激光测风雷达的双平衡式相干探测技术仿真研究

彭程 赵长明 张海洋 高龙 兰海滨

（1 北京理工大学，北京 100081）

（2 北京空间机电研究所，北京 100094）

（3 北京市信息技术研究所，北京 100094）

0 引言

随着现代科技的发展，风速的大范围、高精度测量对提高风暴预警准确度，改进大气风场模型，提高飞机航行安全性，提升弹道武器命中率等具有主要意义[1]，引起了世界各国的广泛关注。传统的风速测量方式有无线电探空系统、微波多普勒测风雷达、卫星微波散射计等，但都有测量范围小、精度不高、灵活性不够的缺点，不能满足多方面大气风场测量的需要。近年来随着星载激光雷达应用的愈加广泛[2]，将激光测风雷达安装在卫星平台上，理论上可实现全球的风场剖面的直接测量。与地基、车载、机载测风雷达相比，具有广阔的覆盖区域和极高的测量精度，同时有很高的灵活性，具有很大的发展前景。

星载激光测风雷达的技术难点之一是其接收回波信号的灵敏度。近年来国际上提出了一种新型相干接收方式——平衡式相干探测[3-4]。与传统相干探测相比，平衡式相干探测通过使用两个性能参数几乎一致的光电探测器，可将本振光的强度噪声相互抵消，不仅信噪比可以达到量子噪声的极限，其环境适应性也大大提高[5]。在此基础上，又衍生出了双平衡相干探测方式，通过两路平衡正交信号的对比，不仅可实现回波信号光强度、频率、相位信息的解调，还可判断出激光测风雷达的风向[6]。

目前国外已经推出了40G和100G的双平衡式相干探测系统，国内还停留在理论性研究和单元测试程度上[7-14]，尚无实用化产品。本文使用OptiSystem软件对双平衡式相干探测系统的输入信号功率与信噪比关系进行了仿真试验。

1 光外差探测技术

光电探测方法可分为光强度探测和光外差探测。对于光强度探测方法，只要选取适合的光电探测器，就能将光强无失真地转换为电信号，最后由电路检测出所需信息，但由于光的频率太高，光波的振幅、频率、相位信息不能直接被光电探测器响应。光外差法是一种基于光的相干效应，可用来检测光波的振幅、频率和相位信息的方法[15]，下面简述光外差法的探测原理，见图1。

图1 光外差法探测简图Fig.1 Optical heterodyne detection method

式中 EL，ES分别为本振光和回波信号光强度；fS，fL分别为本振光和回波信号光的频率；φS，φL分别为本振光和回波信号光的相位；t为时间自变量。

当两束光垂直入射到光电探测器光敏面上时，产生的光强电流IIF为：

式中 ηd为光电探测器的量子效率；v是激光频率；h为普朗克常数；q是电子所带电量常数。将式（1）代入式（2），展开可得到

式中 ηh为光混频效率；Ad为本振光和信号光在光敏面上的相干面积；fIFS–fL为信号光和本振光的差频；Δφ=φS–φL是外差探测的附加相位。式中前两项是直流功率，最后一项是时变项，只要 fIF小于光电探测器的截止响应频率fc，就可产生对应的输出光电流。

相较于强度探测，光外差探测虽然较为复杂，但信号光的振幅、频率、相位均可探测，这是强度探测所无法比拟的。

2 双平衡式相干探测系统

双平衡式相干探测系统是基于光外差探测原理，回波信号光为带有目标速度信息的待测偏振光，与本振光入射双平衡式相干探测系统，如图2所示[16]。本振光经过1/4波片变成圆偏振光，两束光从非偏振的分束棱镜的两个面入射，出射的两束光各通过一个平衡探测器，得到正交分量I和Q。

图2 双平衡式相干探测系统模型Fig.2 Model of dual-balanced coherent detection system

式中 k1，k2为其在两方向上的分量；k3，k4为其在各自方向上的分量；φ为本振光相位，用来描述本振光波动随空间和时间变化的状态；ifω为本振光与回波信号光的频率差；t为时间自变量。

λ/4波片的传输矩阵为

偏振分束棱镜的反射矩阵R与透射矩阵T的表达式为

式中 r⊥和t‖为在垂直和平行方向的反射和透射系数，分别描述了反射光和透射光的光强。ρ⊥和ρ‖分别为反射光和透射光的相位，用来描述反射光和透射光随空间和时间变化的状态。

调整λ/2波片，使其晶体光轴与入射光振动平面的夹角为22.5°，此时它的传输矩阵为

设在理想情况下，分束棱镜的反射系数r⊥和透射系数t‖均为1，且ρ⊥= ρ‖。则两束光分别经过各自的分束器后，光电探测器接收到的四路信号分别为：

式中 I0,I90,I180,I270为四个光电二极管相位产生的相位相差90°的光电流。

对四路信号进行两两差分处理，得到差频信号I和Q

从式（12）、（13）中可以看出，输出信号I与Q的频率相同，相位相差π/2。

3 双平衡式相干探测系统仿真试验

3.1 双平衡式相干探测系统搭建

本试验使用OptiSystem光通信仿真软件进行仿真，根据前两节所述的模型搭建双平衡相干探测系统结构如图3，并根据现有元件的参数对各个仿真元件的参数进行设定。

图3 双平衡式相干探测系统仿真结构图Fig.3 Simulation structure diagram of dual-balanced coherent detection

设本振光波长2μm，功率1mW，回波信号光功率为10–3mW，频移100MHz，光电二极管参数选取实际2μm光电二极管的参数，灵敏度为1.2A/W，暗电流100nA。

代入上述条件后，输出两路I、Q信号的时域波形图，如图4所示，两路相位差相差π/2，与上一节的数学模型相符，信噪比为54dB。

图4 信号光功率10–3mW，载频100MHz，输出I、Q信号的时域波形图Fig.4 Signal power of 10–3mW and carrier frequency of 100MHz, time-domain waveform of I and Q

1）将回波信号光功率由10–3mW增大至10–2mW，其它输入条件不变，可观察到输出I、Q时域信号，如图5所示，信噪比为64dB。

图5 回波信号光功率10–2mW，载频100MHz，输出I、Q信号的时域波形图Fig.5 Signal power of 10–2mW and carrier frequency of 100MHz, time-domain waveform of I and Q

2）将回波信号光载频由100MHz变成150MHz，则输出I、Q路信号波形，如图6所示，可发现波形频率约是图4中的1.5倍，信噪比为57dB。

图6 回波信号光功率10–3mW，载频150MHz，输出I、Q信号的时域波形图Fig.6 Signal power of 10–3mW and carrier frequency of 150MHz, time-domain waveform of I and Q

3）将回波信号光椭偏度由0°变化至30°，输出I、Q路信号，如图7所示，信噪比为54dB，可发现在回波信号光不是线偏振光的情况下，I、Q两路的相位差不再是π/2。

图7 回波信号光功率10–3mW，载频100MHz，椭偏度30°时，输出I、Q信号的时域波形图Fig.7 Signal power of 10–3mW and carrier frequency of 100MHz and Elliptic polarization of 30°, time-domain waveform of I and Q

从以上仿真试验结果可以看出，双平衡式相干外差探测系统可以实现回波信号光功率、频率、相位、偏振度的解调。同时通过提高信号光的功率和载频，系统信噪比均会得到提升。而在实际应用中，回波信号光功率和载频会受到探测范围和实际电子处理系统的限制，并不是越高越好，需选择合适的信号光发射功率和载频参数。

3.2 双平衡式相干探测系统的噪声等效功率

设定本振光功率1mW不变，回波信号功率从10–3mW逐渐降低至10–9mW，输出时域波形见图8。

图8 在本振光功率1mW，信号光载频100MHz的环境下，不同信号光功率情况的输出时域波形Fig.8 With the local oscillator power of 1mW, line width of 1MHz, and carrier frequency of 100MHz, output time-domain waveform of different signal power

每路信号的信号功率、噪声功率的仿真数据结果如表1所示，并进行了对应的信噪比计算（信噪比=10lg（信号功率/噪声功率））。从数据中可以看出，信号光功率每降低一个数量级，信号光功率即降低一个数量级，信噪比降低大约10dB。经过反复测试，得到当信号光功率为1.8×10–8mW时，可探测到的信号功率与噪声功率大致相等，即为此双平衡相干探测系统的噪声等效功率。

表1 双平衡式相干探测系统信号光功率与信噪比关系Tab.1 Relationship between signal power and SNR of dual-balanced coherent detection

3.3 双平衡式相干探测与平衡式相干式探测的对比试验

搭建平衡式相干探测系统模型如图9，设置与上一节中相等的参数，光电二极管灵敏度为1.2A/W，本振光功率1mW，回波信号光载频100MHz。且回波信号光与本振光偏振方向严格相同，将回波信号功率从10–3mW逐步降低至10–9mW，输出信号功率和噪声功率的仿真数据结果如表2所示，并进行了信噪比的计算（信噪比=10lg（信号功率/噪声功率））。

图9 平衡式相干探测系统模型Fig.9 Balanced coherent detection system model

表2 平衡式相干探测系统信号光功率与信噪比关系Tab.2 Relationship between signal power and SNR of balanced coherent detection

从表 2可以看出，回波信号功率每降低一个数量级，系统信噪比降低约 10dB。当回波信号功率为4.2×10–9mW时，可探测到的回波信号功率与噪声功率大致相等，即为此双平衡相干探测系统的噪声等效功率。

通过以上仿真数据结果，可得出双平衡式相干探测系统与平衡式相干探测系统的信噪比大小对比，如图10所示（其中单源外差探测曲线为在与上文相同的参数条件下，搭建单源外差探测系统经仿真计算获得，不是本文研究重点，此处不再赘述）。

图10 双平衡式相干探测、平衡式相干探测、单源相干探测的回波信号光功率与信噪比关系对比Fig.10 Comparison of relationships of signal power and SNR among dual-balanced coherent detection, balanced coherent detection and single source coherent detection

从图10中可以看出，平衡式相干探测的信噪比高于双平衡相干探测和单源相干探测，这是因为双平衡式相干探测将信号功率按偏振方向等分，从而信噪比会有降低。但在实际应用中，偏振方向的偏差会对传统相干探测和平衡式探测产生影响，而双平衡式相干探测系统的工作原理是先将信号光与本振光分别按偏振方向分束，再将偏振方向相同的两束合束进行相干探测，因此双平衡式相干探测系统不会受到偏振方向偏差的影响，其对环境适应能力较高。

4 结束语

本文通过使用OptiSystem进行仿真试验，获得了双平衡式相干探测系统和平衡式相干探测系统的回波信号功率与信噪比关系的数据，其中平衡式相干探测系统的信噪比高于双平衡式相干探测系统。并通过计算得出，在理想情况下双平衡式相干探测系统的噪声等效功率可达到1.8×10–8mW，平衡式相干探测系统的噪声等效功率可达到4.2×10–9mW。本文的研究工作对实际双平衡式相干探测器样机的研制提供了数据支撑，对星载激光雷达测风技术和中高层大气风场激光探测技术具有重要意义。

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