Optyczna detekcja heterodyn - Optical heterodyne detection

Detekcja heterodyny optyczny jest sposób wydobywania informacji zakodowanej w modulacji do fazy , częstotliwości i obydwa promieniowania elektromagnetycznego w fali pasmo widzialne lub podczerwone światła. Sygnał świetlny jest porównywany ze światłem wzorcowym lub referencyjnym z „lokalnego oscylatora” (LO), który miałby stałe przesunięcie częstotliwości i fazy sygnału, gdyby ten ostatni zawierał informację zerową. „Heterodyna” oznacza więcej niż jedną częstotliwość, w przeciwieństwie do pojedynczej częstotliwości stosowanej w wykrywaniu homodyn .

Porównanie tych dwóch sygnałów świetlnych zazwyczaj przeprowadza się przez połączenie ich w fotodiody detektor, który ma odpowiedzi, który jest liniowy w energię , a zatem kwadratowy w amplitudzie z pól elektromagnetycznych . Zazwyczaj te dwie częstotliwości światła są na tyle podobne, że ich różnica lub częstotliwość dudnienia wytwarzana przez detektor znajduje się w paśmie radiowym lub mikrofalowym, które można wygodnie przetwarzać środkami elektronicznymi.

Technika ta stała się powszechnie stosowane do topograficznej oraz prędkości wrażliwego obrazowania z wynalazkiem 1990 syntetycznej detektorem heterodyny. Światło odbite od sceny docelowej jest skupiane na stosunkowo niedrogim fotodetektorze składającym się z jednego dużego fizycznego piksela, podczas gdy inna częstotliwość LO jest również ściśle skupiona na każdym wirtualnym pikselu tego detektora, co powoduje sygnał elektryczny z detektora niosącego mieszaninę częstotliwości dudnień, które mogą być elektronicznie izolowane i rozprowadzane przestrzennie w celu przedstawienia obrazu sceny.

Historia

Optyczną detekcję heterodynową zaczęto badać co najmniej już w 1962 roku, w ciągu dwóch lat od zbudowania pierwszego lasera .

W przeciwieństwie do konwencjonalnego wykrywania heterodyn o częstotliwości radiowej (RF)

Pouczające jest zestawienie praktycznych aspektów wykrywania pasma optycznego z wykrywaniem heterodyn pasma częstotliwości radiowych (RF) .

Energia a detekcja pola elektrycznego

W przeciwieństwie do wykrywania pasma RF, częstotliwości optyczne oscylują zbyt szybko, aby bezpośrednio mierzyć i przetwarzać pole elektryczne elektronicznie. Zamiast tego fotony optyczne są (zwykle) wykrywane przez pochłanianie energii fotonu, a zatem ujawnianie tylko wielkości, a nie podążanie za fazą pola elektrycznego. Stąd głównym celem miksowania heterodynowego jest przesunięcie sygnału w dół z pasma optycznego do zakresu częstotliwości, który można obliczyć elektronicznie.

W wykrywaniu pasma RF zazwyczaj pole elektromagnetyczne napędza ruch oscylacyjny elektronów w antenie ; wychwycona siła elektromotoryczna jest następnie elektronicznie mieszana z lokalnym oscylatorem (LO) przez dowolny dogodny nieliniowy element obwodu z członem kwadratowym (najczęściej prostownik). W detekcji optycznej pożądana nieliniowość jest nieodłącznym elementem samego procesu absorpcji fotonów. Konwencjonalne detektory światła – tak zwane „detektory prawa kwadratowego” – reagują na energię fotonów na swobodnie związane elektrony, a ponieważ strumień energii skaluje się jako kwadrat pola elektrycznego, podobnie jest z szybkością uwalniania elektronów. Różnica częstotliwości pojawia się w prądzie wyjściowym detektora tylko wtedy, gdy zarówno LO, jak i sygnał oświetlają detektor w tym samym czasie, powodując, że kwadrat ich połączonych pól ma częstotliwość krzyżową lub "różnicową", modulującą średnią szybkość, z jaką wolne elektrony są wygenerowane.

Szerokopasmowe lokalne oscylatory do spójnego wykrywania

Kolejnym punktem kontrastu jest oczekiwana szerokość pasma sygnału i lokalnego oscylatora. Zazwyczaj lokalny oscylator RF jest czystą częstotliwością; pragmatycznie „czystość” oznacza, że ​​pasmo częstotliwości lokalnego oscylatora jest znacznie mniejsze niż częstotliwość różnicowa. W przypadku sygnałów optycznych, nawet przy użyciu lasera, nie jest łatwo wytworzyć częstotliwość odniesienia wystarczająco czystą, aby mieć albo chwilową szerokość pasma, albo długoterminową stabilność czasową, która jest mniejsza niż typowa częstotliwość różnicowa skali megaherca lub kiloherca. Z tego powodu to samo źródło jest często używane do wytwarzania LO i sygnału, dzięki czemu ich częstotliwość różnicowa może być utrzymywana na stałym poziomie, nawet jeśli częstotliwość środkowa waha się.

W rezultacie matematyka kwadratury sumy dwóch czystych tonów, zwykle przywoływana w celu wyjaśnienia wykrywania heterodyn RF , jest zbyt uproszczonym modelem optycznej detekcji heterodyn. Niemniej jednak intuicyjna koncepcja heterodyny o czystej częstotliwości nadal doskonale sprawdza się w przypadku szerokopasmowego pasma, pod warunkiem, że sygnał i LO są wzajemnie spójne . Co najważniejsze, można uzyskać zakłócenia wąskopasmowe ze spójnych źródeł szerokopasmowych: jest to podstawa interferometrii światła białego i optycznej tomografii koherentnej . Wzajemna spójność dopuszcza tęczę w pierścieniach Newtona i nadliczbowe tęcze .

W konsekwencji optyczne wykrywanie heterodyn jest zwykle wykonywane jako interferometria, w której LO i sygnał mają wspólne pochodzenie, a nie, jak w radiu, nadajnik wysyłający do zdalnego odbiornika. Geometria zdalnego odbiornika jest rzadkością, ponieważ generowanie sygnału lokalnego oscylatora, który jest spójny z sygnałem niezależnego pochodzenia, jest technologicznie trudne na częstotliwościach optycznych. Istnieją jednak lasery o wystarczająco wąskiej szerokości linii, aby sygnał i LO pochodziły z różnych laserów.

Liczenie fotonów

Po tym, jak heterodyna optyczna stała się uznaną techniką, zaczęto rozważać podstawy koncepcyjne działania przy tak niskich poziomach sygnału świetlnego, że „tylko kilka, a nawet ułamki fotonów wchodzą do odbiornika w charakterystycznym przedziale czasu”. Wywnioskowano, że nawet jeśli fotony o różnych energiach są absorbowane przez detektor z policzalną szybkością w różnym (losowym) czasie, detektor nadal może wytwarzać różnicę częstotliwości. Stąd światło wydaje się mieć właściwości falowe nie tylko podczas rozchodzenia się w przestrzeni, ale także podczas interakcji z materią. Postęp w zliczaniu fotonów był taki, że do 2008 r. zaproponowano, że nawet przy większych dostępnych mocach sygnału, korzystne może być zastosowanie mocy lokalnego oscylatora wystarczająco niskiej, aby umożliwić wykrycie dudnień sygnału przez zliczanie fotonów. Uznano, że ma to główną zaletę obrazowania z dostępnymi i szybko rozwijającymi się wielkoformatowymi fotodetektorami zliczającymi wiele pikseli.

Zliczanie fotonów zastosowano za pomocą laserów z falą ciągłą z modulacją częstotliwości (FMCW). Opracowano algorytmy numeryczne w celu optymalizacji wydajności statystycznej analizy danych ze zliczania fotonów.

Kluczowe korzyści

Zysk w wykrywaniu

Amplituda częstotliwości różnicowej zmiksowanej w dół może być większa niż amplituda samego oryginalnego sygnału. Sygnał częstotliwości różnicowej jest proporcjonalny do iloczynu amplitud pola elektrycznego LO i sygnału. Zatem im większa amplituda LO, tym większa amplituda częstotliwości różnicowej. Stąd zysk w samym procesie konwersji fotonów.

Pierwsze dwa składniki są proporcjonalne do średniego (DC) pochłoniętego strumienia energii (lub równoważnie średniego prądu w przypadku zliczania fotonów). Trzeci składnik jest zmienny w czasie i tworzy sumę i częstotliwość różnicową. W systemie optycznym częstotliwość sumaryczna będzie zbyt wysoka, aby przejść przez kolejną elektronikę. W wielu aplikacjach sygnał jest słabszy niż LO, można więc zauważyć, że wzmocnienie występuje, ponieważ strumień energii w częstotliwości różnicowej jest większy niż strumień energii DC samego sygnału .

Zachowanie fazy optycznej

Strumień energii wiązki sygnału sam w sobie jest stały, a zatem usuwa fazę związaną z jej częstotliwością optyczną; Detekcja heterodynami pozwala na wykrycie tej fazy. Jeżeli faza optyczna wiązki sygnałowej przesunie się o kąt phi, to faza elektronowej częstotliwości różnicowej przesunie się dokładnie o ten sam kąt phi. Dokładniej, aby omówić optyczne przesunięcie fazowe, trzeba mieć wspólną podstawę czasu. Zazwyczaj wiązka sygnału pochodzi z tego samego lasera co LO, ale jest przesunięta przez pewien modulator częstotliwości. W innych przypadkach przesunięcie częstotliwości może wynikać z odbicia od poruszającego się obiektu. Dopóki źródło modulacji utrzymuje stałą fazę przesunięcia między LO i źródłem sygnału, wszelkie dodane przesunięcia fazy optycznej w czasie wynikające z zewnętrznej modyfikacji sygnału zwrotnego są dodawane do fazy częstotliwości różnicowej, a zatem są mierzalne.

Mapowanie częstotliwości optycznych na częstotliwości elektroniczne umożliwia czułe pomiary

Jak zauważono powyżej, szerokość linii częstotliwości różnicowej może być znacznie mniejsza niż szerokość linii optycznej sygnału i sygnału LO, pod warunkiem, że są one wzajemnie spójne. W ten sposób można zmierzyć niewielkie przesunięcia w środkowej częstotliwości sygnału optycznego: Na przykład systemy lidarowe Dopplera mogą rozróżniać prędkości wiatru z rozdzielczością lepszą niż 1 metr na sekundę, co stanowi mniej niż część miliardowego przesunięcia Dopplera w częstotliwości optycznej. Podobnie małe spójne przesunięcia fazowe mogą być mierzone nawet dla nominalnie niespójnego światła szerokopasmowego, umożliwiając optycznej tomografii koherentnej obrazowanie obiektów o rozmiarach mikrometrów. Z tego powodu filtr elektroniczny może określić efektywne pasmo częstotliwości optycznej, które jest węższe niż jakikolwiek możliwy do realizacji filtr długości fali działający na samym świetle, a tym samym umożliwia odrzucanie światła tła, a tym samym wykrywanie słabych sygnałów.

Redukcja szumów do limitu szumów strzałowych

Podobnie jak w przypadku każdego małego wzmocnienia sygnału, najbardziej pożądane jest uzyskanie wzmocnienia jak najbliżej początkowego punktu przechwycenia sygnału: przesunięcie wzmocnienia przed przetwarzaniem sygnału zmniejsza addytywny wkład efektów, takich jak szum rezystora Johnsona-Nyquista lub zakłócenia elektryczne. hałasy w obwodach aktywnych. W optycznej detekcji heterodynowej wzmocnienie mieszania zachodzi bezpośrednio w fizyce początkowego zdarzenia absorpcji fotonów, co czyni to idealnym rozwiązaniem. Dodatkowo, według pierwszego przybliżenia, absorpcja jest idealnie kwadratowa, w przeciwieństwie do wykrywania RF przez nieliniowość diody.

Jedną z zalet wykrywania heterodynowego jest to, że częstotliwość różnicowa jest na ogół daleko odległa widmowo od potencjalnych szumów emitowanych podczas procesu generowania sygnału lub sygnału LO, a zatem obszar widmowy w pobliżu częstotliwości różnicowej może być stosunkowo cichy. Stąd wąska filtracja elektroniczna w pobliżu częstotliwości różnicowej jest wysoce skuteczna w usuwaniu pozostałych, ogólnie szerokopasmowych źródeł szumów.

Głównym pozostałym źródłem hałasu jest szum śrutu fotonowego z nominalnie stałego poziomu prądu stałego, który jest zwykle zdominowany przez lokalny oscylator (LO). Ponieważ szum śrutu skaluje się jako amplituda poziomu pola elektrycznego LO, a wzmocnienie heterodynowe również skaluje się w ten sam sposób, stosunek szumu śrutu do sygnału mieszanego jest stały bez względu na to, jak duży jest LO.

Tak więc w praktyce zwiększa się poziom LO, dopóki wzmocnienie na sygnale nie podniesie go ponad wszystkie inne źródła szumu addytywnego, pozostawiając tylko szum śrutowy. W tym limicie na stosunek sygnału do szumu wpływa tylko szum śrutu sygnału (tj. nie ma udziału szumu z potężnego LO, ponieważ jest on podzielony ze stosunku). W tym momencie nie ma zmiany sygnału na szum, ponieważ wzmocnienie jest dalej zwiększane. (Oczywiście jest to bardzo wyidealizowany opis; praktyczne ograniczenia dotyczące natężenia LO w rzeczywistych detektorach, a zanieczyszczony LO może przenosić trochę szumu o różnej częstotliwości)

Kluczowe problemy i ich rozwiązania

Wykrywanie i obrazowanie macierzy

Macierzowa detekcja światła, czyli wykrywanie światła w dużej liczbie niezależnych pikseli detektora, jest powszechna w przetwornikach obrazu w kamerach cyfrowych . Jednak przy wykrywaniu heterodyn jest to dość trudne, ponieważ sygnał będący przedmiotem zainteresowania oscyluje (zwany również przez analogię do obwodów prądem przemiennym), często z prędkością milionów cykli na sekundę lub więcej. Przy typowych szybkościach klatek dla czujników obrazu, które są znacznie wolniejsze, każdy piksel integrowałby całkowite światło otrzymane w wielu cyklach oscylacji, a ta integracja czasowa zniszczyłaby sygnał będący przedmiotem zainteresowania. Tak więc szyk heterodynowy musi zwykle mieć równoległe bezpośrednie połączenia z każdego piksela czujnika do oddzielnych wzmacniaczy elektrycznych, filtrów i systemów przetwarzania. To sprawia, że ​​duże, ogólnego przeznaczenia, heterodynowe systemy obrazowania są nieproporcjonalnie drogie. Na przykład proste dołączenie 1 miliona odprowadzeń do spójnej matrycy o rozdzielczości megapikseli jest zniechęcającym wyzwaniem.

Aby rozwiązać ten problem, opracowano metodę wykrywania heterodyn macierzy syntetycznych (SAHD). W SAHD duże macierze obrazowania mogą być multipleksowane w wirtualne piksele na detektorze jednoelementowym z pojedynczym przewodem odczytowym, pojedynczym filtrem elektrycznym i pojedynczym systemem rejestracji. Sprzężeniem domeny czasu w tym podejściu jest detekcja heterodynowa z transformacją Fouriera , która również ma zaletę multipleksową, a także pozwala detektorowi pojedynczego elementu działać jak macierz obrazowania. SAHD został zaimplementowany jako wykrywanie heterodynowe Rainbow, w którym zamiast pojedynczej częstotliwości LO, wiele wąsko oddalonych częstotliwości jest rozłożonych na powierzchni elementu detektora jak tęcza. Fizyczna pozycja, do której dotarł każdy foton, jest zakodowana w samej wynikowej częstotliwości różnicowej, tworząc wirtualną matrycę 1D na detektorze pojedynczego elementu. Jeśli grzebień częstotliwości jest równomiernie rozmieszczony, wówczas, dogodnie, transformatą Fouriera wyjściowego kształtu fali jest sam obraz. Można również tworzyć macierze w 2D, a ponieważ macierze są wirtualne, można dynamicznie dostosowywać liczbę pikseli, ich rozmiar i indywidualne wzmocnienia. Wadą multipleksu jest to, że szum śrutu ze wszystkich pikseli łączy się, ponieważ nie są one fizycznie odseparowane.

Odbiór plamki i różnorodności

Jak omówiono, LO i sygnał muszą być spójne czasowo . Muszą być również spójne przestrzennie na całej powierzchni detektora, w przeciwnym razie będą przeszkadzać destrukcyjnie. W wielu sytuacjach potrzebne sygnał odbity od optycznie szorstkie powierzchnie lub przechodzi przez optycznie niespokojnych mediów prowadzących do frontów falowych , które są przestrzennie niespójne. W rozpraszaniu laserowym jest to znane jako plamka .

W detekcji RF antena rzadko jest większa niż długość fali, więc wszystkie wzbudzone elektrony poruszają się spójnie w antenie, podczas gdy w optyce detektor jest zwykle znacznie większy niż długość fali i dlatego może przechwycić zniekształcony front fazowy, powodując destrukcyjne zakłócenia przez fotogenerowane elektrony fazowe w detektorze.

Podczas gdy destrukcyjna interferencja radykalnie obniża poziom sygnału, sumaryczna amplituda przestrzennie niespójnej mieszaniny nie zbliża się do zera, ale raczej do średniej amplitudy pojedynczej plamki. Jednakże, ponieważ odchylenie standardowe spójnej sumy plamek jest dokładnie równe średniej intensywności plamek, optyczna heterodynowa detekcja zaszyfrowanych frontów fazowych nigdy nie może zmierzyć bezwzględnego poziomu światła z paskiem błędu mniejszym niż rozmiar samego sygnału. Ten górny limit jedności sygnału do szumu jest przeznaczony tylko do pomiaru wielkości bezwzględnej : może mieć stosunek sygnału do szumu lepszy niż jedność dla pomiarów względnych amplitud zmiennych w fazie, częstotliwości lub w czasie w stacjonarnym polu plamkowym.

W wykrywaniu RF „odbiór różnorodności” jest często używany do osłabiania niskich sygnałów, gdy główna antena jest przypadkowo umieszczona w punkcie zerowym zakłóceń: mając więcej niż jedną antenę, można adaptacyjnie przełączyć się na tę, która ma najsilniejszy sygnał lub nawet w sposób niespójny dodać wszystkie sygnałów antenowych. Proste dodawanie anten w spójny sposób może powodować destrukcyjne zakłócenia, tak jak ma to miejsce w sferze optycznej.

Analogiczny odbiór różnorodności dla heterodyny optycznej został zademonstrowany za pomocą macierzy detektorów zliczających fotony. W przypadku niespójnego dodawania detektorów wieloelementowych w losowym polu plamek, stosunek średniej do odchylenia standardowego będzie skalowany jako pierwiastek kwadratowy z liczby niezależnie zmierzonych plamek. Ten ulepszony stosunek sygnału do szumu umożliwia bezwzględne pomiary amplitudy w wykrywaniu heterodyn.

Jednak, jak zauważono powyżej, skalowanie fizycznych tablic do dużej liczby elementów stanowi wyzwanie dla wykrywania heterodyn ze względu na oscylacyjny lub nawet wieloczęstotliwościowy charakter sygnału wyjściowego. Zamiast tego, jednoelementowy detektor optyczny może również działać jak odbiornik różnorodności poprzez wykrywanie heterodyn z syntetyczną matrycą lub wykrywanie heterodyn z transformacją Fouriera. Dzięki wirtualnej matrycy można wtedy albo adaptacyjnie wybrać tylko jedną z częstotliwości LO, śledzić powoli poruszające się jasne plamki, albo dodać je wszystkie w przetwarzaniu końcowym przez elektronikę.

Spójne sumowanie czasowe

Można niezrozumiale dodać jasności szeregu czasowym N niezależnych impulsów do uzyskania √ N poprawę stosunku sygnału do szumu o amplitudzie, ale kosztem utraty informacji faz. Zamiast tego spójne dodawanie (dodanie złożonej amplitudy i fazy) wielu przebiegów impulsowych poprawiłoby sygnał do szumu o współczynnik N , a nie jego pierwiastek kwadratowy, i zachowałoby informację o fazie. Praktycznym ograniczeniem jest to, że sąsiednie impulsy z typowych laserów mają niewielki dryft częstotliwości, co przekłada się na duże losowe przesunięcie fazowe w dowolnym sygnale powrotnym na dużą odległość, a zatem, podobnie jak w przypadku przestrzennie zakodowanych pikseli fazowych, destrukcyjnie zakłócają, gdy są dodawane koherentnie. Jednak spójne dodawanie wielu impulsów jest możliwe dzięki zaawansowanym systemom laserowym, które zawężają dryft częstotliwości znacznie poniżej częstotliwości różnicowej (częstotliwość pośrednia). Technika ta została zademonstrowana w wieloimpulsowym koherentnym LIDARZE dopplerowskim .

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne