Kd，同时为了不产生较大的超调量，应对积分作用加以限制，通常取Ki=0。 图37双PID温度控制结构 3．2．2性能分析 当环境温度为26．6℃，设定的温度为40℃时，分别利用常规单一PID控制器和双PID控制器控制TEC，被测物体的温度与时间的关系如图38所示，为了更清晰地反映常规单一PID和双PID控制曲线的区别，将图形曲线进行了放大嵌入在图的内部，从图38可以看出，双PID控制器的调节时间约为40s，系统无超调； 而常规单一PID控制在28s时出现最大超调，超调量约为1．6℃，之后温度出现波动，到100s时系统才趋于稳定，之后系统具有一定的误差。因此，验证了带有双PID控制的快速性和稳定性，特别适用于对超调量要求苛刻的系统。实验结果可以用表32进行表示。从图38和表32的实验结果来看，在升温控制方面，相对于常规的PID控制，双PID控制有较快的效应速度和更小的超调量，使温度控制系统的性能更加优越。 图38双PID和单一PID控制的温度响应曲线 表32两种算法的性能参数比较 控制方法上升时间s调节时间s超调量s单一PID控制281004%双PID控制30400．1% 为了验证系统的降温性能，当环境温度为26℃，设定要控制的温度为10℃时，利用该双PID控制器控制TEC工作，被测物体的温度与时间的关系如图39所示，从图中可以看出，温差下降16℃时，双PID控制器的降温调节时间约为50s，系统无超调。从升温和降温的两个实验结果可以看出，提出的双PID温度控制系统具有较好的温度控制功能，且系统没有超调量。 图39双PID控制的降温响应曲线 从实验结果来看，设计的温度控制系统的温度控制性能可以满足我们在微波信号产生系统中的应用要求。3．3可调谐微波信号产生的实验结果与分析通过调节掺铒光纤放大器EDFA的输出光功率和偏振控制器PC，可以在这个环形腔中产生稳定的受激布里渊散射，获得稳定的激光输出信号，通过利用前面设计的温度控制器控制普通单模光纤SMF2的温度，获得不同波长的激光输出信号。通过调节可调衰减器VOA1的衰减值，将改变进入单模光纤SMF1的泵浦功率，当VOA1的衰减值较小时，进入SMF1中的泵浦功率就高，当超过SMF1的受激布里渊散射阈值时，在SMF1中就可以产生稳定的受激布里渊散射，如果可调谐激光器TLS的频率为fTLS，SMF1的布里渊频移量为SMF1，此时，环形腔激光器的泵浦信号频率即为fTLS－SMF1，当环形腔激光器中的单模光纤SMF2的布里渊频移为SMF2时，从耦合器Coupler2输出的信号频率就可以表示为fTLS－SMF1－SMF2，该信号与Coupler1分出的10%的可调谐激光器TLS信号在耦合器Coupler3上混合进行差频，从光电检测器输出的信号即为微波信号的输出，此时，其频率为SMF1 SMF2，由于在单频环形腔激光器中，单模光纤SMF2受温度控制器的控制，因此，输出信号的频率可以进一步地修改为SMF1 SMF2T。当VOA1的衰减值较大时，进入SMF1中的泵浦功率较低，不能够产生稳定的受激布里渊散射，产生的背向散射信号中瑞利散射信号占主要地位，此时，单纵模环形腔激光器的泵浦光为瑞利散射光，其频率为可调谐激光器TLS的频率fTLS，从耦合器Coupler2输出的信号光频率为fTLS－SMF2T，经过与耦合器Coupler1分出的本振光差频后进入到光电检测器中，输出微波信号的频率为SMF2T。当可调谐激光器TLS的输出功率为5dBm，掺饵光纤放大器EDFA的输出功率为25dBm时，通过差频检测的方法，布里渊激光器输出的频谱如图310所示，通过直接测量获得的信号模式间隔如图310中的纵模间隔图所示。从图310可以看出，信号的频谱为高斯型，3dB带宽约为2．1MHz，纵模间隔约为20MHz。对于环形腔激光器，纵模间隔的计算方程可以表示为 f=c2nL320 图310环形腔激光器的差频谱及纵模间隔 式中，n为介质折射率，c为真空中的光速，L为环形腔长度。从式320可以得出，20MHz的模式间隔对应于5m的腔长，20MHz的模式间隔可以保证布里渊环形腔激光器处于单频激光器运转［24］。为了获得多带宽的微波信号，利用单模光纤SMF1进行移频，当可调衰减器VOA1的损耗比较高时，背向布里渊散射信号的强度较弱，在光纤SMF1中的背向散射主要是瑞丽散射，其波长等于可调谐泵浦源TLS的信号波长，所以图33中的环形腔布里渊激光器的泵浦波长也等于可调谐泵浦源TLS的信号波长。通过调节EDFA的输出功率和偏振控制器PC的偏振状态，在耦合器Coupler2的输出端可以获得稳定的受激布里渊散射输出，输出信号的频率为f－B2，其中f为可调谐激光器TLS的中心频率，B2是单模光纤SMF2的布里渊频移，在这种情况下，输出的微波信号频率为B2。通过差频布里渊激光器信号和可调谐激光器TLS信号，可以获得微波信号，利用光谱分析仪OSA获得的信号光谱如图311所示，从图311中可以看出，图的左边为瑞丽散射信号，图的右边为布里渊散射信号，两个散射信号的波长间隔约为0．087nm，所以对应的布里渊频移为10．88GHz环境温度为25℃。 图311布里渊散射信号的光谱 布里渊散射信号的频移计算公式可以表示为 B=2nVap321 其中，n为介质的折射率，Va为光纤中声波速度，p为泵浦波长。从式321可以看出，布里渊频移与泵浦波长成反比。测量的微波信号频率和泵浦波长的关系如图312所示，从图312可以看出，微波信号的频率随着泵浦波长的增加而降低，所以，微波信号可以通过调节泵浦波长来改变输出微波信号的频率。当泵浦波长为1528~1565nm时，输出的微波信号频率为10．77~11．041GHz，此外，输出微波信号频率和泵浦波长的斜率约为7．3MHznm，泵浦波长为1528nm和1565nm时的微波信号波形如图312中的频谱图所示。 图312不同泵浦作用下的频率及低频频谱图 温度和应力的改变将会引起光纤折射率和声波速度的变化，最终导致布里渊频移的改变，布里渊频移和温度与应力的变化关系如式322所示。 BT,=BTr,r CTT－Tr C－r322 式中，Tr、r分别为光纤中的参考温度和应力，CT和C分别为布里渊温度和应力系数，从式322可以看出通过改变光纤的温度和应力可以改变布里渊频移。在实验中，我们仅验证了温度的变化引起布里渊频移改变的方法。但是，我们认为可以通过改变光纤的应力来获得可调谐微波信号的输出。在环境温度为25℃，泵浦波长为1528nm时，测量的微波信号频率和温度的关系如图313所示，可以看出，随着温度的增加微波信号的频率越大，当温度控制器的温度分别为25℃和80℃时，微波信号的频率分别为11．041GHz和11．093GHz，信号频率和温度的斜率约为0．94MHz℃。如果使用更宽温度调谐范围的温度控制器，微波信号的调谐范围可以进一步地增加。 图313不同温度下的微波信号频率 当可调衰减器VOA1的损耗比较低时，光纤SMF1中能够产生受激布里渊散射，此时的瑞丽散射强度相对比较弱，但是布里渊环形腔激光器仍然可以运行，在这种情况下，通过差频布里渊激光器和可调谐激光器TLS就可以获得高频微波信号输出，微波信号频率可以表示为 fRF=B1Tr B2Tr CT2T－Tr323 其中，B1Tr、B2Tr分别为单模光纤SMF1和SMF2在参考温度下的布里渊频移，它们的泵浦频率分别为fTLS、fTLS－B1Tr，CT2为单模光纤SMF2的温度系数，从式323可以看出，输出的微波信号频率包含两个部分，一部分是两个光纤的布里渊频移，另一部分是由温度的改变引起布里渊频移的改变量。 当可调衰减器VOA1的损耗比较低时，光纤SMF1中就会产生受激布里渊散射，背向散射信号的频率为fTLS－B1，其中B1为光纤SMF1的布里渊频移，此时，从耦合器Coupler2输出的布里渊激光器的频率为fTLS－B1－B2，产生的微波信号频率为B1 B2，利用光谱分析仪测量的光谱如图314所示。从图314中可以看出，可调谐激光器TLS和单模光纤SMF2布里渊散射信号之间的波长间隔约为0．175nm，所以对应的布里渊频移为21．87GHz环境温度为25℃。在不同泵浦波长下的微波信号频率如图315所示，从图中可以看出泵浦波长为1528~1565nm时，微波信号的频率为21．525~22．055GHz，信号频率和泵浦波长的斜率为14．4MHznm。 图314布里渊散射信号的光谱 图315不同泵浦波长下的微波信号频率及信号的频谱图 图316显示的是当泵浦波长为1528nm，环境温度为25℃时不同温度对应的可调微波信号频率，从图中可以看出，控制器的温度分别为25℃和80℃时的微波信号频率分别为22．055GHz和22．1077GHz，信号的频率和温度的斜率约为0．94MHz℃，如果使用更宽调谐范围的温度控制器，微波信号的调谐性可以进一步增加，此外，如果使用更大布里渊频移的光纤，微波信号的频率也可以进一步增加。 图316不同温度下的微波信号频率 图317微波信号稳定性 当可调谐激光器TLS的波长为1550nm，环境温度为25℃时，低频和高频波段的微波信号稳定性如图317所示，从图中可以看出，2小时内的信号波动约为0．3MHz，这显示了该微波信号具有较高的稳定性，信号的波动大小与文献资料［13］接近，但是，本文中的信号源具有高频和低频两个波段，如果在单模光纤SMF1中利用温度控制器控制其温度，可以获得更高频的微波信号。在实验中，使用的可调谐激光器TLS线宽为100kHz，除了自发布里渊散射外，可调谐激光器的相位噪声是信号的主要噪声源，受激布里渊散射过程是介质的共振及相位匹配引起相位变弱，平均相位噪声趋于0值［24］。声波的相位噪声与泵浦源的噪声相近，且比较弱，因此，产生的微波信号相位噪声较低。此外，微波信号的功率正比于斯托克斯波的功率，所以可以通过调节泵浦源的功率来调节输出微波信号的功率。 3．4本章小结在本章中，首先分析了差频检测的基本原理及特点，并讨论平衡光电检测器转换为电信号的电流和噪声性能。其次，提出并实验验证了一种基于受激布里渊散射的高频双带宽可调谐微波信号产生的方法。在该微波信号产生系统中，需要利用温度控制器对增益光纤进行温度控制，因此，设计了一种基于双PID控制的温度控制系统。该控制系统的控制芯片采用飞思卡尔MC9S12XS128MAL单片机，通过负温度系数热敏电阻进行温度信息的采集，驱动电路采用BTN7971芯片驱动TEC工作，在软件编程上，通过采用串联PID算法，利用闭环负反馈结构实现温度的稳定控制。在实验中，当温度从26．6℃上升到目标温度40℃时，建立稳态的时间为40s，超调量为0．1%，与常规PID控制系统相比，该系统具有更好的动态性能。在微波信号产生系统中，通过差频布里渊激光器和泵浦获得了微波信号输出，通过调节可调衰减器的损耗、环形腔中增益光纤的温度和泵浦波长，获得了10．77~11．098GHz和21．525~22．114GHz的双带宽可调谐微波信号，在2小时的测量过程中，微波信号的波动约为0．3MHz，信号展现了较高的稳定性。如果使用调谐范围较宽的温度控制器、较宽调谐范围的泵浦源可以获得较宽调谐范围的微波信号输出。此外，如果使用较大布里渊频移的光纤，微波信号的调谐范围可以进一步展宽。参考文献 ［1］Bakaul M, Nirmalathas A, Lim C． Multifunctional WDM optical interface for millimeterwave fiberradio antenna base station［J］． Journal of lightwave technology, 2005, 233： 12101218． ［2］Masella B, Zhang X． A novel single wavelength balanced system for radio over fiber links［J］． IEEE photonics technology letters, 2006, 181： 301303． ［3］Wu C, Zhang X． Impact of nonlinear distortion in radio over fiber systems with 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