基于光子射頻振蕩器的高靈敏度光學(xué)探測方法

牟寧，高萬榮，呂望晗

（南京理工大學(xué)電光學(xué)院，江蘇 南京 210094）

1 引言

一般來說，光學(xué)探測系統(tǒng)采用的方法是直接檢測，即系統(tǒng)相干得到直流或低頻信號。當(dāng)探測目標(biāo)回波很弱時，系統(tǒng)輸出的檢測信號很微弱，易被直流電源中的低頻雜波所淹沒，從而存在易使檢測信號淹沒在噪聲中，導(dǎo)致系統(tǒng)檢測目標(biāo)的能力減小[1-2]，嚴(yán)重時導(dǎo)致探測系統(tǒng)無法工作。后來技術(shù)的發(fā)展先后出現(xiàn)了一些光學(xué)差頻的方法，例如采用2個相位鎖定具有不同波長的激光源進(jìn)行拍頻方法，以及在一個光學(xué)振蕩腔內(nèi)同時產(chǎn)生2個不同波長的光纖激光器的拍頻方法。但是，這些方法通常要求2個激光源頻率必須穩(wěn)定，一旦光頻發(fā)生微小的頻偏，將帶來光學(xué)拍頻信號的相位噪聲急劇惡化。

隨著工業(yè)、軍事及醫(yī)學(xué)的探測要求的提高，對微弱信號和微動目標(biāo)的檢測提出了更高的要求，這意味著光學(xué)探測系統(tǒng)要有更優(yōu)的相位噪聲性能。

本文基于光子射頻技術(shù)，提出了一種新的光學(xué)檢測方法，即基于光子射頻振蕩器的高靈敏度光學(xué)探測方法，這一方法與傳統(tǒng)技術(shù)相比，能有效地提升現(xiàn)有光學(xué)相干檢測系統(tǒng)的檢測能力，尤其是對微動目標(biāo)的檢測能力具有數(shù)量級的提高，特別在激光雷達(dá)探測領(lǐng)域中具有重要的實(shí)用價值。

2 系統(tǒng)構(gòu)建

基于光子射頻振蕩器的高靈敏度光學(xué)探測方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理如下。

圖1 激光探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

首先由激光探測源發(fā)出載波信號λ1，經(jīng)過透反射鏡后載波信號λ1被分成光束a(λ1)和c(λ1)，其中c(λ1)射向被測物體，而a(λ1)射向光子射頻超外差激光頻率發(fā)生器，以λ1為基準(zhǔn)并由超外差激光頻率產(chǎn)生器產(chǎn)生出信號b(λ2)。這時，所設(shè)計產(chǎn)生的信號b(λ2)的頻率值，與透反鏡輸入給超外差激光頻率產(chǎn)生器的信號頻率a(λ1)值要保持一個載波頻差。信號b(λ2)通過透反鏡后得到的b′(λ2)與射向被測物體的c(λ1)所反射產(chǎn)生的回波c′(λ1)一起加到達(dá)光電（二極管）檢測器，因其平方律檢波，將導(dǎo)致 2個光信號b′(λ2)和c′(λ1)信號拍頻。這時，攜帶被測目標(biāo)信息的中頻信號，經(jīng)過帶通濾波器濾波，濾除高次諧波和干擾信號。經(jīng)過這一拍頻處理，所得到被測信息的信雜比大大提高，帶外抑制能力大于30 dB。

激光探測系統(tǒng)中的光子射頻超外差激光頻率發(fā)生器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由激光探測源發(fā)出的信號λ1，經(jīng)過透反鏡反射過來的部分光波，通過光環(huán)行器1端口1耦合到光調(diào)制器(MZM)，調(diào)制后的信號通過光纖傳輸后，由光耦合器分為2路信號,一路到達(dá)光電（二極管）檢測器，由光電檢測器解調(diào)出的調(diào)制信息經(jīng)過放大、濾波后再饋送給MZM，使上述系統(tǒng)形成正反饋，實(shí)現(xiàn)射頻自激振蕩。系統(tǒng)利用了光調(diào)制器以及光纖延遲線中的傳輸特性，把光轉(zhuǎn)換成了穩(wěn)定性好、頻譜純度高的射頻信號。光耦合器輸出的另一路光信號到達(dá)光環(huán)行器端口3，并在光環(huán)行器端口1輸出。該輸出信號是以1λ信號頻率為基準(zhǔn)，符合系統(tǒng)設(shè)計要求的激光超外差本振信號2λ。

圖2 超外差激光頻率發(fā)生器系統(tǒng)構(gòu)建

3 系統(tǒng)拍頻數(shù)學(xué)推導(dǎo)分析

3.1 系統(tǒng)模型構(gòu)建

在圖2所述系統(tǒng)中，設(shè)1λ采用一個普通的馬赫-曾德爾光調(diào)制器，通過雙邊帶調(diào)制的方法在光調(diào)制器的輸出端產(chǎn)生2個或多個頻率不同的光波，這種光調(diào)制器的輸出為[3]

其中，0ω是激光載波角頻率（設(shè)為連續(xù)光），ω是射頻角頻率（正弦波），光調(diào)制器輸出的信號經(jīng)過光纖延遲線的傳輸，通過光分功器分為2路輸出，一路由光電轉(zhuǎn)換器把光信號轉(zhuǎn)換為射頻電信號，由放大器及濾波后反饋給調(diào)制器，足夠的正反饋維持回路的自激振蕩，而光子微波振蕩回路的射頻振蕩頻率[3]為其中，VB是調(diào)制器偏置電壓；Vπ是調(diào)制器半波電壓；VPh是振蕩信號幅度；J0、J2m為貝賽爾函數(shù)；ω是光子射頻振蕩器振蕩頻率，通過設(shè)計系統(tǒng)中的光纖數(shù)值，能產(chǎn)生超低相位噪聲的振蕩頻率ω，具體將在4節(jié)中詳細(xì)陳述。

根據(jù)光子微波振蕩回路振蕩頻率，圖1中光耦合器輸出的另一路信號為

由上式看出，調(diào)制器輸出有3種頻率成分，分別為，ω0, ω0- 2mω，ω0+2mω，通過選擇相應(yīng)的濾波器濾出感興趣的成分，形成需要產(chǎn)生的激光超外差頻率。

3.2 激光探測系統(tǒng)拍頻數(shù)學(xué)推導(dǎo)分析

在式(2)中含有ω的諧波分量，由光子微波振蕩回路中的濾波器，選出想要的頻率分量。將計算式(2)，分為偶次諧波分量和奇次諧波分量這2種情況進(jìn)行討論。

情況 1偶次諧波分量。濾波器的中心頻率為2mω是偶次諧波，這時濾波輸出電壓可以表示為

假設(shè)激光探測源給的信號為E0cos(ω0t)，通過調(diào)制器之后，輸出端的激光波信號可表示為

情況 2奇次諧波分量。濾波器的中心頻率為(2m+1)ω，是濾波器濾出奇次諧波情況，這時濾

這時，光調(diào)制器輸出主要有3種頻率成分，分別為ω0,ω0- 2mω,ω0+ 2mω，選擇相應(yīng)的濾波器濾除感興趣的成分，然后與回波信號Arcos (ωrt)進(jìn)行合成，其表示式為Vdec(t) =Eout(t) +Arcos，采用平方律檢測器進(jìn)行混頻，輸出信號可以表示為

由上式可以看出，平方律檢測器的輸出頻率為

而

輸出頻率為

波器輸出電壓可以表示為

假設(shè)激光探測源給的信號為E0cos(ω0t)，通過調(diào)制器之后，輸出端的激光波信號可表示為

該信號的頻率成分有3種，ω0，ω0+ ( 2m+ 1 )ω，ω0- ( 2m+ 1 )ω。采用平方律檢波之后，可以得到

平方律檢測器的輸出頻率為

另一種情形的平方檢波器輸出為

檢測器的輸出頻率為

從式(7)和式(13)可以看出：輸出中包含有多個諧波分量，通過一個射頻窄帶濾波器濾除諧波項，可以得到需要得中頻信號，通過對中頻信號進(jìn)行濾波，即可去除雜散光。

所以信號檢測能力與直接檢測相比，外差式的被測信息的信雜比大大提高，帶外雜波和噪聲抑制能力大于45 dB以上，同時接收機(jī)靈敏度得到大力提升。我們認(rèn)為，這是由于這里的中頻信號電平是由參考光和信號光平均功率的乘積得到的，信號電平比直接探測方法要強(qiáng)得多，所以，只要加大參考光電平輸出，即使目標(biāo)回波信號很弱也能檢測出來。另外，系統(tǒng)中光子射頻振蕩器另一個特點(diǎn)是系統(tǒng)具有超低相位噪聲特性，這一特性將有力提升光學(xué)探測器對目標(biāo)微多普勒信號的檢測能力。

4 光子射頻振蕩器系統(tǒng)相位噪聲仿真分析

在該系統(tǒng)中，相位噪聲決定了射頻信號頻譜的純凈度。系統(tǒng)噪聲由熱噪聲、散粒噪聲和激光相對強(qiáng)度噪聲組成，光子射頻振蕩器射頻噪聲功率譜密度為[4-5]

而光子射頻振蕩器中振蕩頻率功率譜密度為

其中，δ為光子射頻振蕩器的噪聲信號比，f′為光子射頻振蕩器系統(tǒng)輸出的微波信號的頻偏量。通過進(jìn)一步整理得到[4-6]

其中，τ是環(huán)路延遲時間；δ是光子射頻振蕩器的噪聲信號比；f′為光子射頻振蕩器系統(tǒng)輸出的微波信號的偏頻量；是振蕩信號的功率譜密度的半高全寬。

式(16)說明，光子射頻振蕩器相位噪聲和頻率偏移量有關(guān)，只要提高光子射頻振蕩環(huán)路中的延遲時間τ，就能得到較高的振蕩頻率的譜純度，那如何設(shè)計高Q值諧振腔呢？我們知道，傳統(tǒng)的高質(zhì)量射頻信號通常采用介質(zhì)腔或石英振蕩器元件構(gòu)成諧振器[7-8]，但這些元件頻帶比較窄，當(dāng)振蕩信號超過X波段后，介質(zhì)諧振品質(zhì)因數(shù)Q迅速下降。導(dǎo)致振蕩電路的相位噪聲迅速變差。例如，目前世界上最好的晶振倍頻到X波段的相位噪聲僅為118 dBc/Hz@10 kHz。在光子射頻振蕩器環(huán)路中，通過設(shè)計增加振蕩環(huán)路中τ的值，就能實(shí)現(xiàn)振蕩頻率相位噪聲的降低?，F(xiàn)基于式(17)，分別設(shè)計光纖不同長度值，在偏移中心頻率10 kHz處相位噪聲進(jìn)行了仿真分析，具體仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同光纖物理長度相位噪聲復(fù)合曲線

由圖3可以看出，隨著光纖長度的增加，系統(tǒng)相位噪聲逐漸減小。當(dāng)光纖長度為15 000 m時，偏移中心頻率10 000 Hz處相位噪聲小于-135 dBc。而現(xiàn)有技術(shù)在 X波段，相位噪聲一般為-105 dBc左右[10]。由此可得，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該方法能有力提升現(xiàn)有光學(xué)相干檢測系統(tǒng)對微弱信號的檢測能力，特別是對微動目標(biāo)的檢測能力具有數(shù)量級的提高。

5 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

所提的基于光子射頻振蕩器的高靈敏度光學(xué)探測方法，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要取決光子射頻振蕩器，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道的系統(tǒng)試驗(yàn)說明，所采用的光纖對周圍環(huán)境溫度很敏感，通過選擇對溫度不敏感的光纖以及對周圍環(huán)境進(jìn)行隔離時，可以得到系統(tǒng)好的穩(wěn)定。除此以外，也有一些使振蕩器穩(wěn)定的好方法，例如，參考文獻(xiàn)[9]中介紹了通過檢測輸出的微波信號的頻率漂移反饋，通過壓電陶瓷來控制光纖環(huán)路的腔長，輸出射頻信號的頻率穩(wěn)定度達(dá)到了10-10。另外系統(tǒng)的頻率可以進(jìn)行調(diào)諧，見文獻(xiàn)[10-17]，文獻(xiàn)建議采用非線性啁啾光柵特性來實(shí)現(xiàn)光子射頻振蕩器的寬帶范圍調(diào)諧。其原理是通過相位調(diào)制到強(qiáng)度調(diào)制而轉(zhuǎn)換形成帶通微波光子濾波器，再利用系統(tǒng)的閉環(huán)，這時系統(tǒng)形成高Q值濾波，即實(shí)現(xiàn)了射頻的單頻濾波，總之，通過上述一些方法可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

本文對所提出的高靈敏度光學(xué)探測方法進(jìn)行了系統(tǒng)構(gòu)建、數(shù)學(xué)建模、數(shù)學(xué)推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明基于光子射頻振蕩器的高靈敏度光學(xué)探測方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，能有效地提升現(xiàn)有光學(xué)相干檢測系統(tǒng)的能力，特別是對微動目標(biāo)的檢測能力具有數(shù)量級的提高。這一新的探測方法將在激光探測領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價值。