本发明属于光信号处理领域，更具体地，涉及一种基于正交频分复用的时域鬼成像装置及方法。
背景技术：
鬼成像技术是一种间接成像技术，近期时域鬼成像技术有了新的进展。将经过时域信号调制的光载波进行积分后，得到每个子载波的总功率，并将这些总功率与各子载波强度波形进行相关计算可重建出待测时域信号。时域鬼成像技术对待测时域信号与探测器之间的损伤不敏感，即对探测造成的失真不敏感，极其有利于重建快速时域信号。
通常时域鬼成像需要大量重复测量，所以需重复发送周期信号，不能用于实时信号的恢复。而利用波长复用的单次时域鬼成像仅需一次测量，无需重复发送信号，可恢复单脉冲时域信号，从而实现实时信号的恢复。然而，为了提高时间分辨率，波长复用单次时域鬼成像必须使用大量的高速电光调制器和光电探测器，这会大大增加成本和系统的复杂性。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于正交频分复用的时域鬼成像装置及方法，由此解决利用波长复用的单次时域鬼成像由于必须使用大量的高速电光调制器和光电探测器，而导致的增加成本及系统复杂性的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于正交频分复用的时域鬼成像装置，包括：连续激光器、第一任意波形发生器、第一马赫-曾德尔调制器、第二任意波形发生器、第二马赫-曾德尔调制器及处理模块；
所述连续激光器，用于产生正交频分复用OFDM光信号的载波；
所述第一任意波形发生器，用于产生OFDM电信号，所述OFDM电信号经过所述第一马赫-曾德尔调制器调制后，将所述OFDM电信号调制到所述OFDM光信号的载波上产生第一OFDM光信号，其中，所述OFDM电信号由基于哈达玛矩阵的时域强度波形编码得到；
所述第二任意波形发生器，用于产生待测时域信号，所述待测时域信号经过所述第二马赫-曾德尔调制器调制后，将所述待测时域信号调制到所述第一OFDM光信号上得到第二OFDM光信号；
所述处理模块，用于根据所述第二OFDM光信号的各个子载波的时域强度波形计算出所述第二OFDM光信号的各个子载波的总功率，并基于所述OFDM电信号的各子载波强度波形重建出所述待测时域信号。
优选地，所述第一马赫-曾德尔调制器与所述第二马赫-曾德尔调制器均工作在推挽模式，偏振在正交点，电信号改变内部折射率从而影响光信号的相位分布，进而影响强度分布，实现电光调制。
优选地，所述装置还包括：第一偏振控制器和第二偏振控制器；
所述第一偏振控制器位于所述连续激光器和所述第一马赫-曾德尔调制器之间，所述第二偏振控制器位于所述第一马赫-曾德尔调制器和所述第二偏振控制器之间；
所述第一偏振控制器用于改变所述OFDM光信号载波的偏振态，以与所述第一马赫-曾德尔调制器的偏振态一致；
所述第二偏振控制器用于改变所述第一OFDM光信号的偏振态，以与所述第二马赫-曾德尔调制器的偏振态一致。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于正交频分复用的时域鬼成像方法，包括：
产生正交频分复用OFDM光信号的载波；
将预设的基于哈达玛矩阵的每个行向量分别映射到OFDM电信号的每个子载波的时域强度波形上，然后利用快速逆傅立叶变换和并行串行转换产生所述OFDM电信号，将所述OFDM电信号调制到所述OFDM光信号的载波上产生第一OFDM光信号；
由待测时域信号对所述第一OFDM光信号进行调制，将所述待测时域信号调制到所述第一OFDM光信号上得到第二OFDM光信号；
根据所述第二OFDM光信号的各个子载波的时域强度波形计算出所述第二OFDM光信号的各个子载波的总功率，并基于所述OFDM电信号的各子载波强度波形重建出所述待测时域信号。
优选地，在重建所述待测时域信号之前，所述方法还包括：
在所述OFDM电信号的各个子载波的强度波形中均加入一个均匀分布在0和π之间的随机相位。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明将基于哈达玛矩阵的时域强度波形编码到OFDM电信号上，用于调制OFDM信号的载波，载波再被待测时域信号二次调制，调制后的波形被示波器接收后，利用接收到的波形计算出每个子载波的总功率，再将这些总功率与原OFDM电信号每个子载波的时域强度波形进行相关计算，从而恢复出高质量高分辨率待测时域信号的波形。
本发明提出的方法成本较低，结构简单，并且对待测信号与探测器之间的损伤不敏感，可实现单脉冲时域信号鬼成像，在高速实时信号探测中有很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于正交频分复用的时域鬼成像装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于哈达玛矩阵的各子载波强度码型，其中，图2(a)表示的16×16哈达玛矩阵中黑色为比特‘1’，白色为比特‘-1’；图2(b)表示相应的HTH，上标T表示转置；
图3是本发明实施例提供的三种信号的原图和鬼成像图像；其中，图3(a)为方波；图3(b)为正弦波；图3(c)为三角波。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种基于正交频分复用的时域鬼成像装置及方法。正交频分复用技术相对波长复用的优点是只需一个电光调制器和一个探测器，利用快速傅里叶反变换(Inverse fast Fourier transform，IFFT)即可完成对子载波的多路调制，同时各子载波的强度波形可严格同步。本发明可实现高分辨率高质量的时域信号的检测，降低了成本，结构简单，对待测信号与探测器之间的损伤不敏感，实现了单脉冲时域信号鬼成像，在高速实时信号探测中有很好的应用前景。
本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
在本发明实施例中，基于正交频分复用的时域鬼成像装置结构原理图如图1所示，首先可以采用1550nm的连续激光器CW 1产生正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)光信号的载波。OFDM电信号可以通过带宽为3.2GHz的任意波形发生器AWG1 2(可以采用TektronixAWG7122C)产生，OFDM电信号经过马赫-曾德尔调制器MZM1 3调制，用于将OFDM电信号调制到OFDM光信号的载波上产生第一OFDM光信号。然后，第一OFDM光信号由待测时域信号调制产生第二OFDM光信号，该待测时域信号可以通过另一个300MHz带宽的AWG2 4(可以采用Tektronix AWG5012C)和另一个马赫-曾德尔调制器MZM2 5产生。其中，MZM1 3和MZM2 5工作在推挽模式，偏置在正交点，实现电光调制。采用两个偏振控制器PC1 6和PC2 7分别手动调节马赫-曾德尔调制器MZM1 3和MZM2 5输入光的偏振态，使其分别与马赫-曾德尔调制器MZM1 3和MZM2 5偏振态一致，提高调制器透射率。最后，可以通过4GHz实时示波器Oscilloscope 8(可以采用TektronixCSA7404B)接收经过OFDM电信号调制和待测时域信号调制后的透射光波形，根据接收到的波形计算出被待测信号调制后的各个子载波的总功率，并将这些总功率与原OFDM电信号的各子载波强度波形进行相关计算，重建出待测时域信号。
其中，偏振控制器PC1 6和PC2 7，由保偏光纤和三浆机械旋转结构构成，可以通过手动调节三浆机械旋转结构改变光的偏振态，使其分别与马赫-曾德尔调制器MZM1和MZM2的偏振态一致，提高调制器透射率。
在本发明实施例中，还提供了一种基于正交频分复用的时域鬼成像方法，包括：
产生OFDM光信号的载波；
将预设的基于哈达玛矩阵的每个行向量分别映射到OFDM电信号的每个子载波的时域强度波形上，然后利用快速逆傅立叶变换和并行串行转换产生OFDM电信号，将OFDM电信号调制到OFDM光信号的载波上产生第一OFDM光信号；
由待测时域信号对第一OFDM光信号进行调制，将待测时域信号调制到第一OFDM光信号上得到第二OFDM光信号；
根据第二OFDM光信号的各个子载波的时域强度波形计算出被待测时域信号调制后的各个子载波的总功率，并基于OFDM电信号的各子载波强度波形重建出待测时域信号。
优选地，在重建待测时域信号之前，该方法还包括：
在OFDM电信号的各个子载波的强度波形中均加入一个均匀分布在0和π之间的随机相位。
其中，加入的随机相位会破坏各子载波的同相叠加，降低峰均比。此外，由于随机相位可以在被探测后用数字计算方法消除，因此可以保持各子载波时域强度波形的正交性，从而保证恢复信号的高质量，以提高成像质量。
如图2所示，为将基于哈达玛矩阵的时域模式编码到OFDM信号的子载波。其中，使用了如图2(a)所示的16×16哈达玛矩阵，这意味着有16个子载波和16个信号样本。其中黑色为比特‘1’，白色为比特‘-1’。图2(b)所示可看出，HTH是一个标量矩阵，有利于完美还原时域信号。
如图3所示，显示了三个不同的单次时域信号(方波、正弦波和三角形波)的16个采样点的鬼成像实验结果，采样间隔为22.5ns。恢复后的目标波形与设计目标的波形吻合良好，表明本发明提出的方法能够重建高质量高分辨(22.5ns)的单次时域信号。哈达玛矩阵的正交性保证了高时间分辨率和高质量的成像。
通过使用本发明提出的一种基于正交频分复用的时域鬼成像装置及方法，可实现高质量高分辨率待测时域信号的检测，成本较低，结构简单，并且对待测信号与探测器之间的损伤不敏感，可实现单脉冲时域信号鬼成像，在高速实时信号探测中有很好的应用前景。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。