Оптическое гетеродинное обнаружение

Оптическое гетеродинное обнаружение — это метод извлечения информации, закодированной как модуляция фазы электромагнитного , частоты или того и другого излучения в диапазоне длин волн видимого или инфракрасного света. Световой сигнал сравнивается со стандартным или эталонным светом от «гетердина» (LO), который имел бы фиксированное смещение по частоте и фазе от сигнала, если бы последний нес нулевую информацию. «Гетеродинный» означает более одной частоты, в отличие от единственной частоты, используемой при гомодинном обнаружении .

Сравнение двух световых сигналов обычно осуществляется путем объединения их в фотодиодном детекторе, отклик которого линейен по энергии и, следовательно, квадратичен по амплитуде электромагнитного поля . Обычно две световые частоты достаточно схожи, так что их разница или частота биений, создаваемая детектором, находится в радио- или микроволновом диапазоне, который можно удобно обрабатывать электронными средствами.

Этот метод стал широко применяться для топографических и скорости чувствительных к изображений с изобретением в 1990-х годах гетеродинного обнаружения с синтетической решеткой. 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 электрический сигнал от детектора несет смесь частот биений, которые можно электронно изолировать и распределить в пространстве, чтобы представить изображение сцены.

История

Оптическое гетеродинное обнаружение начали изучать по крайней мере еще в 1962 году, через два года после создания первого лазера . Однако лазерное освещение — не единственный способ получения пространственно когерентного света. В 1995 году Герра опубликовал результаты, в которых он использовал «форму оптического гетеродинирования» для обнаружения и изображения решетки с частотой, во много раз меньшей, чем длина волны освещения, и, следовательно, меньшей, чем разрешение или полоса пропускания микроскопа, ударяя ее по гетеродину. в виде аналогичной, но прозрачной решетки. Эта работа, являющаяся формой микроскопии сверхвысокого разрешения, продолжает порождать семейство и поколение микроскопов, особенно используемых в науках о жизни, известных как «микроскопия со структурированным освещением». Polaroid Corp. запатентовала изобретение Герры в 1997 году.

В отличие от обычного радиочастотного (РЧ) гетеродинного обнаружения

Поучительно сравнить практические аспекты обнаружения оптического диапазона с обнаружением радиочастотного (РЧ) диапазона гетеродинным .

Обнаружение энергии и электрического поля

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 — сместить сигнал из оптического диапазона в диапазон частот, управляемый электроникой.

При обнаружении радиочастотного диапазона обычно электромагнитное поле вызывает колебательное движение электронов в антенне ; захваченная ЭДС впоследствии электронно смешивается с гетеродином (LO) с помощью любого удобного элемента нелинейной схемы с квадратичным членом (чаще всего выпрямителя). При оптическом обнаружении желаемая нелинейность присуща самому процессу поглощения фотонов. Обычные детекторы света — так называемые «детекторы квадратичного закона» — реагируют на энергию фотонов, свободных связанных электронов, и поскольку поток энергии масштабируется как квадрат электрического поля, то же самое происходит и со скоростью, с которой освобождаются электроны. Разностная 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.

Широкополосные гетеродины для когерентного обнаружения

Еще одним отличием является ожидаемая полоса пропускания сигнала и гетеродина. Обычно радиочастотный гетеродин представляет собой чистую частоту; с прагматической точки зрения «чистота» означает, что полоса частот гетеродина намного меньше разностной частоты. Для оптических сигналов, даже с помощью лазера, непросто создать достаточно чистую опорную частоту, чтобы иметь мгновенную полосу пропускания или долговременную временную стабильность, которая меньше типичной разностной частоты мегагерцового или килогерцового масштаба. По этой причине для создания гетеродина и сигнала часто используется один и тот же источник, так что их разностная частота может поддерживаться постоянной, даже если центральная частота отклоняется.

В результате математика возведения в квадрат суммы двух чистых тонов, обычно используемая для объяснения радиочастотного гетеродинного обнаружения , представляет собой упрощенную модель оптического гетеродинного обнаружения. Тем не менее, интуитивно понятная концепция чисточастотного гетеродина по-прежнему прекрасно подходит для широкополосного случая при условии, что сигнал и гетеродин взаимно когерентны . Важно отметить, что можно получить узкополосную интерференцию от когерентных широкополосных источников: это основа интерферометрии белого света и оптической когерентной томографии . Взаимная когерентность допускает появление радуги в кольцах Ньютона и нештатных радуг .

Следовательно, оптическое гетеродинное обнаружение обычно выполняется как интерферометрия , где гетеродин и сигнал имеют общее происхождение, а не, как в радиосвязи, передатчик отправляет сигнал на удаленный приемник. Геометрия удаленного приемника необычна, поскольку генерирование сигнала гетеродина, когерентного с сигналом независимого происхождения, на оптических частотах технологически сложно. Однако существуют лазеры с достаточно узкой шириной линии, позволяющей сигналу и гетеродину исходить от разных лазеров.

Подсчет фотонов

После того, как оптический гетеродин стал общепринятым методом, внимание было уделено 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 генерировать разностную частоту. Следовательно, кажется, что свет обладает волнообразными свойствами не только при распространении в пространстве, но и при взаимодействии с материей. Прогресс в подсчете фотонов был таков, что к 2008 году было предложено, что даже при наличии более высоких мощностей сигнала может быть выгодно использовать достаточно низкую мощность гетеродина, чтобы обеспечить обнаружение сигнала биения путем подсчета фотонов. Считалось, что это имеет главное преимущество визуализации с помощью доступных и быстро развивающихся широкоформатных фотодетекторов с многопиксельным счетом.

Подсчет фотонов применялся с помощью частотно-модулированных лазеров непрерывного действия (FMCW). Были разработаны численные алгоритмы для оптимизации статистической производительности анализа данных подсчета фотонов.

Ключевые преимущества

Выигрыш в обнаружении

Амплитуда разностной частоты микширования может быть больше, чем амплитуда самого исходного сигнала. Сигнал разностной частоты пропорционален произведению амплитуд электрических полей гетеродина и сигнала. Таким образом, чем больше амплитуда гетеродина, тем больше амплитуда разностной частоты. Следовательно, есть выигрыш в самом процессе преобразования фотонов.

$I\propto \left[E_{\mathrm {sig} }\cos(\omega _{\mathrm {sig} }t+\varphi )+E_{\mathrm {LO} }\cos(\omega _{\mathrm {LO} }t)\right]^{2}\propto {\frac {1}{2}}E_{\mathrm {sig} }^{2}+{\frac {1}{2}}E_{\mathrm {LO} }^{2}+2E_{\mathrm {LO} }E_{\mathrm {sig} }\cos(\omega _{\mathrm {sig} }t+\varphi )\cos(\omega _{\mathrm {LO} }t)$

Первые два члена пропорциональны среднему (постоянному) потоку поглощаемой энергии (или, что то же самое, среднему току в случае счета фотонов). Третий член изменяется во времени и создает сумму и разность частот. В оптическом режиме суммарная частота будет слишком высока, чтобы пройти через последующую электронику. Во многих приложениях сигнал слабее, чем гетеродин, поэтому можно видеть, что усиление происходит из-за потока энергии на разностной частоте. $E_{\mathrm {LO} }E_{\mathrm {sig} }$ больше, чем поток энергии постоянного тока самого сигнала $E_{\mathrm {sig} }^{2}$.

Сохранение оптической фазы

Сам по себе поток энергии сигнального луча, $E_{\mathrm {sig} }^{2}$, является постоянным током и, таким образом, стирает фазу, связанную с его оптической частотой; Гетеродинное обнаружение позволяет обнаружить эту фазу. Если оптическая фаза сигнального луча смещается на угол фи, то фаза электронной разностной частоты смещается точно на такой же угол фи. Точнее, для обсуждения оптического фазового сдвига необходимо иметь общую опорную базу времени. Обычно луч сигнала исходит от того же лазера, что и гетеродин, но сдвинут по частоте каким-либо модулятором. В других случаях сдвиг частоты может возникнуть из-за отражения от движущегося объекта. Пока источник модуляции поддерживает постоянное смещение фазы между гетеродином и источником сигнала, любые добавленные оптические фазовые сдвиги с течением времени, возникающие в результате внешней модификации отраженного сигнала, добавляются к фазе разностной частоты и, таким образом, поддаются измерению.

Сопоставление оптических частот с электронными частотами позволяет проводить чувствительные измерения.

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 1 метра в секунду, что составляет менее одной миллиардной доли доплеровского сдвига оптической частоты. Аналогично, небольшие когерентные фазовые сдвиги могут быть измерены даже для номинально некогерентного широкополосного света, что позволяет оптической когерентной томографии отображать детали микрометрового размера. Благодаря этому электронный фильтр может определять эффективную полосу пропускания оптических частот, которая уже, чем любой реализуемый фильтр длины волны, работающий на самом свете, и тем самым обеспечивать подавление фонового света и, следовательно, обнаружение слабых сигналов.

Снижение шума до предела шума выстрела

Как и при любом усилении небольшого сигнала, наиболее желательно получить усиление как можно ближе к начальной точке перехвата сигнала: перемещение усиления перед любой обработкой сигнала уменьшает аддитивный вклад таких эффектов, как резисторный шум Джонсона-Найквиста или электрический шум. шумы в активных цепях. При оптическом гетеродинном обнаружении выигрыш от смешивания происходит непосредственно в физике начального события поглощения фотона, что делает его идеальным. Кроме того, в первом приближении поглощение является совершенно квадратичным, в отличие от радиочастотного обнаружения по нелинейности диода.

Одним из преимуществ гетеродинного обнаружения является то, что разностная частота, как правило, значительно отличается по спектру от потенциальных шумов, излучаемых в процессе генерации либо сигнала, либо сигнала гетеродина, поэтому спектральная область вблизи разностной частоты может быть относительно тихой. Следовательно, узкая электронная фильтрация вблизи разностной частоты очень эффективна для удаления оставшихся, обычно широкополосных, источников шума.

Основным оставшимся источником шума является фотонный выстрел номинально постоянного уровня постоянного тока, в котором обычно доминирует гетеродин (LO). Поскольку дробовой шум масштабируется как амплитуда уровня электрического поля гетеродина, а коэффициент усиления гетеродина также масштабируется таким же образом, отношение дробового шума к смешанному сигналу является постоянным, независимо от того, насколько велик гетеродин.

Таким образом, на практике уровень гетеродина увеличивается до тех пор, пока усиление сигнала не поднимет его над всеми другими источниками аддитивного шума, оставив только дробовой шум. В этом пределе на отношение сигнал/шум влияет только дробовой шум сигнала ( т. е. нет никакого вклада шума от мощного гетеродина, поскольку он разделяется на соотношение). В этот момент соотношение сигнал-шум не меняется при дальнейшем увеличении усиления. (Конечно, это сильно идеализированное описание; практические ограничения на интенсивность гетеродина имеют значение в реальных детекторах, а нечистый гетеродин может нести некоторый шум на разностной частоте)

Ключевые проблемы и их решения

Обнаружение массивов и визуализация

Матричное обнаружение света, то есть обнаружение света в большом количестве независимых пикселей детектора, является обычным явлением в датчиках изображения цифровых камер . Однако при гетеродинном обнаружении это, как правило, довольно сложно, поскольку интересующий сигнал является колеблющимся (также называемым переменным током по аналогии с цепями), часто с частотой миллионы циклов в секунду или более. При типичной частоте кадров для датчиков изображения, которая намного медленнее, каждый пиксель будет интегрировать общий свет, полученный за множество циклов колебаний, и эта временная интеграция уничтожит интересующий сигнал. Таким образом, гетеродинная матрица обычно должна иметь параллельные прямые соединения от каждого пикселя датчика к отдельным электрическим усилителям, фильтрам и системам обработки. Это делает большие гетеродинные системы визуализации общего назначения непомерно дорогими. Например, просто подключить 1 миллион отведений к мегапиксельной когерентной матрице — непростая задача.

Для решения этой проблемы был разработан метод гетеродинного обнаружения с синтетической матрицей (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. Сопряжением этого подхода во временной области является гетеродинное обнаружение с преобразованием Фурье . который также имеет преимущество мультиплексирования, а также позволяет одноэлементному детектору действовать как массив изображений. SAHD реализован как гетеродинное обнаружение Rainbow. в котором вместо одной частоты гетеродина множество узко расположенных частот разбросаны по поверхности детекторного элемента, как радуга. Физическое положение, куда прибыл каждый фотон, кодируется в самой результирующей разностной частоте, создавая виртуальный одномерный массив на одноэлементном детекторе. Если гребенка частот равномерно распределена, то, что удобно, преобразование Фурье выходного сигнала представляет собой само изображение. Также можно создавать массивы в 2D, и, поскольку массивы виртуальны, количество пикселей, их размер и их отдельные коэффициенты усиления можно адаптировать динамически. Недостаток мультиплекса заключается в том, что дробовый шум всех пикселей объединяется, поскольку они физически не разделены.

Прием спеклов и разнообразия

Как уже говорилось, гетеродин и сигнал должны быть согласованными во времени . Они также должны быть пространственно когерентными по всей поверхности детектора, иначе они будут создавать разрушительные помехи. Во многих сценариях использования сигнал отражается от оптически шероховатых поверхностей или проходит через оптически турбулентные среды, что приводит к образованию волновых фронтов пространственно некогерентных . В лазерном рассеянии это известно как спекл .

При радиочастотном обнаружении антенна редко превышает длину волны, поэтому все возбужденные электроны движутся внутри антенны когерентно, тогда как в оптике размер детектора обычно намного превышает длину волны и, таким образом, может перехватывать искаженный фазовый фронт, что приводит к деструктивным помехам из-за внешнего излучения. -фазные фотогенерированные электроны внутри детектора.

В то время как деструктивная интерференция резко 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 в точности равно средней интенсивности спеклов, оптическое гетеродинное обнаружение скремблированных фазовых фронтов никогда не сможет измерить абсолютный уровень освещенности с погрешностью, меньшей, чем размер самого сигнала. Эта верхняя граница отношения сигнал/шум, равная единице, предназначена только для измерения абсолютной величины : оно может иметь отношение сигнал/шум лучше единицы для измерений фазы, частоты или изменяющейся во времени относительной амплитуды в стационарном спекл-поле.

При радиочастотном обнаружении «разнесенный прием» часто используется для подавления слабых сигналов, когда основная антенна случайно оказывается в нулевой точке помех: имея более одной антенны, можно адаптивно переключиться на ту антенну, которая имеет самый сильный сигнал, или даже бескогерентно добавить все сигналов антенны. Простое последовательное добавление антенн может привести к разрушительным помехам, как это происходит в оптической сфере.

Аналогичный разнесенный прием для оптического гетеродина был продемонстрирован на матрицах детекторов счета фотонов. При некогерентном сложении нескольких детекторов элементов в случайном поле спеклов отношение среднего значения к стандартному отклонению будет масштабироваться как квадратный корень из числа независимо измеренных спеклов. Такое улучшенное соотношение сигнал/шум делает возможным измерение абсолютной амплитуды при гетеродинном обнаружении.

Однако, как отмечалось выше, масштабирование физических массивов до большого количества элементов затрудняет обнаружение гетеродинов из-за колебательного или даже многочастотного характера выходного сигнала. Вместо этого одноэлементный оптический детектор может также действовать как разнесенный приемник посредством гетеродинного обнаружения с синтетической матрицей или гетеродинного обнаружения с преобразованием Фурье. С помощью виртуального массива можно либо адаптивно выбрать только одну из частот гетеродина, отслеживать медленно движущееся яркое пятно, либо добавить их все при постобработке электроникой.

Когерентное временное суммирование

Можно бессвязно сложить величины временного ряда из N независимых импульсов, чтобы получить √ N улучшение отношения сигнала к шуму по амплитуде на , но за счет потери информации о фазе. Вместо этого когерентное сложение (сложение комплексной величины и фазы) нескольких импульсных сигналов улучшит отношение сигнала к шуму в N раз , а не в квадратный корень, и сохранит 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, разрушительно интерферируют при когерентном добавлении. Однако когерентное сложение нескольких импульсов возможно с помощью современных лазерных систем, которые сужают дрейф частоты намного ниже разностной частоты (промежуточной частоты). Этот метод был продемонстрирован в многоимпульсном когерентном доплеровском лидаре .

См. также

• Волоконно-оптический гироскоп
• Гетеродин
• Гомодин
• Интерферометрия
• Лазерный доплеровский виброметр
• Лазерный микрофон
• Лазерный проигрыватель
• Оптическая когерентная томография
• Радужное гетеродинное обнаружение
• Супергетеродин

Внешние ссылки

• Рюдигер Пашотта (29 апреля 2011 г.). «Оптический гетеродинный детектор» . Энциклопедия лазерной физики и техники . РП Фотоника.
• Патент США 5689335 — Изобретение гетеродинного обнаружения с использованием синтетической матрицы.
• Отчет LANL LA-UR-99-1055 (1999 г.) - Полевая визуализация в лидаре с помощью гетеродинного преобразования Фурье
• Дахер, Карлос; Торрес, Джереми; Инигес-де-ла-Торре, Игнасио; Нувель, Филипп; Варани, Лука; Сангаре, Пол; Дюкурно, Гийом; Гакьер, Кристоф; Матеос, Хавьер; Гонсалес, Томас (2016). «Прямое и гетеродинное обнаружение волн 0,28–0,69 ТГц при комнатной температуре на основе униполярных наноканалов GaN 2-DEG» (PDF) . Транзакции IEEE на электронных устройствах . 63 (1): 353–359. Бибкод : 2016ITED...63..353D . дои : 10.1109/TED.2015.2503987 . hdl : 10366/130697 . ISSN   0018-9383 . S2CID   33231377 .
• Пенн, Уильям А. и Марта Дж. Хэнсон. « Проект Радиус библиотеки Сиракузского университета: Разработка системы неразрушающего воспроизведения цилиндрических записей » (2003).