Войти
Обнаружение оптического гетеродина - это метод извлечения информации, закодированной как модуляция из фаза, частота или оба электромагнитного излучения в диапазоне длин волн видимого или инфракрасного света. Световой сигнал сравнивается со стандартным или опорным светом от «гетеродина» (гетеродина), который имел бы фиксированное смещение по частоте и фазе от сигнала, если бы последний нес нулевую информацию. «Гетеродин» означает более одной частоты, в отличие от единственной частоты, используемой в гомодинном детектировании.
. Сравнение двух световых сигналов обычно выполняется путем их объединения в фотодиодном детекторе, который имеет ответ, который является линейным по энергии и, следовательно, квадратичным по амплитуде электромагнитного поля. Как правило, две световые частоты достаточно схожи, чтобы их разница или частота биений, создаваемая детектором, находилась в радио- или микроволновом диапазоне, который можно легко обработать электронными средствами.
Этот метод стал широко применяться для топографической и скоростной -чувствительной визуализации с изобретением в 1990-х годах обнаружения гетеродина с синтетической матрицей. 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 способом и пространственно распределены для представления изображения сцены.
Оптическое гетеродинное обнаружение начали изучать, по крайней мере, еще в 1962 году, в течение двух лет после создания первого лазера.
Поучительно противопоставить практические аспекты обнаружения оптического диапазона и радиочастоты (RF) диапазон гетеродин обнаружение.
В отличие от обнаружения радиочастотного диапазона, оптические частоты колеблются слишком быстро, чтобы напрямую измерять и обрабатывать электрическое поле электронным способом. Вместо этого оптические фотоны (обычно) обнаруживаются путем поглощения энергии фотона, таким образом выявляя только величину, а не отслеживая фазу электрического поля. Следовательно, основная цель гетеродинного микширования состоит в том, чтобы смещать сигнал из оптического диапазона в частотный диапазон, управляемый электроникой.
При обнаружении радиочастотного диапазона обычно электромагнитное поле приводит в движение колебательные движения электронов в антенне ; захваченная ЭДС впоследствии электронным способом 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.
Другой отличительной чертой является ожидаемая ширина полосы 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 гетеродинного обнаружения, представляет собой чрезмерно упрощенную модель оптического гетеродинного обнаружения. Тем не менее, интуитивно понятная концепция гетеродина на чистой частоте по-прежнему идеально подходит для случая широкополосного при условии, что сигнал и гетеродин взаимно когерентны. Важно отметить, что можно получить узкополосную интерференцию от когерентных широкополосных источников: это основа для интерферометрии белого света и оптической когерентной томографии. Взаимная когерентность допускает наличие радуги в кольцах Ньютона и лишних радугах.
Следовательно, обнаружение оптического гетеродина обычно выполняется как интерферометрия, где гетеродин и сигнал имеют общее происхождение, а не, как в радио, передатчик, отправляющий на удаленный приемник. Геометрия удаленного приемника необычна, поскольку генерация сигнала гетеродина, когерентного с сигналом независимого происхождения, технологически сложно на оптических частотах. Однако лазеры с достаточно узкой шириной линии, позволяющей сигналу и гетеродину исходить от разных лазеров, действительно существуют.
После того, как оптический гетеродин стал общепринятой техникой, было уделено внимание концептуальной основе для работы при таких низких уровнях светового сигнала, что «только несколько или даже доли фотонов попадают в приемник за характерный интервал времени». 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 материей. 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 создания изображений с помощью доступных и быстро развивающихся широкоформатных многопиксельных фотодетекторов.
Для подсчета фотонов применялся частотно-модулированный непрерывный сигнал (FMCW) лазеры. Численные алгоритмы были разработаны для оптимизации статистических характеристик анализа данных подсчета фотонов.
амплитуда разностной частоты понижающего микширования может быть больше, чем амплитуда самого исходного сигнала. Сигнал разностной частоты пропорционален произведению амплитуд электрического поля гетеродина и сигнала. Таким образом, чем больше амплитуда гетеродина, тем больше амплитуда разностной частоты. Следовательно, есть выигрыш в самом процессе преобразования фотонов.
![{\ displaystyle I \ propto \ left [E _ {\ mathrm {sig}} \ cos (\ omega _ {\ mathrm {sig}} t + \ varphi) + E _ {\ mathrm {LO}} \ cos (\ omega _ {\ mathrm {LO}} t) \ right] ^ {2} \ propto { \ frac {1} {2}} E _ {\ mathrm {sig}} ^ {2} + {\ frac {1} {2}} E _ {\ mathrm {LO}} ^ {2} + 2E _ {\ mathrm { LO}} E _ {\ mathrm {sig}} \ cos (\ omega _ {\ mathrm {sig}} t + \ varphi) \ cos (\ omega _ {\ mathrm {LO}} t)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7b8b4a38cfd681f8581692c522554320e006858e)
Первые два члена пропорциональны среднему (постоянному) потоку поглощенной энергии (или, что то же самое, среднему току в случае фотонного подсчет). 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 гетеродин, поэтому видно, что усиление происходит из-за потока энергии на разностной частоте 
Сам по себе поток энергии сигнального луча,
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, доплеровские лидарные системы могут различать скорости ветра с разрешением лучше, чем 1 метр в секунду, что составляет менее миллиарда доплеровских сдвигов. в оптической частоте. Аналогичным образом небольшие когерентные фазовые сдвиги могут быть измерены даже для номинально некогерентного широкополосного света, что позволяет оптической когерентной томографии отображать детали 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.
Как и при любом усилении слабого сигнала, наиболее желательно получить усиление как можно ближе к начальной точке перехвата сигнала: опережая усиление любая обработка 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 события поглощения фотона, что делает этот идеал. Кроме того, в первом приближении поглощение совершенно квадратично, в отличие от ВЧ-детектирования нелинейностью диода.
Одно из достоинств гетеродинного детектирования состоит в том, что разностная частота обычно далеко спектрально от потенциальных шумов, излучаемых в процессе генерации либо сигнала, либо сигнала гетеродина, таким образом, 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 уровня электрического поля гетеродина, а усиление гетеродина также масштабируется таким же образом, отношение дробового шума к смешанному сигналу остается постоянным, 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 только дробовой шум сигнала (т.е. отсутствует вклад шума от мощного гетеродина, поскольку он выходит за пределы отношения). 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, а нечистый гетеродин может нести некоторый шум на разностной частоте)
Обнаружение света с помощью матрицы, то есть обнаружение света в большом количестве независимых пикселей детектора, широко используется в цифровых камерах датчиках изображения. Однако при обнаружении гетеродина это довольно сложно, поскольку интересующий сигнал является колебательным (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 в течение многих циклов 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). В SAHD большие массивы изображений могут быть мультиплексированы в виртуальные пиксели на одноэлементном детекторе с одним выводом считывания, одним электрическим фильтром и одной системой записи. Сопряжение этого подхода во временной области составляет, что также имеет преимущество мультиплексирования, а также позволяет детектору одного элемента действовать как матрица формирования изображений. SAHD был реализован как гетеродинное обнаружение радуги, в котором вместо одночастотного гетеродина много 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, то для удобства преобразование Фурье формы выходного сигнала представляет собой 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.
Как обсуждалось, гетеродин и сигнал должны быть временно когерентными. Они также должны быть пространственно согласованными по всей поверхности детектора, иначе они будут разрушительно мешать. Во многих сценариях использования сигнал отражается от оптически шероховатой поверхности или проходит через оптически турбулентную среду, приводя к волновым фронтам, которые пространственно некогерентны. В лазерном рассеянии это известно как спекл.
. В 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 поэтому перехватить искаженный фазовый фронт, что приведет к деструктивной интерференции со смещенными по фазе фотогенерированными электронами внутри детектора.
В то время как деструктивная интерференция значительно снижает уровень сигнала, суммарная амплитуда пространственно некогерентной смеси приближается не к нулю, а к средней амплитуде одиночного спекла. 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: оно может иметь отношение сигнал / шум лучше единицы для фазовых, частотных или изменяющихся во времени измерений относительной амплитуды в стационарное спекл-поле.
В радиочастотном обнаружении «разнесенный прием» часто используется для ослабления слабых сигналов, когда основная антенна непреднамеренно расположена в нулевой точке помех: имея более одной антенны, можно адаптивно переключиться на ту антенну, которая имеет самую сильную сигнал или даже некогерентно складывать все сигналы 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. 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.
Можно некогерентно сложить величины временного ряда из N независимых импульсов, чтобы получить √N улучшение отношения сигнал / шум по амплитуде, но за счет потери информация о фазе. Вместо этого когерентное сложение (сложение комплексной амплитуды и фазы) нескольких импульсных сигналов улучшило бы отношение сигнала к шуму в N раз, а не на квадратный корень, и сохранило бы 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 многоимпульсном когерентном доплеровском лидаре.
