CN115728712A - 一种相干探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相干探测系统，其特征在于，包括：混频模块以及平衡探测模块；其中，所述混频模块用于将信号光与本振光进行耦合；所述平衡探测模块用于消除信号直流分量，提高信号信噪比，通过如此设计，可以提高回波信号的信噪比。

Description

一种相干探测系统

技术领域

本发明涉及探测技术领域，具体而言，涉及一种相干探测系统。

背景技术

相干探测是通过将信号光和本振光进行混频，输出二者的差频分量，由探测器接收面吸收产生光电流，该差频分量保留了信号光振幅、频率和相位信息，实现了对信号光的全息探测。相比直接探测，具有探测能力强、转换增益高、信噪比高和抗干扰能力强等优点，广泛应用于相干光通信、遥感、激光雷达测速和测距等领域。

在相干探测装置中，往往是将激光器的产生的线偏振光分光后一路作为发射光经探测目标后产生信号光，另一路作为本振光与信号光相干，相关光经探测器接收面转化为电信号，用于速度、距离等参数的分析测量。

光混频器在相干探测系统中的关键作用是将两束频率相近、相位差恒定且偏振方向相同的信号光与本振光波前进行相干混频，再利用后续的光电平衡探测器和信号恢复处理电路对中频信号进行处理，可以看出光混频器在本质上也是一种调制解调器。

光电平衡探测器通常由两个相同的光电二极管(一般为半导体光电二极管PIN)和减法器构成。PIN将接收到的光信号转换为电信号并进行相减输出两者差值的电流信号，理论上两光电二极管的光电转换效率、响应带宽、响应时间和噪声等工作特性一致。由于光电二极管对不同波长的光波转换效率不同，这将会限制相干探测系统灵敏度的大小，而光电二极管的噪声直接影响光接收机的灵敏度，所以光电平衡探测器性能的好坏对相干探测系统影响很大。

在激光远程测距、成像、测速和水下、雾天等恶劣环境中，回波信号幅值因介质衰减而大幅度变低，脉冲波形因介质折射、散射而畸变展宽。但散粒噪声和暗噪声以及热噪声等噪声信号幅度和频带特性基本不变，所以目标回波淹没在噪声中，接收信噪比较小。所以亟需一种相干探测系统能够提高回波信号的信噪比。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种相干探测系统，以便解决相关技术中，回波信号信噪比低的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种相干探测系统，其特征在于，包括：

混频模块以及平衡探测模块；

其中，所述混频模块用于将信号光与本振光进行耦合；

所述平衡探测模块用于消除信号直流分量，提高信号信噪比。

可选的，所述相干探测系统还包括延时累加模块，所述延时累加模块用于将原始信号延时一定时间后再与所述原始信号相加。

可选的，所述延时时间小于原始信号的1/4周期。

可选的，所述平衡探测模块包括第一输入与第二输入以及第一输出。

可选的，所述第一输入的交流量与所述第二输入的交流量相位差为180°。

可选的，所述第一输入与所述第二输入运算得到第三输出，所述第一输出与所述第三输出运算得到第五输出。

可选的，所述平衡探测模块包括第三输入与第四输入以及第二输出。

可选的，所述第三输入的交流量与所述第四输入的交流量相位差为180°。

可选的，所述第三输入与所述第四输入运算得到第四输出，所述第二输出与所述第四输出运算得到第六输出。

可选的，所述混频模块的输出为相位差为90°的四路输出。

本发明的有益效果是：本发明提供一种相干探测系统，其特征在于，包括：

混频模块以及平衡探测模块；

其中，所述混频模块用于将信号光与本振光进行耦合；

所述平衡探测模块用于消除信号直流分量，提高信号信噪比，通过如此设计，可以提高回波信号的信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种相干探测系统的示意图；

图2为本申请实施例提供的一种相干探测系统中平衡探测模块的示意图；

图3为本申请实施例提供的一种90°混频的示意图；

图4为本申请实施例提供的一种相干探测系统中双平衡探测模块的示意图；

图5为本申请实施例提供的一种延时累加模块的示意图；

图6为本申请实施例提供的一种延时累加模块的示意图；

图7为本申请实施例提供的一种探测系统的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为本申请实施例提供的一种相干探测系统的示意图；包括光源系统用于提供满足探测要求的光，输出调制载波光信号；分束器用于将光分为两路，第一路作为本地光输入耦合器，第二路为信号光用作探测；环形器，如图1所示从通道1输入的光只能经通道2输入，从通道2进入的光只能从通道3输出；收发系统，收发系统为如图1所示，用于接收距离为L处的目标回波信号，耦合器用于将本征光和信号光混频后以50：50输出。平衡探测器，用于探测相干光信号并转成电信号；处理单元，具备对电信号放大、储存、计算、数据传输、及输出探测结果等功能。

图2为本申请实施例提供的一种相干探测系统中平衡探测模块的示意图。如图2所示的平衡探测模块其包含探测光电二极管201与202，经过图1所示的耦合器后将光信号分为相位相差180度两路光信号I₀与I₁₈₀，探测光电二极管201与202分别接收I₀与I₁₈₀，高速跨阻放大器(TIA)的输入电流i₁是探测光电二极管201上的电流I₀与光电二极管202上的电流I₁₈₀。

设I₀＝A+cos(wt+q) (1)

I₁₈₀＝A+cos(wt+q+180°) (2)

i₁为I₀与I₁₈₀相减，所以可消除直流分量，输出光电流i₁不含直流量，且振幅为单个光点二极管产生光点流的2倍；经跨阻放大器(TIA)204形成电压信号U₁；TIA产生的输出电压与两个探测光电二极管的光电流之差成正比，也就是与光输入信号之差成正比。

平衡探测器还有两个高速输出监测输出M₁+与M₁-，分别用于监测每个光电二极管的光学输入功率水平。I₀与I₁₈₀分别经过电阻然后再分别经过运算放大器203与204形成输出M₁+与M₁-，这些输出为低频输出，不能用来测量信号的RF调制。

图3为本申请实施例提供的一种90°混频的示意图；如图3所示90°光混频器工作环境的特殊性，块体光学结构的90°光混频器广泛应用于星间光通信中，而且技术发展成熟。其结构如图3所示。90°光混频器工作的基本原理为：信号光和本振光经过起偏器后以线偏振光分别从两端口进入90°光混频器，编号1表示快轴方向与入射的本振光线偏振光方向夹角为45°的四分之一波片，通过1波片后本振光变为圆偏振光，编号2和4表示P光分量只可透射而S光分量只可反射的偏振分光镜(PBS)，这样就使得P光和S光分离，编号3表示快轴方向与P(S)光偏振方向夹角为-22.5°的二分之一波片，经过2偏振分光镜后的线偏振光通过3波片后偏振方向与P光夹角为45°，最后再经过4偏振分光镜分光后得到相对相差分别为0°、90°、180°和270°的四路输出光。从而可以看出，90°光混频器的实质就是利用PBS将P光与S光实现分离，再用具有适当偏转角的波片使得光束偏振态发生旋转相位产生90°延迟，最终得到四路输出光的相对相差为0°、180°、90°及270°。

图4为本申请实施例提供的一种相干探测系统中双平衡探测模块的示意图。如图4所示，401与图2所示的平衡探测原理类似这里就不再赘述，I₀与I₁₈₀分别照射在两个光电二极管上，输出光电流i₁不含直流量，且振幅为单个光点二极管产生光电流的2倍；经跨阻放大器(TIA)形成第一输出电压信号U₁。402与图2所示的平衡探测原理类似，不同之处在于两路光电流的相位分别为90°与270°。I₉₀与I₂₇₀分别照射在两个光电二极管上，输出光电流i₂不含直流量，且振幅为单个光点二极管产生光电流的2倍；经跨阻放大器(TIA)形成第二输出电压信号U₂。在403中第一输入M₁+与为第二输入M₁-，是直流量相同，交流量相位差180°，并且能响应低频信号；M₁+和M₁-通过减法器后仅保留交流量形成第三输出M₁，假设此时中频为高频信号。

同理在404中第三输入M₂+与第四输入M₂-是直流量相同，交流量相位差180°，并且能响应低频信号；M₂+和M₂-通过减法器后仅保留交流量形成第四输出M₂，假设此时中频为高频信号。

假设中频为高频信号，则403中输出电压第五输出U′₁＝U₁-M₁，404中第六输出U′₂＝U₂-M₂，则第五输出U′₁、第六输出U′₂相对于第一输出U₁、第二输出U₂能抑制或消除部分或全部低频干扰信号或噪声

假设中频为低频信号，则U′₁＝U₁+M₁，U′₂＝U₂+M₂，则U′₁、U′₂相对于U₁、U₂能提高信号利用率，增加信噪比。

图5为本申请实施例提供的一种延时累加模块的示意图。如图5所示的延时累加模块由至少一个延时加法器组成，在延时加法器中，假设原始信号为s₀(t)，将其等分为两路，其中一路延时τ时间，其中τ应小于1/4周期(如周期是1s，则延时应小于0.25秒)，将两路信号通过加法器合成新的信号s₁(t)；延时加法器能降低噪声，提高信噪比。其效果如图6所示。

图6为本申请实施例提供的一种延时累加模块的示意图。在图6中原始信号为s₀(t)，将其等分为两路，其中一路延时τ时间，其中τ小于1/4周期(如周期是1s，则延时应小于0.25秒)，将两路信号通过加法器合成新的信号s₁(t)，从图6可以看出新合成的信号s₁(t)相对于原始信号s₀(t)信噪比提高。

图7为本申请实施例提供的一种探测系统的示意图。如图7所示设信号光E_s经信道返回具有任意偏振态，其光场振幅分解到x和y两个偏振态上则：

同时，本征光E_L经偏振分束调制也可以分为：

在混频模块中，E_s分别与同偏振方向的本征光进行相干耦合，并且将光频相位分别调制为相位差为90°的四路输出，在本实施例中为了示意说明使用0°，90°，180°，270°为四路输出；分别用I₀，I₉₀，I₁₈₀，I₂₇₀表示，显然I₀和I₁₈₀直流部分相等，交流部分相位差180°；同样的，I₉₀和I₂₇₀直流部分相等，交流部分差180°。

将四路光信号送至如图4所示的平衡探测模块，得到U′₁、U′₂，将U′₁、U′₂分别通过如图5所示的延时累加模块。ADC对两路信号分别采样，由于两路信号仅在相位上相差90°形成I/Q信号；所以在数字处理模块可以将两路信号合成复信号，并且同步解调相位；复信号相对于单路信号具有更高的信噪比。通过如图7所示的相干探测系统可以得到更高信噪比的信号。在图7所示90°混频模块为了示意说明使用了0°，90°，180°，270°为四路输出，在实际应用中任何相位差为90°的四相位都可以作为四路输出，例如可以使用30°，120°，210°，300°的相位为四路输出。其原理和效果与0°，90°，180°，270°相似这里就不再赘述。

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。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相干探测系统，其特征在于，包括：

混频模块以及平衡探测模块；

其中，所述混频模块用于将信号光与本振光进行耦合；

所述平衡探测模块用于消除信号直流分量，提高信号信噪比。

2.根据权利要求1所述的相干探测系统，其特征在于，所述相干探测系统还包括延时累加模块，所述延时累加模块用于将原始信号延时一定时间后再与所述原始信号相加。

3.根据权利要求2所述的相干探测系统，其特征在于，所述延时时间小于原始信号的1/4周期。

4.根据权利要求1所述的相干探测系统，其特征在于，所述平衡探测模块包括第一输入与第二输入以及第一输出。

5.根据权利要求4所述的相干探测系统，其特征在于，所述第一输入的交流量与所述第二输入的交流量相位差为180°。

6.根据权利要求4所述的相干探测系统，其特征在于，所述第一输入与所述第二输入运算得到第三输出，所述第一输出与所述第三输出运算得到第五输出。

7.根据权利要求1所述的相干探测系统，其特征在于，所述平衡探测模块包括第三输入与第四输入以及第二输出。

8.根据权利要求7所述的相干探测系统，其特征在于，所述第三输入的交流量与所述第四输入的交流量相位差为180°。

9.根据权利要求7所述的相干探测系统，其特征在于，所述第三输入与所述第四输入运算得到第四输出，所述第二输出与所述第四输出运算得到第六输出。

10.根据权利要求1所述的相干探测系统，其特征在于，所述混频模块的输出为相位差为90°的四路输出。

Images