本發(fā)明涉及光譜探測，具體提供一種被動的激光外差雙平衡光譜探測方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、激光外差檢測技術(shù)的基本原理在于，通過引入一束高功率、激光線寬窄、頻率可調(diào)的本振光與入射信號光在光敏面上進(jìn)行混頻疊加，利用光電轉(zhuǎn)換器件以及濾波裝置將頻率量級為的紅外信號轉(zhuǎn)換至的外差射頻信號,通過對外差信號進(jìn)行處理，獲取信號光的光譜、頻率等信息。

2、激光外差探測技術(shù)的核心優(yōu)勢之一是實(shí)現(xiàn)微弱信號的高靈敏度放大作用。具體而言，當(dāng)本振光的功率被調(diào)整至較高水平時，可以將本振光作為載波實(shí)現(xiàn)了對弱信號的有效放大。外差信號的幅值正比于本振光功率與信號光功率的乘積，在實(shí)際應(yīng)用中，通過精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)參數(shù)，可以使得最終生成的外差信號強(qiáng)度相較于原始信號光提升數(shù)個數(shù)量級，通常可達(dá)到6至9個數(shù)量級。不僅極大地?cái)U(kuò)展了信號檢測的動態(tài)范圍，還顯著降低了噪聲對信號的影響，使得即使在極端微弱或復(fù)雜干擾的環(huán)境下，也能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、可靠的信號提取與分析。

3、激光外差探測技術(shù)的另外一個核心優(yōu)勢體現(xiàn)在其高效的頻率選擇性上，該技術(shù)僅對嚴(yán)格符合其預(yù)設(shè)可探測帶寬界限內(nèi)的差頻信號進(jìn)行響應(yīng)與處理，實(shí)現(xiàn)了對信號頻率成分的精確篩選與識別。換句話說，只有當(dāng)信號光的頻率與本振光的頻率之差恰好位于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的帶寬之內(nèi)時，兩者相互作用產(chǎn)生的差頻信號才會被有效識別并響應(yīng)。反之，若該頻率差超出了系統(tǒng)的帶寬限制，則相應(yīng)的外差信號將不會被系統(tǒng)捕捉，從而實(shí)現(xiàn)了對無關(guān)頻率成分的自動排斥。這一機(jī)制賦予了激光外差探測技術(shù)天然的濾波性能，它無需像直接探測技術(shù)那樣依賴復(fù)雜的窄帶濾波器來消除雜散光干擾，極大地簡化了系統(tǒng)復(fù)雜度，并提高了探測的準(zhǔn)確性和可靠性。

4、隨著半導(dǎo)體技術(shù)、激光技術(shù)的發(fā)展，激光外差技術(shù)以高環(huán)境適應(yīng)性、高空間分辨率、高光譜分辨率等優(yōu)勢逐漸應(yīng)用于光譜學(xué)領(lǐng)域。如中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院談圖等人研制出一款既能實(shí)時測量高光譜分辨率的太陽光譜數(shù)據(jù)，又具備體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)的全光纖激光外差太陽輻射計(jì)。該輻射計(jì)通過連接太陽跟蹤器、光纖、高速外差探測器、射頻處理器等部件，結(jié)合可調(diào)諧窄線寬激光器，不僅可以實(shí)現(xiàn)高信噪比的外差信號獲取，還可以便捷地提供本振光及其實(shí)時輸出波長信息。安德魯·薩佩等人發(fā)明了一種新的燃燒效率監(jiān)測設(shè)備及其操作方法。該設(shè)備利用激光外差技術(shù)，通過捕獲燃燒區(qū)發(fā)射的光并與本振信號混合，生成光電流，再經(jīng)濾波分離出與目標(biāo)物質(zhì)濃度成比例的差頻信號，從而實(shí)時監(jiān)測燃燒效率。

5、傳統(tǒng)的外差探測技術(shù)盡管在諸多光信號檢測場景中發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用，但其固有的局限性也日益凸顯。具體而言，該技術(shù)的不足之一在于未能充分利用本振光的功率，噪聲影響較大。本振光作為外差探測中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其功率的有效利用直接關(guān)系到探測的靈敏度和精度。傳統(tǒng)外差探測中，由于光波在傳輸過程中的損耗和功率分配機(jī)制的不足，常導(dǎo)致本振光功率未充分利用。實(shí)際應(yīng)用的過程中，環(huán)境復(fù)雜多變，噪聲的影響增大。這些噪聲源包括但不限于熱噪聲、散粒噪聲以及系統(tǒng)內(nèi)部的各種電子和機(jī)械噪聲。這些噪聲成分與目標(biāo)信號交織在一起，傳統(tǒng)的外差探測技術(shù)難以分辨，會造成信噪比的降低。因此在進(jìn)行高精度測量或微弱信號探測時，傳統(tǒng)外差探測造成能量浪費(fèi)和探測效率下降，其靈敏度受到嚴(yán)重制約，從而影響了探測性能的提升。

6、另外由于激光外差光譜探測技術(shù)的核心在于獲得目標(biāo)信號與本振信號的差頻分量，因此對本振信號的穩(wěn)定性有較高的要求。具體而言，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到探測結(jié)果的精確性。在實(shí)際應(yīng)用中，本振信號的穩(wěn)定性極易受到多種因素的干擾。外部環(huán)境因素，如環(huán)境溫度的微小波動、機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動或是電磁場的干擾，都可能通過物理效應(yīng)作用于激光器，導(dǎo)致其輸出光波的頻率、相位或強(qiáng)度發(fā)生不可預(yù)測的變化。而系統(tǒng)內(nèi)部因素，諸如電子器件的噪聲、激光器的老化以及光路設(shè)計(jì)的微小瑕疵，同樣會引入額外的擾動，進(jìn)一步影響本振信號的穩(wěn)定性。這些干擾因素一旦作用于本振信號，就會破壞其與目標(biāo)信號之間的相位鎖定關(guān)系，導(dǎo)致差頻分量提取過程中的相位誤差和幅度波動。這些誤差不僅會降低探測信號的信噪比，還可能扭曲光譜特征的真實(shí)形態(tài)，使得最終的探測結(jié)果偏離真實(shí)值，從而影響數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性和可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決上述問題，提供了一種被動的激光外差雙平衡光譜探測方法及裝置，不僅提高了探測系統(tǒng)的信噪比，還使得系統(tǒng)能夠在本振光穩(wěn)定性有所波動的情況下，依然保持較高的探測精度和穩(wěn)定性，顯著降低了對本振光穩(wěn)定性的要求。

2、第一方面，本發(fā)明提供一種被動的激光外差雙平衡光譜探測方法，包括：

3、利用光學(xué)系統(tǒng)對目標(biāo)光信號進(jìn)行采集，所述目標(biāo)光信號為寬譜非相干光，由不同頻率的光信號組成，其中不同頻率光信號的復(fù)振幅是關(guān)于時間的隨機(jī)函數(shù)；

4、利用斬波器對所述目標(biāo)光信號進(jìn)行斬波調(diào)制，將調(diào)制后的目標(biāo)光信號輸入到光混頻器的目標(biāo)信號輸入端，將窄線寬激光本振信號輸入所述光混頻器的本振輸入端，在所述光混頻器中，所述目標(biāo)光信號與所述窄線寬激光本振信號會進(jìn)行疊加，疊加后的目標(biāo)光信號包括直流部分和交流部分，其中頻率量級超過光電探測器記錄極限的部分為直流部分，根據(jù)其中所述目標(biāo)光信號中與所述窄線寬激光本振信號頻率相近的成分會進(jìn)行相干疊加，其中被光電探測器檢測的部分稱為交流信號，所述光混頻器輸出四路光電流信號，每路信號均包括直流部分和交流部分，其中所述直流部分均正比于所述窄線寬激光本振信號和所述目標(biāo)光信號的光強(qiáng)和，所述交流部分之間存在相對相位差，分別為0、90、180和270；

5、選擇合適的濾波范圍對輸出的四路進(jìn)行帶通濾波，將0°和180°的兩路信號輸入到一對光電二極管中，對光電二極管的輸出做差分處理，輸出的電信號稱為同相信號，將90°和270°的兩路信號輸入到另一對光電二極管中，90°和270°兩路的輸出為正交信號，其中所述同相信號和所述正交信號為輸入信號交流部分的二倍，且不包含直流部分，同相信號和正交信號存在90°的相位延遲；

6、將所述同相信號和所述正交信號經(jīng)過鎖相放大器進(jìn)行諧波檢測，其中所述鎖相放大器的參考信號來自于斬波器的頻率，將所述兩路信號輸入到示波器進(jìn)行采樣，根據(jù)示波器采集的兩路信號的幅值做平方和，得到的結(jié)果與當(dāng)前時刻的目標(biāo)光信號強(qiáng)度成正比，獲取預(yù)設(shè)時間內(nèi)的目標(biāo)光信號強(qiáng)度，獲取所述預(yù)設(shè)時間內(nèi)目標(biāo)光信號強(qiáng)度的計(jì)算平均值，獲得高光譜分辨率的光強(qiáng)信息。

7、作為一種優(yōu)選的方案，所述利用光學(xué)系統(tǒng)對目標(biāo)光信號進(jìn)行采集，包括：

8、目標(biāo)光信號經(jīng)過第一凸透鏡匯聚在所述第一凸透鏡的后焦點(diǎn)處，放置焦距合適的第一凹透鏡和第二凸透鏡，使所述目標(biāo)光信號光變?yōu)槠叫泄?，所述平行光進(jìn)入第三凸透鏡，在所述第三凸透鏡的后焦點(diǎn)處放置預(yù)設(shè)尺寸的針孔，利用所述針孔對目標(biāo)光信號進(jìn)行濾波以及光斑大小的調(diào)制，在所述針孔的后方放置第四凸透鏡，所述針孔與所述第四凸透鏡的距離為所述第四凸透鏡的焦距的2倍，所述針孔被所述第四凸透鏡所成的像在所述第四凸透鏡后方的2倍焦距處，在第四凸透鏡后方的2倍焦距處位置放置機(jī)械斬波器葉片使目標(biāo)光信號變?yōu)榻涣餍盘枺谒鰴C(jī)械斬波器葉片的后方放置第五凸透鏡，所述機(jī)械斬波器葉片與所述第五凸透鏡的距離為所述第五凸透鏡的焦距，最后使所述目標(biāo)光信號經(jīng)過所述第四凸透鏡后變?yōu)槠叫泄?，通過準(zhǔn)直鏡耦合進(jìn)入單模光纖。

9、作為一種優(yōu)選的方案，還包括：

10、利用中心波長可調(diào)的dfb激光器輸出的窄線寬激光本振信號。

11、第二方面，本發(fā)明提供一種被動的激光外差雙平衡光譜探測裝置，包括光學(xué)結(jié)構(gòu)和射頻信號處理結(jié)構(gòu)，其中，

12、所述光學(xué)結(jié)構(gòu)包括目標(biāo)光信號、第一凸透鏡、第一凹透鏡、第二凸透鏡、第三凸透鏡、針孔、第四凸透鏡、機(jī)械斬波器葉片、第五凸透鏡、準(zhǔn)直鏡，目標(biāo)光信號經(jīng)過第一凸透鏡匯聚在所述第一凸透鏡的后焦點(diǎn)處，放置焦距合適的第一凹透鏡和第二凸透鏡，使所述目標(biāo)光信號光變?yōu)槠叫泄?，所述平行光進(jìn)入第三凸透鏡，在所述第三凸透鏡的后焦點(diǎn)處放置預(yù)設(shè)尺寸的針孔，利用所述針孔對目標(biāo)光信號進(jìn)行濾波以及光斑大小的調(diào)制，在所述針孔的后方放置第四凸透鏡，所述針孔與所述第四凸透鏡的距離為所述第四凸透鏡的焦距的2倍，所述針孔被所述第四凸透鏡所成的像在所述第四凸透鏡后方的2倍焦距處，在第四凸透鏡后方的2倍焦距處位置放置機(jī)械斬波器葉片使目標(biāo)光信號變?yōu)榻涣餍盘?，在所述機(jī)械斬波器葉片的后方放置第五凸透鏡，所述機(jī)械斬波器葉片與所述第五凸透鏡的距離為所述第五凸透鏡的焦距，最后使所述目標(biāo)光信號經(jīng)過所述第四凸透鏡后變?yōu)槠叫泄?，通過準(zhǔn)直鏡耦合進(jìn)入單模光纖；

13、所述射頻信號處理結(jié)構(gòu)包括：

14、利用光學(xué)系統(tǒng)對目標(biāo)光信號進(jìn)行采集，所述目標(biāo)光信號為寬譜非相干光，由不同頻率的光信號組成，其中不同頻率光信號的復(fù)振幅是關(guān)于時間的隨機(jī)函數(shù)；

15、利用斬波器對所述目標(biāo)光信號進(jìn)行斬波調(diào)制，將調(diào)制后的目標(biāo)光信號輸入到光混頻器的目標(biāo)信號輸入端，將窄線寬激光本振信號輸入所述光混頻器的本振輸入端，在所述光混頻器中，所述目標(biāo)光信號與所述窄線寬激光本振信號會進(jìn)行疊加，疊加后的目標(biāo)光信號包括直流部分和交流部分，其中頻率量級超過光電探測器記錄極限的部分為直流部分，根據(jù)其中所述目標(biāo)光信號中與所述窄線寬激光本振信號頻率相近的成分會進(jìn)行相干疊加，其中被光電探測器檢測的部分稱為交流信號，所述光混頻器輸出四路光電流信號，每路信號均包括直流部分和交流部分，其中所述直流部分均正比于所述窄線寬激光本振信號和所述目標(biāo)光信號的光強(qiáng)和，所述交流部分之間存在相對相位差，分別為0、90、180和270；

16、選擇合適的濾波范圍對輸出的四路進(jìn)行帶通濾波，將0°和180°的兩路信號輸入到一對光電二極管中，對光電二極管的輸出做差分處理，輸出的電信號稱為同相信號，將90°和270°的兩路信號輸入到另一對光電二極管中，90°和270°兩路的輸出為正交信號，其中所述同相信號和所述正交信號為輸入信號交流部分的二倍，且不包含直流部分，同相信號和正交信號存在90°的相位延遲；

17、將所述同相信號和所述正交信號經(jīng)過鎖相放大器進(jìn)行諧波檢測，其中所述鎖相放大器的參考信號來自于斬波器的頻率，將所述兩路信號輸入到示波器進(jìn)行采樣，根據(jù)示波器采集的兩路信號的幅值做平方和，得到的結(jié)果與當(dāng)前時刻的目標(biāo)光信號強(qiáng)度成正比，獲取預(yù)設(shè)時間內(nèi)的目標(biāo)光信號強(qiáng)度，獲取所述預(yù)設(shè)時間內(nèi)目標(biāo)光信號強(qiáng)度的計(jì)算平均值，獲得高光譜分辨率的光強(qiáng)信息。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠取得如下有益效果：

19、本發(fā)明實(shí)施例中提供的一種被動的激光外差雙平衡光譜探測方法及裝置，使用光混頻器和光電二極管，對輸入的窄線寬激光本振信號和寬譜的非相干目標(biāo)光信號進(jìn)行混頻和差分處理，產(chǎn)生兩路相位相差90°的隨機(jī)時間拍頻光電流信號，該隨機(jī)時間拍頻光電流信號包含信號光的光譜等信息，對輸出的光電流信號進(jìn)行濾波、積分等方法進(jìn)行處理可以恢復(fù)信號光的光譜信息，利用這種方法，可以利用窄線寬激光本振信號的窄線寬及波長可調(diào)諧特性對寬譜非相干光信號進(jìn)行高光譜分辨率信息獲取，并有效提高本振光的利用效率，消除共模噪聲和部分系統(tǒng)噪聲，增強(qiáng)了輸出信號的信噪比，還使得系統(tǒng)能夠在本振光穩(wěn)定性有所波動的情況下，依然保持較高的探測精度和穩(wěn)定性，顯著降低了對本振光穩(wěn)定性的要求。此外，平衡相干探測還結(jié)合了濾波、放大等后續(xù)信號處理步驟，進(jìn)一步提升了信號質(zhì)量和動態(tài)響應(yīng)范圍。