光纤中微弱回波光信号的布里渊放大技术研究
针对诸如激光焊接、激光雷达，以及智能驾驶等领域具有强光背景噪声下微弱光信号检测的技术难点，提出了利用单模光纤中受激布里渊散射（Stimulated Brillouin scattering，SBS）光放大的方法来实现强光背景下微弱信号的探测成像。该方法将具有布里渊增益带宽窄、低泵浦功率注入条件下获得高增益，以及体积小重量轻等优点的光纤与SBS放大效应相结合，使之具有重要的研究意义。因此，本文对实现强光背景噪声下光纤中微弱光信号高增益SBS放大成像的两个关键性问题开展了理论和实验研究，研究如何获得高增益放大和如何抑制SBS放大过程中脉冲时域波形的畸变。 本论文从SBS耦合波方程出发，建立了包含分布式噪声的时域布里渊放大理论模型，借助此模型开展了单模光纤中SBS放大的理论研究，为第3章闭环SBS放大的实验研究提供理论支撑；通过对光纤介质中SBS放大的时域模型进行傅里叶变换，获得支撑第5章实验研究的频域宽带布里渊增益谱的理论计算模型。根据时域和频域的SBS模型，分别对单模光纤中单谱线泵浦作用下的窄带SBS放大过程和离散多谱线泵浦作用下的脉冲时域波形畸变校正过程进行了数值研究。针对窄带SBS放大，研究了光纤布里渊放大器的信号增益和信噪比随注入的泵浦光功率、Stokes光峰值功率、Stokes脉宽和单模光纤长度等参数的变化规律，获得了优化性能参数的条件；针对时域波形畸变的校正，首先对影响展宽后布里渊增益光谱带宽的主要因素进行分析：即谱线条数和相邻谱线间隔。固定各条离散谱线间的频率间隔，研究了不同增益谱带宽对SBS放大过程中脉冲波形畸变特性的影响。研究表明：信号增益随注入泵浦光功率和信号光脉宽的增加而提高，随注入信号光峰值功率的增加而下降，信噪比随注入泵浦光功率和信号光脉宽的增加而下降，随注入信号光峰值功率的增加而提高；采用离散多谱线泵浦，可以有效地抑制SBS放大过程中的波形畸变，Stokes光频域谱与光纤介质的布里渊增益谱相关性越高，对弱信号低畸变和高增益的放大越显著。 为了实现强光背景噪声下微弱信号的高增益成像。本文开展了闭环光纤中SBS放大的实验研究，研究泵浦光、信号光、介质等参数对SBS放大特性的影响来获得微弱信号高增益放大的实验参数。实验中对4.3×10-7W的微弱脉冲Stokes光信号进行了放大，获得了107的信号增益，信噪比约为14dB。实验结果与数值计算结果基本相符并为开环链路下SBS的高增益放大研究提供了数据支撑。为了贴近实际应用背景要求进行了开环SBS放大实验，实验中对4.3×10-7W的微弱脉冲Stokes光信号实现了106放大，信噪比约为11dB。由于，无论在闭环还是开环情况下，采用光纤中的SBS放大技术都可以实现微弱信号的高增益放大。所以，本文以强光背景噪声场下目标成像为应用背景，通过直接探测目标物散射回波光信号进行了窄带SBS放大成像实验研究，成功获得淹没于强光噪声下探测目标的清晰图像。 为了实现强光背景噪声下窄脉冲微弱信号的高增益成像，即针对实现窄脉冲低畸变放大的问题，研究了多频强度调制产生宽带泵浦的SBS放大技术。首先利用此方法研究了50ns脉冲在布里渊增益谱带宽为200MHz作用下的SBS放大和波形畸变特性。研究表明：利用宽带泵浦的SBS放大方法，既可以实现微弱信号的高增益放大，又可以极大的降低窄脉冲SBS放大输出的波形畸变。接着研究了5ns脉冲在布里渊增益谱带宽为419.5MHz和600MHz作用下的SBS放大和波形畸变特性。实验结果表明：对于5ns高斯型Stokes信号光脉冲，选取频域峰值2%处对应的频域宽度（419.5MHz）作为宽带泵浦光的带宽是一个既可以保证波形畸变最低又可以保证信噪比最高的合理值。同时，以强光背景噪声场下目标成像为应用背景，通过直接探测目标物散射回波光信号进行了宽带SBS放大成像实验研究。结果表明，利用单模光纤作为介质可以实现强光背景噪声中微弱光回波信号的高增益SBS放大，并对淹没于强光噪声下的目标成像。
微弱光信号成像;布里渊放大;单模光纤;脉冲波形;畸变抑制;强光背景噪声
哈尔滨工业大学
博士
物理电子学
吕志伟
2019
中文
TN911.74
2020-12-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）