Обнаружение оптического гетеродина - Optical heterodyne detection

Обнаружение оптического гетеродина это метод извлечения информации, закодированной как модуляция из фаза, частота или оба электромагнитное излучение в длина волны полоса видимого или инфракрасный свет. Световой сигнал сравнивается со стандартным или эталонным светом от «гетеродина» (LO), который будет иметь фиксированное смещение по частоте и фазе от сигнала, если последний несет нулевую информацию. "Гетеродин" означает более одной частоты, в отличие от единственной частоты, используемой в гомодинное обнаружение.[1]

Сравнение двух световых сигналов обычно выполняется путем объединения их в фотодиод детектор, который имеет отклик линейный в энергия, и поэтому квадратичный в амплитуда из электромагнитное поле. Как правило, две световые частоты достаточно похожи, поэтому их разница или частота биений детектор производит радио- или микроволновый диапазон, который может быть легко обработан электронными средствами.

Этот метод стал широко применяться в топографический и скорость -чувствительный визуализация с изобретением в 1990-х годах обнаружения гетеродина на синтетической матрице.[2] Свет, отраженный от целевой сцены, фокусируется на относительно недорогом фотодетекторе, состоящем из одного большого физического пикселя, в то время как другая частота гетеродина также жестко фокусируется на каждом виртуальном пикселе этого детектора, в результате чего возникает электрический сигнал от детектора, несущего смесь частот биений, которые могут быть изолированы электронным образом и распределены в пространстве для представления изображения сцены.[2]

История

Оптическое гетеродинное обнаружение начали изучать как минимум еще в 1962 году, через два года после создания первого лазер.[3]

В отличие от обычного радиочастотного (RF) гетеродинного обнаружения

Поучительно противопоставить практические аспекты оптический диапазон обнаружение радиочастота (RF) диапазон гетеродин обнаружение.

Определение зависимости энергии от электрического поля

В отличие от обнаружения радиочастотного диапазона, оптические частоты колеблются слишком быстро, чтобы напрямую измерять и обрабатывать электрическое поле электронными средствами. Вместо этого оптические фотоны (обычно) обнаруживаются путем поглощения энергии фотона, таким образом выявляя только величину, а не отслеживая фазу электрического поля. Следовательно, основная цель гетеродин смешивание заключается в понижении сдвига сигнала из оптического диапазона в частотный диапазон, управляемый электроникой.

При обнаружении радиочастотного диапазона обычно электромагнитное поле вызывает колебательное движение электронов в антенна; захваченный ЭДС впоследствии электронно смешивается с гетеродином (LO) любым удобным нелинейным элементом схемы с квадратичным членом (чаще всего выпрямителем). При оптическом обнаружении желаемая нелинейность присуща самому процессу поглощения фотонов. Обычные световые детекторы - так называемые «квадратичные детекторы» - реагируют на энергию фотона на свободные связанные электроны, и, поскольку поток энергии масштабируется как квадрат электрического поля, то же самое происходит и со скоростью, с которой электроны освобождаются. Различная частота появляется в выходном токе детектора только тогда, когда и гетеродин, и сигнал освещают детектор одновременно, в результате чего квадрат их объединенных полей имеет перекрестный член или «разностную» частоту, модулирующую среднюю скорость, с которой свободные электроны генерируется.

Широкополосные гетеродины для когерентного обнаружения

Другой момент контраста - ожидаемая полоса пропускания сигнала и гетеродина. Как правило, гетеродин ВЧ имеет чистую частоту; прагматически «чистота» означает, что полоса частот гетеродина намного меньше разностной частоты. С оптическими сигналами, даже с помощью лазера, непросто создать эталонную частоту, достаточно чистую, чтобы иметь либо мгновенную полосу пропускания, либо долговременную временную стабильность, меньшую, чем типичная частота разности шкал в мегагерцах или килогерцах. По этой причине один и тот же источник часто используется для генерации гетеродина и сигнала, так что их разностная частота может оставаться постоянной, даже если центральная частота блуждает.

В результате математика возведения в квадрат суммы двух чистых тонов, обычно используемая для объяснения RF гетеродинное обнаружение, является упрощенной моделью обнаружения оптического гетеродина. Тем не менее, интуитивно понятная концепция гетеродина на чистой частоте по-прежнему идеально подходит для широкополосный дело при условии, что сигнал и гетеродин взаимно когерентны. Важно отметить, что можно получить узкополосные помехи от когерентных широкополосных источников: это основа для интерферометрия белого света и оптической когерентной томографии. Взаимная согласованность позволяет радуге в Кольца Ньютона, и нештатные радуги.

Следовательно, детектирование оптического гетеродина обычно выполняется как интерферометрия где гетеродин и сигнал имеют общий источник, а не, как в радио, передатчик, отправляющий удаленному приемнику. Геометрия удаленного приемника необычна, поскольку генерация сигнала гетеродина, когерентного с сигналом независимого происхождения, технологически сложно на оптических частотах. Однако существуют лазеры с достаточно узкой шириной линии, чтобы сигнал и гетеродин могли исходить от разных лазеров.[4]

Подсчет фотонов

После того, как оптический гетеродин стал общепринятой техникой, была рассмотрена концептуальная основа для работы при таких низких уровнях светового сигнала, что «только несколько или даже доли фотонов попадают в приемник в характерный интервал времени».[5] Был сделан вывод, что даже когда фотоны разных энергий поглощаются детектором со счетной скоростью в разное (случайное) время, детектор все равно может создавать разностную частоту. Следовательно, кажется, что свет имеет волновые свойства не только при распространении в пространстве, но и при взаимодействии с веществом.[6] Прогресс в области подсчета фотонов был таким, что к 2008 году было предложено, что даже при наличии более высокого уровня сигнала может быть выгодно использовать достаточно низкую мощность гетеродина, чтобы можно было обнаруживать сигнал биений путем подсчета фотонов. Считалось, что это имеет главное преимущество - получение изображений с помощью доступных и быстро развивающихся широкоформатных многопиксельных фотодетекторов.[7]

Подсчет фотонов применялся с частотно-модулированный непрерывная волна (FMCW) лазеры. Численные алгоритмы были разработаны для оптимизации статистических характеристик анализа данных подсчета фотонов.[8][9][10]

Ключевые преимущества

Усиление обнаружения

Амплитуда разностной частоты понижающего микширования может быть больше, чем амплитуда самого исходного сигнала. Сигнал разностной частоты пропорционален произведению амплитуды электрических полей гетеродина и сигнала. Таким образом, чем больше амплитуда гетеродина, тем больше амплитуда разностной частоты. Следовательно, есть выгода в самом процессе преобразования фотонов.

Первые два члена пропорциональны среднему (постоянному) потоку поглощенной энергии (или, что то же самое, среднему току в случае счета фотонов). Третий член изменяется во времени и создает сумму и разность частот. В оптическом режиме суммарная частота будет слишком высокой, чтобы пройти через последующую электронику. Во многих приложениях сигнал слабее, чем сигнал гетеродина, поэтому видно, что усиление происходит из-за того, что поток энергии на разностной частоте больше, чем поток энергии постоянного тока самого сигнала .

Сохранение оптической фазы

Сам по себе поток энергии сигнального луча, , является постоянным током и, таким образом, стирает фазу, связанную с его оптической частотой; Обнаружение гетеродина позволяет обнаружить эту фазу. Если оптическая фаза сигнального луча сдвигается на угол фи, то фаза электронной разностной частоты сдвигается точно на такой же угол фи. Более правильно, чтобы обсудить оптический фазовый сдвиг, необходимо иметь общую опорную базу времени. Обычно сигнальный луч исходит от того же лазера, что и гетеродин, но смещен некоторым модулятором по частоте. В других случаях сдвиг частоты может возникать из-за отражения от движущегося объекта. Пока источник модуляции поддерживает постоянную фазу смещения между гетеродином и источником сигнала, любые добавленные оптические сдвиги фазы во времени, возникающие из-за внешней модификации обратного сигнала, добавляются к фазе разностной частоты и, таким образом, могут быть измерены.

Сопоставление оптических частот с электронными частотами позволяет проводить чувствительные измерения

Как отмечалось выше, ширина линии разностной частоты может быть намного меньше, чем ширина оптической линии сигнала и сигнала гетеродина, при условии, что они взаимно когерентны. Таким образом можно измерить небольшие сдвиги центральной частоты оптического сигнала: например, доплеровский лидар системы могут различать скорости ветра с разрешением лучше, чем 1 метр в секунду, что меньше миллиардного доплеровского сдвига оптической частоты. Точно так же небольшие когерентные фазовые сдвиги могут быть измерены даже для номинально некогерентного широкополосного света, что позволяет оптической когерентной томографии для изображения деталей микрометрового размера. Из-за этого электронный фильтр может определять эффективную полосу пропускания оптических частот, которая уже, чем любой реализуемый фильтр длины волны, работающий на самом свете, и, таким образом, позволяет подавлять фоновый свет и, следовательно, обнаруживать слабые сигналы.

Снижение шума до предела дробового шума

Как и при любом усилении слабого сигнала, наиболее желательно получить усиление как можно ближе к начальной точке перехвата сигнала: перемещение усиления перед любой обработкой сигнала снижает аддитивный вклад таких эффектов, как резистор Шум Джонсона – Найквиста, или электрические шумы в активных цепях. В оптическом гетеродинном детектировании усиление смешения происходит непосредственно в физике начального акта поглощения фотона, что делает этот идеал. Кроме того, в первом приближении поглощение совершенно квадратично, в отличие от ВЧ-детектирования нелинейностью диода.

Одним из достоинств гетеродинного детектирования является то, что разностная частота, как правило, очень удалена. спектрально из-за потенциальных шумов, излучаемых в процессе генерации либо сигнала, либо сигнала гетеродина, поэтому спектральная область около разностной частоты может быть относительно спокойной. Следовательно, узкая электронная фильтрация около разностной частоты очень эффективна при удалении оставшихся, как правило, широкополосных источников шума.

Основным остающимся источником шума является дробовой фотонный шум от номинально постоянного уровня постоянного тока, на котором обычно преобладает локальный осциллятор (LO). Поскольку дробовой шум масштабируется как амплитуда от уровня электрического поля гетеродина, и усиление гетеродина также масштабируется таким же образом, отношение дробового шума к смешанному сигналу постоянно, независимо от того, насколько велик гетеродин.

Таким образом, на практике уровень гетеродина увеличивается до тех пор, пока усиление сигнала не поднимет его по сравнению со всеми другими источниками аддитивного шума, оставляя только дробовой шум. В этом пределе на отношение сигнал / шум влияет дробовой шум сигнал только (т.е. отсутствует вклад шума от мощного гетеродина, потому что он не соответствует соотношению). В этот момент нет изменения отношения сигнала к шуму при дальнейшем увеличении усиления. (Конечно, это в высшей степени идеализированное описание; практические ограничения на интенсивность гетеродина имеют значение в реальных детекторах, и нечистый гетеродин может нести некоторый шум на разностной частоте)

Ключевые проблемы и пути их решения

Обнаружение массива и визуализация

Массивное обнаружение света, то есть обнаружение света в большом количестве независимых пикселей детектора, является обычным в цифровых камерах. датчики изображения. Однако при обнаружении гетеродина это довольно сложно, поскольку интересующий сигнал является осциллирующим (также называемым AC по аналогии со схемами), часто с миллионами циклов в секунду или более. При типичной частоте кадров для датчиков изображения, которые намного медленнее, каждый пиксель будет интегрировать весь свет, полученный за многие циклы колебаний, и это интегрирование по времени уничтожит интересующий сигнал. Таким образом, гетеродинный массив обычно должен иметь параллельные прямые подключения от каждого пикселя датчика к отдельным электрическим усилителям, фильтрам и системам обработки. Это делает большие гетеродинные системы визуализации общего назначения непомерно дорогими. Например, просто прикрепить 1 миллион выводов к мегапиксельному когерентному массиву - непростая задача.

Для решения этой проблемы было разработано детектирование гетеродина на синтетической матрице (SAHD).[2] В SAHD большие массивы изображений могут быть мультиплексированный в виртуальные пиксели на одноэлементном детекторе с одним выводом считывания, одним электрическим фильтром и единой системой записи.[11] Сопряжение этого подхода во временной области равно Обнаружение гетеродина с преобразованием Фурье,[12] который также имеет преимущество мультиплексирования, а также позволяет одноэлементному детектору действовать как матрица формирования изображений. SAHD был реализован как Обнаружение радужного гетеродина[13][14] в котором вместо гетеродина с одной частотой множество узко разнесенных частот разбросаны по поверхности элемента детектора, как радуга. Физическая позиция, в которую прибыл каждый фотон, кодируется в самой результирующей разностной частоте, создавая виртуальный одномерный массив на одноэлементном детекторе. Если частотная гребенка расположена равномерно, тогда, удобно, преобразование Фурье формы выходного сигнала - это само изображение. Также можно создавать массивы в 2D, и, поскольку массивы являются виртуальными, количество пикселей, их размер и их индивидуальное усиление можно адаптировать динамически. Недостатком мультиплексирования является то, что дробовой шум от всех пикселей объединяется, поскольку они не разделены физически.

Спекл и разнесенный прием

Как уже говорилось, гетеродин и сигнал должны быть временно последовательный. Они также должны быть пространственно согласованными на лицевой стороне детектора, иначе они будут создавать деструктивные помехи. Во многих сценариях использования сигнал отражается от оптически шероховатой поверхности или проходит через оптически турбулентную среду, что приводит к волновые фронты которые пространственно некогерентны. В лазерном рассеянии это известно как пятнышко.[15]

При радиочастотном обнаружении антенна редко превышает длину волны, поэтому все возбужденные электроны движутся когерентно внутри антенны, тогда как в оптике детектор обычно намного больше, чем длина волны, и, таким образом, может перехватывать искаженный фазовый фронт, что приводит к деструктивным помехам из-за выхода из строя. фотогенерируемые электроны внутри детектора.

В то время как деструктивная интерференция резко снижает уровень сигнала, суммарная амплитуда пространственно некогерентной смеси приближается не к нулю, а к средней амплитуде одиночного спекла.[15] Однако, поскольку стандартное отклонение когерентной суммы спеклов точно равно средней интенсивности спеклов, оптическое гетеродинное обнаружение скремблированных фазовых фронтов никогда не может измерить абсолютный уровень освещенности с полосой погрешности, меньшей, чем размер самого сигнала. Это верхнее предельное отношение сигнал / шум, равное единице, предназначено только для измерения абсолютной величины.: он может иметь соотношение сигнал шум лучше единицы для измерения фазы, частоты или изменяющейся во времени относительной амплитуды в стационарном спекл-поле.

В радиочастотном обнаружении «разнесенный прием» часто используется для ослабления слабых сигналов, когда первичная антенна непреднамеренно расположена в нулевой точке помех: имея более одной антенны, можно адаптивно переключаться на ту антенну, которая имеет самый сильный сигнал, или даже некогерентно складывать все сигналов антенны. Простое когерентное добавление антенн может вызвать деструктивные помехи, как это происходит в оптической сфере.

Аналогичный разнесенный прием для оптического гетеродина был продемонстрирован с помощью массивов детекторов счета фотонов.[7] Для некогерентного добавления нескольких детекторов элементов в случайное поле спеклов отношение среднего значения к стандартному отклонению будет масштабироваться как квадратный корень из числа независимо измеренных спеклов. Это улучшенное отношение сигнал / шум делает возможными измерения абсолютной амплитуды при гетеродинном обнаружении.

Однако, как отмечено выше, масштабирование физических массивов до большого количества элементов является сложной задачей для обнаружения гетеродина из-за колеблющегося или даже многочастотного характера выходного сигнала. Вместо этого одноэлементный оптический детектор может также действовать как приемник разнесенного приема посредством обнаружения гетеродина с синтетической решеткой или обнаружения гетеродина с преобразованием Фурье. Затем с помощью виртуального массива можно адаптивно выбрать только одну из частот гетеродина, отследить медленно движущийся яркий спекл или добавить их все при последующей обработке электроникой.

Когерентное временное суммирование

Можно бессвязно сложить величины временного ряда N независимых импульсов для получения √N улучшение соотношения сигнал / шум по амплитуде, но за счет потери информации о фазе. Вместо этого когерентное сложение (сложение комплексной амплитуды и фазы) нескольких импульсных сигналов улучшило бы отношение сигнала к шуму в раз. N, а не его квадратный корень, и сохранить информацию о фазе. Практическое ограничение заключается в том, что соседние импульсы от типичных лазеров имеют незначительный дрейф частоты, который приводит к большому случайному сдвигу фазы в любом обратном сигнале на большом расстоянии, и, таким образом, как и в случае с пикселями с пространственно скремблированной фазой, деструктивно мешают при когерентном сложении. Однако когерентное сложение нескольких импульсов возможно с помощью усовершенствованных лазерных систем, которые сужают частотный дрейф намного ниже разностной частоты (промежуточной частоты). Этот метод был продемонстрирован в многоимпульсной когерентной доплеровской ЛИДАР.[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Оптические методы обнаружения: гомодин против гетеродина». Renishaw plc (Великобритания). 2002. Архивировано с оригинал 26 июля 2017 г.. Получено 15 февраля 2017.
  2. ^ а б c Штраус, Чарли Э. М. (1994). «Обнаружение гетеродина с синтетической решеткой: одноэлементный детектор действует как матрица». Письма об оптике. 19 (20): 1609–11. Bibcode:1994OptL ... 19.1609S. Дои:10.1364 / OL.19.001609. PMID  19855597.
  3. ^ Джейкобс, Стивен (30 ноября 1962 г.). Техническая записка по обнаружению гетеродина в оптической связи (PDF) (Отчет). Syosset, Нью-Йорк: Technical Research Group, Inc.. Получено 15 февраля 2017.
  4. ^ Hinkley, E .; Фрид, Чарльз (1969). «Прямое наблюдение формы лоренцевой линии, ограниченной квантовым фазовым шумом в лазере выше порога». Письма с физическими проверками. 23 (6): 277. Bibcode:1969ПхРвЛ..23..277Х. Дои:10.1103 / PhysRevLett.23.277.
  5. ^ Винзер, Питер Дж .; Leeb, Уолтер Р. (1998). «Когерентный лидар при малых мощностях сигнала: основные соображения по оптическому гетеродинированию». Журнал современной оптики. 45 (8): 1549–1555. Bibcode:1998JMOp ... 45,1549 Вт. Дои:10.1080/09500349808230651. ISSN  0950-0340.
  6. ^ Фейнман, Ричард П .; Лейтон, Роберт Б .; Пески, Мэтью (2005) [1970]. Лекции Фейнмана по физике: окончательное и расширенное издание. 2 (2-е изд.). Эддисон Уэсли. п. 111. ISBN  978-0-8053-9045-2.
  7. ^ а б Jiang, Leaf A .; Луу, Джейн X. (2008). «Обнаружение гетеродина со слабым гетеродином». Прикладная оптика. 47 (10): 1486–503. Bibcode:2008ApOpt..47.1486J. Дои:10.1364 / AO.47.001486. ISSN  0003-6935. PMID  18382577.
  8. ^ Erkmen, Baris I .; Barber, Zeb W .; Даль, Джейсон (2013). "Оценка максимального правдоподобия для частотно-модулированного лазера непрерывного действия с использованием детекторов счета фотонов". Прикладная оптика. 52 (10): 2008–18. Bibcode:2013ApOpt..52.2008E. Дои:10.1364 / AO.52.002008. ISSN  0003-6935. PMID  23545955.
  9. ^ Эркмен, Барис; Даль, Джейсон Р .; Барбер, Зеб В. (2013). «Анализ производительности FMCW-дальномера с использованием детекторов подсчета фотонов». Клео: 2013. С. CTu1H.7. Дои:10.1364 / CLEO_SI.2013.CTu1H.7. ISBN  978-1-55752-972-5.
  10. ^ Лю, Лишэн; Чжан, Хейонг; Го, Цзинь; Чжао, Шуай; Ван, Тингфэн (2012). "Временная статистика фотонов, применяемая для анализа сигнала лазерного гетеродина с помощью счетчика фотонов". Оптика Коммуникации. 285 (18): 3820–3826. Bibcode:2012OptCo.285.3820L. Дои:10.1016 / j.optcom.2012.05.019. ISSN  0030-4018.
  11. ^ Штраус, Чарли Э. М. (1995). «Обнаружение гетеродина на синтетической матрице: разработки в рамках программы Caliope CO2 DIAL». Оптическое общество Америки, Материалы тематического совещания по когерентным лазерным радарам 1995 г.. 96: 13278. Bibcode:1995STIN ... 9613278R.
  12. ^ Кук, Брэдли Дж .; Гэлбрейт, Эми Э .; Laubscher, Bryan E .; Штраус, Чарли Э. М .; Olivas, Nicholas L .; Грублер, Эндрю С. (1999). «Визуализация лазерного поля через гетеродин с преобразованием Фурье». В Камермане, Гэри У; Вернер, Кристиан (ред.). Лазерные радарные технологии и приложения IV. 3707. С. 390–408. Дои:10.1117/12.351361. ISSN  0277-786X.
  13. ^ Штраус, C.E.M. и Rehse, S.J. "Обнаружение радужного гетеродина "Лазеры и электрооптика, 1996. Дата публикации CLEO: 2–7 июня 1996 г. (200)" ISBN  1-55752-443-2 (См. Архив Министерства энергетики США)
  14. ^ «Отчет об обнаружении гетеродинных многопиксельных синтетических массивов», 1995, Strauss, C.E.M. и Rehse, S.J. [1]
  15. ^ а б Дэйнти К. (Эд), Лазерные спеклы и родственные явления, 1984, Springer Verlag, ISBN  0-387-13169-8
  16. ^ Габриэль Ломбарди, Джерри Бутман, Торри Лайонс, Дэвид Терри и Гарретт Пич "Форма волны многоимпульсного когерентного лазерного радара "

внешняя ссылка