相干激光雷達平衡式相干探測技術(shù)研究

劉兵1，陶煒1，柯尊貴2，馮力天2，袁菲2，李曉峰2

(1.中國人民解放軍駐二〇九所軍事代表室，成都 610041；2.西南技術(shù)物理研究所， 成都 610041)

摘要：為了分析影響平衡式相干探測信噪比的因素，采用數(shù)學模型推導了平衡式相干探測原理和信噪比公式，分析了影響平衡式相干探測信噪比的因素,研制了用于相干激光雷達信號接收的平衡式激光探測器，并通過相干雷達樣機，完成了氣溶膠粒子發(fā)生米氏散射回波信號的探測。結(jié)果表明，研制的平衡式激光探測器具有非常低的噪聲和高探測靈敏度特性，能較好地探測出大氣中氣溶膠粒子發(fā)生米氏散射的激光回波信號。

關(guān)鍵詞：激光技術(shù)；探測器；平衡式相干探測；相干激光雷達；多普勒頻移

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引言

相干激光雷達[1]多用于軟目標測量，它主要以高功率激光作發(fā)射源，使其與探測目標相互作用，所獲的信號回波光與雷達本振光進行相干混頻，混頻信號經(jīng)相關(guān)處理后，可得到需要的探測信息[2-3]。它具有高靈敏度、高信噪比等優(yōu)勢，尤其是基于光纖激光器件的激光雷達[4-6]更是國際上發(fā)展的主流方向。

由于軟目標的信號回波光非常微弱，因此對相干激光雷達的接收方式[2]提出了新的要求，目前熟知的接收手段主要有以下兩種：(1)單器件接收。將單路混頻率注入到單只光電探測器上接收，該探測方式在一定程度上可以滿足探測要求，但是對于有高信噪比要求的系統(tǒng)，需要較高的本振光功率，因此造成了本振光功率的低利用率；(2)平衡式相干探測[7]。將接收到的混頻信號分為強度相等的兩路，注入到兩只光電探測器光敏面上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、差分電路處理，獲得高質(zhì)量的電信號，能有效消除探測器本身的隨機熱噪聲和相位噪聲，具有高信噪比、本振光利用率高等優(yōu)點。

1平衡探測原理

1.1　原理介紹

平衡式相干探測原理如圖1所示，左部分為光信號入射端口，右部分為射頻信號出射端口。具體過程如下：信號光s和本振光p經(jīng)過耦合、分束、相位延遲等光學系統(tǒng)，將信號光s和本振光p分成具有π相位差的兩束光信號(分光比為ε)。然后，這兩束光信號輸入平衡探測器經(jīng)跨阻放大器(transimpedance amplifer,TIA)和運算放大器(operational amplifier，OPA)進行相應(yīng)轉(zhuǎn)換和處理，最終輸出含有所需探測信息的射頻電信號。對該射頻電信號進行A/D轉(zhuǎn)換、頻譜分析等，即獲得檢測結(jié)果。

Fig.1　Principle diagram of balance detector

1.2　平衡式相干探測原理

對于平衡式相干探測來講，本振光和信號光采用兩組相同的探測器[6-7]進行接收。但是實際應(yīng)用中，分光器件存在個體差異，容易導致兩路光強并不相等；同時，光電探測器光電轉(zhuǎn)換也有異同，即便有完全相同的兩路信號光強輸入，也會造成輸出光電流不盡相同?；谶@種現(xiàn)象，推導在此條件下的接收理論。平衡式相干探測接收模型[7]如圖2所示。

Fig.2　Model of balance detector

如圖2所示：假定信號光s為Escos(ωst+φs)，本振光p為Epcos(ωpt+φp)，分光比為ε。這樣可以得到每路光的電場表達式為：

式中，ωs為信號光頻率,φs為信號光相位,ωp為本振光頻率,φp為本振光相位。在兩個探測器上產(chǎn)生的電流大小為：

式中，α為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。根據(jù)光電探測器響應(yīng)物理機理，光頻分量在光電探測器上只能產(chǎn)生直流分量，而(ωs+ωp)太高，光電探測器不響應(yīng)。結(jié)合光電探測器的響應(yīng)的物理機理和數(shù)學運算，在兩個光電探測器上產(chǎn)生的電流分別表示為：

產(chǎn)生的光電流經(jīng)過后續(xù)電路的隔直、中頻放大后，最后剩下的交流中頻分量為：

式中，對應(yīng)光電探測器的中頻信號功率為：

式中，Pp為本振光功率，Ps分別信號光功率，Rd光電探測器負載。在外差探測情況下，光電探測器的噪聲功率可以表示為：

式中，M為光電二極管的內(nèi)部增益，e為光路的電場，Pb背景光功率，id為探測器暗電流，ΔfIF為放大器帶寬，kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為工作溫度；第1項為散粒噪聲；第2項(4kBTΔfIFRd)為熱噪聲[7-8]。由于本振光遠大于信號光，由其引入的散粒噪聲遠大于其它散粒噪聲和熱噪聲，所以兩只光電探測器上的噪聲[9-10]可以表示為：

本項目采用PIN光電二極管，所以M=1[10]。采用平衡式外差探測，將利用本振光與信號光進行混頻，使得中頻信號在Ps的基礎(chǔ)上增大Pp倍，可以極大地提高探測靈敏度。兩只光電探測器上產(chǎn)生的中頻信號電流之間存在π的相位差，因此器件得到的中頻信號功率是兩只器件的中頻功率之和，且噪聲具有隨機性，其相位也具有隨機性，經(jīng)過差分處理后，會互相抵消可極大地降低系統(tǒng)噪聲[8]。系統(tǒng)接收的信號功率Psys和系統(tǒng)的噪聲功率Ps,n為：

這樣可以得到系統(tǒng)的信噪比RSNR為：

通過以上分析可以知道，選用的光電二極管響應(yīng)度、響應(yīng)時間特性的一致性是影響信噪比的重要因素，盡可能地選擇響應(yīng)度和響應(yīng)時間相同的光電二極管可以通過差分盡量地降低系統(tǒng)噪聲。同時，平衡式相干探測系統(tǒng)的信號比與光學系統(tǒng)的分光比有較大關(guān)系，盡量選擇1∶1的分光比有利于提高信噪比。

而對于單管器件探測[9]時，本振光信號和回波信號的光全部由一個探測器接收，其隨機噪聲無法經(jīng)過差分處理進行消除，因此有：

這樣可以得到單管器件接收模式的信噪比為：

通過比對(9)式和(11)式可以知道，當分光比ε在0.293～0.707之間時，平衡式相干探測方式信噪比高于單管探測模式，且分光比越接近0.5，其信噪比越高。同時考慮到工程實際中，兩只光電二極管的響應(yīng)度、響應(yīng)時間特性不可能完全一致，因此,需要通過調(diào)節(jié)平衡探測器兩只光電二極管之間的光耦合效率使得信噪比最佳。

2平衡式相干探測器設(shè)計

在設(shè)計平衡式相干探測器組件的時候，盡可能地選用兩只響應(yīng)度、響應(yīng)時間特性一致的光電二極管，使光電探測器的隨機噪聲盡量相同，以便通過差分處理降低系統(tǒng)的噪聲。同時，對器件結(jié)構(gòu)和耦合方式進行優(yōu)化，增加監(jiān)測調(diào)整端口M1(平衡探測器光功率監(jiān)控正端)和M2(平衡探測器光功率監(jiān)控負端)，根據(jù)M1和M2的輸出電壓不同，調(diào)整input1與input2光耦合頭的光耦合效率，彌補分光系統(tǒng)引起的信噪比降低，使系統(tǒng)達到最佳信噪比要求。器件的原理圖如圖3a所示，實物圖如圖3b所示。

Fig.3　Diagram and practicality of a balance detector

3實驗驗證

通過一臺相干激光雷達原理樣機進行氣溶膠速度多普勒頻率探測，驗證了制作的平衡相干探測器具有良好的信噪比和弱信號的探測能力。使用平衡相干探測器的相干激光雷達示意框圖如圖4所示。

Fig.4　Detect diagram of radar

該雷達系統(tǒng)以一只波長為1550nm的高功率窄線寬激光器做發(fā)射光源，同時該激光器分出一路毫瓦級小功率激光作本振光。高功率激光經(jīng)收發(fā)合一天線發(fā)射至探測空域，與氣溶膠粒子發(fā)生米氏散射，其后向散射光經(jīng)天線接收與本振光相干混頻?；祛l光信號經(jīng)雷達分光器件分為強度接近的兩路，注入至平衡探測器?；祛l信號進入平衡探測器，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、差分放大等手段處理后，輸出射頻電信號進行激光雷達信息處理系統(tǒng)，獲得所需探測信號。如圖5所示。

圖5為平衡探測器本底噪聲(見圖5a)與信號探測結(jié)果(見圖5b)，圖中橫軸坐標表示系統(tǒng)頻率值，縱軸坐標為噪聲經(jīng)快速傅里葉變換(fastFouriertransform,FFT)歸一化的結(jié)果。在圖5b中低頻處(約1MHz處)有一個歸一化強度為12000左右的尖峰，該尖峰為大氣氣溶膠多普勒頻移信號，該尖峰對應(yīng)橫軸頻率值與相關(guān)反演算法結(jié)合，即可計算出氣溶膠運動速率。

Fig.5Backgroundnoiseandsignaldetectionresultsofbalancedetector

a—backgroundnoiseb—signaldetectionresults

4結(jié)論

研究了用于相干激光雷達信號接收的平衡式相干接收方法，推導了平衡式相干探測過程的數(shù)學模型和信噪比公式，分析了影響平衡式相干探測信噪比的因素。研制了用于相干激光雷達信號接收的平衡式激光探測器，并通過相干激光雷達原理樣機對探測器進行了實際測試，研制的平衡探測器具有較低的本底噪聲以及較高的探測靈敏度，在毫瓦級本振光條件下，較好地探測出大氣中氣溶膠粒子發(fā)生米氏散射的激光回波信號。

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Balance coherent detection technology of coherent lidar

LIUBing1,TAOWei1,KEZungui2,FENGLitian2,YUANFei2,LIXiaofeng2

(1.Military Representative Office of Chinese People’s Liberation Army Accredited in No.209 Institute, Chengdu 610041, China; 2.Southwest Institute of Technical Physics, Chengdu 610041, China)

Abstract：In order to analyze the influence factors of signal-to-noise ratio(SNR) of balanced coherent detection, balanced coherent detection process was studied and the SNR figure was derived based on the mathematical model. A balanced laser detector for signal receiving was developed, and Mie scattering echo signal of aerosol particles was detected by means of the coherent radar prototype. The results show that balanced laser detector is with very low noise and high sensitivity, and can detect the laser echo signal of Mie scattering of aerosol particles.

Key words:laser technique; detector; balance coherent detection; coherent lidar; Doppler frequency shift

收稿日期：2013-12-11；收到修改稿日期：2014-03-24

作者簡介：劉兵(1968-)，男，工程師，主要研究領(lǐng)域為激光、電視跟蹤器研究和質(zhì)量監(jiān)督。

中圖分類號：TN958.98;TN247

文獻標志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.01.009

文章編號：1001-3806(2015)01-0046-04