CN106093912A - 一种相干测风激光雷达本振光功率的优化方法 - Google Patents

Abstract

一种相干测风激光雷达本振光功率的优化方法，本发明涉及一种最佳本振光功率的优化方法，得到了使载噪比达到最大的本振光功率，从而实现信号的最优检测，本发明针对不同工作波长的本振光，可以得到最优本振光功率。本优化方法首先通过外差探测原理求得光电探测器输出的外差信号的功率P；然后结合光电探测器的饱和效应，求得相干测风激光雷达的主要噪声及总噪声功率N并求得载噪比P/N；最后得到载噪比最大时的本振光功率，所得本振光为相干测风激光雷达的最佳本振光功率。本发明可以避免过强的本振光功率导致光电探测器损坏的问题。

Description

一种相干测风激光雷达本振光功率的优化方法

技术领域

本发明涉及一种最佳本振光功率的优化方法，特别涉及一种相干测风激光雷达本振光功率的优化方法。

背景技术

在区域大气风速的测量中，激光测风雷达有高精度、高时空分辨率的特点，广泛应用于测量大气风廓线、风切变预警以及探测飞机尾流等，在天气预报、风能发电、航空航天、军事等领域有着重要的意义。

激光测风雷达分为相干和非相干两种体制,相干测风激光雷达探测的灵敏度接近于量子噪声极限,具有较高的载噪比,需要较低的激光发射功率。与直接探测相比,相干探测的优势有精度高，转换增益高，过滤性能好等。与直接探测相比较,相干探测方式是公认的具有量子极限探测本领的体制。

相干探测体制的优势体现在对微弱回波信号的转置放大，将大气风场信息调制在视频信号上，然后对视频信号进行频域分析，获得回波信号的多普勒频移。本振光在实现对回波信号的转置放大的同时也引入了噪声，因此需要对本振光进行优化，得到最佳的本振光功率，使载噪比达到最大，现信号的最优检测。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服本振光功率过高导致的光电探测器损坏的问题和系统载噪比过小的不足，提供一种可以提高载噪比的本振光功率的优化方法。

本发明的技术解决方案为：一种相干测风激光雷达本振光功率优化方法，其特点在于包括下列步骤：

(1)根据外差探测原理，包含有被测信息的回波信号和本振光信号在分束器前相遇，经过聚焦透镜后汇聚到光电探测器表面进行混频形成频率为两光波光频差的拍频信号，称为外差信号，求得光电探测器输出的外差信号的功率

(2)结合广电探测器的饱和效应，求得相干测风激光雷达的主要噪声散粒噪声功率相对强度噪声功率和热噪声功率总噪声功率并求得载噪比

(3)求得步骤二中载噪比最大时的本振光功率，所得本振光为相干测风激光雷达的最佳本振光功率，实现信号的最优检测。

本发明的优点是：由于光电二极管响应曲线的非线性,随着本振光功率的增大光电探测器趋于饱和，相干探测系统的载噪比不是本振光功率的单调增函数。本振光功率的选择对探测性能影响很大，本方法考虑了光电探测器的饱和效应对载噪比及本振光功率优化选取影响。随着相对强度噪声的增加，载噪比的大小发生变化的同时，最优本振光功率的取值也在发生变化。在进行本振光优化选取时，也需要对相对强度噪声进行准确分析。本方法考虑了不同相对强度噪声对本振光优化的影响。

附图说明

图1为本发明所述的相干测风激光雷达本振光功率优化方法的流程示意图。

图2为外差探测工作原理示意图。

图3为工作波长为1.55μm的InGaAs PIN光电探测器的输入输出曲线关系示意图。

图4为不考虑光电探测器的饱和效应时，载噪比与本振光功率的曲线关系示意图。

图5为考虑光电探测器的饱和效应时，载噪比与本振光功率的曲线关系示意图。

具体实施方式

如图1示，本发明的具体方法如下：

外差探测指将包含有被测信息的回波信号和本振光信号在分束器前相遇，经过聚焦透镜后汇聚到光电探测器表面进行混频。将不易探测的回波信号调制成易于探测的中频信号，最后由光电探测器接收，探测器输出的是频率为两光波光频差的拍频信号，其原理图如图2示。

外差检测光波理论是基于回波信号和本振光在光电探测器的表面上的干涉现象。回波信号和本振光的光场强度分别为：

U_od(x,y,t)＝A_od(x,y)exp[-j(2πf_odt+φ_od)] (1)

U_sd(x,y,t)＝A_sd(x,y)exp[-j(2πf_sdt+φ_sd)] (2)

式中A_sd、A_od分别为回波信号和本振光信号的振幅，分别为回波信号和本振光信号的相位，f_sd、f_od分别为回波信号和本振光信号的频率，t为时间。

两个场强之和为：

U_d(x,y,t)＝A_od(x,y)exp[-j(2πf_odt+φ_od)]+A_sd(x,y)exp[-j(2πf_sdt+φ_sd)] (3)

探测器处信号的辐照度I_d(x,y,t)为：

$\begin{array}{c}{I}_d(x,y,t)={\left|U_d(x,y,t)\right|}^2\\ ={\left|U_{od}(x,y,t)\right|}^2+{\left|U_{sd}(x,y,t)\right|}^2+2\mathrm{Re}\[U_{od}^{*}(x,y,t)U_{sd}(x,y,t)\]\\ =I_{od}(x,y,t)+I_{sd}(x,y,t)+I_h(x,y,t)\end{array}---\left(4\right)$

式中I_od(x,y,t)、I_sd(x,y,t)、I_h(x,y,t)分别代表本振光信号、回波信号、外差信号在探测器处的辐照度，“*”表示共轭。

其中

$I_h(x,y,t)=2\sqrt{I_{od}(x,y,t)I_{sd}(x,y,t)}cos(2\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}ft+\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ})---\left(5\right)$

式中Δf＝f_od-f_sd为大气气溶胶粒子后向散射的多普勒频移，是本振光与回波信号相位差。

当该外差信号到达探测器表面产生的光电流为：

式中，为光电转换系数，其中e＝1.602×10^-19C为电荷常量，η_q为探测器的量子效率，h＝6.626×10^-34J·S为普朗克常量，v为激光的中心频率。

探测器输出电流的均方值为：

相干测风激光雷达的噪声主要包括散粒噪声、相对强度噪声和热噪声等。在电子器件和光电器件中，散粒噪声是主要的噪声来源之一，它是由于器件中的电流不均匀和不连续引起的。对于相干测风激光雷达，回波信号的功率远远小于本振光功率，所以本振光成为引起散粒噪声主要因素。

散粒噪声的功率为：

式中，e＝1.602×10^-19C为电荷常量，B为探测器电路带宽，i_od(t)为本振光信号光电流，P_LO是本振光功率。

激光器输出的本振光功率会出现起伏现象，当本振光照射到探测器变面时，这种功率的起伏会产生光电流噪声，称为相对强度噪声(Relative Intensity Noise，RIN)。RIN的对数定义为：

$RIN=10\&CenterDot;{\log }_{10}\frac{<{\left({\mathrm{\&Delta;P}}_{LO}\right)}^2>}{\stackrel{\&OverBar;}{P_{LO}^2}}---\left(9\right)$

由相对强度噪声引起的噪声电流均方值可以表示为：

任何导体中载流子都在做无规则的运动。这种无规则运动会引起电流起伏，这种无规则的起伏称为热噪声。

热噪声功率大小为：

$<i_T^2\left(t\right)>=4KTB/R_L---\left(11\right)$

式中，K为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，R_L为探测器负载电阻。

总噪声功率为：

相干检测的优势在于本振光与回波信号进行混频实现回波信号的转置与放大，最能体现这一性能的指标的是载噪比(carrier-to-noise ratio，CNR)。外差信号强度与噪声强度的比值用载噪比表达,即为：

$CNR\left(t\right)=\frac{<i_h^2\left(t\right)>}{<i_n^2\left(t\right)>}---\left(13\right)$

相干激光雷达系统中，外差效率表征信号光与本振光不理想匹配的情况下相干光功率的损耗，是相干激光雷达系统性能中的一个重要的无量纲的物理量，定义为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&eta;}}_h\left(t\right)=\frac{<i_h^2\left(t\right)>}{2<i_{od}\left(t\right)><i_{sd}\left(t\right)>}\\ =\frac{{|\&Integral;\&Integral;U_{od}^{*}(x,y,t)U_{sd}(x,y,t)dxdy|}^2}{\&Integral;\&Integral;{\left|U_{od}(x,y,t)\right|}^{2}dxdy\&Integral;\&Integral;{\left|U_{sd}(x,y,t)\right|}^{2}dxdy}\end{array}---\left(14\right)$

由(14)可对外差探测信号电流公式(6)进行简化，为：

由公式(12)(13)(15)可得载噪比为：

实际上探测器的响应并不是线性的,光电转换系数会随着探测功率的增大而减小,这样载噪比随着本振光功率的增大会先增大后减小，选择恰当的本振光功率可以获得最大的载噪比。探测输出电流在输入功率小时为线性，随着输入功率的变大输出曲线不再为线性，这种现象为光电探测饱和效应。光电探测器的输入输出表达式为：

其中α为饱和因子。

本振光工作波长为1.55μm，选InGaAs PIN光电二极管作为光电探测器，探测器的光电转换系数为饱和因子α＝0.09mA/mW，光电探测器的输入-输出曲线如图3示。

考虑饱和因子的情况下，载噪比为：

提高本振光功率，可以提高转置放大增益，进而使载噪比达到探测极限。另一方面，过高的本振光功率会影响光电探测器的精度，使光电探测器工作在非线性区域，从而降低载噪比。所以本振光功率存在一个最优数值，使载噪比取到最大值。

选取电阻R_L＝50Ω，温度T＝300K，带宽B＝200MHz，P_S＝10^-8W，η_h＝0.4,α＝0.09mA/mW。分别考虑相对强度噪声和光电探测饱和效应对本振光功率选取的影响。

选取相对强度噪声RIN的值分别为-150dB、-160dB、-170dB，可以得到不考虑光电探测饱和效应和考虑光电探测饱和效应下的载噪比曲线，分别如图4和图5所示。

对比以上两图可以发现，考虑饱和效应前后，载噪比随本振光功率的变化无论是数值还是曲线的分布都发生了很大的变化。由图3所知，当入射光功率大于0.4mW时，光电探测器输入输出特性进入非线性区，所以在进行本振光功率优化时，必须结合真实探测器的性能进行合理优化，即要考虑光电探测器的饱和效应进行优化。由图5可知，最优本振光功率为0.35mW。

由于光电二极管响应曲线的非线性,随着本振光功率的增大光电探测器趋于饱和，相干探测系统的载噪比不是本振光功率的单调增函数。本振光功率的选择对探测性能影响很大，本方法考虑了光电探测器的饱和效应对载噪比及本振光功率优化选取影响。随着相对强度噪声的增加，载噪比的大小发生变化的同时，最优本振光功率的取值也在发生变化。在进行本振光优化选取时，也需要对相对强度噪声进行准确分析。得到更加准确的探测器相对强度噪声，会使理论分析更加符合实际情况。

Claims (4)

1.本发明公开了一种相干测风激光雷达本振光功率的优化方法，得到了使载噪比达到最大的本振光功率，从而实现信号的最优检测，它包括：

(1)根据外差探测原理，包含有被测信息的回波信号和本振光信号在分束器前相遇，经过聚焦透镜后汇聚到光电探测器表面进行混频形成频率为两光波光频差的拍频信号，称为外差信号，求得光电探测器输出的外差信号的功率

(2)结合广电探测器的饱和效应，求得相干测风激光雷达的主要噪声散粒噪声功率相对强度噪声功率和热噪声功率总噪声功率并求得载噪比

(3)求得步骤二中载噪比最大时的本振光功率，所得本振光为相干测风激光雷达的最佳本振光功率，实现信号的最优检测。

2.根据权利要求1所述的相干测风激光雷达本振光功率优化方法，步骤一中求得光电探测器输出的外差信号功率的方法为:

光电探测器的输入输出表达式为：

式中，α为饱和因子，为光电转换系数，其中e＝1.602×10^-19C为电荷常量，η_q为探测器的量子效率，h＝6.626×10^-34J·S为普朗克常量，v为激光的中心频率；

可得外差信号的功率为：

3.根据权利要求1所述的相干测风激光雷达本振光功率优化方法，步骤二中求出载噪比为：

考虑光电探测器的饱和效应时，载噪比的表达式为：

式中，η_h为外差效率，P_s为回波信号功率，P_LO是本振光功率，K为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，B为探测器电路带宽，R_L为探测器负载电阻，e＝1.602×10^-19C为电荷常量。

4.根据权利要求1所述的相干测风激光雷达本振光功率优化方法，步骤三中求出最佳本振光的方法为：

对载噪比表达式进行仿真，得到载噪比随本振光功率变化的曲线，得到载噪比最大的点，从而得到最佳本振光功率。