微弱光信号的量子增强接收优化方法(特邀)EI北大核心CSCD

在经典理论框架下,相干探测性能受限于散粒噪声对应的标准量子极限,而量子增强接收技术通过引入位移算子,采用关联的方式将经典的平衡零拍/零差探测转化为光子数态的测量,理论上可以突破标准量子极限并不断逼近Helstrom极限。无歧义量子态识别(Unambiguous State Discrimination,USD)是量子增强接收常用的识别判决策略之一。然而,由于微弱光信号的能量有限,传统的USD量子增强接收方法的适用微弱信号范围较小,微弱信号识别的错误率较高。提出了一种QPSK调制量子增强接收的混合测量优化方案,该方案首先通过二态零差测量将QPSK相干态的区分转化为BPSK相干态的区分,然后通过BPSK量子增强接收测量实现相干态的无歧义识别。仿真表明,混合测量方案在平均光子数在3.2~11.3之间优于经典的外差测量方案,而且比传统QPSK量子增强接收方案具有更大的适用信号范围。     

光外差检测中的量子噪声

本文分析了光外差检测中的量子噪声,探讨本振光功率对量子噪声谱的影响     

偏振正交外差光信噪比监测技术研究

传统偏振方法监测光信噪比的准确性易受偏振模色散和非线性双折射影响,提出了一种新的偏振正交外差监测方法以克服传统偏振监测方法的缺点.该方法通过将信号分成两个支路并控制偏振态达到相对偏振态正交,用偏振正交的两支路信号外差混频消去信号,通过测量保留下来的差拍噪声实现对光信噪比的监测.仿真试验证实,该方法对偏振模色散和非线性双折射引起的信号偏振态变化不敏感.     

CO2激光脉冲外差探测一阶统计特性分析

从分析高斯本振光和爱里信号回波互相干函数 (或外差量子效率 )一阶统计量入手 ,推导出CO2 激光脉冲外差探测振幅、位相和波矢空间夹角匹配条件 ,其外差量子效率的最大理论值为 0 82。在离焦失准状态下 (即球像差 ) ,两束光的位相差主要由高斯本振光波前弯曲决定 ,并因此导致外差量子效率的降低。     

基于阵列探测器的空间失配角匹配外差探测研究

空间失配角是影响外差探测的主要因素之一,很小的角度失配就会导致中频信号极为微弱。通过分析提出,外差信号的振幅可以视为探测器量子效率分布函数的傅里叶变换,基于此提出一种单元增益可调的阵列探测器接收方法。该方法通过设置阵列中探测单元的增益系数,使阵列有效量子效率分布函数的频谱特性匹配信号光与本振光形成的干涉光场,以此提高存在失配角时的中频信号的强度。通过对有效量子效率分布函数的调整,匹配不同角度入射的信号光,即可达到高速扫描探测的目的。     

周期力调制下色关联色噪声驱动光学双稳系统的光强相对涨落

用线性化近似方法,计算了具有色关联的色抽运噪声和色量子噪声驱动的光学双稳系统的光强相对涨落,讨论了噪声间的关联和输入信号对光强相对涨落的影响,发现光强相对涨落随抽运噪声强度和量子噪声强度的变化过程中存在极小值,且光强相对涨落与噪声间的关联程度密切相关,但输入信号对其影响不大.     

基于光锁相环的载波捕获环路设计

在相干光通信系统中零差探测技术相比外差探测技术具有更高的探测灵敏度,载波恢复技术为零差探测技术的核心。文章对光学锁相环中的科斯塔斯锁相环进行了研究,通过对其进行理论分析,建立了其数学建模,设计了基于压控振荡器的跟踪锁相电路。当信号光采用BPSK调制方式,平衡探测器输出的I、Q两路信号的相位差保持90°时,本文设计的锁相电路可以实现本振光对信号光相位的跟踪锁定。通过实验对本文设计的基于科斯塔斯锁相环的载波恢复系统进行了测试,结果表明该系统可以较好地解调出信号光中携带的基带信号。     

合成孔径激光雷达外差探测的影响研究

现阶段合成孔径雷达(SAR)都采用外差探测,因其外差相干探测的优越性,成为研究和应用的热点。然而,在实际探测中,雷达接收系统接收到的回波激光信号与本地振荡光信号进行相干外差时,匹配具有一定难度。文中分析了信号光宇本振光的夹角对外差信号的影响。     

本振功率对目标微动激光平衡外差探测的影响研究

面向远距离目标微多普勒效应的探测,建立了本振光功率变化对激光平衡外差探测回波信噪比影响的数学模型,并进行了仿真分析。通过搭建的1 550 nm激光平衡外差探测实验平台测试了由于本振功率变化对于目标微多普勒特征提取效果的影响。研究结果表明,对于平衡外差探测,由于两光电探测器量子效率不可能完全匹配,考虑到散粒噪声、热噪声和本振相对强度噪声的影响,将存在一个最佳本振功率值使探测信噪比达到最大。当选取该本振功率进行探测时,获得的目标微多普勒特征可读性更强,提取误差更小。     

相干检测中的能量守恒与信噪比分析

对光通信相干检测原理中两个容易引起误解的问题进行了深入分析。一是零差接收机的光耦合器输入输出能量不守恒现象,指出这是因为混频方案默认信号光和本振光频率和相位完全同步,提供了隐形的"锁相增益"。二是纠正了经典文献将外差接收机噪声带宽设为符号率一半的错误,证明了外差检测中频信号和基带信号的信噪比相对零差检测基带信号的信噪比分别低6dB和3dB。     

具有两级放大的平衡零拍光电探测器

平衡零拍探测技术具有低噪声和高灵敏度的特性,是量子噪声谱测量的主要方法之一。采用基尔霍夫定律,设计并研究了一种具有两级放大的平衡零拍光电探测器。由两个性能匹配的光电管相减产生的光电流经过一级跨阻放大后差分输出,再经过二级差分放大电路进行放大输出。结果表明,探测器饱和功率为5 mW,信号响应带宽约140 MHz。当入射光功率为2 mW、分析频率小于30 MHz时,探测的光学噪声功率高于探测器电子噪声10 dB以上。在20 MHz附近,该探测器的共模抑制比达55 dB。     

伪随机序列调制的激光外差探测

在激光外差探测中,为了增强在频谱密度上对多普勒频移峰值的识别能力,提升对目标的探测概率,提出一种采用伪随机序列对连续激光进行调制的外差探测方法.应用伪随机序列的M序列码对发射激光和本振光同时进行频率调制,接收信号光和经时间延迟后的本振光相干叠加形成拍频信号.其特点是二进制码调制同时作用于发射信号光和本振光,使外差信号频...     

激光外差实验研究

利用激光外差探测原理实现综合孔径激光雷达探测越来越受到关注。通过二极管泵浦固体激光外差探测实验,实现了实验平台上接受目标反射微弱回波信号的外差探测,得到了信号光功率与本振光功率之间数量级差别的阈值范围,总结了实现激光外差探测应用于综合孔径激光雷达领域的条件。     

激光相干雷达中光单次下变频技术

在相干激光雷达远程测距中,为提高雷达的探测距离和距离分辨力,通常使用大时宽带宽积的信号如调频信号对光载波进行调制,并在接收端进行脉冲压缩处理,为降低接收端数字信号处理的数据量以提高运算的实时性,需要将接收信号下变频至合适的频段。传统的外差式雷达接收机需对光信号和电信号分别进行一次下变频,导致系统结构较复杂,且受器件非理想化的限制,下变频过程中会引入额外的噪声,此外还存在镜像频率噪声干扰的问题,导致解调信号信噪比降低。提出了一种将光信号直接下变频至脉冲压缩所需频段的方案,该方案使用正交解调的方式进行,能够简化系统结构同时抑制镜频噪声。首先将本振光进行频移并分为两束,通过控制相位使两本振光相互正交。将信号光分为两束并分别与两路本振光在光电探测器表面进行混频,接着对电信号进行采集,通过相关算法对幅相不平衡进行矫正。经仿真和实验,该方法能够在有效简化激光相干雷达接收机系统结构的同时避免镜频噪声干扰,在10 GSps采样率下,相较于外差式接收机,解调信号信噪比提高了约3dB。     

2μm双平衡式外差探测IQ解调与信噪比研究

建立了双平衡式外差探测IQ解调的数学模型,通过旋转λ/4波片来改变IQ信号间的相位差。从本振光强度过剩噪声、散粒噪声和热噪声三个方面对平衡式外差探测系统的信噪比(SNR)进行了仿真。仿真结果表明,当旋转λ/2波片使分束比在(0～0.272)和(0.728～1)范围内时,单源探测信噪比比平衡式探测的信噪比高;而分束比在(0.272～0.728)时平衡式探测的信噪比高于单源探测。搭建了2μm双平衡式外差探测实验系统,当分束比为0.5时,平衡式外差探测的信噪比比单源外差探测的信噪比提高10dB以上,从而证明了双平衡式外差探测系统在微弱信号检测中的可行性和优越性。     

用光外差干涉法测量偏振保持单模光纤的模式双折射

本文叙述了偏振保持单模光纤中模式双折射的精确测量及其与拉伸之关系。正交偏振的双频激光束沿光纤的主轴注射进某一长度的光纤中。通过光纤之后,使光外差检测过程产生一个其相位与模式双折射成线性关系的差拍光电流信号。通过检测切割一短段光纤造成的差拍信号的相应变化,精确地测量了模式双折射。本文还详细分析了模式双折射与拉伸之变化关系。     

相干激光雷达平衡外差探测方法的数值仿真

建立了相干激光雷达平衡外差探测的理论模型及其数学描述,包括响应电流模型和信噪比模型.在两个模型的基础上,对平衡外差探测与一般相干探测进行比较,分析出它在消除本振相对强度噪声、提高信噪比和充分利用本振光功率上的优势.最后利用MATLAB数值仿真,着重研究了平衡外差探测方法的信噪比,验证了其在相干激光雷达探测上的优越性,并...     

大气对外差探测激光雷达影响分析

对于光外差体制的激光雷达而言,为减弱大气扰动的影响,需要研究大气衰减及大气湍流对其探测性能的影响.从光场的复振幅和探测面上光斑的爱里斑模型出发,给出了信噪比这一表征外差探测系统关键性能指标.分析了大气衰减和大气湍流对信号光复振幅的影响,研究了大气衰减和弱湍流相位起伏下的光外差探测效率.研究表明,大气衰减不会造成外差效率...     

一种应用于深空探测的弱信号探测技术

深空探测对于人类开发利用太空资源、探索宇宙起源具有重要意义。作为深空探测的一个重要组成部分,遥感载荷起着无法替代的作用。由于深空探测作用距离远,导致遥感载荷的信噪比很低,因此如何有效地从弱信号中检测出有用信号是深空探测技术中必需解决的关键技术。根据未来深空探测对低于散粒噪声的超微弱信号探测的需求,基于量子压缩态光场的散粒噪声小于标准量子极限的特点,提出一种基于量子压缩态光场的弱信号探测技术,给出了原理探索实验验证的结果。由于压缩光的量子特性会随着作用距离的增加而衰减,为了更贴近应用,设计了在接收端进行压缩光注入的新型激光雷达载荷方案,并给出了仿真的结果。     

用外差技术探测光信号

东京工学院的一个小组使用外差技术探测光纤出射光信号的装置已获得成功运转。外差探测技术之所以引人注目是因为它增加了接收机的抗噪声能力、可以探测到非常微弱的信号。