CN109470360B - 基于超导热电子探测器相干和非相干探测系统和探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是基于超导热电子探测器相干和非相干探测系统和探测方法，包括斩波器、波束耦合器、太赫兹本振信号源、超导热电子探测器、bias‑T电路、低温低噪声放大器、直流偏置电源、常温中频放大器和锁定放大器、频谱仪，其中低温低噪声放大器和常温中频放大器共同组成中频放大链路，中频放大链路和超导热电子探测器共同组成兼具相干检测和非相干检测的特性的接收系统，该种探测系统能够同时兼顾并实现连续谱和高分辨谱探测快速切换，短时间获取更全面的目标特性信息，提高太赫兹信号探测效率。
Description
技术领域
本发明是涉及太赫兹技术领域，具体的说是基于超导热电子探测器相干和非相干探测系统和探测方法。
背景技术
类似于其他频段，太赫兹频段被动探测分为相干探测和非相干探测两种模式。在太赫兹相干探测模式中，能够同时探测信号的幅度和相位信息，主要应用于高频率分辨的谱线观测，以及具有高空间分辨率的天线干涉阵列中。太赫兹频段非相干探测模式则只能探测信号的幅度信息，而不能获取其相位信息，主要应用于低频率分辨率的连续谱观测和分光频谱仪的中频率分辨率谱线观测。一般地，实现太赫兹频段相干探测和非相干探测，往往需要由两套独立的被动探测接收机系统来完成。
在太赫兹相干探测的接收机系统中，主要包含太赫兹本振信号源，用于太赫兹本振信号源和外部待测信号耦合的波束分离器、太赫兹混频器及其直流偏置电源、低温低噪声放大器、常温中频以及频谱仪等。待测信号与太赫兹本振信号通过太赫兹混频器混频至中频，经过中频电路的信号调理，最后供后端频谱仪进行频谱处理。并从频谱处理数据中提取待测信号的频谱信息。由于相干探测时，太赫兹混频器的灵敏度受量子极限噪声限制，因此在一定程度上限制了微弱信号检测下限。正如前面所述，太赫兹相干探测可以提取信号的幅度和相位信息，可以根据本振信号源频谱特性，高分辨还原待测信号频谱，这是相干检测优点。
在太赫兹非相干探测接收机系统中，主要包含用于信号调制的斩波器、太赫兹探测器及其直流偏置电源、用于检波信号读出的锁定放大器。由于太赫兹探测器的直接检波效应，对外部待测信号的辐射下，将引起其偏置电压（或电流）的变化，读取太赫兹探测检波电压或电流的变化，可反演出外部信号的幅度信息，在非相干探测时，太赫兹探测器灵敏度不受量子极限噪声限制，因此可以实现背景极限的微弱信号检测，这是非相干探测的优点。正如前面所述，太赫兹非相干探测仅可提取待测信号的幅度信息，因此可用于宽带连续谱的探测，进而获得连续谱辐射强度。
从前述的太赫兹相干和非相干探测接收机系统说明可知，相干探测模式和非相干探测模式各具有优势，且两种不同的探测模式往往需要两个独立系统来实现。因此需要一种能够兼顾相干和非相干探测的优点的探测系统和探测方法。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供基于超导热电子探测器相干和非相干探测系统和探测方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于超导热电子探测器相干和非相干探测系统，其特征在于：包括斩波器、波束耦合器、太赫兹本振信号源、超导热电子探测器、bias-T电路、低温低噪声放大器、直流偏置电源、常温中频放大器和锁定放大器、频谱仪；
所述的斩波器与波束耦合器信号输入端连接，所述的太赫兹本振信号源与波束耦合器信号输入端连接，波束耦合器信号输出端与超导热电子探测器信号连接，所述的超导热电子探测器与bias-T电路连接，所述的直流偏置电源通过bias-T电路为超导热电子探测器提供偏置电压，所述的bias-T电路与低温低噪声放大器连接，低温低噪声放大器与常温中频放大器信号连接，常温中频放大器分别与锁定放大器和频谱仪连接，所述的斩波器与锁定放大器信号连接，所述的超导热电子探测器、bias-T电路、低温低噪声放大器均设置在低温杜瓦内；
所述的波束耦合器在太赫兹信号非相干探测时用于信号通道，在太赫兹信号相干探测时用于将被测信号和本振信号源信号耦合输出；
所述的超导热电子探测器在太赫兹信号非相干探测时用于将检波信号的中频信号输出，在太赫兹信号相干探测时作为混频器用于将被测信号和本振信号源信号混频输出；
所述的锁定放大器在太赫兹信号非相干探测时用于实现同步检波信号读出；
所述的频谱仪在太赫兹信号相干探测时用于进行太赫兹信号频谱检测；
所述的bias-T电路用于交、直流信号分离。
所述的低温杜瓦为4K杜瓦。
基于超导热电子探测器相干和非相干探测系统的探测方法，其特征在于：包括太赫兹信号相干探测方法和太赫兹信号非相干探测方法；
所述的太赫兹信号相干探测方法具体步骤为：斩波器处于信号通路打开状态，太赫兹本振信号源开启，通过斩波器输入的检波信号与太赫兹本振信号源信号经过波束耦合器实现耦合后，由超导热电子探测器混频至中频，依次通过低温低噪声放大器和常温中频放大器进行信号的放大、调理，最后提供给后端的频谱仪进行太赫兹信号频谱检测；
所述的太赫兹信号非相干探测方法具体步骤为：斩波器处于信号通路打开状态，太赫兹本振信号源关闭，斩波器对输入的检波信号调制后，通过波束耦合器将检波信号发送到超导热电子探测器，并由超导热电子探测器进行中频输出，依次通过低温低噪声放大器和常温中频放大器进行信号的放大、调理，实现常温中频建波输出，最后将检波信号发送给锁定放大器，锁定放大器结合直接接收的斩波器输出的检波信号进行同步信号检波读出。
太赫兹信号相干探测方法中工作带宽为常温中频输出带宽，太赫兹信号非相干探测方法中工作带宽为超导热电子探测器的射频带宽。
本发明基于超导热电子探测器相干和非相干探测系统和探测方法的有益效果是：该种探测系统能够兼顾相干和非相干探测技术的优点，通过同一接收机系统实现兼具相干探测模式和非相干探测模式的太赫兹信号被动探测。本申请中采用兼具相干和非相干探测特性的超导热电子探测器和中频放大链路，即在太赫兹信号相干探测和太赫兹信号非相干探测过程中采用同一套接收设备，可有效实现连续谱和高分辨谱探测快速切换，短时间获取更全面的目标特性信息，提高太赫兹信号探测效率。此外，采用超导热电子探测器的等温效应从中频链路进行太赫兹信号的非相干检测，读出避免传统采用低频直流偏置读出方式时固有的1/f噪声的影响，进而提高噪声等效功率测试精度。
附图说明
图1为本发明基于超导热电子探测器相干和非相干探测系统的结构原理图。
附图标记：1、斩波器；2、波束耦合器；3、太赫兹本振信号源；4、低温杜瓦；5、超导热电子探测器；6、bias-T电路；7、低温低噪声放大器；8、直流偏置电源；9、常温中频放大器；10、锁定放大器；11、频谱仪。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，基于超导热电子探测器相干和非相干探测系统，其特征在于：包括斩波器1、波束耦合器2、太赫兹本振信号源3、超导热电子探测器5、bias-T电路6、低温低噪声放大器7、直流偏置电源8、常温中频放大器9和锁定放大器10、频谱仪；
所述的斩波器1与波束耦合器2信号输入端连接，所述的太赫兹本振信号源3与波束耦合器2信号输入端连接，波束耦合器2信号输出端与超导热电子探测器5信号连接，所述的超导热电子探测器5与bias-T电路6连接，所述的直流偏置电源通过bias-T电路为超导热电子探测器提供偏置电压，所述的bias-T电路6与低温低噪声放大器7连接，低温低噪声放大器7与常温中频放大器9信号连接，常温中频放大器9分别与锁定放大器10和频谱仪11连接，所述的斩波器1与锁定放大器10信号连接，所述的超导热电子探测器5、bias-T电路6、低温低噪声放大器7均设置在低温杜瓦4内；
所述的波束耦合器2在太赫兹信号非相干探测时用于信号通道，在太赫兹信号相干探测时用于将被测信号和本振信号源信号耦合输出；
所述的超导热电子探测器5在太赫兹信号非相干探测时用于将检波信号的中频信号输出，在太赫兹信号相干探测时作为混频器用于将被测信号和本振信号源信号混频输出；
所述的锁定放大器10在太赫兹信号非相干探测时用于实现同步检波信号读出；
所述的频谱仪11在太赫兹信号相干探测时用于进行太赫兹信号频谱检测；
所述的bias-T电路6用于交、直流信号分离。
本实施例中，低温杜瓦4为4K杜瓦。
本实施例中，斩波器1用于对输入的检波信号进行调制；
太赫兹本振信号源3用于提供在太赫兹信号相干探测时的本振源信号；
低温低噪声放大器7用于放大超导热电子探测器5输出的中频信号；
常温中频放大器9用于放大低温低噪声放大器7输出的中频信号；
本实施例中，低温低噪声放大器7和常温中频放大器9共同形成了中频放大链路，中频放大链路结合超导热电子探测器5共同形成了接收系统，兼具相干检测和非相干检测的特性，简化了系统构成。
基于超导热电子探测器相干和非相干探测系统的探测方法，其特征在于：包括太赫兹信号相干探测方法和太赫兹信号非相干探测方法；
所述的太赫兹信号相干探测方法具体步骤为：斩波器1处于信号通路打开状态，太赫兹本振信号源3开启，通过斩波器1输入的检波信号与太赫兹本振信号源3信号经过波束耦合器2实现耦合后，由超导热电子探测器5混频至中频，依次通过低温低噪声放大器7和常温中频放大器9进行信号的放大、调理，最后提供给后端的频谱仪11进行太赫兹信号频谱检测；
所述的太赫兹信号非相干探测方法具体步骤为：斩波器1处于信号通路打开状态，太赫兹本振信号源3关闭，斩波器1对输入的检波信号调制后，通过波束耦合器2将检波信号发送到超导热电子探测器5，并由超导热电子探测器5进行中频输出，依次通过低温低噪声放大器7和常温中频放大器9进行信号的放大、调理，实现常温中频建波输出，最后将检波信号发送给锁定放大器10，锁定放大器10结合直接接收的斩波器1输出的检波信号进行同步信号检波读出。
本实施例中，在太赫兹信号相干探测方法中，波束耦合器2用于将被测信号和本振信号源信号耦合输出。
本实施例中，在太赫兹信号非相干探测方法中，斩波器1与锁定放大器10组成同步检波信号读出，提高信号检测信噪比；同时超导热电子探测器5检波信号通过等温效应的中频链路读出，避免了直流偏置电路读出所带来的1/f噪声的影响，提高了信号检测信噪比。
本实施例中，非相干探测模式的工作带宽为超导热电子探测器5的射频带宽，相干探测模式的工作带宽为常温中频输出带宽，而一般超导热电子探测器的射频带宽远大于其中频带宽，因此，由中频放大链路和超导热电子探测器5共同形成的太赫兹被动探测接收机系统评估非相干探测或相干探测探测模式更为灵敏时，则取决于超导热电子射频带宽、中频带宽以及相干探测的系统噪声温度、以及非相干探测时的噪声等效功率等因素。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.基于超导热电子探测器相干和非相干探测系统，其特征在于：包括斩波器（1）、波束耦合器（2）、太赫兹本振信号源（3）、超导热电子探测器（5）、bias-T电路（6）、低温低噪声放大器（7）、直流偏置电源（8）、常温中频放大器（9）和锁定放大器（10）、频谱仪；
所述的斩波器（1）与波束耦合器（2）信号输入端连接，所述的太赫兹本振信号源（3）与波束耦合器（2）信号输入端连接，波束耦合器（2）信号输出端与超导热电子探测器（5）信号连接，所述的超导热电子探测器（5）与bias-T电路（6）连接，所述的直流偏置电源（8）通过bias-T电路（6）为超导热电子探测器（5）提供偏置电压，所述的bias-T电路（6）与低温低噪声放大器（7）连接，低温低噪声放大器（7）与常温中频放大器（9）信号连接，常温中频放大器（9）分别与锁定放大器（10）和频谱仪（11）连接，所述的斩波器（1）与锁定放大器（10）信号连接，所述的超导热电子探测器（5）、bias-T电路（6）、低温低噪声放大器（7）均设置在低温杜瓦（4）内；
所述的波束耦合器（2）在太赫兹信号非相干探测时用于信号通道，在太赫兹信号相干探测时用于将被测信号和本振信号源信号耦合输出；
所述的超导热电子探测器（5）在太赫兹信号非相干探测时用于将检波信号的中频信号输出，在太赫兹信号相干探测时作为混频器用于将被测信号和本振信号源信号混频输出；
所述的锁定放大器（10）在太赫兹信号非相干探测时用于实现同步检波信号读出；
所述的频谱仪（11）在太赫兹信号相干探测时用于进行太赫兹信号频谱检测；
所述的bias-T电路（6）用于交、直流信号分离；
太赫兹信号相干探测方法具体步骤为：斩波器（1）处于信号通路打开状态，太赫兹本振信号源（3）开启，通过斩波器（1）输入的检波信号与太赫兹本振信号源（3）信号经过波束耦合器（2）实现耦合后，由超导热电子探测器（5）混频至中频，依次通过低温低噪声放大器（7）和常温中频放大器（9）进行信号的放大、调理，最后提供给后端的频谱仪（11）进行太赫兹信号频谱检测；
赫兹信号非相干探测方法具体步骤为：斩波器（1）处于信号通路打开状态，太赫兹本振信号源（3）关闭，斩波器（1）对输入的检波信号调制后，通过波束耦合器（2）将检波信号发送到超导热电子探测器（5），并由超导热电子探测器（5）进行中频输出，依次通过低温低噪声放大器（7）和常温中频放大器（9）进行信号的放大、调理，实现常温中频建波输出，最后将检波信号发送给锁定放大器（10），锁定放大器（10）结合直接接收的斩波器（1）输出的检波信号进行同步信号检波读出。
2.如权利要求1所述的基于超导热电子探测器相干和非相干探测系统，其特征在于：所述的低温杜瓦（4）为4K杜瓦。
3.如权利要求1所述的基于超导热电子探测器相干和非相干探测系统，其特征在于：太赫兹信号相干探测方法中工作带宽为常温中频输出带宽，太赫兹信号非相干探测方法中工作带宽为超导热电子探测器（5）的射频带宽。
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| GR01 | Patent grant | ||
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