CN221037672U - 一种扫频拼接的中远红外混频探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种扫频拼接的中远红外混频探测系统，涉及红外探测技术领域，包括：可调谐的本振光源；红外光合束器，用于将本振光与待测信号光合束为一路光束；低温容器，用于提供低温环境，低温容器具有进光窗口；滤波组件，用于滤除入射光束的背景噪声；聚焦组件，用于汇聚入射光束；混频探测器，接收聚焦组件发出的汇聚光束并将光信号转换为电信号；隔离器，用于降低电路中的回波干扰；放大器，用于放大电信号的功率；频谱分析仪，连接放大器的输出端，用于检测电信号所携带的频谱信息；该系统支持使用线宽较宽的可调谐光源作为本振源，通过调节不同的频率进行分段测量，降低了混频探测中对本振源线宽的要求，实现了高灵敏宽谱检测。

Description

一种扫频拼接的中远红外混频探测系统

技术领域

本实用新型涉及红外探测技术领域，具体而言，涉及一种扫频拼接的中远红外混频探测系统。

背景技术

红外探测技术是一种应用于红外光谱范围的探测技术，其波长范围通常从0.78至1000μm。中远红外与近红外、短波红外相比具有更长的波长(>2.5μm)，在科学研究和实际应用中具有非常重要的意义。例如，中远红外光谱能够提供有关分子化学键、分子结构和振动态的详细信息。研究人员可以通过分析中远红外光谱来研究和了解分子之间的相互作用、分子结构变化以及分子内振动模式等，从而深入理解物质的性质。此外，中远红外区域也具有大气透明窗口，可用于环境、空气质量监测、气候研究以及地外星体探测等方面。对于常温物体发出的热辐射而言，其辐射谱绝大部分的能量也位于中远红外波段，因此中远红外探测技术被广泛应用于热成像，红外跟踪、制导等领域。与近红外、可见光波段相比，中远红外探测器的灵敏度通常较低。中远红外光的能量较小，因此需要更高灵敏度的探测器来获得较好的测量结果。这对于一些低信号强度的应用来说可能是一个挑战。混频探测被广泛应用于微弱信号的探测中，它将待测的信号光与本振光转换为频率较低的差频，不仅通过此方式抑制了频率与本振光相差较大的杂散噪声的干扰，还对差频产生的中频信号起到了增益放大的作用，因此具有比直接探测更高的灵敏度。混频探测需要有和待测信号光频率相近的本振光源。然而，与近红外、可见光相比，中远红外波段的激光源性能有限，本振源线宽往往较宽，受限于探测器、电子频谱仪等电子设备的带宽，所能支持的中频信号带宽甚至会小于本振源的线宽。这种情况会使得对信号光的检测变得十分困难，本振源的性能严重制约了中远红外波段混频探测技术的应用。因此，设计一种降低对本振源线宽、电子器件带宽要求的中远红外混频探测系统就具有十分重要的现实意义。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决上述现有技术或相关技术中存在的技术问题之一，提供了一种扫频拼接的中远红外混频探测系统，具有较宽的中远红外检测带宽，降低了混频探测中对本振源线宽的要求，可实现较宽本振源线宽情况下中远红外光的高灵敏宽谱检测。

本实用新型是通过以下技术方案予以实现：一种扫频拼接的中远红外混频探测系统，包括：本振光源，本振光源的中心频率支持宽谱调谐，无窄线宽要求，高至几十GHz可用；红外光合束器，用于将本振光与待测信号光合束为一路光束；低温容器，用于提供低温环境，低温容器具有进光窗口，以便红外光合束器发出的光束进入容器内部；滤波组件，设于低温容器内部，对应进光窗口并接收入射光束，用于滤除入射光束的背景噪声；聚焦组件，设于低温容器内部，对应滤波组件的输出端设置，用于汇聚入射光束；混频探测器，设于低温容器内部，接收聚焦组件发出的汇聚光束并将光信号转换为电信号；隔离器，设于低温容器内部，输入端连接混频探测器，输出端连接放大器，用于降低电路中的回波干扰；放大器，设于低温容器内部，用于放大电信号的功率；频谱分析仪，连接放大器的输出端，用于检测电信号所携带的频谱信息。

根据本实用新型提供的扫频拼接的中远红外混频探测系统，优选地，还包括：电子滤波器，设于放大器与频谱分析仪之间，用于提升电信号的信噪比，降低电路内部的固有噪声。

根据本实用新型提供的扫频拼接的中远红外混频探测系统，优选地，低温容器为杜瓦罐。

根据本实用新型提供的扫频拼接的中远红外混频探测系统，优选地，混频探测器的耦合天线根据待测信号光的波长进行设计，以增强对光能量的耦合效率。

根据本实用新型提供的扫频拼接的中远红外混频探测系统，优选地，混频探测器包括：超导热电子测热辐射仪或超导纳米线单光子检测器。

根据本实用新型提供的扫频拼接的中远红外混频探测系统，优选地，频谱分析仪的测量带宽与混频探测器、隔离器、放大器、电子滤波器和电信号导线的带宽相匹配。

根据本实用新型提供的扫频拼接的中远红外混频探测系统，优选地，还包括：控制与计算模块，连接本振光源和频谱分析仪，用于控制本振光源的本振光频率，接收本振光源当前输出的光频信息，接收频谱分析仪输出的中频信息，拼接不同本振光频率下测得的频谱信息，形成近似的宽带测量结果。

在该技术方案中，控制与计算模块被配置为：根据测量需要，确定整体测量的中频频率ω_m和分段拼接的总段数N，其中等效测量的总带宽B＝2ω_m，则单次测量的测量带宽为Δf＝ω_m/N，Δf不大于测量中所使用频谱分析仪的最大测量带宽；控制本振光源输出光的中心频率，使本振光与信号光的频率差值，即中频频率依次为f_n(n＝1,2,3……N)；其中，f₁＝ω_m，f_N＝Δf，相邻两个中频序列的频率差值f_n–f_n+1＝Δf；获取并记录每段中频频率的Δf带宽内的频谱数据，即总计有N段带宽为Δf的频谱数据；将测量得到的N段频谱数据依次首尾相接拼接在一起获取总的测量频谱数据D；将每段中频f_n对应的频谱数据视为数组x_n，即有D＝[x₁,x₂,x₃……x_N]；依照数组D，绘制出中频频率为ω_m时等效测量总带宽B的左半带宽内的测量结果。

本实用新型取得的有益效果至少包括：基于本实用新型公开的上述技术方案，降低了对本振源的线宽要求，相关设备和器件的获取成本更低；基于可调谐本振光源进行多段测量，采用扫频拼接方式获取信号光的近似功率谱，分段越多，则对实际功率谱的还原效果越好，即使本振源线宽大于中频频率或电子器件带宽小于中频频率，仍可实现较高精度的检测结果。

附图说明

图1示出了根据本实用新型实施例的扫频拼接的中远红外混频探测系统的结构示意图。

图2示出了根据本实用新型实施例的在考虑信号光与本振源线宽情况下不同中频频率所对应的理论功率谱。

图3示出了根据本实用新型实施例的仿真结果图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。

如图1所示，本实用新型提供了一种扫频拼接的中远红外混频探测系统，包括：红外光合束器(1)，本振光源(2)，低温容器(3)，进光窗口(4)，滤波组件(5)，聚焦组件(6)，混频探测器(7)，隔离器(8)，放大器(9)，电子滤波器(10)，频谱分析仪(11)，控制与计算模块(12)，低温容器可选用杜瓦罐，控制与计算模块被配置为：

步骤一：根据测量需要，确定整体测量的中频频率ω_m和分段拼接的总段数N，其中等效测量的总带宽B＝2ω_m不小于信号光与本振光线宽之和的2倍，总段数一般不小于50段。则单次测量的测量带宽为Δf＝ω_m/N，Δf不大于测量中所使用频谱分析仪的最大测量带宽。

步骤二：调整本振源输出光的中心频率，使本振光与信号光的频率差值，即中频频率依次为f_n(n＝1,2,3……N)。其中，f₁＝ω_m，f_N＝Δf，相邻两个中频序列的频率差值f_n–f_n+1＝Δf。使用频谱分析仪测量并通过控制计算模块获取、记录每段中频频率下时Δf带宽内的频谱数据，总计有N段带宽为Δf的频谱数据。

步骤三：通过控制计算模块对数据进行处理，将测量得到的N段频谱数据依次首尾相接拼接在一起获取总的测量频谱数据D。将每段中频f_n对应的频谱数据视为数组x_n，即有D＝[x₁,x₂,x₃……x_N]。依照数组D，即可绘制出中频频率为ω_m时等效测量总带宽B的左半带宽内的测量结果。此时，就将传统混频测量中无法测量的高中频频率ω_m的频谱测量降为了对N段带宽宽度仅为Δf的频谱测量。

在该实施例中，待测的红外信号光与本振光通过红外光合束器汇合到同一路光束中，该光束通过低温杜瓦罐上的进光窗口进入到杜瓦罐中。并依次经由滤波组件、聚焦组件，最终将红外光能量集聚在混频探测器上。信号与本振光混频产生的中频信号被混频探测器所响应并转换为电信号，该电信号经过隔离器、放大器后传出杜瓦罐，经过电子滤波后最后由频谱分析仪接受。控制与计算模块通过电信号通路分别连接本振光源、频谱分析仪。通过编程控制方式，实现对本振光输出频率的扫描并记录不同本振光频率下频谱分析仪测量得到的功率谱。最终将测量得到的多组不同本振光频率下的功率谱数据进行拼接，就可获得近似的单次宽谱测量结果，从而降低了混频探测对器件带宽、本振源线宽的要求。

根据上述实施例，优选地，红外光合束器、进光窗口、光学滤波器、聚焦透镜应根据待测的信号光波长选择材料和镀膜，如2-7μm的待测信号光可选取氟化物材料，7-12μm可选取锗材料，太赫兹波段可选取硅、聚四氟乙烯等材料。其中，光学滤波器用于滤除光场中非待测波段的背景噪声，聚焦透镜用于将光场汇聚于探测器耦合天线上。

根据上述实施例，优选地，滤波组件，聚焦组件，混频探测器，隔离器，放大器应置于低温杜瓦罐内，用于降低因器件自身热辐射带来的背景噪声，同时保证混频探测器工作于最佳的温度，提升系统的探测灵敏度。隔离器用于防止电路回波对探测器件造成影响，放大器用于放大探测得来的电信号，提升信号强度。

根据上述实施例，优选地，混频探测器的耦合天线需要根据待测信号光的波长进行设计，以增强对光能量的耦合效率。混频探测器可选用超导热电子测热辐射仪、超导纳米线光子检测器等具有超高灵敏度的探测器件。

根据上述实施例，优选地，电子滤波器用于滤除放大器带来的噪声，提升系统的信噪比。频谱分析仪的测量带宽需与系统中的混频探测器、隔离器、放大器、电子滤波器、电信号导线等电子器件的带宽匹配，一般不小于7GHz。

根据上述实施例，本实用新型的光通路部分包括本振光源、待测信号光、红外光合束器、滤波组件、聚焦组件、混频探测器。本振光源发出的本振光与待测信号光经由红外光合束器合束为一路光，通过进光窗口进入到杜瓦罐中，先经过光学滤波器滤除掉非信号光频段的背景噪声，最终由聚焦透镜汇聚到混频探测器的耦合天线上，混频探测器将混频后的中频信号转换为电信号。本实用新型的电信号通路部分包括隔离器、放大器、电子滤波器、频谱分析仪、控制与计算模块。具体工作过程包括混频探测器产生的电信号依次经由隔离器，放大器，电子滤波器后，被频谱分析仪所接受，以获取电信号的频谱信息。本振光源及频谱分析仪通过电信号通路和控制与计算模块相连，本振光源接受控制与计算模块所发出的控制信号进行调谐，频谱分析仪能够向控制与计算模块发送相关数据信息。隔离器，放大器置于杜瓦罐内，用于降低两者的噪声水平。隔离器可以有效防止电路中的回波干扰，提升探测器的灵敏度。放大器用于放大电信号的功率，增强对微弱信号的检测能力。电子滤波器用于提升电信号的信噪比，降低电路内部的固有噪声。控制与计算模块对本振光源及频谱分析仪进行控制，以进行数据的获取、拼接等，最终呈现出探测结果。

在考虑光场具有相位噪声，即具有线宽时，电场强度E可表示为

式中，E₀、ω_m、φ(t)分别为光场的振幅、频率与含时相位。

设随机的相位跳动服从平均值为零的高斯分布，即光场具有洛伦兹线性的谱宽，有

式中，Δφ(t,τ)＝φ(t+τ)-φ(t)，Δω即为光场线宽。

设信号光与本振光的频率、线宽分别为ω_s、ω_L与Δω_s、Δω_L，将考虑光场线宽的电场强度表达式代入到混频响应的中频信号中，最终得出的功率谱密度G(ω)与光场频率、线宽有如下关系

式中，ω_m为中频频率，有ω_m＝|ω_L-ω_s|。根据此式，就可以计算出不考虑噪声情况下光场具有线宽的中频频谱。在实际应用中，电子器件具有工作带宽，对于常见的混频探测器而言，其可响应的最大频率一般小于10GHz。对于线宽大于10GHz的信号、本振光而言，现有的测量手段几乎无法得出有效的信息。

根据如图2所示的在考虑信号光与本振源线宽情况下不同中频频率所对应的理论功率谱，假定系统的工作频率无上限，信号光、本振光的线宽为50GHz，在中频频率也为50GHz时，理论的中频功率谱已无法获取有用的测量信息。只有在中频频率明显大于信号光、本振光线宽的情况下才具有测量意义。然而，受限于电子器件的工作带宽，高频的频率谱在实际实验中并不可能测得。因此，本实用新型提出了扫描中频频率，单次测得低频段功率谱，将多段频谱数据拼接起来，以此近似还原整个频谱。

如图3所示，本实用新型的一个实施例以100段拼接为例，单次改变中频频率10GHz，即扫描可调谐本振源，使其光频与待测信号光的频率差值改变10GHz，通过频谱仪测量该中频情况下小于10GHz的功率谱。中频依次从10GHz变化为1000GHz，共改变100次，测量获取100组小于10GHz的功率谱，然后将100组功率谱数据反向拼接得出测量结果。从图2可知，中频频率越小，低频的功率谱畸变越大，因此拼接中越接近于1000GHz的功率谱线畸变也越明显。但从图3中可知，只要分段足够多，这种畸变带来的影响也就越小。最终可获取较为精确、有效的测量结果。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种扫频拼接的中远红外混频探测系统，其特征在于，包括：

本振光源，所述本振光源的中心频率支持宽谱调谐，无窄线宽要求；

红外光合束器，用于将所述本振光与待测信号光合束为一路光束；

低温容器，用于提供低温环境，所述低温容器具有进光窗口，以便所述红外光合束器发出的光束进入容器内部；

滤波组件，设于所述低温容器内部，对应所述进光窗口并接收入射光束，用于滤除所述入射光束的背景噪声；

聚焦组件，设于所述低温容器内部，对应所述滤波组件的输出端设置，用于汇聚所述入射光束；

混频探测器，设于所述低温容器内部，接收所述聚焦组件发出的汇聚光束并将光信号转换为电信号；

隔离器，设于所述低温容器内部，输入端连接所述混频探测器，输出端连接放大器，用于降低电路中的回波干扰；

所述放大器，设于所述低温容器内部，用于放大电信号的功率；

频谱分析仪，连接所述放大器的输出端，用于检测电信号所携带的频谱信息。

2.根据权利要求1所述的扫频拼接的中远红外混频探测系统，其特征在于，还包括：电子滤波器，设于所述放大器与所述频谱分析仪之间，用于提升电信号的信噪比，降低电路内部的固有噪声。

3.根据权利要求1所述的扫频拼接的中远红外混频探测系统，其特征在于，所述低温容器为杜瓦罐。

4.根据权利要求1所述的扫频拼接的中远红外混频探测系统，其特征在于，所述混频探测器的耦合天线根据待测信号光的波长进行设计，以增强对光能量的耦合效率。

5.根据权利要求4所述的扫频拼接的中远红外混频探测系统，其特征在于，混频探测器包括：超导热电子测热辐射仪或超导纳米线单光子检测器。

6.根据权利要求2所述的扫频拼接的中远红外混频探测系统，其特征在于，所述频谱分析仪的测量带宽与所述混频探测器、所述隔离器、所述放大器、所述电子滤波器和电信号导线的带宽相匹配。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的扫频拼接的中远红外混频探测系统，其特征在于，还包括：控制与计算模块，连接所述本振光源和所述频谱分析仪，用于控制所述本振光源的本振光频率，接收本振光源当前输出的光频信息，接收频谱分析仪输出的中频信息，拼接不同本振光频率下测得的频谱信息，形成近似的宽带测量结果。