基于频域理论的失配角匹配外差探测技术研究

Spatial misalignment angle is the one of main factors affecting the heterodyne detection. The intermediate-frequency signal strength will decline sharply when the angle between signal light and location light increases. Even small misalignment angle will lead the intermediate frequency signal be very weak. This impact of misalignment angle on the heterodyne detection proposes harsh requirement to angle alignment, and it also limits the detection space. Therefore, this toptic study the new technology and theory for heterodyne detection. It is firstly proposed that the value of intermediate-frequency signal amplitude is just the spectrum value of quantum efficiency distribution function. Based on the theory, a new method realized by the array detector whose unit gain is adjustable is put forward. According to this method, the unit gain of array detector is set to form an effective quantum efficiency distribution function whose spectrum characteristic can match the interference field produced by signal light and location light. Thus, the intermediate-frequency signal strength can be enlarged, and then the impact of spatial misalignment angle on heterodyne detection can be reduced. The adjustability of effective quantum efficiency distribution function may be realized in this method which can match the signal light incidence according to different angle, at the same time, the high-speed scan can be implemented. This topic provides a new thought for heterodyne detection, and it is possible to bring out a new technical means and promote the development of heterodyne detection.

空间失配角是影响外差探测的主要因素之一。随着信号光与本振光之间失配角的增大，探测器输出的中频信号强度将急剧下降，很小的失配角就会导致中频信号极为微弱。失配角对外差探测的这种影响对系统的角准直提出了苛刻的要求，这限制了外差探测的空间范围。为此，本课题组开展外差探测新技术和理论研究，并首先指出中频信号的振幅是探测器量子效率分布函数的频谱值，根据该理论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域特性匹配信号光与本振光形成的干涉光场，以此提高信号光大角度入射时中频信号的强度，从而减小空间失配角对外差探测的影响。本方法可以实现有效量子效率分布函数的可调化，以此匹配不同角度入射的信号光，从而达到高速扫描探测的目的。本课题提供了一种新的外差探测思想，可能为外差探测提供一种新的技术手段，促进外差探测技术的发展。

空间相位畸变严重影响外差探测的性能。空间失配角是空间相位畸变的一种。随着信号光与本振光之间失配角的增大，探测器输出的中频信号强度将急剧下降，很小的失配角就会导致中频信号极为微弱。失配角对外差探测的这种影响对系统的角准直提出了苛刻的要求，这限制了外差探测的空间范围。.为此，本课题开展外差探测新技术和理论研究，解决空间失配角过大时中频信号微弱的问题。研究目标是增强信号光大角度入射时中频信号的强度，以此降低外差探测的角准直要求，增大外差探测的空间范围。.基于本课题的资助，我们得出了如下重要的研究结果：.1.从频域理论分析的角度，首次指出中频信号的振幅是探测器量子效率分布函数的频谱值，外差探测可以视为一个低通滤波的过程。滤波器截止频率与探测器尺寸有关。该结果首次将成熟的频域分析理论引入外差探测技术。.2.由于本课题方案是用阵列探测器代替单点探测器进行外差探测的，我们分析了空间相位畸变等因素对其影响。该结果对非成像阵列探测器的外差应用具有很重要的指导意义。.3.首次指出，基于阵列探测器并通过采样序列移位可以补偿所有种类的空间相位畸变，并提出了具体的实施方案。即，通过设置光路通断控制器，分别采样信号光与本振光的光场分布，通过一定算法确定各探测单元对应的相位畸变值，然后确定各序列移位步数，从而补偿相位畸变。该结果提出了全新的畸变相位矫正技术，相比于现有技术，具有实现简单、成本低等诸多优点。.4.基于成果三的基础，进一步提出将遗传算法引入相位补偿。由于可以实现自动的相位补偿，相比于成果三，该结果进一步简化了探测系统，更具有可操作性。.5.通过实验验证了序列移位后叠加和遗传算法组合的有效性。这个结果可以成为低成本、易实现的相位补偿技术，具有较高的实用价值