CN111521267B - 用于亚毫米波接收机标定的傅里叶变换光谱系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于亚毫米波接收机标定的傅里叶变换光谱系统及方法，该频谱系统包括：信号源，信号源由热负载和冷负载组成；斩波器，设于热负载和冷负载之间并进行切换，以获得高的信噪比；傅里叶变换光路单元，将信号源产生的信号经傅里叶变换后传输至亚毫米波接收机；数据采集单元，对亚毫米波接收机的输出信号进行采集并处理。本发明克服传统分光膜性能随频率变化的缺点，实现更高的扫描频率范围，利用光源自准直单元保证复原光谱的质量，提高光谱系统的稳定性和信噪比，可用于亚毫米波接收机的频率响应、带宽的标定，具有大响应频率范围、高信噪比、高分辨率等特点，同时可显示实时干涉图及频谱。
Description
技术领域
本发明涉及天文探测仪器领域，具体涉及一种用于亚毫米波接收机标定的傅里叶变换光谱系统及方法。
背景技术
天文观测数据已经由传统的光学波段延伸到整个电磁波谱，其中有一个特别的波段---亚毫米(Submm)，由于其复杂和苛刻的探测器要求，相关的观测设备和数据较少，成为目前唯一“电磁”探测空窗。与光学、红外波段相比，亚毫米波的穿透能力更强；与微波、毫米波段相比，其空间分辨率更高、瞬时带宽更宽，这些特点决定了亚毫米频段具有非常重要的科学意义和广泛的应用前景。亚毫米波段是宇宙中冷暗物质辐射的重要波段，银河系和大多数旋涡星系有一半以上的能量是由该频段的辐射加以释放；另外，由于星际介质遮挡较弱，亚毫米波段适合观测尘埃云和分子云内部的星际介质和恒星的物理状态。因此，亚毫米波天文学研究对于理解宇宙状态和演化有非常重要的意义。
亚毫米波段已经引起天文学家的重视，近年来发展很快，科研人员在亚毫米波探测及成像如超导SIS超导混频器，HEB热电子混频器，以及MKID微波动态电感探测器和TES转换边界探测器等领域均进行了系统和卓有成效的研究工作。基于这些超导探测器建造的亚毫米波接收机部署至望远镜上可以进行天文观测。作为新搭建的接收机，在其应用于天文观测之前须对其进行准确的定标，定标结果的准确与否直接关系到能否充分发挥该望远镜的性能与完成科学目标。亚毫米波傅里叶变换光谱仪(FTS，Fourier TransformSpectroscopy)是进行相关标定和校准工作最有效最准确的手段。
对于FTS系统，为了能获取清晰的干涉图与保证复原光谱的质量，动镜在运动过程中需要保持很好的平稳性，动镜运动的误差容限需要小于min/(2d·SNR)，其中min是最小波长，d是动镜倾斜中心与孔径中心线的距离，SNR为FTS信噪比，SNR与辐射源的质量、反射镜的效率、分束器的分光效率等成正比，与探测器的噪声等值功率(NEP)成反比。
对于超高灵敏度亚毫米波接收机而言，其噪声温度可低达2倍量子极限，NEP低至10-17W/Hz1/2，因此它要求FTS达到更高的信噪比，更小的动镜运动误差。常规的FTS分束器效率是频率的周期函数，单一厚度的分束器只在某一相对窄的频率范围内具有较高的分束效率。另一方面，亚毫米接收机所探测的等效黑体温度包含了从几K到几百K的范围，选择温度相差较大且吸收和辐射性能优异的黑体材料作为信号源对于FTS的性能至关重要。对于超高灵敏度亚毫米波接收机的标定就需要高精度的光谱分辨率，而这就要求FTS具有足够大的动镜的可移动距离。
自然地，在较大的频谱范围和动镜移动距离内，如何保证动镜运动的稳定性，保证亚毫米波分束器的高效率，保证接收机频谱标定的准确性，是开发服务于超高灵敏度天文亚毫米波接收机FTS系统亟需解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决超高灵敏度亚毫米波接收机的频谱响应和标定问题，而提供一种用于亚毫米波接收机标定的傅里叶变换光谱系统及方法，具有大响应频率范围、高信噪比、高分辨率的特点，可实现超高灵敏度亚毫米波接收机的频谱标定。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种用于亚毫米波接收机标定的傅里叶变换光谱系统，包括：
信号源，用于产生供亚毫米波接收机接收的信号，所述信号源由热负载和冷负载组成；
斩波器，设于所述热负载和冷负载之间并进行切换，以获得高的信噪比；
傅里叶变换光路单元，将信号源产生的信号经傅里叶变换后传输至亚毫米波接收机；
数据采集单元，对亚毫米波接收机的输出信号进行采集并处理。
进一步地，所述的傅里叶变换光路单元包括定镜、动镜、分束器、准直离轴抛物面反射镜以及汇聚离轴抛物面反射镜；
所述准直离轴抛物面反射镜与所述定镜按一定间距相对设置，所述动镜与汇聚离轴抛物面反射镜按一定间距相对设置，所述分束器位于所述定镜、准直离轴抛物面反射镜、动镜及汇聚离轴抛物面反射镜的中间。入射信号经过所述准直离轴抛物面反射镜准直成平行光，光束经过所述分束器分成透射光和反射光，透射光到达定镜并被定镜反射，反射光被反射至动镜并被动镜反射，被定镜及动镜反射的两路信号到达汇聚离轴抛物面反射镜并被聚焦，入射到亚毫米波接收机的探测窗口处被接收。采用这种双边干涉图，可以校正相位误差，并且可以平均干涉图左右两边不对称的误差。
进一步地，所述定镜与动镜相垂直，所述准直离轴抛物面反射镜与所述定镜呈45度夹角，所述汇聚离轴抛物面反射镜与所述动镜呈45度夹角。
进一步地，所述动镜连接光源自准直单元，所述光源自准直单元包括四象限探测器和动镜驱动支架，所述动镜驱动支架设有相互正交的x轴和y轴，所述x轴和y轴上放置压电陶瓷制动器，实现动镜驱动。
四象限探测器是利用集成电路光刻技术将一个圆形或者方形的光敏面窗口分隔为四个面积相等、形状相同、位置对称的区域，当激光光束入射到四象限探测器的光敏面上时，这个四个象限所得到的光能量转化为电压，电压的大小和光斑照射在光敏面上的面积成正比。压电陶瓷制动器是一种高分辨率的微位移驱动装置，所产生的微位移与所加的外部电压成线性比例关系。
光源自准直单元可以保证在扫描过程中，动镜和定镜始终保持垂直。利用光源自准直单元在动镜扫描过程中连续测量动镜的倾斜并通过反馈系统实时调制动镜的状态，从而保证复原光谱的质量，提高光谱系统的稳定性和信噪比。利用激光器建立准直参考光路，激光经过光路由四象限探测器接收。动镜做扫描运动时，激光在四象限探测器的四个象限的位置发生变化，通过计算，获得动镜和定镜相对倾斜的大小和方向。
进一步地，所述动镜最小步进步长<2.5μm，最大移动距离>20cm，使得傅里叶变换光路单元的最高分辨率<1GHz。
进一步地，所述分束器采用有选偏作用的栅网。采用有选偏作用的栅网(wiregrid)代替传统的分光膜，克服传统分光膜性能随频率变化的缺点，实现更高的扫描频率范围。同时wire grid与传统分束器相比具有更高的消光比、更低的插入损耗、更广的入射光接受角度以及紧凑轻小等优势，可以保证对亚毫米波高的分光效率，从而确保接收机频谱标定的准确性。
进一步地，所述信号源、斩波器、傅里叶变换光路单元以及光源自准直单元均安装于外罩内。整个系统放在光学平台上，并且罩在有机玻璃罩内，对罩内通氮气，最低可以使相对湿度降到2％。
进一步地，所述热负载为温度为1200℃的黑体辐射源，所述冷负载为绝对温度为77K的冷辐射源。
进一步地，所述数据采集单元包括电压放大器、锁相放大器、NI DAQ电路以及安装有LabView程序的计算机，所述电压放大器与锁相放大器对亚毫米波接收机输出的信号进行放大和提取，并由NI DAQ电路进行数据采集，传输至计算机，显示实时干涉图、频谱图界。
由于亚毫米波接收机输出信号极其微弱，使用电压放大器放大其输出信号。为了提高信噪比，使用斩波器调整入射信号，使用锁相放大器进行相干检测，控制位移台步进一个点然后读取锁相放大器的数据。使用的斩波频率和亚毫米波接收机探测器有关，不能超过探测器的响应频率。由NI DAQ电路进行数据采集，整个系统由安装在一台PC计算机上的LabView程序来控制，显示实时干涉图、频谱图界，可以设置扫描距离、间隔、采样时间等参数。
一种亚毫米波接收机标定方法，其特征在于，采用上述的傅里叶变换光谱系统进行标定，具体包括以下步骤：
(1)调节傅里叶变换的核心光路系统，即迈克尔逊干涉光路，使信号源发出的信号经不同反射镜反射后产生干涉并汇集。
傅里叶变换光路单元调节具体步骤为：1)确定定镜的位置，首先放置定镜，使用一个激光器调节定镜，使激光光线轨迹与光轴平行，然后调节定镜使它垂直于光轴；2)放置准直离轴抛物面反射镜，先确定光源在离轴抛物面反射镜的焦点上，要保证离轴抛物面反射镜放置为45度；3)放置动镜，并调节动镜使之垂直于光轴，定镜和动镜保持垂直，且动镜位于扫描导轨的中心时，动镜到分束器与定镜到分束器的距离相等；4)放置汇聚离轴抛物面反射镜，使用与调节准直离轴抛物面反射镜相同的方法，记录下汇聚镜焦点的位置；5)放置分束器，调节分束器使汇聚抛物面镜焦点上的两个光斑重合为一个；
(2)调节动镜自准直系统，保证动镜在移动过程中始终与入射光垂直，实现光路的自准直。具体为，利用激光器建立准直参考光路，激光经过光路由四象限探测器接收。动镜做扫描运动时，激光在四象限探测器的四个象限的位置发生变化，获得动镜和定镜相对倾斜的大小和方向。利用压电陶瓷制动器电源，控制安装在动镜支架上的压电陶瓷制动器组，改变动镜倾斜的大小和方向，使动镜始终与入射光垂直；
(3)将所述的傅里叶变换光谱系统的出射光路与亚毫米波接收机的接收光路耦合连接，确保傅里叶变换光谱系统的出射波束覆盖接收机总接收能量90％的波束；
(4)对傅里叶光谱系统的真空罩内通氮气，使罩内的相对湿度降到5％以下；
(5)开启信号源的热负载和冷负载，并启动斩波器，使斩波器在冷热负载之间进行切换，斩波器频率在0-4KHz之间，获得交变的亚毫米波测试信号；
(6)将亚毫米波接收机调至工作状态，将亚毫米波接收机的输出信号及斩波器的频率信号输入至锁相放大器，由锁相放大器提取出淹没在强背景噪声中的微弱的有用输出信号；
(7)将输出信号进行放大，再经过数据采集NI DAQ电路输入至电脑，由测试软件进行读取，并显示实时干涉图样；
(8)根据接收机情况，先设置较小的动镜扫描距离和采样时间参数，测试干涉图样，通过电脑软件进行傅里叶变换，得到粗略的接收机带宽频谱；
(9)进一步根据初步得到的接收机带宽频谱，设置动镜扫描距离为最大，优化扫描间隔和采样时间参数，最终得到准确精细的接收机带宽频谱响应。
与现有技术相比，本发明公开的傅里叶变换光谱系统面向天文应用，可用于亚毫米波接收机的频率响应、带宽的标定，具有大响应频率范围、高信噪比、高分辨率等特点，同时可显示实时干涉图及频谱。本发明具体具有以下有益效果：
1、采用有选偏作用的栅网(wire grid)代替传统的分光膜，克服了传统分光膜性能随频率变化的缺点，实现了更高的扫描频率范围。
2、利用光源自准直单元保证复原光谱的质量，提高光谱系统的稳定性和信噪比。
3、采用77K冷/1200℃热黑体辐射源，大温差的辐射源极大地提高了光谱系统的信噪比和标定的灵敏度。
4、采用信号源斩波及锁相放大的方法，极大地提高了对微弱亚毫米波信号的测试能力，可在强背景噪声中提取出微弱的有用亚毫米波信号。
5、同时整个系统置于真空外罩内，工作时向罩内充氮气，以避免环境中水汽对亚毫米波吸收的影响。
附图说明
图1为应用于天文亚毫米波接收机的傅里叶变换光谱系统示意图；
图2为FTS系统测试天文亚毫米波接收机的实时干涉图；
图3为FTS系统测试天文亚毫米波接收机的频谱响应。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述。
如图1所示，一种用于亚毫米波接收机标定的傅里叶变换光谱系统，该系统主要包括：信号源及斩波器、准直离轴抛物面反射镜、汇聚离轴抛物面反射镜、定镜、动镜、分束器、真空外罩、光源自准直单元以及数据采集单元，具体如下。
信号源由热负载和冷负载组成，斩波器在冷热负载之间进行切换，切换频率在0-4KHz之间。热负载为黑体辐射源，最高温度1200℃，温度可调。冷负载用浸在液氮中的电磁波吸波材料Eccosorb制成，相当于绝对温度为77K的黑体辐射源。由扩展源引起的频谱扩展，在此系统中小于系统的最高分辨率。
入射信号经过准直离轴抛物面反射镜准直成平行光，光束经过wire grid分束器分成透射和反射光，两束光分别被定镜，动镜这两个平面镜反射后经过汇聚离轴抛物面反射镜聚焦，入射到亚毫米波接收机探测窗口处。聚焦后的光束束腰与接收机探测器的焦点(束腰)相匹配。
光路调节的方案：1)确定定镜的位置，首先放置定镜，使用一个激光器调节定镜，使激光光线轨迹与光轴平行，然后调节定镜使它垂直于光轴；2)放置准直离轴抛物面反射镜，先确定光源在离轴抛物面反射镜的焦点上，要保证离轴抛物面反射镜放置为45度；3)放置动镜，并调节动镜使之垂直于光轴，定镜和动镜保持垂直，且动镜位于扫描导轨的中心时，动镜到分束器与定镜到分束器的距离相等；4)放置汇聚离轴抛物面反射镜，使用与调节准直离轴抛物面反射镜相同的方法，记录下汇聚镜焦点的位置；5)放置分束器，调节分束器使汇聚抛物面镜焦点上的两个光斑重合为一个。
动镜由电控位移台驱动，采用高精度电控位移台，最小步进步长<2.5μm，最大移动距离>20cm，使得FTS系统的最高分辨率<1GHz，以满足绝大多数情况下THz频段的测量要求。采用双边干涉图，因为这样可以校正相位误差，并且可以平均干涉图左右两边不对称的误差。
利用光源自准直单元在动镜扫描过程中连续测量动镜的倾斜并通过反馈系统实时调制动镜的状态，从而保证复原光谱的质量，提高光谱系统的稳定性和信噪比。光源自准直单元可以保证在扫描过程中，动镜和定镜始终保持垂直。利用激光器建立准直参考光路，激光经过光路由四象限探测器接收。动镜做扫描运动时，激光在四象限探测器的四个象限的位置发生变化，通过计算，获得动镜和定镜相对倾斜的大小和方向。利用压电陶瓷制动器电源，控制安装在动镜支架上的压电陶瓷制动器组，改变动镜倾斜的大小和方向，使动镜和定镜垂直，实现实时自动控制。
整个系统放在光学平台上，并且罩在有机玻璃罩内，对罩内通氮气，最低可以使相对湿度降到2％。由于亚毫米波接收机输出信号极其微弱，使用电压放大器放大其输出信号。为了提高信噪比，使用斩波器调整入射信号，使用锁相放大器进行相干检测，控制位移台步进一个点然后读取锁相放大器的数据。使用的斩波频率和亚毫米波接收机探测器有关，不能超过探测器的响应频率。由NI DAQ电路进行数据采集，整个系统由安装在一台PC计算机上的LabView程序来控制，显示实时干涉图、频谱图界，可以设置扫描距离、间隔、采样时间等参数。
如附图2、3所示，分别为FTS系统测试天文亚毫米波接收机的实时干涉图和频谱响应。能够在较大的频谱范围和动镜移动距离内，保证动镜运动的稳定性，保证亚毫米波分束器的高效率，使接收机频谱标定的准确性。亚毫米波傅里叶变换光谱系统及标定方法采用有选偏作用的栅网(wire grid)代替传统的分光膜，克服了传统分光膜性能随频率变化的缺点，实现更高的扫描频率范围。利用光源自准直单元保证复原光谱的质量，提高光谱系统的稳定性和信噪比。采用77K冷/1200℃热黑体辐射源，大温差的辐射源极大地提高了光谱系统的信噪比和标定的灵敏度。采用信号源斩波及锁相放大的方法，极大地提高了对微弱亚毫米波信号的测试能力，可在强背景噪声中提取出微弱的有用亚毫米波信号。同时，整个系统置于真空外罩内，工作时向罩内充氮气，以避免环境中水汽对亚毫米波吸收的影响。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于亚毫米波接收机标定的傅里叶变换光谱系统，其特征在于，包括：
信号源，用于产生供亚毫米波接收机接收的信号，所述信号源由热负载和冷负载组成；
斩波器，设于所述热负载和冷负载之间并进行切换，以获得高的信噪比；
傅里叶变换光路单元，将信号源产生的信号经傅里叶变换后传输至亚毫米波接收机；
数据采集单元，对亚毫米波接收机的输出信号进行采集并处理；
所述热负载为温度为1200℃的黑体辐射源，所述冷负载为绝对温度为77K的冷辐射源。
2.根据权利要求1所述的一种用于亚毫米波接收机标定的傅里叶变换光谱系统，其特征在于，所述的傅里叶变换光路单元包括定镜、动镜、分束器、准直离轴抛物面反射镜以及汇聚离轴抛物面反射镜；
所述准直离轴抛物面反射镜与所述定镜按一定间距相对设置，所述动镜与汇聚离轴抛物面反射镜按一定间距相对设置，所述分束器位于所述定镜、准直离轴抛物面反射镜、动镜及汇聚离轴抛物面反射镜的中间。
3.根据权利要求2所述的一种用于亚毫米波接收机标定的傅里叶变换光谱系统，其特征在于，所述定镜与动镜相垂直，所述准直离轴抛物面反射镜与所述定镜呈45度夹角，所述汇聚离轴抛物面反射镜与所述动镜呈45度夹角。
4.根据权利要求2所述的一种用于亚毫米波接收机标定的傅里叶变换光谱系统，其特征在于，所述动镜连接光源自准直单元，所述光源自准直单元包括四象限探测器和动镜驱动支架，所述动镜驱动支架设有相互正交的x轴和y轴，所述x轴和y轴上放置压电陶瓷制动器，实现动镜驱动。
5.根据权利要求4所述的一种用于亚毫米波接收机标定的傅里叶变换光谱系统，其特征在于，所述动镜最小步进步长<2.5μm，最大移动距离>20cm，使得傅里叶变换光路单元的最高分辨率<1 GHz。
6.根据权利要求2所述的一种用于亚毫米波接收机标定的傅里叶变换光谱系统，其特征在于，所述分束器采用有选偏作用的栅网。
7.根据权利要求2所述的一种用于亚毫米波接收机标定的傅里叶变换光谱系统，其特征在于，所述信号源、斩波器、傅里叶变换光路单元以及光源自准直单元均安装于真空外罩内。
8.根据权利要求1所述的一种用于亚毫米波接收机标定的傅里叶变换光谱系统，其特征在于，所述数据采集单元包括电压放大器、锁相放大器、NI DAQ电路以及安装有LabView程序的计算机，所述电压放大器与锁相放大器对亚毫米波接收机输出的信号进行放大和提取，并由NI DAQ电路进行数据采集，传输至计算机，显示实时干涉图、频谱图界。
9.一种亚毫米波接收机的频谱标定方法，其特征在于，采用如权利要求1-8 任一项所述的傅里叶变换光谱系统进行标定，具体包括以下步骤：
（1）调节傅里叶变换的核心光路系统，使信号源发出的信号经不同反射镜反射后产生干涉并汇集；
（2）调节动镜光源自准直单元，保证动镜在移动过程中始终与入射光垂直，实现光路的自准直；
（3）将傅里叶变换光谱系统的出射光路与亚毫米波接收机的接收光路耦合连接，确保傅里叶变换光谱系统的出射波束覆盖接收机总接收能量90%的波束；
（4）对傅里叶光谱系统的真空罩内通氮气，使罩内的相对湿度降到5%以下；
（5）开启信号源的热负载和冷负载，并启动斩波器，使斩波器在冷热负载之间进行切换，斩波器频率在0-4 KHz之间，获得交变的亚毫米波测试信号；
（6）将亚毫米波接收机调至工作状态，将亚毫米波接收机的输出信号及斩波器的频率信号输入至锁相放大器，由锁相放大器提取出淹没在强背景噪声中的微弱的有用输出信号；
（7）将输出信号进行放大，再经过数据采集NI DAQ电路输入至电脑，由测试软件进行读取，并显示实时干涉图样；
（8）根据接收机情况，先设置较小的动镜扫描距离和采样时间参数，测试干涉图样，通过电脑软件进行傅里叶变换，得到粗略的接收机带宽频谱；
（9）进一步根据初步得到的接收机带宽频谱，设置动镜扫描距离为最大，优化扫描间隔和采样时间参数，最终得到准确精细的接收机带宽频谱响应。
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