基于光子射頻振蕩器的高靈敏度光學探測方法

牟寧，高萬榮，呂望晗

（南京理工大學電光學院，江蘇 南京 210094）

1 引言

一般來說，光學探測系統采用的方法是直接檢測，即系統相干得到直流或低頻信號。當探測目標回波很弱時，系統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，導致系統檢測目標的能力減小[1-2]，嚴重時導致探測系統無法工作。后來技術的發展先后出現了一些光學差頻的方法，例如采用2個相位鎖定具有不同波長的激光源進行拍頻方法，以及在一個光學振蕩腔內同時產生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定，一旦光頻發生微小的頻偏，將帶來光學拍頻信號的相位噪聲急劇惡化。

隨著工業、軍事及醫學的探測要求的提高，對微弱信號和微動目標的檢測提出了更高的要求，這意味著光學探測系統要有更優的相位噪聲性能。

本文基于光子射頻技術，提出了一種新的光學檢測方法，即基于光子射頻振蕩器的高靈敏度光學探測方法，這一方法與傳統技術相比，能有效地提升現有光學相干檢測系統的檢測能力，尤其是對微動目標的檢測能力具有數量級的提高，特別在激光雷達探測領域中具有重要的實用價值。

2 系統構建

基于光子射頻振蕩器的高靈敏度光學探測方法的系統結構如圖1所示，其工作原理如下。

圖1 激光探測系統結構

首先由激光探測源發出載波信號λ1，經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生器，以λ1為基準并由超外差激光頻率產生器產生出信號b(λ2)。這時，所設計產生的信號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)所反射產生的回波c′(λ1)一起加到達光電（二極管）檢測器，因其平方律檢波，將導致 2個光信號b′(λ2)和c′(λ1)信號拍頻。這時，攜帶被測目標信息的中頻信號，經過帶通濾波器濾波，濾除高次諧波和干擾信號。經過這一拍頻處理，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。

激光探測系統中的光子射頻超外差激光頻率發生器系統的結構如圖2所示，由激光探測源發出的信號λ1，經過透反鏡反射過來的部分光波，通過光環行器1端口1耦合到光調制器(MZM)，調制后的信號通過光纖傳輸后，由光耦合器分為2路信號,一路到達光電（二極管）檢測器，由光電檢測器解調出的調制信息經過放大、濾波后再饋送給MZM，使上述系統形成正反饋，實現射頻自激振蕩。系統利用了光調制器以及光纖延遲線中的傳輸特性，把光轉換成了穩定性好、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光環行器端口3，并在光環行器端口1輸出。該輸出信號是以1λ信號頻率為基準，符合系統設計要求的激光超外差本振信號2λ。

圖2 超外差激光頻率發生器系統構建

3 系統拍頻數學推導分析

3.1 系統模型構建

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

其中，0ω是激光載波角頻率（設為連續光），ω是射頻角頻率（正弦波），光調制器輸出的信號經過光纖延遲線的傳輸，通過光分功器分為2路輸出，一路由光電轉換器把光信號轉換為射頻電信號，由放大器及濾波后反饋給調制器，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是調制器偏置電壓；Vπ是調制器半波電壓；VPh是振蕩信號幅度；J0、J2m為貝賽爾函數；ω是光子射頻振蕩器振蕩頻率，通過設計系統中的光纖數值，能產生超低相位噪聲的振蕩頻率ω，具體將在4節中詳細陳述。

根據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，通過選擇相應的濾波器濾出感興趣的成分，形成需要產生的激光超外差頻率。

3.2 激光探測系統拍頻數學推導分析

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

假設激光探測源給的信號為E0cos(ω0t)，通過調制器之后，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，選擇相應的濾波器濾除感興趣的成分，然后與回波信號Arcos (ωrt)進行合成，其表示式為Vdec(t) =Eout(t) +Arcos，采用平方律檢測器進行混頻，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

假設激光探測源給的信號為E0cos(ω0t)，通過調制器之后，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，同時接收機靈敏度得到大力提升。我們認為，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得多，所以，只要加大參考光電平輸出，即使目標回波信號很弱也能檢測出來。另外，系統中光子射頻振蕩器另一個特點是系統具有超低相位噪聲特性，這一特性將有力提升光學探測器對目標微多普勒信號的檢測能力。

4 光子射頻振蕩器系統相位噪聲仿真分析

在該系統中，相位噪聲決定了射頻信號頻譜的純凈度。系統噪聲由熱噪聲、散粒噪聲和激光相對強度噪聲組成，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輸出的微波信號的頻偏量。通過進一步整理得到[4-6]

其中，τ是環路延遲時間；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，只要提高光子射頻振蕩環路中的延遲時間τ，就能得到較高的振蕩頻率的譜純度，那如何設計高Q值諧振腔呢？我們知道，傳統的高質量射頻信號通常采用介質腔或石英振蕩器元件構成諧振器[7-8]，但這些元件頻帶比較窄，當振蕩信號超過X波段后，介質諧振品質因數Q迅速下降。導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路中，通過設計增加振蕩環路中τ的值，就能實現振蕩頻率相位噪聲的降低。現基于式(17)，分別設計光纖不同長度值，在偏移中心頻率10 kHz處相位噪聲進行了仿真分析，具體仿真結果如圖3所示。

圖3 不同光纖物理長度相位噪聲復合曲線

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

5 系統穩定性分析

所提的基于光子射頻振蕩器的高靈敏度光學探測方法，其系統的穩定性主要取決光子射頻振蕩器，據相關文獻報道的系統試驗說明，所采用的光纖對周圍環境溫度很敏感，通過選擇對溫度不敏感的光纖以及對周圍環境進行隔離時，可以得到系統好的穩定。除此以外，也有一些使振蕩器穩定的好方法，例如，參考文獻[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路的腔長，輸出射頻信號的頻率穩定度達到了10-10。另外系統的頻率可以進行調諧，見文獻[10-17]，文獻建議采用非線性啁啾光柵特性來實現光子射頻振蕩器的寬帶范圍調諧。其原理是通過相位調制到強度調制而轉換形成帶通微波光子濾波器，再利用系統的閉環，這時系統形成高Q值濾波，即實現了射頻的單頻濾波，總之，通過上述一些方法可以實現系統的穩定性。

6 結束語

本文對所提出的高靈敏度光學探測方法進行了系統構建、數學建模、數學推導、實驗仿真。實驗結果證明基于光子射頻振蕩器的高靈敏度光學探測方法與現有技術相比，能有效地提升現有光學相干檢測系統的能力，特別是對微動目標的檢測能力具有數量級的提高。這一新的探測方法將在激光探測領域具有重要的實用價值。