针对传统光纤传感难以实现应变矢量感知的问题，设计并实验验证了基于同相正交（IQ）调制的光频域反射仪（OFDR）的多芯光纤应变矢量传感系统。使用IQ调制技术，实现了光源线性扫频，利用多芯光纤空间结构关系，在OFDR系统中获得了七芯光纤弯曲后的应变矢量信息。实验结果表明，当光源扫频范围990 MHz时，在87 m七芯光纤中，弯曲应变空间分辨率为28.35 cm。当光纤弯曲曲率为1.78 m^-1时，角度分辨率为29°。同时进一步通过仿真分析表明，当扫频范围提高到10 GHz时，理论上可以达到1.02°的角度分辨率，从而进一步提高系统性能。

正交(IQ)调制器在传统定标方法中存在定标速度慢和数据复杂难处理的问题, 在一些实际应用场合无法提供相互正交且幅值为2倍半波电压的射频信号。为了解决上述问题, 提出一种基于调制相位的IQ调制器快速精确定标方法, 在不加射频条件下实现对IQ调制器偏置电压的快速精确定标。测试结果表明: 该方法能在45 s左右完成对IQ调制器的定标, 且定标精度较高, 分辨率为10 mV; 能直接控制IQ调制器生成抑制载波的单边带信号。

随着互联网行业的高速发展, 数据中心光互连的扩展成为必然趋势, 数据中心波长资源不足将成为限制数据中心发展的重要因素。提出了一种波长重用无源光互连方案, 将2个信号调制在同一光载波上, 通过光正交调制技术使信号实现无误码传输。同时, 采用偏振复用技术, 将数据中心光互连所需波长数目减少为原来的14, 由此提高波长资源的利用率。

描述了基于同相正交硅基光调制器的自动偏置电压控制算法理论及实现方案。首先比较了硅基光调制器与传统铌酸锂调制器的调制特性,结合同相正交硅基光调制器模型推导出了调制器输出光信号与电场信号的函数关系式,根据此关系式提出了一种基于正弦dither信号注入调制器偏置工作点并解析调制器内置低带宽监控光电二极管反馈信号频域参数的控制方案,并通过数值仿真验证方案的可行性;然后搭建自动偏置电压控制算法的测试平台,通过测试平台得出不同偏置电压条件下I(in-phase)路、Q(quadrature-phase)路与Phase(outer-phase)路调制器内置监控光电二极管的反馈信号波形,并将测试结果与仿真数据进行对比,对比结果验证了本研究假定的同相正交硅基光调制器光电传递函数模型的准确性;最后测试了128 Gb/s双偏振正交相移键控调制格式下偏置电压控制算法的精度,并通过矢量幅度误差指标得到算法所引入的光信噪比代价。

基于激光调频连续波(FMCW)测距的原理搭建了双光路FMCW测距系统,用正弦调频替代了传统的线性调频,提高了扫频速率。研究了正弦调频下的FMCW测距原理,推导了正弦扫描的重采样公式,提出了信号拼接的方法来增大扫描带宽,并通过正交调制的方法消除拼接误差。实验结果表明,使用正交调制的方法拼接等光频重采样校正的信号后,频谱分辨力可达127 μm,接近理论分辨力。在3.3~4 m的范围内,所提方法的结果与参考干涉仪的误差不超过203 μm,标准差小于194 μm。

为了同时获取目标的全偏振二维图像信息和其光谱信息, 设计了一种基于正交调制的偏振光谱成像系统。 该系统由光学接收模块、 相位调制器、 Wollaston棱镜、 Savart偏光镜、 检偏器以及成像模块组成。 其可以将原始光信号分解成两束相互正交的偏振光, 并且分别成像在CCD焦平面的上下两部分上, 从而构成两幅偏振图像。 两组图像的叠加可以将干涉条纹的数据相互抵消, 从而获得目标的纯图像信息, 两组图像的相减可以将目标灰度图像相互抵消, 从而获得目标的纯干涉条纹。 通过理论分析与计算得到了光强分布函数和光谱变化形式。 实验在稳定的光源环境中采用高对比度目标与背景板, 完成了全偏振图像的实时采集。 经相位校正和切趾处理改善了干涉图像的畸变, 又通过去低频滤波和阈值滤波抑制了图像中背景噪声的影响, 从而实现了对目标图像的提取及偏振光谱的复原。 该系统具有稳定性高、 光谱分辨率可调、 信噪比高、 可识别能力强等特点, 对在复杂背景中提取目标图像、 光谱及偏振态信息具有重要意义。

为解决多幅分块图像在图像重建和加密等方面存在运算量巨大的局限性，提出了基于压缩感知和正交调制实现图像分块重建的新方法。该方法将单幅图像按需要均分为若干块，对于每一个块图像分别进行压缩感知的采集过程，再将采集的测量值和正交基矩阵相乘完成正交调制。当需要从总数据中恢复部分信息时，只要乘以与待恢复部分相应的正交基矩阵的转置，便可提取出需要恢复的块图像测量值。最后利用正交匹配追踪算法进行重建运算。实验结果表明，在采样率为30%左右时，可以精确重建出原始图像，且加密安全性高。

为了提高激光测距的精度与稳定性，通过改良传统相位激光测距仪，设计了新型正交调制降频与最小二乘法解相位的相位式激光测距仪。使用反射镜实现内外测距光路，通过正交调制技术对发射激光进行幅度调制，接收模块接收到的回波信号经过混频器后再经过低通滤波器将回波信号降频，降低解相难度并提升解相精度。改用分时测量得到距离相位从而消除二次混频方法所产生的附加相移，分别对内外光路低频回波信号采样进行模数转换后使用最小二乘法求解相位。采用多频率调制测量兼顾激光测距范围与测量精度，最后通过超定方程解模糊算法求解多频测距的待测距离。在国家标准基线上进行样机测试，实验结果表明，在60 m量程内正交调制激光测距仪的测量平均误差控制在1.5 mm以内，测距量程内标准差保持在0.9 mm以内。

研究了基于光梳状波的正交频分复用-无源光网(OFDM-PON)下行相干检测实验系统的结构和数字信号处理算法，采用多波长的光梳状波发生器作为光线路终端光源，其中一个波长作为传输OFDM信号的信号光，相邻的光波长作为本振光。基于该系统，光网络单元端的相干接收可以实现光相位噪声抵消。由于没有载波偏移和光相位噪声，数字信号处理过程被简化。比较了导频辅助(PA)算法、最大似然(ML)算法和PA+ML算法3种相位估计算法的性能。研究结果表明，PA+ML算法能获得更好的性能，可以将导频子载波的数目减少至2，并且接收机灵敏度可提高至-30 dBm。该OFDM-PON系统的硬件和软件设计有望成为下一代光接入网络的解决方案。