一种基于啁啾光纤光栅的光子压缩感知方法及系统与流程

1.本发明涉及光通信技术领域，尤其是，本发明涉及一种基于啁啾光纤光栅的光子压缩感知方法及系统。


背景技术：

2.从模拟信号转换为数字信号必须要经过采样过程，而奈奎斯特定理表明采样的速率必须要大于等于信号最高频率的两倍，才能在不丢失任何信息的情况下以离散的采样点表示出原信号。然而在现实中，信息量的不断增加将对信号采集技术提出更高的要求，对模数转换器（analog-to-digital converter, adc）的采样速率也是一个巨大的挑战。而压缩感知技术的出现，为该问题的解决提供了有效途径。该技术能以低于奈奎斯特定理的速率对宽带稀疏信号进行采样，降低了信号在采集、存储、传输过程中的压力。微波光子学技术具有损耗低、带宽大、抗干扰能力强等优点。将压缩感知（compressive sensing，cs）技术和微波光子学技术相结合，在宽带信号的获取方面有着巨大的优势。
3.例如l. donoho. compressed sensing [j]. ieee transactions on information theory, 2006, 52(4): 1289-1306 中首先提出了压缩感知理论，又称压缩传感或压缩采样。压缩感知理论认为，如果信号在某个域内是稀疏的，那么可以通过远低于奈奎斯特采样定理要求的采样点重构恢复出原信号。这里的稀疏指的是信号在某种变换下可以被少数个元素所表征。由于自然界大多数信号都可以通过某种变换得到稀疏表示，压缩感知技术得以广泛应用。
[0004]
又例如s. kirolos, j. laska, m. wakin, et al. analog-to-information conversion via random demodulation [c]. ieee dallas/cas workshop on design, applications, integration and software, 2006: 71-74 中提出了基于随机解调器结构的压缩感知方案，输入信号和随机序列通过乘法器完成混频，再通过低通滤波器实现积分累加功能，最后进行降采样得到测量结果。g. c. valley, g. a. sefler and t. j. shaw. compressive sensing of sparse radio frequency signals using optical mixing [j]. optics letters, 2012, 37(22): 4675-4677 中首先提出了利用空间光调制器实现光子压缩感知的方案，为光子压缩感知开辟了道路。在上述方案中，锁模激光器发出的光脉冲经过色散介质在时域被展宽，引入频率-时间映射，利用马赫增德尔调制器将输入信号调制在展宽后的光脉冲上，通过空间光调制器完成随机序列与输入信号的混频。光子压缩感知利用了光子学技术的优势，改善了压缩感知系统的带宽和性能。此后，关于光子压缩感知的方案层出不穷，包括结合光混频技术的压缩感知，结合光滤波技术的压缩感知，结合光子时间拉伸/压缩技术的压缩感知，多通道的光子压缩感知等。
[0005]
但是上述方案具有以下缺点：结构复杂，必须使用随机序列发生器才能完成光子压缩感知，且依然会降低光子压缩感知过程的带宽和性能，以及抗干扰能力弱。
[0006]
因此为了解决上述问题，设计一种合理的基于啁啾光纤光栅的光子压缩感知方法对我们来说是很有必要的。


技术实现要素：

[0007]
本发明的目的在于提供一种结构简单，不需要随机序列发生器，利用啁啾光纤光栅在完成频率-时间映射的同时，引入了随机序列，也不需要空间光调制器或是额外的电光调制器，大幅度降低了光子压缩感知系统的成本，同时也利于系统集成，充分发挥了光子学技术损耗低、带宽大、抗干扰能力强的优势的基于啁啾光纤光栅的光子压缩感知方法。
[0008]
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案得以实现的：一种基于啁啾光纤光栅的光子压缩感知方法，包括以下步骤：s1：获取啁啾光纤光栅对不同中心波长光的折射率，作为啁啾光纤光栅引入的随机序列；s2：利用啁啾光纤光栅对宽谱激光源发射的光信号进行光谱编码，并将其在时域上展宽，完成频率-时间映射；s3：通过稀疏信号与随机序列在光域的混频，得到混频后的光信号；s4：通过包络检测将接收到的混频后的光信号转换为电信号；s5：将得到的电信号进行积分累加，得到采样信号；s6：将采样信号通过恢复算法将原始信号恢复出来，得到恢复信号。
[0009]
作为本发明的优选，执行步骤s1之前，将宽谱激光源接入光环形器的信号进入端口，将啁啾光纤光栅接入光环形器的第一输出端口，将光电探测器接入光环形器的第二输出端口，并在光电探测器上连接采样器；执行步骤s1时，通过啁啾光纤光栅对于不同波长的光信号随机设置为“通过”或“阻挡”两种状态，从而在采样器处测量得到的数据即为啁啾光纤光栅引入的随机序列。
[0010]
作为本发明的优选，执行步骤s1之后，对随机序列进行存储。
[0011]
作为本发明的优选，执行步骤s3时，确保稀疏信号在预定域内的表示是稀疏的，且可以被若干个元素表征。
[0012]
作为本发明的优选，执行步骤s4时：电光调制器接收到的混频光信号后，通过电光调制器的调整偏置电压使其工作在线性工作点，并通过包络检测将接收到的混频光信号转换为电信号。
[0013]
本发明还提供一种基于啁啾光纤光栅的光子压缩感知系统，该系统包括：宽谱激光源；啁啾光纤光栅；用于对宽谱激光源发射的光信号进行光谱编码，并将其在时域上展宽，完成频率-时间映射；采样器：用于获取啁啾光纤光栅对不同中心波长光的折射率，并作为啁啾光纤光栅引入的随机序列；电光调制器：用于通过稀疏信号与随机序列在光域的混频，得到混频后的光信号；光电探测器：用于通过包络检测将接收到的混频后的光信号转换为电信号；低通滤波器：用于将得到的电信号进行积分累加，得到采样信号；信号重构模块：用于将采样信号通过恢复算法将原始信号恢复出来，得到恢复信号。
[0014]
作为本发明的优选，该系统还包括光环形器；所述光环形器的信号进入端口连接至宽谱激光源，所述光环形器的第一输出端口连接至啁啾光纤光栅接入光环形器的，所述
光环形器的第二输出端口经过光电探测器连接至采样器；使得方便所述啁啾光纤光栅接受所述宽谱激光源发射的光信号并进行光谱编码；以及方便所述采样器接受所述啁啾光纤光栅对不同中心波长光的折射率。
[0015]
作为本发明的优选，该系统中，所述光电探测器为雪崩二极管apd探测器或硅光电倍增管探测器。
[0016]
作为本发明的优选，该系统中，所述啁啾光纤光栅为线性啁啾光纤光栅结构，并使其对不同波长的光信号随机设置为“通过”或“阻挡”两种状态。
[0017]
作为本发明的优选，该系统中，所述电光调制器为强度型马赫增德尔调制器。
[0018]
本发明一种基于啁啾光纤光栅的光子压缩感知方法及系统的有益效果在于：结构简单，不需要随机序列发生器，利用啁啾光纤光栅在完成频率-时间映射的同时，引入了随机序列，也不需要空间光调制器或是额外的电光调制器，大幅度降低了光子压缩感知系统的成本，同时也利于系统集成，充分发挥了光子学技术损耗低、带宽大、抗干扰能力强的优势。
附图说明
[0019]
图1为本发明一种基于啁啾光纤光栅的光子压缩感知方法的流程示意图；图2为本发明一种基于啁啾光纤光栅的光子压缩感知方法中的啁啾光纤光栅对不同波长光的折射率图；图3为本发明一种基于啁啾光纤光栅的光子压缩感知方法中的恢复信号和原始信号的频谱图；图4为本发明一种基于啁啾光纤光栅的光子压缩感知方法中的恢复信号和原始信号的时域图；图5为本发明一种基于啁啾光纤光栅的光子压缩感知系统的模块连接示意图；图中：1、宽谱激光源；2、光环形器；3、光环形器的信号进入端口；4、光环形器的第一输出端口；5、光环形器的第二输出端口；6、啁啾光纤光栅；7、稀疏信号；8、电光调制器；9、光电探测器；10、低通滤波器；11、采样器；12、信号重构模块。
具体实施方式
[0020]
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0021]
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的模块和结构的相对布置不限制本发明的范围。
[0022]
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
[0023]
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法及系统可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法及系统应当被视为授权说明书的一部分。
[0024]
实施例一：如图1至4所示，仅仅为本发明的其中一个的实施例，一种基于啁啾光纤光栅的光子压缩感知方法，包括以下步骤：s1：获取啁啾光纤光栅对不同中心波长光的折射率，作为啁啾光纤光栅引入的随
机序列；s2：利用啁啾光纤光栅对宽谱激光源发射的光信号进行光谱编码，并将其在时域上展宽，完成频率-时间映射；s3：通过稀疏信号与随机序列在光域的混频，得到混频后的光信号；s4：通过包络检测将接收到的混频后的光信号转换为电信号；s5：将得到的电信号进行积分累加，得到采样信号；s6：将采样信号通过恢复算法将原始信号恢复出来，得到恢复信号。
[0025]
在本实施例中，宽谱激光源发出的光信号的时域表达式为：，其中eo是电场强度的峰值，是脉冲峰值1/e处的半宽度，而啁啾光纤光栅的频率响应可以表示为：，其中r（ω）为啁啾光纤光栅引入的随机序列的频域表达式，是色散量，根据实时傅里叶变换理论，在满足远场条件的情况下，频率时间的映射关系为，经过啁啾光纤光栅反射的时域光信号可以近似表示为：。
[0026]
所述稀疏信号x（t）通过马赫增德尔调制器调制在经过啁啾光纤光栅反射的光信号上，若稀疏信号x（t）为小信号的条件下，则混频后的光信号为：，其中α为马赫增德尔调制器的调制系数，之后光信号通过光电探测器转换为电信号，再经过低通滤波器和采样器完成积分累加过程，并获得采样信号，最后将测得的随机序列和采样信号送入信号重构模块，恢复出原信号。
[0027]
例如本发明一种基于啁啾光纤光栅的光子压缩感知方法中，随机序列的速率是由啁啾光纤光栅对相邻反射光的中心波长的间隔决定的。而压缩感知原理要求随机序列的速率必须要大于等于稀疏信号最高频率的两倍，所以随机序列的速率决定了系统可恢复信号的带宽。在该实施例的仿真中，采用的宽谱激光源的光谱宽度为30 nm，中心波长为1550 nm，啁啾光纤光栅对不同波长光的反射率如图3所示，相邻反射光的中心波长的间隔为0.5 nm，那么相当于在光谱上引入了60 bit的随机序列，光信号经过啁啾光纤光栅在时域上的展宽宽度由公式决定，其中为光信号的光谱宽度，值为30 nm，为色散系数，其值为17 ps/
nm/km，为光纤长度，值为6 km，计算所得时间宽度约为3 ns，那么随机序列每个比特的时间宽度tprbs为0.05 ns，根据fprbs=1/tprbs，计算所得随机序列的速率fprbs为20 ghz，所以系统的带宽为10 ghz。选取的稀疏信号具有2.1 ghz和5.3 ghz两个频率分量，信号的信噪比设置为20 db，将此信号输入到本发明的模拟系统中，使用现有的重构算法恢复得到的信号如图3和图4所示，仿真已做归一化处理，信号的频谱和时域信息都可以很好地恢复。
[0028]
另外，执行步骤s1之前，将宽谱激光源接入光环形器的信号进入端口，将啁啾光纤光栅接入光环形器的第一输出端口，将光电探测器接入光环形器的第二输出端口，并在光电探测器上连接采样器；执行步骤s1时，通过啁啾光纤光栅对于不同波长的光信号随机设置为“通过”或“阻挡”两种状态，从而在采样器处测量得到的数据即为啁啾光纤光栅引入的随机序列。
[0029]
当然，执行步骤s1之后，对随机序列进行存储。
[0030]
而且，执行步骤s3时，确保稀疏信号在预定域内的表示是稀疏的，且可以被若干个元素表征。
[0031]
最后，执行步骤s4时，电光调制器接收到的混频光信号后，通过电光调制器的调整偏置电压使其工作在线性工作点，并通过包络检测将接收到的混频光信号转换为电信号。
[0032]
本发明一种基于啁啾光纤光栅的光子压缩感知方法的结构简单，不需要随机序列发生器，利用啁啾光纤光栅在完成频率-时间映射的同时，引入了随机序列，也不需要空间光调制器或是额外的电光调制器，大幅度降低了光子压缩感知系统的成本，同时也利于系统集成，充分发挥了光子学技术损耗低、带宽大、抗干扰能力强的优势。
[0033]
实施例二，如图5所示，本发明还提供一种基于啁啾光纤光栅的光子压缩感知系统，该系统包括：宽谱激光源；啁啾光纤光栅；用于对宽谱激光源发射的光信号进行光谱编码，并将其在时域上展宽，完成频率-时间映射；采样器：用于获取啁啾光纤光栅对不同中心波长光的折射率，并作为啁啾光纤光栅引入的随机序列；电光调制器：用于通过稀疏信号与随机序列在光域的混频，得到混频后的光信号；光电探测器：用于通过包络检测将接收到的混频后的光信号转换为电信号；低通滤波器：用于将得到的电信号进行积分累加，得到采样信号；信号重构模块：用于将采样信号通过恢复算法将原始信号恢复出来，得到恢复信号。
[0034]
而且，该系统还包括光环形器；所述光环形器的信号进入端口连接至宽谱激光源，所述光环形器的第一输出端口连接至啁啾光纤光栅接入光环形器的，所述光环形器的第二输出端口经过光电探测器连接至采样器；使得方便所述啁啾光纤光栅接受所述宽谱激光源发射的光信号并进行光谱编码；以及方便所述采样器接受所述啁啾光纤光栅对不同中心波长光的折射率。
[0035]
当然，该系统中，所述光电探测器为雪崩二极管apd探测器或硅光电倍增管探测器。
[0036]
另外，该系统中，所述啁啾光纤光栅为线性啁啾光纤光栅结构，并使其对不同波长
的光信号随机设置为“通过”或“阻挡”两种状态。
[0037]
最后，该系统中，所述电光调制器为强度型马赫增德尔调制器。
[0038]
本发明一种基于啁啾光纤光栅的光子压缩感知方法及系统的结构简单，不需要随机序列发生器，利用啁啾光纤光栅在完成频率-时间映射的同时，引入了随机序列，也不需要空间光调制器或是额外的电光调制器，大幅度降低了光子压缩感知系统的成本，同时也利于系统集成，充分发挥了光子学技术损耗低、带宽大、抗干扰能力强的优势。
[0039]
本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。