一种被动的激光外差双平衡光谱探测方法及装置

本发明涉及光谱探测，具体提供一种被动的激光外差双平衡光谱探测方法及装置。

背景技术：

1、激光外差检测技术的基本原理在于，通过引入一束高功率、激光线宽窄、频率可调的本振光与入射信号光在光敏面上进行混频叠加，利用光电转换器件以及滤波装置将频率量级为的红外信号转换至的外差射频信号,通过对外差信号进行处理，获取信号光的光谱、频率等信息。

2、激光外差探测技术的核心优势之一是实现微弱信号的高灵敏度放大作用。具体而言，当本振光的功率被调整至较高水平时，可以将本振光作为载波实现了对弱信号的有效放大。外差信号的幅值正比于本振光功率与信号光功率的乘积，在实际应用中，通过精心设计的系统参数，可以使得最终生成的外差信号强度相较于原始信号光提升数个数量级，通常可达到6至9个数量级。不仅极大地扩展了信号检测的动态范围，还显著降低了噪声对信号的影响，使得即使在极端微弱或复杂干扰的环境下，也能实现精准、可靠的信号提取与分析。

3、激光外差探测技术的另外一个核心优势体现在其高效的频率选择性上，该技术仅对严格符合其预设可探测带宽界限内的差频信号进行响应与处理，实现了对信号频率成分的精确筛选与识别。换句话说，只有当信号光的频率与本振光的频率之差恰好位于系统预设的带宽之内时，两者相互作用产生的差频信号才会被有效识别并响应。反之，若该频率差超出了系统的带宽限制，则相应的外差信号将不会被系统捕捉，从而实现了对无关频率成分的自动排斥。这一机制赋予了激光外差探测技术天然的滤波性能，它无需像直接探测技术那样依赖复杂的窄带滤波器来消除杂散光干扰，极大地简化了系统复杂度，并提高了探测的准确性和可靠性。

4、随着半导体技术、激光技术的发展，激光外差技术以高环境适应性、高空间分辨率、高光谱分辨率等优势逐渐应用于光谱学领域。如中国科学院合肥物质科学研究院谈图等人研制出一款既能实时测量高光谱分辨率的太阳光谱数据，又具备体积小、使用方便等优点的全光纤激光外差太阳辐射计。该辐射计通过连接太阳跟踪器、光纤、高速外差探测器、射频处理器等部件，结合可调谐窄线宽激光器，不仅可以实现高信噪比的外差信号获取，还可以便捷地提供本振光及其实时输出波长信息。安德鲁·萨佩等人发明了一种新的燃烧效率监测设备及其操作方法。该设备利用激光外差技术，通过捕获燃烧区发射的光并与本振信号混合，生成光电流，再经滤波分离出与目标物质浓度成比例的差频信号，从而实时监测燃烧效率。

5、传统的外差探测技术尽管在诸多光信号检测场景中发挥着基础性作用，但其固有的局限性也日益凸显。具体而言，该技术的不足之一在于未能充分利用本振光的功率，噪声影响较大。本振光作为外差探测中的关键环节，其功率的有效利用直接关系到探测的灵敏度和精度。传统外差探测中，由于光波在传输过程中的损耗和功率分配机制的不足，常导致本振光功率未充分利用。实际应用的过程中，环境复杂多变，噪声的影响增大。这些噪声源包括但不限于热噪声、散粒噪声以及系统内部的各种电子和机械噪声。这些噪声成分与目标信号交织在一起，传统的外差探测技术难以分辨，会造成信噪比的降低。因此在进行高精度测量或微弱信号探测时，传统外差探测造成能量浪费和探测效率下降，其灵敏度受到严重制约，从而影响了探测性能的提升。

6、另外由于激光外差光谱探测技术的核心在于获得目标信号与本振信号的差频分量，因此对本振信号的稳定性有较高的要求。具体而言，其稳定性直接关系到探测结果的精确性。在实际应用中，本振信号的稳定性极易受到多种因素的干扰。外部环境因素，如环境温度的微小波动、机械结构的振动或是电磁场的干扰，都可能通过物理效应作用于激光器，导致其输出光波的频率、相位或强度发生不可预测的变化。而系统内部因素，诸如电子器件的噪声、激光器的老化以及光路设计的微小瑕疵，同样会引入额外的扰动，进一步影响本振信号的稳定性。这些干扰因素一旦作用于本振信号，就会破坏其与目标信号之间的相位锁定关系，导致差频分量提取过程中的相位误差和幅度波动。这些误差不仅会降低探测信号的信噪比，还可能扭曲光谱特征的真实形态，使得最终的探测结果偏离真实值，从而影响数据分析的准确性和可靠性。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供了一种被动的激光外差双平衡光谱探测方法及装置，不仅提高了探测系统的信噪比，还使得系统能够在本振光稳定性有所波动的情况下，依然保持较高的探测精度和稳定性，显著降低了对本振光稳定性的要求。

2、第一方面，本发明提供一种被动的激光外差双平衡光谱探测方法，包括：

3、利用光学系统对目标光信号进行采集，所述目标光信号为宽谱非相干光，由不同频率的光信号组成，其中不同频率光信号的复振幅是关于时间的随机函数；

4、利用斩波器对所述目标光信号进行斩波调制，将调制后的目标光信号输入到光混频器的目标信号输入端，将窄线宽激光本振信号输入所述光混频器的本振输入端，在所述光混频器中，所述目标光信号与所述窄线宽激光本振信号会进行叠加，叠加后的目标光信号包括直流部分和交流部分，其中频率量级超过光电探测器记录极限的部分为直流部分，根据其中所述目标光信号中与所述窄线宽激光本振信号频率相近的成分会进行相干叠加，其中被光电探测器检测的部分称为交流信号，所述光混频器输出四路光电流信号，每路信号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线宽激光本振信号和所述目标光信号的光强和，所述交流部分之间存在相对相位差，分别为0、90、180和270；

5、选择合适的滤波范围对输出的四路进行带通滤波，将0°和180°的两路信号输入到一对光电二极管中，对光电二极管的输出做差分处理，输出的电信号称为同相信号，将90°和270°的两路信号输入到另一对光电二极管中，90°和270°两路的输出为正交信号，其中所述同相信号和所述正交信号为输入信号交流部分的二倍，且不包含直流部分，同相信号和正交信号存在90°的相位延迟；

6、将所述同相信号和所述正交信号经过锁相放大器进行谐波检测，其中所述锁相放大器的参考信号来自于斩波器的频率，将所述两路信号输入到示波器进行采样，根据示波器采集的两路信号的幅值做平方和，得到的结果与当前时刻的目标光信号强度成正比，获取预设时间内的目标光信号强度，获取所述预设时间内目标光信号强度的计算平均值，获得高光谱分辨率的光强信息。

7、作为一种优选的方案，所述利用光学系统对目标光信号进行采集，包括：

8、目标光信号经过第一凸透镜汇聚在所述第一凸透镜的后焦点处，放置焦距合适的第一凹透镜和第二凸透镜，使所述目标光信号光变为平行光，所述平行光进入第三凸透镜，在所述第三凸透镜的后焦点处放置预设尺寸的针孔，利用所述针孔对目标光信号进行滤波以及光斑大小的调制，在所述针孔的后方放置第四凸透镜，所述针孔与所述第四凸透镜的距离为所述第四凸透镜的焦距的2倍，所述针孔被所述第四凸透镜所成的像在所述第四凸透镜后方的2倍焦距处，在第四凸透镜后方的2倍焦距处位置放置机械斩波器叶片使目标光信号变为交流信号，在所述机械斩波器叶片的后方放置第五凸透镜，所述机械斩波器叶片与所述第五凸透镜的距离为所述第五凸透镜的焦距，最后使所述目标光信号经过所述第四凸透镜后变为平行光，通过准直镜耦合进入单模光纤。

9、作为一种优选的方案，还包括：

10、利用中心波长可调的dfb激光器输出的窄线宽激光本振信号。

11、第二方面，本发明提供一种被动的激光外差双平衡光谱探测装置，包括光学结构和射频信号处理结构，其中，

12、所述光学结构包括目标光信号、第一凸透镜、第一凹透镜、第二凸透镜、第三凸透镜、针孔、第四凸透镜、机械斩波器叶片、第五凸透镜、准直镜，目标光信号经过第一凸透镜汇聚在所述第一凸透镜的后焦点处，放置焦距合适的第一凹透镜和第二凸透镜，使所述目标光信号光变为平行光，所述平行光进入第三凸透镜，在所述第三凸透镜的后焦点处放置预设尺寸的针孔，利用所述针孔对目标光信号进行滤波以及光斑大小的调制，在所述针孔的后方放置第四凸透镜，所述针孔与所述第四凸透镜的距离为所述第四凸透镜的焦距的2倍，所述针孔被所述第四凸透镜所成的像在所述第四凸透镜后方的2倍焦距处，在第四凸透镜后方的2倍焦距处位置放置机械斩波器叶片使目标光信号变为交流信号，在所述机械斩波器叶片的后方放置第五凸透镜，所述机械斩波器叶片与所述第五凸透镜的距离为所述第五凸透镜的焦距，最后使所述目标光信号经过所述第四凸透镜后变为平行光，通过准直镜耦合进入单模光纤；

13、所述射频信号处理结构包括：

14、利用光学系统对目标光信号进行采集，所述目标光信号为宽谱非相干光，由不同频率的光信号组成，其中不同频率光信号的复振幅是关于时间的随机函数；

15、利用斩波器对所述目标光信号进行斩波调制，将调制后的目标光信号输入到光混频器的目标信号输入端，将窄线宽激光本振信号输入所述光混频器的本振输入端，在所述光混频器中，所述目标光信号与所述窄线宽激光本振信号会进行叠加，叠加后的目标光信号包括直流部分和交流部分，其中频率量级超过光电探测器记录极限的部分为直流部分，根据其中所述目标光信号中与所述窄线宽激光本振信号频率相近的成分会进行相干叠加，其中被光电探测器检测的部分称为交流信号，所述光混频器输出四路光电流信号，每路信号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线宽激光本振信号和所述目标光信号的光强和，所述交流部分之间存在相对相位差，分别为0、90、180和270；

16、选择合适的滤波范围对输出的四路进行带通滤波，将0°和180°的两路信号输入到一对光电二极管中，对光电二极管的输出做差分处理，输出的电信号称为同相信号，将90°和270°的两路信号输入到另一对光电二极管中，90°和270°两路的输出为正交信号，其中所述同相信号和所述正交信号为输入信号交流部分的二倍，且不包含直流部分，同相信号和正交信号存在90°的相位延迟；

17、将所述同相信号和所述正交信号经过锁相放大器进行谐波检测，其中所述锁相放大器的参考信号来自于斩波器的频率，将所述两路信号输入到示波器进行采样，根据示波器采集的两路信号的幅值做平方和，得到的结果与当前时刻的目标光信号强度成正比，获取预设时间内的目标光信号强度，获取所述预设时间内目标光信号强度的计算平均值，获得高光谱分辨率的光强信息。

18、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

19、本发明实施例中提供的一种被动的激光外差双平衡光谱探测方法及装置，使用光混频器和光电二极管，对输入的窄线宽激光本振信号和宽谱的非相干目标光信号进行混频和差分处理，产生两路相位相差90°的随机时间拍频光电流信号，该随机时间拍频光电流信号包含信号光的光谱等信息，对输出的光电流信号进行滤波、积分等方法进行处理可以恢复信号光的光谱信息，利用这种方法，可以利用窄线宽激光本振信号的窄线宽及波长可调谐特性对宽谱非相干光信号进行高光谱分辨率信息获取，并有效提高本振光的利用效率，消除共模噪声和部分系统噪声，增强了输出信号的信噪比，还使得系统能够在本振光稳定性有所波动的情况下，依然保持较高的探测精度和稳定性，显著降低了对本振光稳定性的要求。此外，平衡相干探测还结合了滤波、放大等后续信号处理步骤，进一步提升了信号质量和动态响应范围。