Optik heterodin algılama - Optical heterodyne detection

Optik heterodin tespiti olarak kodlanmış bilgi çıkarma yöntemidir modülasyon bir faz , frekans ya da her ikisi , elektromanyetik radyasyon olarak dalga boyu görünür veya bant kızılötesi ışık. Işık sinyali, eğer ikincisi boş bilgi taşıyorsa, sinyalden frekans ve fazda sabit bir kaymaya sahip olacak bir "yerel osilatörden" (LO) gelen standart veya referans ışığı ile karşılaştırılır. "Heterodin", homodin tespitinde kullanılan tek frekansın aksine, birden fazla frekansı ifade eder .

İki ışık sinyallerinin karşılaştırılması tipik olarak bunları bir araya getirerek tamamlanır fotodiyot bir yanıt olan detektör, doğrusal olarak enerji ve dolayısıyla ikinci dereceden de amplitüd ve elektromanyetik alan . Tipik olarak, iki ışık frekansı , dedektör tarafından üretilen farkları veya vuruş frekansları , elektronik araçlarla uygun şekilde işlenebilen radyo veya mikrodalga bandında olacak kadar benzerdir .

Bu teknik , 1990'larda sentetik dizi heterodin tespitinin buluşuyla topografik ve hıza duyarlı görüntüleme için yaygın olarak uygulanabilir hale geldi . Bir hedef sahneden yansıyan ışık, tek bir büyük fiziksel pikselden oluşan nispeten ucuz bir fotodetektöre odaklanırken, farklı bir LO frekansı da bu dedektörün her sanal pikseline sıkıca odaklanarak, dedektörden bir karışım taşıyan bir elektrik sinyali ile sonuçlanır. Sahnenin bir görüntüsünü sunmak için elektronik olarak izole edilebilen ve mekansal olarak dağıtılabilen vuruş frekansları.

Tarih

Optik heterodin tespiti, en azından 1962 kadar erken bir tarihte, ilk lazerin yapımından sonraki iki yıl içinde çalışılmaya başlandı .

Geleneksel radyo frekansı (RF) heterodin algılamasına karşıtlık

Optik bant algılamanın pratik yönlerini radyo frekansı (RF) bant heterodin algılama ile karşılaştırmak öğreticidir .

Enerjiye karşı elektrik alanı algılama

RF bant algılamanın aksine, optik frekanslar elektrik alanını elektronik olarak doğrudan ölçmek ve işlemek için çok hızlı salınım yapar. Bunun yerine optik fotonlar (genellikle) fotonun enerjisini soğurarak tespit edilir, böylece elektrik alan fazını takip ederek değil, sadece büyüklüğü ortaya çıkarır. Dolayısıyla heterodin karıştırmanın birincil amacı , sinyali optik banttan elektronik olarak izlenebilir bir frekans aralığına kaydırmaktır.

RF bant algılamasında, tipik olarak, elektromanyetik alan, bir antendeki elektronların salınım hareketini yönlendirir ; yakalanan EMF daha sonra ikinci dereceden bir terime (en yaygın olarak bir doğrultucu) sahip herhangi bir uygun doğrusal olmayan devre elemanı tarafından bir yerel osilatör (LO) ile elektronik olarak karıştırılır. Optik algılamada, istenen doğrusal olmama, foton absorpsiyon sürecinin kendisinde bulunur. "Kare kanunu dedektörleri" olarak adlandırılan geleneksel ışık dedektörleri, foton enerjisine serbest bağlı elektronlara tepki verir ve enerji akısı elektrik alanının karesi olarak ölçeklendiğinden, elektronların serbest kalma hızı da öyledir. Dedektör çıkış akımında yalnızca, hem LO hem de sinyal dedektörü aynı anda aydınlattığında bir fark frekansı belirir, bu da birleşik alanların karesinin bir çapraz terime veya serbest elektronların ortalama hızı modüle eden bir "fark" frekansına sahip olmasına neden olur. oluşturuldu.

Tutarlı algılama için geniş bant yerel osilatörler

Diğer bir karşıtlık noktası, sinyalin ve yerel osilatörün beklenen bant genişliğidir. Tipik olarak, bir RF yerel osilatörü saf bir frekanstır; Pragmatik olarak, "saflık", yerel bir osilatörün frekans bant genişliğinin fark frekansından çok daha az olduğu anlamına gelir. Optik sinyallerle, hatta bir lazerle bile, tipik bir megahertz veya kilohertz ölçeği fark frekansından daha az olan anlık bir bant genişliğine veya uzun vadeli geçici kararlılığa sahip olmak için yeterince saf bir referans frekansı üretmek kolay değildir. Bu nedenle, merkez frekansı değişse bile fark frekanslarının sabit tutulabilmesi için LO ve sinyali üretmek için genellikle aynı kaynak kullanılır.

Sonuç olarak, normalde RF heterodin algılamasını açıklamak için çağrılan iki saf tonun toplamının karesini alma matematiği , optik heterodin algılamanın aşırı basitleştirilmiş bir modelidir. Bununla birlikte, sezgisel saf frekans heterodin konsepti , sinyal ve LO'nun karşılıklı olarak tutarlı olması koşuluyla geniş bant durumu için hala mükemmel bir şekilde geçerlidir . En önemlisi, uyumlu geniş bant kaynaklarından dar bantlı enterferans elde edilebilir: bu, beyaz ışık interferometrisi ve optik koherens tomografisinin temelidir . Karşılıklı tutarlılık, Newton'un halkalarındaki gökkuşağına ve fazladan gökkuşaklarına izin verir .

Sonuç olarak, optik heterodin tespiti genellikle radyoda olduğu gibi uzak bir alıcıya gönderen bir vericiden ziyade LO ve sinyalin ortak bir orijini paylaştığı interferometri olarak gerçekleştirilir . Uzak alıcı geometrisi yaygın değildir, çünkü bağımsız kökenli bir sinyalle uyumlu bir yerel osilatör sinyali üretmek, optik frekanslarda teknolojik olarak zordur. Bununla birlikte, sinyalin ve LO'nun farklı lazerlerden kaynaklanmasına izin verecek kadar dar çizgi genişliğine sahip lazerler mevcuttur.

foton sayımı

Optik heterodin yerleşik bir teknik haline geldikten sonra, "sadece birkaç, hatta fotonların karakteristik bir zaman aralığında alıcıya girdiği" kadar düşük sinyal ışık seviyelerinde çalışmanın kavramsal temeli üzerinde düşünüldü. Farklı enerjilerdeki fotonlar bir dedektör tarafından farklı (rastgele) zamanlarda sayılabilir bir oranda absorbe edildiğinde bile, dedektörün yine de bir fark frekansı üretebileceği sonucuna varıldı. Bu nedenle ışık, yalnızca uzayda yayılırken değil, aynı zamanda madde ile etkileşime girdiğinde de dalga benzeri özelliklere sahip görünüyor. Foton sayımındaki ilerleme, 2008 yılına kadar, mevcut daha büyük sinyal güçleri ile bile, foton sayımı ile vuruş sinyalinin saptanmasına izin verecek kadar düşük yerel osilatör gücünün kullanılmasının avantajlı olabileceği önerildi. Bunun, mevcut ve hızla gelişen geniş formatlı çok pikselli sayma fotodetektörleri ile görüntülemenin ana avantajına sahip olduğu anlaşıldı.

Foton sayımı, frekans modülasyonlu sürekli dalga (FMCW) lazerleri ile uygulandı . Foton sayımından elde edilen verilerin analizinin istatistiksel performansını optimize etmek için sayısal algoritmalar geliştirildi.

Temel faydalar

Algılamada kazanç

Aşağı karıştırılmış fark frekansının genliği, orijinal sinyalin kendisinin genliğinden daha büyük olabilir. Fark frekans sinyali, LO ve sinyal elektrik alanlarının genliklerinin çarpımı ile orantılıdır . Böylece, LO genliği ne kadar büyük olursa, fark-frekans genliği de o kadar büyük olur. Dolayısıyla foton dönüştürme işleminin kendisinde kazanç vardır.

İlk iki terim, emilen ortalama (DC) enerji akışıyla (veya foton sayımı durumunda eşdeğer olarak ortalama akımla) orantılıdır. Üçüncü terim zamanla değişkenlik gösterir ve toplam ve fark frekanslarını oluşturur. Optik rejimde, toplam frekans sonraki elektroniklerden geçemeyecek kadar yüksek olacaktır. Birçok uygulamada, sinyal LO'dan daha zayıftır, dolayısıyla fark frekansındaki enerji akışı, sinyalin DC enerji akışından tek başına daha büyük olduğu için kazancın meydana geldiği görülebilir .

Optik fazın korunması

Kendi başına, sinyal ışınının enerji akısı DC'dir ve dolayısıyla optik frekansıyla ilişkili fazı siler; Heterodin tespiti , bu fazın tespit edilmesini sağlar. Sinyal ışınının optik fazı bir phi açısı kadar kayarsa, elektronik fark frekansının fazı tam olarak aynı phi açısı kadar kayar. Daha doğrusu, bir optik faz kaymasını tartışmak için ortak bir zaman tabanı referansına sahip olmak gerekir. Tipik olarak sinyal ışını, LO ile aynı lazerden türetilir, ancak frekansta bir modülatör tarafından kaydırılır. Diğer durumlarda, frekans kayması hareketli bir nesneden yansımadan kaynaklanabilir. Modülasyon kaynağı, LO ve sinyal kaynağı arasında sabit bir ofset fazını koruduğu sürece, dönüş sinyalinin harici modifikasyonundan kaynaklanan zaman içinde eklenen herhangi bir optik faz kayması, fark frekansının fazına eklenir ve bu nedenle ölçülebilir.

Optik frekansları elektronik frekanslarla eşleştirmek, hassas ölçümlere olanak tanır

Yukarıda belirtildiği gibi, frekans çizgi genişliği farkı, ikisinin karşılıklı olarak tutarlı olması koşuluyla, sinyalin ve LO sinyalinin optik hat genişliğinden çok daha küçük olabilir. Böylece optik sinyal merkez-frekansındaki küçük kaymalar ölçülebilir: Örneğin, Doppler lidar sistemleri, optik frekanstaki bir milyar Doppler kaymasının bir kısmından daha az olan, saniyede 1 metreden daha iyi bir çözünürlükle rüzgar hızlarını ayırt edebilir. Benzer şekilde, küçük tutarlı faz kaymaları, nominal olarak tutarsız geniş bant ışık için bile ölçülebilir ve optik tutarlılık tomografisinin mikrometre boyutundaki özellikleri görüntülemesine izin verir . Bu nedenle, bir elektronik filtre, ışığın kendisinde çalışan herhangi bir gerçekleştirilebilir dalga boyu filtresinden daha dar olan etkin bir optik frekans bant geçişi tanımlayabilir ve böylece arka plan ışığının reddedilmesini ve dolayısıyla zayıf sinyallerin algılanmasını sağlar.

Atış gürültü sınırına gürültü azaltma

Herhangi bir küçük sinyal amplifikasyonunda olduğu gibi, sinyal yakalamanın ilk noktasına mümkün olduğunca yakın bir kazanç elde etmek en çok arzu edilen şeydir: kazancı herhangi bir sinyal işlemenin önüne taşımak, direnç Johnson-Nyquist gürültüsü veya elektrik gibi etkilerin katkı katkılarını azaltır. Aktif devrelerdeki gürültüler. Optik heterodin algılamada, karıştırma kazancı doğrudan ilk foton absorpsiyon olayının fiziğinde gerçekleşir ve bunu ideal hale getirir. Ek olarak, bir ilk yaklaşıma göre, absorpsiyon, doğrusal olmayan bir diyot tarafından RF algılamasının aksine, mükemmel bir şekilde ikinci derecedendir.

Heterodin saptamanın erdemlerinden biri, fark frekansının, ya sinyal ya da LO sinyali üretme işlemi sırasında yayılan potansiyel gürültülerden genellikle spektral olarak uzak olması , dolayısıyla fark frekansına yakın spektral bölgenin nispeten sessiz olabilmesidir. Bu nedenle, fark frekansına yakın dar elektronik filtreleme, kalan, genellikle geniş bantlı gürültü kaynaklarını ortadan kaldırmada oldukça etkilidir.

Geri kalan birincil gürültü kaynağı, tipik olarak Yerel Osilatör (LO) tarafından baskın olan nominal olarak sabit DC seviyesinden gelen foton atış gürültüsüdür. Yana atış gürültü olarak ölçekler genliği LO elektrik alan düzeyinin ve heterodin kazanç da aynı şekilde ölçekler, karışık sinyale atış gürültü oranı ne kadar büyük olursa olsun LO sabittir.

Böylece pratikte LO seviyesi, sinyaldeki kazanç onu diğer tüm ilave gürültü kaynaklarının üzerine çıkarana kadar yükseltir ve sadece atış gürültüsünü bırakır. Bu sınırda, sinyal-gürültü oranı, yalnızca sinyalin atış gürültüsünden etkilenir (yani, orana bölündüğü için güçlü LO'dan hiçbir gürültü katkısı yoktur). Bu noktada, kazanç daha da arttığı için sinyalden gürültüye herhangi bir değişiklik olmaz. (Tabii ki, bu oldukça idealleştirilmiş bir tanımdır; gerçek dedektörlerdeki LO yoğunluğu maddesi üzerindeki pratik sınırlar ve saf olmayan bir LO, fark frekansında bir miktar gürültü taşıyabilir)

Temel sorunlar ve çözümleri

Dizi algılama ve görüntüleme

Işığın dizi algılaması, yani çok sayıda bağımsız dedektör pikselindeki ışığı algılama, dijital kamera görüntü sensörlerinde yaygındır . Bununla birlikte, ilgili sinyal salınım yaptığından ( devrelere benzetilerek AC olarak da adlandırılır ), genellikle saniyede milyonlarca döngüde veya daha fazla sayıda olduğundan, heterodin saptamada oldukça zor olma eğilimindedir . Görüntü sensörleri için çok daha yavaş olan tipik kare hızlarında, her piksel birçok salınım döngüsü boyunca alınan toplam ışığı entegre eder ve bu zaman entegrasyonu ilgili sinyali yok eder. Bu nedenle, bir heterodin dizisi genellikle her sensör pikselinden ayrı elektriksel amplifikatörlere, filtrelere ve işleme sistemlerine paralel doğrudan bağlantılara sahip olmalıdır. Bu, büyük, genel amaçlı, heterodin görüntüleme sistemlerini aşırı derecede pahalı hale getirir. Örneğin, megapiksel tutarlı bir diziye 1 milyon potansiyel müşteri eklemek göz korkutucu bir zorluktur.

Bu sorunu çözmek için sentetik dizi heterodin tespiti (SAHD) geliştirildi. SAHD'de, büyük görüntüleme dizileri, tek okuma kablosu, tek elektrik filtresi ve tek kayıt sistemi ile tek bir eleman dedektörü üzerinde sanal piksellere çoğullanabilir . Bu yaklaşımın zaman alanı eşleniği , aynı zamanda mültipleks avantajına sahip olan ve aynı zamanda tek bir eleman detektörünün bir görüntüleme dizisi gibi hareket etmesine izin veren Fourier dönüşümü heterodin tespitidir . SAHD, tek bir frekans LO yerine, birçok dar aralıklı frekansın bir gökkuşağı gibi dedektör elemanı yüzeyi boyunca yayıldığı Rainbow heterodin algılaması olarak uygulanmıştır . Her fotonun geldiği fiziksel konum, sonuçta ortaya çıkan fark frekansının kendisinde kodlanır ve tek bir element detektörü üzerinde sanal bir 1B dizi oluşturur. Frekans tarağı eşit aralıklarla yerleştirilmişse, uygun bir şekilde, çıkış dalga biçiminin Fourier dönüşümü görüntünün kendisidir. 2D diziler de oluşturulabilir ve diziler sanal olduğu için piksel sayısı, boyutları ve bireysel kazanımları dinamik olarak uyarlanabilir. Multiplex dezavantajı, fiziksel olarak ayrılmadıkları için tüm piksellerden gelen çekim gürültüsünün birleşmesidir.

Benek ve çeşitlilik alımı

Tartışıldığı gibi, LO ve sinyal geçici olarak tutarlı olmalıdır . Ayrıca dedektörün yüzeyi boyunca uzamsal olarak tutarlı olmaları gerekir, aksi takdirde yıkıcı bir şekilde müdahale ederler. Birçok kullanım senaryosunda, sinyal optik olarak pürüzlü yüzeylerden yansıtılır veya optik olarak türbülanslı ortamlardan geçerek uzamsal olarak tutarsız olan dalga cephelerine yol açar . Lazer saçılmasında bu, benek olarak bilinir .

RF tespitinde anten nadiren dalga boyundan daha büyüktür, bu nedenle tüm uyarılmış elektronlar anten içinde uyumlu bir şekilde hareket eder, oysa optikte dedektör genellikle dalga boyundan çok daha büyüktür ve bu nedenle çarpık bir faz cephesini yakalayabilir, bu da dıştan gelen yıkıcı girişime neden olur. dedektör içindeki -faz foto-üretilmiş elektronlar.

Yıkıcı girişim sinyal seviyesini önemli ölçüde azaltırken, uzamsal olarak tutarsız bir karışımın toplam genliği sıfıra değil, tek bir beneğin ortalama genliğine yaklaşır. Bununla birlikte, beneklerin tutarlı toplamının standart sapması, ortalama benek yoğunluğuna tam olarak eşit olduğundan, karıştırılmış faz cephelerinin optik heterodin tespiti, mutlak ışık seviyesini asla sinyalin boyutundan daha küçük bir hata çubuğu ile ölçemez. Bu üst sınır sinyal-gürültü oranı birliği yalnızca mutlak büyüklük ölçümü içindir : sabit bir benek alanında faz, frekans veya zamanla değişen göreli genlik ölçümleri için sinyal-gürültü oranı birlikten daha iyi olabilir.

RF algılamada, "çeşitlilik alımı" genellikle, birincil anten yanlışlıkla bir parazit sıfır noktasına yerleştirildiğinde düşük sinyalleri azaltmak için kullanılır: birden fazla antene sahip olarak, en güçlü sinyale sahip olan antene uyarlamalı olarak geçiş yapılabilir veya hatta tutarsız bir şekilde tümünü ekleyebilir. anten sinyallerinden. Sadece antenleri tutarlı bir şekilde eklemek, optik alanda olduğu gibi yıkıcı parazit üretebilir.

Optik heterodin için benzer çeşitlilik alımı, foton sayma detektörlerinin dizileriyle gösterilmiştir. Rastgele bir benek alanına çoklu eleman detektörlerinin tutarsız eklenmesi için, ortalamanın standart sapmaya oranı, bağımsız olarak ölçülen beneklerin sayısının karekökü olarak ölçeklenecektir. Bu geliştirilmiş sinyal-gürültü oranı, heterodin algılamada mutlak genlik ölçümlerini mümkün kılar.

Bununla birlikte, yukarıda belirtildiği gibi, fiziksel dizileri büyük eleman sayılarına ölçeklendirmek, çıkış sinyalinin salınımlı veya hatta çok frekanslı doğası nedeniyle heterodin tespiti için zordur. Bunun yerine, tek elemanlı bir optik dedektör, sentetik dizi heterodin tespiti veya Fourier dönüşümü heterodin tespiti yoluyla çeşitlilik alıcısı gibi davranabilir. Sanal bir dizi ile kişi ya LO frekanslarından sadece birini uyarlamalı olarak seçebilir, yavaş hareket eden parlak bir beneği izleyebilir ya da hepsini elektronik tarafından son işlemeye ekleyebilir.

Tutarlı zamansal toplam

Genlik üzerinde sinyalden gürültüye √ N'lik bir iyileşme elde etmek için , N bağımsız darbenin bir zaman serisinin büyüklükleri tutarsız bir şekilde eklenebilir , ancak faz bilgisini kaybetme pahasına. Bunun yerine, çoklu darbe dalga biçimlerinin tutarlı eklenmesi (karmaşık büyüklük ve fazın eklenmesi), sinyali gürültüye karekökü değil, N faktörü kadar iyileştirir ve faz bilgisini korur. Pratik sınırlama, tipik lazerlerden gelen bitişik darbelerin, herhangi bir uzun mesafe dönüş sinyalinde büyük bir rastgele faz kaymasına dönüşen bir dakika frekans kaymasına sahip olmasıdır ve bu nedenle, uzaysal olarak karıştırılmış faz pikselleri için olduğu gibi, tutarlı bir şekilde eklendiğinde yıkıcı olarak müdahale eder. Bununla birlikte, frekans kaymasını fark frekansının (ara frekans) çok altına daraltan gelişmiş lazer sistemleri ile çoklu darbelerin tutarlı bir şekilde eklenmesi mümkündür. Bu teknik, çok darbeli tutarlı Doppler LIDAR'da gösterilmiştir .

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar