1 中国科学院电工研究所, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院, 江苏 南京 211102
为解决相位生成载波-反正切解调算法(PGC-Atan)的非线性失真问题，搭建了基于改进型PGC-Atan算法的非本征型法珀传感器(EFPI)解调系统。首先，理论分析了载波相位调制深度(C)偏离最优值、伴生调幅、载波相位延迟等非线性因素对经典PGC-Atan算法中参与反正切运算的正弦与余弦两路信号的影响。然后，针对外调制或伴生调幅较小的情况，提出了一种基于系数补偿的改进型PGC-Atan算法(PGC-CC-Atan)。该算法通过构造与C值和载波相位延迟有关的系数，消除反正切运算中的非线性参数。针对内调制情况，提出了一种基于椭圆拟合的改进型PGC-Atan算法(PGC-EF-Atan)。该算法通过基于分块矩阵的最小二乘法拟合椭圆并提取3个椭圆参数，进而将受非线性因素影响的正弦与余弦两路信号校正为正交信号。最后，通过仿真验证了改进型算法的正确性，并采用高调制特性的垂直腔面发射激光器(VCSEL)和常规腔长的EFPI等搭建PGC解调系统，对比经典PGC-Atan算法与两种改进型算法的解调性能，证实了改进型算法非线性失真抑制的有效性。实验结果表明：一定C值范围内，两种改进型算法可在非线性因素影响下有效解调。PGC-EF-Atan算法相较于PGC-CC-Atan算法，解调信纳比提升了11.602 dB，总谐波失真降低了10.951%。两种改进型算法中，PGC-EF-Atan算法对非线性失真的抑制效果更好，且解调线性度良好，准确度高。
相位生成载波解调 非线性失真 椭圆拟合 光纤法珀传感器 phase generated carrier demodulation nonlinear distortion elliptic fitting fiber optic fabry-perot sensor
1 中国科学院电工研究所, 北京 100190中国科学院大学, 北京 100049
2 中国科学院电工研究所, 北京 100190
高压套管是电力系统的核心部件, 对高压套管的绝缘状态进行检测具有重要的实际意义。 由于目前常见的绝缘状态在线监测设备难以适用于安装位置特殊、 体型较小的高压套管, 研发适用于高压套管的检测系统势在必行。 相较于传统金属结构的光声池, 采用全绝缘结构光声池能够在进行原位检测时不形成悬浮电位, 从而能够规避在高压套管内引发局部放电等故障, 是对高压套管绝缘状态进行检测的理论可行方案之一。 探究了适用于高压套管检测的原位检测系统重要部件全绝缘结构光声传感器的可行性。 分别从基本原理、 仿真计算及实验验证三个方面对全绝缘结构光声池进行了分析及论证。 首先, 就光声池材料对光声信号的影响进行了理论分析, 讨论了相较于传统黄铜材料, 由绝缘材料石英制成的光声池可能存在的问题。 然后, 在此基础上采用COMSOL Multiphysics建立了共振式光声池的仿真模型并进行了声学和热学相关计算, 对理论分析的结果进行验证, 并分析了实际情况下石英光声池的理论表现。 最后, 建立基于石英光声池的光声光谱检测系统实验平台, 结合波长调制及二次谐波方法对微量乙炔气体进行定量检测, 用于对石英光声池的可行性进行验证。 仿真计算结果表明, 类似于黄铜材料, 石英材料光声池同样具备对微量气体进行定量检测的能力。 实验结果表明, 基于石英光声池的检测系统对乙炔气体的检测极限能够达到0.16 μL·L-1, 满足相关标准中油浸式电气设备对乙炔检测的需求。 因此, 以石英为材质的共振式光声池具备应用于高压套管原位检测的潜力。
光声光谱 光声池 绝缘材料 仿真计算 Photoacoustic spectroscopy Photoacoustic cell Insulating material Simulation calculation 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2922
1 南京电子技术研究所，江苏 南京 210039
2 中国电子科技集团公司智能感知技术重点实验室，江苏 南京 210039
微波光子去斜接收机可通过光域操作实现数吉赫兹宽带线性调频信号的处理，是实现高分辨率雷达的重要途径。本文提出了微波光子去斜接收机的通用理论模型。利用此模型分析了去斜处理过程中的电域信号增益，以及接收机的噪声特性和动态范围等指标。结果表明，单路输出型微波光子去斜接收机的噪声增益为信号增益的两倍。此外还通过数值仿真研究了典型结构下微波光子去斜接收机性能随系统关键参数的变化关系。若去斜接收机的前置电放大器增益为20 dB，则当电光调制器半波电压从6 V降低至1.5 V时，接收链路的灵敏度可优化约10.8 dB，对应的动态范围损失在2 dB以下；而当半波电压低于3 V时，前置电放大器的增益应低于30 dB以避免较大的动态范围损失。
光纤光学与光通信 微波光子 雷达 去斜 线性调频信号 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0906010
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130031
2 中国科学院大学，北京 100049
在空间激光通信实际应用过程中，受到对准误差的影响，单模光纤耦合效率低，需要对其进行精确校正。在理想条件下，首先分析不存在对准误差及其他影响因素时平面波-单模光纤耦合效率及高斯光-单模光纤耦合效率模型，然后分别研究了光纤横向偏移和纵向偏移两种对准误差对单模光纤耦合效率的影响。在此基础上，提出了一种基于多平面光转换（MPLC）技术提高单模光纤耦合效率的方法，数值仿真了使用MPLC将平面波转化为高斯光前后及校正对准误差前后耦合效率的变化情况。仿真结果表明：使用MPLC将平面波转换为与高斯光高度相似的光束后，耦合效率会比平面波直接耦合进入单模光纤提高18.54%；使用MPLC分别校正横向偏移和纵向偏移后，耦合效率均提升至99%以上。该方法突破了空间光与单模光模式不匹配的限制，可以有效校正对准偏移误差，对于提高空间光到单模光纤的耦合效率具有一定的理论意义。
光通信 单模光纤耦合效率 对准误差 多平面光转换 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0906008
1 广西科技大学 生物与化学工程学院，广西糖资源绿色加工重点实验室，广西 柳州 545006
2 蔗糖产业省部共建协同创新中心，广西 南宁 530004
采用3⁃氨丙基三乙氧基硅烷（APTEs）封端氧化锌量子点（ZnO QDs）的方式，制备了一种荧光性能稳定的水溶性Sm∶ZnO⁃NH2 QDs荧光探针。通过透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱仪（FT⁃IR）、纳米粒度和Zeta电位仪（DLS）、稳瞬态荧光光谱仪（PL）等对材料进行表征。最优化条件下制备的该探针在水中具有良好的荧光性能，在4 ℃下贮存10 d后其荧光强度仍保留92%。基于该探针的荧光可以直接被多巴胺（DA）选择性猝灭，建立了一种选择性检测DA含量的荧光分析新方法，在50~1 600 ng/mL浓度内，该探针呈现良好的线性关系（y=0.4639x+ 0.008530，R2=0.996 3），检出限（LOD）为1.08 ng/mL，具有较好的稳定性和重现性，并成功应用于人体尿液样品的检测，回收率为98.18%~107.84%。
Sm掺杂 ZnO-NH2 QDs 荧光探针 选择性猝灭 多巴胺 Sm doped ZnO-NH2 QDs fluorescence probe selective quenching dopamine 
局部空气放电是导致高压输变电设备绝缘劣化的重要因素。 空气放电中丰富的发射光谱信息与放电特征存在直接映射关系。 采用针-板电极模拟了空气电晕放电的发展过程, 并检测了放电由弱变强过程中的“紫外-可见光-近红外”波段在200~980 nm范围内的发射光谱。 放电初期的发射光谱主要由氮气分子N2的带状光谱组成, 分别为N2第二正带系(second positive system, SPS)和N2第一正带系(first positive system, FPS)。 放电程度加深后, 发生能级跃迁的粒子种类更加丰富, 由此产生了带状光谱与线状光谱相互交叠的复杂谱线, 光谱范围也由放电初期的280~460 nm扩展至200~980 nm。 放电处于临界击穿时, 发射光谱的强度急剧增加, 强度最高值出现在500.715和777.202 nm处, 分别对应氮离子N+和氧原子O的辐射谱线, 这意味着微观放电过程再次发生改变。 基于空气放电机理分析得到: 放电初期、 放电加深、 放电临界击穿三个阶段中强度占优的谱峰或谱带分别由N2, NO与O和N+辐射跃迁所致, 这由放电间隙的能量所决定, 其特征光谱分别为336.907, 239.687和500.715 nm。 放电初期, 336.907 nm处的强度绝对占优, 239.687和500.715 nm处的相对强度极小; 放电程度加深时, 239.687 nm处的强度占优, 500.715 nm处的相对强度极小; 临界击穿时, 500.715 nm处的强度占优, 336.907 nm处的强度最弱。 空气电晕放电的200~980 nm光谱范围内, 紫外波段、 可见光波段和近红外波段的光子数虽然都随着施加电压的升高而增加, 但各波段光子数的归一化结果表明: 随着放电程度的加深, 紫外波段的光子比例逐渐减小, 可见光波段的光子比例逐渐增加, 近红外波段光子比例变化相对较小。 不同放电阶段的“紫外-可见光-近红外”波段的相对光子数分布有较明显的差异, 可以反映放电的发展程度。
空气电晕放电 发射光谱 放电过程 特征谱线 Air corona discharge Optical emission spectroscopy Discharge process Characteristic spectrum wavelength 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2956
1 南京电子技术研究所，南京 210039
2 中国电子科技集团公司 智能感知技术重点实验室，南京 210039
利用光延时技术抑制宽带相控阵雷达的波束色散，光延时量的离散特性会引入波束指向偏差。通过线性相位拟合法分析了最小延时改变对阵面等效相位分布的影响，建立了延时线步进与雷达波束指向偏差间关系的理论模型，得到波束指向偏差与延时步进成正比，与阵元间距、阵元数平方和波束指向的余弦值成反比。通过仿真和实测数据验证了该技术的可行性。实测结果表明，在8~12 GHz宽带微波信号下，±60°扫描范围内，宽带波束的指向偏差小于0.77°，带内指向色散小于0.98°，峰值能量损失小于0.89 dB，旁瓣抑制比超过11.06 dB。
微波光子学 亚波长步进光延时线 光波束形成 相控阵天线 无波束倾斜 Microwave photonics Sub-wavelength stepped optical delay line Optical beamforming Phased-array antenna Beam squint free
Author Affiliations
Abstract
1 Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China
2 Key Laboratory of IntelliSense Technology, China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing 210039, China
Transient response of an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) is studied in an externally-modulated analog link. Double tones represented as transmitted radio frequency and dither signals are introduced. Extra modulation is generated owing to the EDFA’s transient response caused by a low-frequency dither signal. Therefore, the parasitic modulation is superposed to the output signals and may significantly affect in-band electrical spectra. Analytical and numerical solutions are both given, which agree well with experimental results. This work indicates that a suitable dither signal should be selected to maximize the carrier to intermodulation ratio. In-band spurious free dynamic range is optimized in the meantime.
erbium-doped fiber amplifier transient response dither signal carrier to intermodulation ratio externally-modulated analog link Chinese Optics Letters
2022, 20(1): 013901
1 南京电子技术研究所，江苏 南京 210039
2 中国电子科技集团公司 智能感知技术重点实验室，江苏 南京 210039
在雷达指标体系中，探测距离和目标分辨能力是其中的重要参数。而噪声系数（NF）和接收链路的压缩动态范围（CDR）则影响着这两个指标。随着射频光传输（ROF）在雷达接收链路中应用的推进，除了对光链路本身的探讨外，还需扩展到接收链路中微波和光波的协同分析。因此，将其中的微波前级放大、射频光传输（ROF）、微波后级放大进行耦合，普适性地探讨接收链路CDR和NF。例如，当光链路噪声功率谱密度为−164 dBm/Hz，光链路增益−20 dB时，可设计前级放大41 dB。在这种情况下，接收链路CDR1dB达143 dB·Hz，噪声系数为4.15 dB，能够同时满足探测距离和目标分辨的要求。对外调制光链路而言，调制器的半波电压可选择在2.0~5.8 V之间，实现性能和成本的平衡。分析从系统角度出发，探讨了基于ROF的接收链路，能够满足雷达功能要求，同时，也为接收链路中电器件和光器件的设计提供了依据。
雷达接收链路 射频光传输 噪声系数 压缩动态范围 探测距离 radar receiving link radio-over-fiber noise figure compression dynamic range detection distance 红外与激光工程
2021, 50(11): 20210251
