CN107894587A - 一种基于光锁相的脉冲激光零差相干探测装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于光锁相的脉冲激光零差相干探测装置，涉及光电子技术领域中的激光相干探测装置。本发明相干探测装置中，本振激光和脉冲回波信号激光输入90°光混频器后，输出4路相位差分别为0°、90°、180°和270°的相干光信号，其中两路相位差为0°和180°的光信号经同相支路输出，经第一平衡探测器4光电转换后输入激光锁相环路，以实现脉冲信号激光与连续本振激光的相位锁定；而另外两路相位差为90°和270°的光信号经正交支路输出，经第二平衡探测器光电转换后，可以完整的恢复出脉冲激光信号，根据脉冲信号激光的脉冲谱宽，选用相应的窄带探测器接收，获得了高灵敏度的探测信号。

Description

一种基于光锁相的脉冲激光零差相干探测装置
技术领域
本发明涉及光电子技术领域中的激光相干探测装置，具体涉及一种基于光锁相的脉冲激光零差相干探测装置。
背景技术
光的相干探测技术与传统的强度调制/直接探测技术(IM/DD)相比，具有探测灵敏度高、波长选择性好、抗干扰能力强、频带利用率高等优点，在光纤通信、自由空间(包括大气、水下、太空等)通信、激光相干雷达、高精密光学传感等领域具有广阔的应用前景和巨大的研究价值。
近年来，随着脉冲激光稳频技术的不断发展，研究者提出了运用脉冲稳频激光器进行相干探测。美国相干技术公司Sammy W.Henderson等人设计了一种脉冲激光外差相干探测装置(Henderson S W,Hannon S M.Advanced coherent lidar system for windmeasurements[C]//Optics&Photonics.International Society for Optics andPhotonics,2005:58870I-58870I-10)，该相干探测装置主要包括本振激光器、脉冲激光器、光收发开关、光学望远镜、扫描仪、信号探测器、监测探测器、信号处理模块和终端操控显示。该装置本征激光器是连续单频TM：LuAG激光器，将本振激光器输出频率ν0的本振激光，经一个反射率为98％的高反射镜，被反射的本振激光用于信号探测和本振光频率与信号光频率的监测，被透射的本振激光输入声光调制器。经声光调制器移频的本振激光，作为种子光注入锁定一个TM：LuAG调Q激光器，输出频率为ν0+νIF的单频短脉冲激光信号。从脉冲激光器输出的脉冲激光信号，输入另一个反射率为98％的高反射镜，反射的光脉冲信号用于信号探测，透射的光脉冲信号用于本振光频率与信号光频率的监测。反射的脉冲激光信号输入光收发开光，经光学望远镜输入计算机控制的扫描仪，将频率为ν0+νIF的脉冲激光向探测目标物发射。经探测目标物反射频率为ν0+νIF+νD的回波光脉冲信号被扫描仪接收，经光学望远镜输入光学收发开关。从高反射镜反射的本振激光，经光分束器分为两束，其中的一束频率为ν0的本振激光，同从另一个高反射镜透射频率为ν0+νIF的脉冲激光信号输入监测探测器。另一束频率为ν0的本振激光，同从光学收发开关输出频率为ν0+νIF+νD的回波光脉冲信号输入信号探测器。经监测探测器光电转换的信号输入信号处理模块，输出电压信号控制压电陶瓷(PZT)，改变脉冲激光器的谐振腔长度，实现脉冲激光频率与本振激光频率的匹配。经信号探测器光电转换的信号，输入信号处理模块，从终端操控显示输出所需要的探测信息。该脉冲激光外差相干探测的装置虽然可以满足基本的探测要求，但是脉冲信号激光与本振激光频率差不稳定，要求探测系统的有效噪声带宽比脉冲频谱更宽，通常有效噪声带宽是脉冲谱宽的数倍，从而限制了系统的信噪比。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的探测有效噪声带宽比脉冲频谱更宽限制了系统的信噪比的缺陷，研究设计一种基于光锁相的脉冲激光零差相干探测装置。本发明采用基于光锁相的脉冲激光零差相干探测方式，实现了脉冲激光零差相干探测。
本发明的技术方案如下：
一种基于光锁相的脉冲激光零差相干探测装置，包括连续激光器1、脉冲激光器6、90°光混频器2、第一平衡探测器4、第二平衡探测器5、环路滤波与电光驱动器3、偏振分光镜7、λ/4波片8、光扩束系统9、目标10和信号处理模块11；
所述连续激光器1作为本振激光器输出连续单频线偏振本振激光，该本振激光从90°光混频器的本振光输入端口输入；
所述脉冲激光器6输出单频线偏脉冲信号激光，经偏振分光镜7和λ/4波片8将输出的脉冲信号激光转变为圆偏振光，再通过光扩束系统9向目标10发射脉冲信号激光；脉冲信号激光经目标10反射，输出的脉冲回波信号激光被光扩束系统9接收，经λ/4波片8后输入偏振分光镜7，其中，经过λ/4波片的脉冲回波信号激光，其偏振态由圆偏振光又变回线偏振光，但是偏振方向与发射的脉冲信号激光垂直；经偏振分光镜7反射的脉冲回波信号激光，从90°光混频器的信号光输入端口输入；
脉冲回波信号激光与本振激光均输入90°光混频器，经90°光混频器后输出4路相位差分别为0°、90°、180°和270°的相干光信号，其中两路相位差为0°和180°的光信号经同相支路(I支路)输入第一平衡探测器4光电转换后，得到的信号输入环路滤波与电光驱动器，产生频率控制信号，然后输入本振激光器的频率控制端，形成闭合激光锁相环路，以实现脉冲激光与连续本振激光的相位锁定；而另外两路相位差为90°和270°的光信号被正交支路(Q支路)第二平衡探测器5接收，将光电转换后的信号输入信号处理模块11。
优选地，所述第二平衡探测器5的带宽为脉冲信号激光的脉冲谱宽Δf，脉冲信号激光的谱宽Δf＝0.312/τp，τp为脉冲宽度，即探测系统的有效噪声带宽为Δf，根据脉冲信号激光的谱宽选取窄带探测器。
优选地，所述第一平衡探测器4的带宽也为脉冲信号激光的谱宽。
优选地，所述连续激光器1输出的本振激光为线偏振光，脉冲激光器6输出的脉冲信号激光为线偏振光。
优选地，所述连续激光器1输出的本振激光为窄线宽激光，其谱宽一般为kHz量级。
优选地，为保证锁相环的可靠性，脉冲激光锁相环路Ⅰ的相位误差方差σ应满足σ≤10°＝0.174rad。
优选地，在90°光混频器2的Q支路，要实现对脉冲信号的恢复且保证虚警率低于1％，则要求两路相位差为90°和270°的光信号的探测信噪比大于14.5dB。
优选地，根据脉冲激光锁相环路中I支路的探测信噪比SNRLOOP与Q支路的探测信噪比SNRQ的计算公式，可以计算出最优的本振光功率和信号光功率，以实现最佳的信噪比。SNRLOOP＝SNRQ＝4RL 2PsPL/(σT 2+RL 2PL(RIN)Δf)，其中，脉冲信号激光的脉冲谱宽为Δf，跨阻抗放大器阻抗为RL，本征激光器相对强度噪声为RIN，热噪声为σT，信号光功率为Ps，本振光功率为PL。
优选地，通过对脉冲激光锁相环路Ⅰ中的模块的小型化，使得环路的延迟减小到20ns以内，使得环路结构更紧凑，同时稳定性更好。
本发明的工作原理如下：
连续激光器输出的连续线偏振本振激光和经偏振分光镜7反射的脉冲回波信号激光输入90°光混频器后，输出4路相位差分别为0°、90°、180°和270°的相干光信号，其中两路相位差为0°和180°的光信号被同相支路(I支路)第一平衡探测器4接收，其光信号强度正比于ELOES(t)sin(Δωt+Δφ)，记为II(t)sin(Δωt+Δφ)；另外两路相位差为90°和270°的光信号被正交支路(Q支路)第二平衡探测器5接收，其光信号强度正比于ELOES(t)cos(Δωt+Δφ)，记为IQ(t)cos(Δωt+Δφ)；其中，本振激光光场振幅、角频率和初始相位分别为ELO、ωLO和φLO，脉冲信号激光光场振幅、角频率和初始相位分别为Es(t)、ωs和φs，Δω为脉冲信号激光与本振激光的角频率之差ωs-ωLO，Δφ为脉冲信号激光与本振激光的初相位之差φs-φLO，II(t)为I支路的光信号强度，IQ(t)为Q支路的光信号强度；将I支路光电转换后得到的信号输入环路滤波与电光驱动器，产生本振激光频率控制信号，以实现脉冲信号激光与连续本振激光的相位锁定，使得Δω和Δφ都趋近于零；经相位锁定后，I支路的信号趋近于零，而Q支路的光信号可以完整恢复出脉冲激光信号，根据脉冲信号激光的脉冲谱宽，选用相应的窄带探测器接收，从而显著提高了探测信噪比，实现了高灵敏度的相干探测。
本发明的有益效果为：
本发明提供的基于光锁相的脉冲激光零差相干探测装置中，连续激光器输出的连续线偏振本振激光和经偏振分光镜7反射的脉冲回波信号激光输入90°光混频器后，输出4路相位差分别为0°、90°、180°和270°的相干光信号，其中两路相位差为0°和180°的光信号经同相支路(I支路)输出，经过第一平衡探测器4光电转换后的信号输入激光锁相环路，以实现脉冲信号激光与连续本振激光的相位锁定；而另外两路相位差为90°和270°的光信号经正交支路(Q支路)输出，经过第二平衡探测器5光电转换后，可以完整的恢复出脉冲激光信号。该装置的有效噪声带宽为脉冲信号激光的脉冲谱宽，从Q支路输出的光信号，根据脉冲信号激光的脉冲谱宽，选用相应的窄带探测器接收，从而显著提高了探测信噪比，实现了高灵敏度的相干探测。同时，输入90°光混频器的脉冲回波信号激光和连续线偏振本振激光均为基模高斯光束，且模式匹配，以实现较高的相干效率。
附图说明
图1为本发明一种基于光锁相的脉冲激光零差相干探测装置的结构示意图；图1中：表示光纤连接，表示空间激光，表示电路连接，Ⅰ-脉冲激光锁相环路，Ⅱ-脉冲发射/接收系统；1-连续激光器，2-90°光混频器，3-环路滤波与电光驱动器，4-第一平衡探测器，5-第二平衡探测器，6-脉冲激光器，7-偏振分光镜，8-λ/4波片，9-光扩束系统，10-目标，11-信号处理模块。
图2为本发明装置中90°光混频器的端口示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，同时需要说明的是本发明要求保护的范围并不仅仅局限于实施例表述的范围。
实施例
图1为本发明装置的结构示意图，包括连续激光器1、脉冲激光器6、90°光混频器2、第一平衡探测器4、第二平衡探测器5、环路滤波与电光驱动器3、偏振分光镜7、λ/4波片8、光扩束系统9、目标10和信号处理模块11；其中，连续激光器1、90°光混频器2、第一平衡探测器4和环路滤波与电光驱动器3构成了脉冲激光锁相环路Ⅰ，偏振分光镜7、λ/4波片8、光扩束系统9和目标10构成了脉冲发射/接收系统Ⅱ。
连续激光器1输出单频线偏振激光作为本振激光，经光纤传输输入90°光混频器2的本振光输入端口；脉冲激光器6输出单频线偏脉冲激光信号，经偏振分光镜7和λ/4波片8后输出脉冲光信号(此处脉冲信号激光转变为圆偏振光)，再通过光扩束系统9向目标10发射；经目标10反射的回波脉冲激光信号输入光扩束系统9，从λ/4波片8输出的回波脉冲激光信号偏振状态发生变化，由圆偏振光变成线偏振光，但偏振方向与脉冲激光信号垂直，再经过偏振分光镜7输出；脉冲激光信号通过脉冲发射/接收系统Ⅱ的偏振分光镜7，输入90°光混频器2的信号光输入端口；连续激光器输出的本振激光和脉冲发射/接收系统Ⅱ的偏振分光镜输出的脉冲回波信号激光均进入90°光混频器2，经90°光混频器2的四个输出端口(如图2所示I0、I90、I180和I270，IS为信号光输入端口，ILO为本振光输入端口)输出4路相位差分别为0°、90°、180°和270°的相干光信号；其中两路相位差为0°和180°的光信号经同相支路(I支路)输入第一平衡探测器4光电转换后，得到的光信号输入环路滤波与电光驱动器，产生本振激光频率控制信号，然后输入本振激光器的频率控制端，形成闭合的脉冲激光锁相环路Ⅰ，以实现脉冲激光与连续本振激光的相位锁定，使得脉冲信号激光与本振激光的角频率之差和初相位之差均趋近于零；而另外两路相位差为90°和270°的光信号被正交支路(Q支路)第二平衡探测器5接收，可以完整恢复出脉冲激光信号。
本发明利用脉冲激光零差相干探测方式，将脉冲回波激光信号和连续本振激光均输入90°光混频器，然后输出同相支路(I支路)的两路光信号，用于实现脉冲信号激光与连续本振激光的相位锁定，输出正交支路(Q支路)的两路光信号可以完整恢复出脉冲激光信号，根据脉冲信号激光的脉冲谱宽，选用相应的窄带探测器接收，获得高灵敏度的探测信号。

Claims (2)

1.一种基于光锁相的脉冲激光零差相干探测装置，包括连续激光器(1)、脉冲激光器(6)、90°光混频器(2)、第一平衡探测器(4)、第二平衡探测器(5)、环路滤波与电光驱动器(3)、偏振分光镜(7)、λ/4波片(8)、光扩束系统(9)、目标(10)和信号处理模块(11)；
所述连续激光器(1)作为本振激光器输出连续单频线偏振本振激光，该本振激光从90°光混频器的本振光输入端口输入；
所述脉冲激光器(6)输出单频线偏脉冲信号激光，经偏振分光镜(7)和λ/4波片(8)将输出的脉冲信号激光转变为圆偏振光，再通过光扩束系统(9)向目标(10)发射脉冲信号激光；脉冲信号激光经目标(10)反射，输出的脉冲回波信号激光被光扩束系统(9)接收，经λ/4波片(8)后输入偏振分光镜(7)，经偏振分光镜(7)反射的脉冲回波信号激光，从90°光混频器的信号光输入端口输入；
脉冲回波信号激光与本振激光均输入90°光混频器，经90°光混频器后输出4路相位差分别为0°、90°、180°和270°的相干光信号，其中两路相位差为0°和180°的光信号经同相支路输入第一平衡探测器(4)光电转换后，得到的信号输入环路滤波与电光驱动器，产生频率控制信号，然后输入本振激光器的频率控制端，形成闭合激光锁相环路，以实现脉冲激光与连续本振激光的相位锁定；而另外两路相位差为90°和270°的光信号被正交支路第二平衡探测器(5)接收，将光电转换后的信号输入信号处理模块(11)。
2.根据权利要求1所述的基于光锁相的脉冲激光零差相干探测装置，其特征在于，所述第一平衡探测器和第二平衡探测器的带宽为脉冲信号激光的谱宽。
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