激光外差探測中準(zhǔn)直失配問題的研究

李 祥，楊進(jìn)華，姜成昊，張 寧，楊鎮(zhèn)源

(長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，吉林長春130022)

1 引言

外差探測是公認(rèn)的具有量子探測極限本領(lǐng)的探測體制，與直接探測相比，激光外差探測理論上具有靈敏度高、轉(zhuǎn)換增益大、信噪比高等諸多優(yōu)點，非常適合遠(yuǎn)距離微弱信號的測量。在遠(yuǎn)距離相干光通信、激光雷達(dá)、工業(yè)超精密測量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景［1］。

早在20世紀(jì)80年代中期，麻省理工學(xué)院就將光外差探測技術(shù)應(yīng)用于星間激光傳輸實驗的研究項目中，幾乎同一時間，美國人將這一技術(shù)應(yīng)用到合成孔徑激光雷達(dá)的實驗中。我國在這方面的研究起步較晚，目前中科院電子所、中科院上海光機所、西安電子科技大學(xué)等單位在進(jìn)行相干激光雷達(dá)的研究過程中進(jìn)行了大量光外差探測的理論研究和實踐工作。

探測器光敏面上信號光斑與本振光斑的準(zhǔn)直失配是影響外差探測混頻效率的重要因素。產(chǎn)生準(zhǔn)直失配的原因有兩點:(1)目標(biāo)出現(xiàn)在偏離光軸的接收機視場內(nèi)的不同位置引起的光敏面上信號光等相位面傾斜造成的準(zhǔn)直失配。(2)裝調(diào)等因素引起的準(zhǔn)直失配。為了研究準(zhǔn)直失配問題引入外差探測混頻效率的概念。本文在假定光敏面上信號光為艾里斑分布，本振光服從高斯分布的基礎(chǔ)上，研究了信號光和本振光的準(zhǔn)直失配角對混頻效率的影響。討論了現(xiàn)有解決方法的優(yōu)缺點。提出了能夠有效降低準(zhǔn)直失配對混頻效率影響的陣列探測器匹配接收技術(shù)，并進(jìn)行了仿真驗證。

2 理論分析

光學(xué)外差探測原理如圖1所示，激光器發(fā)出的激光經(jīng)分光棱鏡后分做信號光和本振光，信號光到達(dá)待測目標(biāo)后被反射，本振光與信號光在探測器光敏面上合光，輸出含有差頻信息的中頻電流信號。

圖1 激光外差探測原理圖Fig.1 Laser heterodyne detection schematic diagram

探測器輸出的中頻電流信號為:

式中，中頻光電流的振幅為光斑中心對準(zhǔn)且中心點相位差為π的整數(shù)倍時的電流強度值;η為量子效率;e為電子元電荷的電量;z為探測器表面介質(zhì)的本征阻抗;h為普朗克常數(shù);υ為光源的頻率;σ為探測器光敏面面積。As(r)和Al(r)為信號光和本振光在探測器光敏面上形成的艾里斑和高斯光場的振幅分布;ωif為中頻電流信號的角頻率;?為光電流的初始相位。Δ?為探測器光敏面上任一點相對于中心點的相位差。

在光外差探測中，一般本振光功率較大且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號光功率，這樣系統(tǒng)的噪聲主要由穿越勢壘的載流子的隨機漲落引起的散粒噪聲［2］，引起的噪聲電流［3］:

其中，idc為光電流的直流分量;B為噪聲帶寬。信噪比為:

其中，PS為信號光功率;ηh為光外差探測混頻效率，表達(dá)式為［4］:

這里假定光敏面上信號光服從艾里斑分布，本振光為高斯光，仿真結(jié)果顯示在探測器半徑等于艾里斑半徑且束腰半徑/艾里斑半徑比值為63%時混頻效率最高，可達(dá)83%。當(dāng)探測器光敏面上信號光波矢量與本振光波矢量之間存在微小失配角θ的情況下。探測器上一點相對中心點的相位差為Δ?=2πr cosαsinθ/λ。帶入混頻效率表達(dá)式，混頻效率隨夾角的變化如圖2所示，這里假設(shè)本振高斯光束腰準(zhǔn)確成像在探測器光敏面上。分別取探測器和艾里斑的半徑為0.15 mm，0.25 mm，0.5 mm，1 mm，光源波長λ=0.6328μm，據(jù)仿真結(jié)果，準(zhǔn)直失配角對混頻效率的影響非常明顯，幾毫弧度的微小夾角就可以完全探測不到外差信號。

圖2 混頻效率隨失配角的變化(λ=0.6328μm)Fig.2 Relationship between mixing efficiency and mismatch angle(λ =0.6328 μm)

3 陣列探測器匹配接收技術(shù)

觀察公式(1)可以得到這樣的現(xiàn)象:在光外差探測存在準(zhǔn)直失配的情況下，若探測器上兩點的光電流相位相差π［5］，那么光電流的大小會被嚴(yán)重抵消。這是準(zhǔn)直失配角降低外差探測光電流強度的作用方法。

在信號光和本振光存在準(zhǔn)直失配角的情況下，探測器光敏面上光電流的振幅一般分布情況如圖3所示。

解決這一問題的一種方法是采用基于艾里斑原理的接收光學(xué)系統(tǒng)，該方法在參考文獻(xiàn)［6］中已有詳細(xì)敘述。設(shè)置艾里斑尺寸與探測器的尺寸相等，以達(dá)到限制接收視場的目的。從而將探測器光敏面上信號光與本振光的準(zhǔn)直失配角限制在λ/D內(nèi)以抑制準(zhǔn)直失配對混頻效率的影響。這一方法可以明顯提高混頻效率，但該方法對光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的要求非常嚴(yán)格，對光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計和裝調(diào)提出了很高的要求，且接收視場角只有λ/Dr(Dr為接收機有效孔徑)，也就是說這一方法是以犧牲接收視場角為代價的，激光雷達(dá)不同于微波雷達(dá)，激光波長遠(yuǎn)小于微波波長，采用這一方法將嚴(yán)重限制激光外差探測的成像帶寬。

圖3 光敏面上電流強度分布Fig.3 Current intensity distribution on photosensitive surface

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，存在準(zhǔn)直失配的情況下，探測器上光電流的分布沿某一方向成余弦分布，這一方向即為信號光場與本振光場的夾角方向。同時根據(jù)探測器上光電流相位分布情況可知，光電流在這一方向上具有頻率為λ/sinθ的周期分布特性。若將探測器光敏面上負(fù)向光電流或正向電流進(jìn)行遮光處理，光電流就不會產(chǎn)生抵消現(xiàn)象，理論上就可獲得較大峰值的中頻電流信號?；谶@一思想提出了陣列探測器匹配接收方法:若有一個單元尺寸和間距均為d的N×N光電探測器陣列，所有探測器經(jīng)高速數(shù)字開關(guān)與電流求和模塊相連，數(shù)字開關(guān)由高速控制模塊控制。通過控制模塊向數(shù)字開關(guān)發(fā)送指令:首先在一個方向上以中心點為基準(zhǔn)通過控制數(shù)字開關(guān)的開閉設(shè)定不同的接收寬度進(jìn)行掃描，然后反復(fù)在360°范圍上進(jìn)行上述掃描過程。當(dāng)輸出光電流信號強度最大時即達(dá)到最佳匹配。由于高速數(shù)字開關(guān)的指令響應(yīng)時間非常短，因此可以在視場內(nèi)進(jìn)行高速掃描。

應(yīng)用陣列探測器匹配接收方法的接收光學(xué)系統(tǒng)原理圖如圖4所示，這里接收光學(xué)系統(tǒng)用共輸出望遠(yuǎn)系統(tǒng)取代單透鏡聚焦系統(tǒng)，這是因為望遠(yuǎn)系統(tǒng)相比基于艾里斑的光學(xué)接收系統(tǒng)有較大的接收視場。為了信號光斑在陣列探測器不發(fā)生偏移，陣列探測器需要緊貼望遠(yuǎn)系統(tǒng)的目鏡放置，本振光經(jīng)倒置望遠(yuǎn)系統(tǒng)擴(kuò)束后信號光在陣列探測器上進(jìn)行匹配接收。本振激光的束腰需準(zhǔn)確成像在陣列探測器光敏面上。

圖4 陣列探測器匹配接收光路圖Fig.4 The detector array receiving light path diagram

圖5 顯示了應(yīng)用匹配接收技術(shù)和直接進(jìn)行探測的外差混頻效率隨準(zhǔn)直失配角θ的變化情況。圖中艾里斑直徑和探測器光敏面的直徑均為0.5 mm，取光源波長0.6328μm，結(jié)果顯示應(yīng)用光電流分布匹配接收技術(shù)能夠獲得較高的混頻效率。在不進(jìn)行匹配接收時，混頻效率在2 mrad時已經(jīng)下降為0。應(yīng)用匹配接收時這一失配角下仍可獲得18%的混頻效率，匹配接收的混頻效率隨失配角的持續(xù)增大保持18%左右。

圖5 混頻效率隨失配角的變化Fig.5 Relationship between mixing efficiency Figure and mismatch angle

圖6 顯示了應(yīng)用陣列探測器匹配接收技術(shù)前后歸一化電流的輸出情況。結(jié)果表明，匹配接收可明顯提高光電流的強度。

基于陣列探測器匹配接收方法有以下優(yōu)點:

(1)顯著提高了準(zhǔn)直失配下光電流的輸出強度和混頻效率。

(2)適合較大準(zhǔn)直失配角條件下的外差探測?？梢哉J(rèn)為對角度的探測范圍取決于探測器陣列的制造工藝水平。

(3)有較大的接收視場。通過使用可編程控制探測器陣列大大提高了激光外差探測的接收視場角。例如，照明激光波長為10.6μm，最小光電探測單元的尺寸為20μm，那么理論上陣列探測器上允許的最大失配角為0.26 rad，在望遠(yuǎn)系統(tǒng)放大率為10倍的情況下，接收視場角為26 mrad，明顯大于接收孔徑的衍射極限角。

圖6 歸一化電流隨失配角的變化Fig.6 Relationship between normalized current and mismatch angle

4 結(jié)論

陣列探測器光敏面匹配接收方法有效降低了光外差探測中信號光與本振光的光束準(zhǔn)直難度;提高準(zhǔn)直失配下的混頻效率和光電流輸出強度;適合較大失配角條件下的外差探測;掙脫了相干探測天線方程對接收視場的束縛，具有較大的接收視場角。

［1］ Ma Zongfeng，Zhang Chunxi，Yan Tingyang，et al.Signal－ noise ratio in optical heterodyne detection［J］.Acta Optica Sinica，2007，27(5):889 －892.(in Chinese)馬宗峰，張春熹，張朝陽，等.光學(xué)外差探測信噪比研究［J］.光學(xué)學(xué)報，2007，27(5):889 －892.

［2］ Albert V Jelalian.Laser radar system［M］.London:Artech House，1991:19 －20.

［3］ M CTeich.Infrared heterogyne detection［J］.Proc.IEEE，1968，56(1):37 －39.

［4］ Wang Lizhi.Study on optical heterodyne detection in coherent optical communication［D］.Xi'an:Xidian University，2011:11 －24.(in Chinese)王麗枝.相干光通信外差探測技術(shù)研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2011:11－24.

［5］ Zhao Xiaoyan，Yang Yang.Study on heterdyne detection of synthetic aperture radar［J］.Electronic Sci＆ Tech，2010，23(8):75 －76.(in Chinese)趙小燕，楊陽.合成孔徑激光雷達(dá)外差探測的影響研究［J］.電子電路，2010，23(8):75 －76.

［6］ Xing Xudong.The optical system research on techniques of coherent laser detect［D］.Xi'an:Xidian University，2011:12 －30.(in Chinese)邢旭東.應(yīng)用于激光相干探測技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2011:12－30.