CN108011665B - 一种光外差探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种光外差探测系统，系统包括：信号处理模块、射频接收视频图形阵列VGA模块、功率检测模块、混频模块、以及解调与模数转换ADC模块；信号处理模块包括：现场可编程门阵列；射频接收VGA模块包括：高通滤波器、低通滤波器和第一级放大器；功率检测模块包括：1分2功率检测器、解调对数放大器、第一模数转换器和数字衰减器；混频模块包括：第一锁相环、驱动放大器和混频器；解调与模数转换ADC模块包括：1分4等相位功分器、4路解调器、第二模数转换器和4路压控振荡器。应用本发明实施例提供的光外差探测系统，可以获得较高的检测精度。

Description

一种光外差探测系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种光外差探测系统。
背景技术
目前，常常利用光直接检测系统通过检测功率，来间接获得振幅调制的射频信号，但是无法利用光直接检测系统来检测频率和相位调制的射频信号。
而利用光外差探测系统不仅可以检测振幅调制的射频信号，还可以检测频率和相位调制的射频信号。但是，目前的光外差探测系统无法获得较准确的、针对射频信号的检测结果。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种光外差探测系统，以获得较准确的、针对信号光的检测结果。具体技术方案如下：
本发明实施例提供了一种光外差探测系统，所述系统可以包括：信号处理模块、射频接收视频图形阵列VGA模块、功率检测模块、混频模块、以及解调与模数转换ADC模块；
所述信号处理模块包括：现场可编程门阵列；
所述射频接收VGA模块包括：高通滤波器、低通滤波器和第一级放大器；所述高通滤波器的输出端与所述低通滤波器的输入端电连接；所述低通滤波器的输出端与所述第一级放大器的输入端电连接；其中，所述高通滤波器的输入端用于接收待探测的射频信号；
所述功率检测模块包括：1分2功率检测器、解调对数放大器、第一模数转换器和数字衰减器；所述1分2功率检测器的输入端与所述第一级放大器的输出端电连接；所述1分2功率检测器的一个输出端与所述解调对数放大器的输入端电连接；所述解调对数放大器的输出端与所述第一模数转换器的输入端电连接；所述第一模数转换器的输出端与所述现场可编程门阵列电连接，以使所述第一模数转换器将输出端输出的电压值对应的数字信号发送至所述现场可编程门阵列；所述1分2功率检测器的另一个输出端与所述数字衰减器的输入端电连接；所述现场可编程门阵列与所述数字衰减器的输入端电连接，以使所述现场可编程门阵列基于所述第一模数转换器发送的电压值对应的数字信号，调节所述数字衰减器的衰减值；
所述混频模块包括：第一锁相环、驱动放大器和混频器；所述第一锁相环的输入端与所述现场可编程门阵列电连接，以使所述第一锁相环的接收端接收所述可编程门阵列发送的本振信号；所述第一锁相环的输出端与所述驱动放大器的输入端电连接；所述驱动放大器的输出端与所述混频器的输入端电连接；所述混频器的输入端还与所述数字衰减器的输出端电连接；
所述解调与模数转换ADC模块包括：1分4等相位功分器、4路解调器、第二模数转换器和4路压控振荡器；所述1分4等相位功分器的输入端与所述混频器的输出端电连接；所述1分4等相位功分器的输出端与所述4路解调器的输入端电连接；所述4路解调器的输入端还与所述4路压控振荡器的输出端电连接；所述4路解调器的输出端与所述第二模数转换器的输入端电连接；所述第二模数转换器的输出端与所述现场可编程门阵列电连接，以使所述第二模数转换器将输出端输出的电压值对应的数字信号发送至所述现场可编程门阵列，以使所述现场可编程门阵列基于所述第二模数转换器发送的数字信号计算所述射频信号对应的基带信号；所述4路压控振荡器的输入端与所述现场可编程门阵列电连接，以使所述4路压控振荡器接收所述现场可编程门阵列发送的本振信号。
可选地，所述系统还可以包括：频率牵引模块；所述频率牵引模块设置于所述功率检测模块和所述混频模块之间；
所述频率牵引模块包括：电阻1-2功分器、5分频器和第二锁相环；所述电阻1-2功分器的输入端与所述功率检测模块中数字衰减器的输出端电连接；所述电阻1-2功分器的一个输出端与所述5分频器的输入端电连接；所述5分频器的输出端与所述第二锁相环的输入端电连接；所述电阻1-2功分器的另一个输出端与所述混频模块中混频器的输入端电连接。
可选地，所述5分频器可以包括：第一5分频器和第二5分频器；
所述第一5分频器的输入端与所述电阻1-2功分器的一个输出端电连接；所述第一5分频器的输出端与所述第二5分频器的输入端电连接；所述第二5分频器的输出端和所述第二锁相环的输入端电连接。
可选地，所述频率牵引模块还可以包括：第二级放大器；
所述电阻1-2功分器的另一个输出端与所述第二级放大器的输入端电连接；所述第二级放大器的输出端与所述混频模块中混频器的输入端电连接。
可选地，所述系统还可以包括：数字时钟管理模块；所述数字时钟管理模块的输出端与所述现场可编程门阵列电连接，以使所述数字时钟管理模块将时钟信号发送给所述现场可编程门阵列。
在本发明实施例中，光外差探测系统包括：信号处理模块、射频接收VGA模块、功率检测模块、混频模块、以及解调与模数转换ADC模块。该光外差探测系统可以通过射频接收VGA模块中的高通滤波器接收射频信号，该模块实现对射频信号的噪声去除。然后，利用功率检测模块对去噪后的射频信号进行功率检测，实现将去除噪声后的射频信号转换为电压值，并将电压值转换为对应的数字信号，然后将该数字信号发送给信号处理模块。信号处理模块接收到功率检测模块发送的数字信号后，基于该数字信号调节该功率检测模块中的数字衰减器的衰减值。然后，该数字衰减器基于该衰减值对接收到的信号进行衰减，得到衰减后的射频信号。进而，混频模块可以将第一锁相环和驱动放大器处理后的本振信号和该衰减后的射频信号进行混频。然后，解调与模数转换ADC模块可以对混频得到的信号发进行解调，得到射频信号对应的基带信号的数字信号，并把该基带信号的数字信号发送给信号处理模块。从而，该信号处理模块可以基于该基带信号的数字信号，获得准确度较高的基带信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的光外差探测系统的一种系统框图；
图2为本发明实施例提供的光外差探测系统的另一种系统框图；
图3为本发明实施例提供的一种混频模块的结构示意图；
图4为一种光外差探测系统的结构示意图；
图5为信号光和本振光的夹角示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术中的问题，本发明实施例提供了一种光外差探测系统。
下面结合图1图2，对本发明实施例提供的光外差探测系统进行说明。
参见图1和图2，本发明实施例提供的光外差探测系统可以包括：信号处理模块100、射频接收VGA(Video Graphics Array，视频图形阵列)模块200、功率检测模块300、混频模块400、以及解调与模数转换ADC模块500；
所述信号处理模块100包括：现场可编程门阵列101；
所述射频接收VGA模块200包括：高通滤波器201、低通滤波器202和第一级放大器203；所述高通滤波器201的输出端与所述低通滤波器202的输入端电连接；所述低通滤波器202的输出端与所述第一级放大器203的输入端电连接；其中，所述高通滤波器201的输入端用于接收待探测的射频信号；
所述功率检测模块300包括：1分2功率检测器301、解调对数放大器302、第一模数转换器303和数字衰减器304；所述1分2功率检测器301的输入端与所述第一级放大器203的输出端电连接；所述1分2功率检测器301的一个输出端与所述解调对数放大器302的输入端电连接；所述解调对数放大器302的输出端与所述第一模数转换器303的输入端电连接；所述第一模数转换器303的输出端与所述现场可编程门阵列101电连接，以使所述第一模数转换器303将输出端输出的电压值对应的数字信号发送至所述现场可编程门阵列101；所述1分2功率检测器301的另一个输出端与所述数字衰减器304的输入端电连接；所述现场可编程门阵列101与所述数字衰减器304的输入端电连接，以使所述现场可编程门阵列101基于所述第一模数转换器303发送的电压值对应的数字信号，调节所述数字衰减器304的衰减值，以使所述现场可编程门阵列101基于所述第一模数转换器303发送的电压值对应的数字信号，调节所述数字衰减器304的衰减值；
所述混频模块400包括：第一锁相环401、驱动放大器402和混频器403；所述第一锁相环401的输入端与所述现场可编程门阵列101电连接，以使所述第一锁相环401的接收端接收所述可编程门阵列101发送的本振信号；所述第一锁相环401的输出端与所述驱动放大器402的输入端电连接；所述驱动放大器402的输出端与所述混频器403的输入端电连接；所述混频器403的输入端还与所述数字衰减器304的输出端电连接；
所述解调与模数转换ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换)模块500包括：1分4等相位功分器501、4路解调器502、第二模数转换器503和4路压控振荡器504；所述1分4等相位功分器501的输入端与所述混频器403的输出端电连接；所述1分4等相位功分器501的输出端与所述4路解调器502的输入端电连接；所述4路解调器502的输出端还通过第二模数转换器503与所述4路压控振荡器504的输入端电连接；所述4路解调器502的输出端与所述第二模数转换器503的输入端电连接；所述第二模数转换器503的输出端通过所述4路压控振荡器504与所述现场可编程门阵列101电连接，以使所述第二模数转换器503将输出端输出的电压值对应的数字信号发送至所述现场可编程门阵列101，以使所述现场可编程门阵列101基于所述第二模数转换器503发送的数字信号计算所述射频信号对应的基带信号；所述4路压控振荡器504的输出端与所述现场可编程门阵列101电连接，以使所述4路压控振荡器504发送给所述现场可编程门阵列101本振信号。
在本发明实施例中，光外差探测系统包括：信号处理模块、射频接收VGA模块、功率检测模块、混频模块、以及解调与模数转换ADC模块。该光外差探测系统可以通过射频接收VGA模块中的高通滤波器接收射频信号，该模块实现对射频信号的噪声去除。然后，利用功率检测模块对去噪后的射频信号进行功率检测，实现将去除噪声后的射频信号转换为电压值，并将电压值转换为对应的数字信号，然后将该数字信号发送给信号处理模块。信号处理模块接收到功率检测模块发送的数字信号后，基于该数字信号调节该功率检测模块中的数字衰减器的衰减值。然后，该数字衰减器基于该衰减值对接收到的信号进行衰减，得到衰减后的射频信号。进而，混频模块可以将第一锁相环和驱动放大器处理后的本振信号和该衰减后的射频信号进行混频。然后，解调与模数转换ADC模块可以对混频得到的信号发进行解调，得到射频信号对应的基带信号的数字信号，并把该基带信号的数字信号发送给信号处理模块。从而，该信号处理模块可以基于该基带信号的数字信号，获得准确度较高的基带信号。
下面分别对本发明实施例提供的光外差探测系统的各个组成部件进行详细说明。
现场可编程门阵列101具体可以采用型号为XC7K325T-3FFG676I的FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)芯片。该FPGA芯片可以接收4路第二模数转换器503的采样数据，即采样得到的基带信号对应的数字信号，并缓存至该FPGA芯片内部，然后利用匹配滤波算法、符号定时恢复和非相干解调判决等解调算法进行计算，计算结果经过GTX硬核发送给光缆。同时，FPGA芯片还可以用于：对RF(Radio Frequency，射频)模块、数字部分的数字芯片进行的初始化，以及对各个芯片的寄存器进行控制。还可以用于：对可编程只读存储器PROM板卡自检、动态配置和部分动态重配置。
高通滤波器201可以采用型号为HFCN-3800的高通滤波芯片，并且，高通滤波器201可以接收调制发射端发送的射频信号，即信号光。低通滤波器202可以采用型号为LFCN-6000的低通滤波芯片，并接收由高通滤波器201进行高通滤波后的射频信号。这样，通过高通滤波器201和低通滤波器202可以形成带通滤波，对带外射频信号进行抑制，能够保持较好的带内射频信号的平坦度。
第一级放大器203具体可以采用型号为TGA2611-SM的芯片，增益设置为25dB，噪声系数NF设置小于等于0.525dB，从而可以对带内射频信号进行放大。放大后的射频信号通过1分2功率检测器301进行功率1分2后，一路输出给数字衰减器304，实现射频信号的功率衰减。另一路输出给解调对数放大器302，实现将功率信号转换为电压信号。然后，第一模数转换器303将转换得到的电压信号转换为数字信号，然后将该数字信号发送给FPGA芯片。
其中，该1分2功率检测器301具体可以采用型号为AD8318ACPZ-WP的芯片，用于输入信号检测。数字衰减器304具体可以采用型号为PE43711的芯片，从而可以实现4dB、8dB或1625dB的衰减，其中，具体衰减量由FPGA芯片根据第一模数转换器303发送的数字信号计算得到。另外，该解调对数放大器302具体可以采用型号为AD8318的芯片。该第一模数转换器303具体可以采用型号为AD7680的芯片。
第一锁相环401可以接收FPGA芯片发送的本振信号，然后输出3.4GHZ固定点频信号(即一个固定频率点上产生的信号)，并通过驱动放大器402对该固定点频信号进行放大，然后输出给混频器403。这样，通过混频器403可以将调制信号的频率降低至0.4-2.2GHZ的射频信号。其中，该第一锁相环401可以采用型号为ADF4351的芯片，该混频器403可以采用型号为HMC218(具体可以采用HMC218BMS8GE)的芯片。
其中，混频器403可由如图3所示的光混频平衡检测器、光电转换器APD、求和器和串并转换输出器构成。其中，Es为接收到的信号光，EL为本振光，两路输入经过混频器后得到的输出为：
Figure GDA0002530876670000071
Figure GDA0002530876670000072
Figure GDA0002530876670000073
Figure GDA0002530876670000074
其中，光混频平衡检测器的4路输出由光电转换器APD转换为电平信号。本振光波长要求与接受到的信号光波长有一个频差，频差允许有一定的波动，但不能太大。由于不存在相位跟踪和频率跟踪的问题，因此不需要使用第二锁相环。但在与高速目标通信时，需要对多普勒频偏进行补偿。
另外，1分4等相位功分器具体可以采用型号为SC4PS-33+的芯片，可以将降频后的射频信号分为4路。4路解调器502具体可以采用型号为ADL5380，可以将降频后的射频信号变模拟中频信号。并且，4路压控振荡器504(即LO)由ADF4351提供相位0、90、180和270，对1.3GHZ的载波信号进行相位调制，从而利用0.4-4.4GHZ射频信号与1.3GHZ进行混频，得到中频正负900MHZ信号，并将该中频正负900MHZ信号发送给第二模数转换器503。其中，中频信号相位也保持正交。
其中，第二模数转换器503的芯片可以选用的是TI公司的最高3600M采样率的双通道12bit ADC12D1800，主要负责完成解调高宽带(最高1800M)中频信号的模数转换，并将转换结果发送至FPGA实现数字中频处理。
其中，ADC12D1x00系列12位超高速模拟/数字转换器的特点为：
采用散热能力更强的292球BGA(Ball Grid Array，焊球阵列)封装，有含铅与不含铅两种可供选择，而且可与ADC10D1000与ADC10D1500两款模拟/数字转换器引脚兼容。12位的模拟/数字转换器只需采用一个1.9V的电源供应，内置的两条通道可以交替或独立操作。该系列芯片还具有多芯片同步、可编程增益、每通道的电压偏移都可独立调整等功能。此外，这些12位的模拟/数字转换器还内置跟踪和保持放大器以及校准范围更大的自我校准电路，因此即使输入频率超过2GHz，也可对所有动态参数作出非常平直的响应，而且误码率极低。
可选地，所述系统还包括：频率牵引模块600；所述频率牵引模块600设置于所述功率检测模块300和所述混频模块400之间；
所述频率牵引模块600包括：电阻1-2功分器601、5分频器602和第二锁相环603；所述电阻1-2功分器601的输入端与所述功率检测模块300中数字衰减器304的输出端电连接；所述电阻1-2功分器601的一个输出端与所述5分频器602的输入端电连接；所述5分频器602的输出端与所述第二锁相环603的输入端电连接；所述电阻1-2功分器601的另一个输出端与所述混频模块400中混频器403的输入端电连接。
其中，数字衰减器304输出的射频信号在经过电阻1-2功分器601后，信号的频率可以降低至152-224MHZ，并降低至152-224MHZ的信号发给所述5分频器602，所述5分频器602输出信号至第二锁相环603作为参考信号，从而可以保持锁定输出1路3.4-6.8GHZ，步进10KHZ。其中，第二锁相环603具体可以采用型号为ADF5355的芯片，可以采用型号为ADF4351的芯片，用于给变频和解调操作提供较为合适的本振信号。
其中，芯片ADF5355的寄存器配置程序算法可以为：
令输入信号A(3.8-5.6GHz，步进10KHz)，输出信号B(3.4-6.8GHz，步进10KHz)中间变量鉴相频率PFD＝A/50，MOD2＝4A。
寄存器R0
B/PFD＝C，C取整＝D，D换2进制进入寄存器R0的DB19-DB4，DB21，DB20，写1.DB3，DB2，DB1，DB0全0。
寄存器R1
C取余＝E，E*16777216＝F，F取整＝G，G换2进制进入寄存器R1号的DB27-DB4，DB31，DB30，DB29，DB28全0，DB3，DB2，DB1，DB0＝0001。
寄存器R2
F取余＝H，H*MOD2＝Q，Q换2进制进入寄存器R2号的DB31-DB18，MOD2换算2进制进入寄存器3号的DB17-DB4，DB3，DB2，DB1，DB0写0010，整体换算16进制存。
可选地，所述5分频器602包括：第一5分频器6021和第二5分频器6022；
所述第一5分频器6021的输入端与所述电阻1-2功分器601的一个输出端电连接；所述第一5分频器6021的输出端与所述第二5分频器6022的输入端电连接；所述第二5分频器6022的输出端和所述第二锁相环603的输入端电连接。
其中，利用两个5分频器，即利用第一5分频器6021和第二5分频器6022，可以用于射频牵引同步降低输入参考。
可选地，所述频率牵引模块600还包括：第二级放大器604；
所述电阻1-2功分器601的另一个输出端与所述第二级放大器604的输入端电连接；所述第二级放大器604的输出端与所述混频模块400中混频器403的输入端电连接。
其中，第二级放大器604可以用于用于提升接收链路增益并降低噪声系数。
可选地，所述系统还包括：数字时钟管理模块700；所述数字时钟管理模块700的输出端与所述现场可编程门阵列101电连接。
其中，该数字时钟管理模块700可以包括CDCE62005时钟芯片、无源晶振、LMK00301和8259S0424I等，从而可以给FPGA芯片提供时钟信号，进而使得FPGA芯片根据该时钟信号输出本振信号。其中，该LMK00301可以将射频侧的10M时钟分发给CDCE62005用以实现整板同源，8259S0424I可以实现ADC同步钟的选择。
可以理解的是，本发明实施例提供的系统还可以包括电源模块，该电源模块可用于对该系统进行供电，该电源模块可输入+12V，+5.5V的电压。其中，上电顺序为：该系统电源均从+12V源输入，然后通过芯片LTM4630或芯片LTM4644进行第一级转换，后级经过LDO(low dropout regulator，低压差线性稳压器)实现稳压。其中，可以通过以下方式模拟电源：12V电压经过芯片LM38798输出10V电压，5.5V电压经过芯片TPS63700输出-2.3V电压给第一级放大器TGA2611-SM。5.5V电压经过芯片LP5900输出给PLL(Phase Locked Loop，锁相环)芯片，即第二锁相环芯片，5.5V电压经过芯片LM3878输出5V电压，3.3V电压给其他射频芯片。
下面结合图4和图5对光外差探测系统做进一步说明。
本发明实施例提供的光外差探测系统可以检测振幅调制的、频率调制的进和相位调制的信号光(即射频信号)。并且通过本发明实施例提供的光外差探测系统，可以将信号光和本振光(即本振信号)的频率之差保持为一常量，从而得到较为准确的中频信号。
其中，本发明实施例提供的光外差探测系统可以通过射频接收VGA(VideoGraphics Array，视频图形阵列)模块200和功率检测模块300，使进入混频模块400的信号光和本振光的夹角尽可能的趋向于0，使空间条件满足
Figure GDA0002530876670000101
其中，θ为如图4所示的两束光的夹角光，l为如图4所示的检测器光敏面线度，波长越短或者口径越大，要求相位差θ越小，越难以满足要求。
另外，本发明实施例提供的光外差探测系统，还可以通过射频接收VGA模块200和功率检测模块300，使进入混频模块400的信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳定性，从而满足频率条件。
从而使得发明实施例提供的光外差探测系统的检测精度要比光直接检测高7到8个数量级，并且灵敏度可以达到量子噪声的极限，NEP(Noise Equivalent Power，噪声等效功率)值可以达到10-20W。
下面，对光直接检测系统和光外差探测系统的区别进行如下说明。
在光直接检测系统中，检测器检测的光功率为平均光功率：
Figure GDA0002530876670000111
从此式中可以看出光波直接检测只能通过检测功率间接获得信号光的振幅。
对于光外差探测系统可以参见图4：其中，fS为信号光，fL为本振光。信号光为
Figure GDA0002530876670000112
本振光为
Figure GDA0002530876670000113
干涉后的表达式为
Figure GDA0002530876670000114
光电探测器(APD)将入射到探测器上的光功率转换为光电流，其表达式为：
Figure GDA0002530876670000115
探测器的响应与输入光的平方成正比，所以探测器的光电流为：
Figure GDA0002530876670000116
其中，式中
Figure GDA0002530876670000117
并且，式中第一项和第二项为余弦函数的平均值；第三项为和频，由于频率过高，探测器对这一信号无法响应；第四项为差频项，当差频信号(wL-ws)/2π＝wC/2π低于探测器的上限截止频率时，探测器就有频率为wC/2π的光电流输出。
从上可见，光外差探测系统的探测能力相比光直接探测系统的探测能力更好，光外差探测系统不仅能探测出振幅和强度调制的信号光，而且可以检测出相位和频率调制的信号光。光外差探测系统光电探测器输出的电流为
Figure GDA0002530876670000121
负载上的瞬时中频电压表达式为
Figure GDA0002530876670000122
输出的信号功率为：
Figure GDA0002530876670000123
其中
Figure GDA0002530876670000124
另外，可以假设光外差探测系统的探测器的中频输出和光电探测器(APD)的输出分别为PC和PO，则有转换增益：
Figure GDA0002530876670000125
取差频信号带宽为处理器的带宽Δf＝(wL-ws)/2π＝fL-fS，则光外差检测系统相当与一个低通滤波器，这一系统可以有效抑制噪声。
假设存在进入光外差探测系统的杂散光fB(t)，其功率为PB。则探测器的输入电流为：
Figure GDA0002530876670000126
输出信噪比为
Figure GDA0002530876670000127
对于内部增益为G的光外差探测系统。假定探测器有转换增益G，则探测器的输出为：
Figure GDA0002530876670000128
考虑外差探测系统中的噪声问题，则在带宽为Δf的带通滤波器输出端，噪声功率为：
Figure GDA0002530876670000129
此时中频滤波器输出的信噪比为：
Figure GDA00025308766700001210
如果本振光的功率足够大的时候，前式简化为
Figure GDA0002530876670000131
即得到外差探测系统的量子噪声极限。对于热噪声为主要噪声来源的系统，要实现比较理想的噪声性能，必须有：
Figure GDA0002530876670000132
若令信噪比S/N＝1，则可以求得相干探测的噪声等效功率NEP为：
Figure GDA0002530876670000133
当η＝1，Δf＝1时，即实现单光子计数NEP＝hv。
其中，假定信号光与本振光重合并垂直入射到光混频器表面上，即信号光和本振光在光混频器表面保持相同的相位关系，由此可知通过带通滤波器的瞬时中频信号，也就是说要求信号光与本振光的波前必须重合，必须保持信号光与本振光在空间上的角度准直。假设本振光入射光混频器表面有一个夹角，令本振光的表达式为：
Figure GDA0002530876670000134
另假设信号光垂直入射探测器：相当于信号光斜入射到光混频器的表面，在光混频器接收面上个点的相位是不同的，则可以将信号光写成：
Figure GDA0002530876670000135
本振光随x方向分布的相位差
Figure GDA0002530876670000136
其中
Figure GDA0002530876670000137
折射率n＝1。
此时入射到表面的本振光为
Figure GDA0002530876670000138
x点的响应电流为
Figure GDA0002530876670000139
则光敏面总响应电流为：
Figure GDA00025308766700001310
式中，Ad为探测器面积，l为x方向的长度。当
Figure GDA00025308766700001311
时中频电流最大，由此得到外差探测系统的空间相位条件βl/2＜＜1，又有
Figure GDA00025308766700001312
则
Figure GDA00025308766700001313
或近似为
Figure GDA00025308766700001314
光外差探测系统如要形成很强的差频信号对信号光和本振光的空间准直要求非常严格，因此使得背景和杂散光产生的噪声被滤除，即光外差探测系统具有很好的空间滤波能力，但同时也增加了系统调试的难度，而本发明实施例提供的光外差探测系统能够通过参数配置方便的调节本振信号的相位，使得信号光和本振光的相位满足空间条件。
光外差探测系统要求光的单色性非常好，而本发明实施例提供的光外差探测系统能够提供单色性较好的光。光外差探测是两束光波叠加后产生干涉的结果，光的单色性越好，干涉信号越强。若信号光和本振光的频率相对漂移过大，两者之间的频差有可能超过中频滤波器的带宽，则光混频器之后的前置放大和中频放大电路对中频信号不能正确的处理。
综上，应用本发明实施例提供的光外差探测系统包括：信号处理模块、射频接收VGA模块、功率检测模块、混频模块、以及解调与模数转换ADC模块。该光外差探测系统可以通过射频接收VGA模块中的高通滤波器接收射频信号，该模块实现对射频信号的噪声去除。然后，利用功率检测模块对去噪后的射频信号进行功率检测，实现将去除噪声后的射频信号转换为电压值，并将电压值转换为对应的数字信号，然后将该数字信号发送给信号处理模块。信号处理模块接收到功率检测模块发送的数字信号后，基于该数字信号调节该功率检测模块中的数字衰减器的衰减值。然后，该数字衰减器基于该衰减值对接收到的信号进行衰减，得到衰减后的射频信号。进而，混频模块可以将第一锁相环和驱动放大器处理后的本振信号和该衰减后的射频信号进行混频。然后，解调与模数转换ADC模块可以对混频得到的信号发进行解调，得到射频信号对应的基带信号的数字信号，并把该基带信号的数字信号发送给信号处理模块。从而，该信号处理模块可以基于该基带信号的数字信号，获得准确度较高的基带信号。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种光外差探测系统，其特征在于，所述系统包括：信号处理模块、射频接收视频图形阵列VGA模块、功率检测模块、混频模块、以及解调与模数转换ADC模块；
所述信号处理模块包括：现场可编程门阵列；
所述射频接收VGA模块包括：高通滤波器、低通滤波器和第一级放大器；所述高通滤波器的输出端与所述低通滤波器的输入端电连接；所述低通滤波器的输出端与所述第一级放大器的输入端电连接；其中，所述高通滤波器的输入端用于接收待探测的射频信号；
所述功率检测模块包括：1分2功率检测器、解调对数放大器、第一模数转换器和数字衰减器；所述1分2功率检测器的输入端与所述第一级放大器的输出端电连接；所述1分2功率检测器的一个输出端与所述解调对数放大器的输入端电连接；所述解调对数放大器的输出端与所述第一模数转换器的输入端电连接；所述第一模数转换器的输出端与所述现场可编程门阵列电连接，以使所述第一模数转换器将输出端输出的电压值对应的数字信号发送至所述现场可编程门阵列；所述1分2功率检测器的另一个输出端与所述数字衰减器的输入端电连接；所述现场可编程门阵列与所述数字衰减器的输入端电连接，以使所述现场可编程门阵列基于所述第一模数转换器发送的电压值对应的数字信号，调节所述数字衰减器的衰减值；
所述混频模块包括：第一锁相环、驱动放大器和混频器；所述第一锁相环的输入端与所述现场可编程门阵列电连接，以使所述第一锁相环的接收端接收所述可编程门阵列发送的本振信号；所述第一锁相环的输出端与所述驱动放大器的输入端电连接；所述驱动放大器的输出端与所述混频器的输入端电连接；所述混频器的输入端还与所述数字衰减器的输出端电连接；
所述解调与模数转换ADC模块包括：1分4等相位功分器、4路解调器、第二模数转换器和4路压控振荡器；所述1分4等相位功分器的输入端与所述混频器的输出端电连接；所述1分4等相位功分器的输出端与所述4路解调器的输入端电连接；所述4路解调器的输入端还与所述4路压控振荡器的输出端电连接；所述4路解调器的输出端与所述第二模数转换器的输入端电连接；所述第二模数转换器的输出端与所述现场可编程门阵列电连接，以使所述第二模数转换器将输出端输出的电压值对应的数字信号发送至所述现场可编程门阵列，以使所述现场可编程门阵列基于所述第二模数转换器发送的数字信号计算所述射频信号对应的基带信号；所述4路压控振荡器的输入端与所述现场可编程门阵列电连接，以使所述4路压控振荡器接收所述现场可编程门阵列发送的本振信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：频率牵引模块；所述频率牵引模块设置于所述功率检测模块和所述混频模块之间；
所述频率牵引模块包括：电阻1-2功分器、5分频器和第二锁相环；所述电阻1-2功分器的输入端与所述功率检测模块中数字衰减器的输出端电连接；所述电阻1-2功分器的一个输出端与所述5分频器的输入端电连接；所述5分频器的输出端与所述第二锁相环的输入端电连接；所述电阻1-2功分器的另一个输出端与所述混频模块中混频器的输入端电连接。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述5分频器包括：第一5分频器和第二5分频器；
所述第一5分频器的输入端与所述电阻1-2功分器的一个输出端电连接；所述第一5分频器的输出端与所述第二5分频器的输入端电连接；所述第二5分频器的输出端和所述第二锁相环的输入端电连接。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述频率牵引模块还包括：第二级放大器；
所述电阻1-2功分器的另一个输出端与所述第二级放大器的输入端电连接；所述第二级放大器的输出端与所述混频模块中混频器的输入端电连接。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：数字时钟管理模块；所述数字时钟管理模块的输出端与所述现场可编程门阵列电连接，以使所述数字时钟管理模块将时钟信号发送给所述现场可编程门阵列。
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