Detecção heteródina óptica - Optical heterodyne detection

A detecção óptica heteródina é um método de extração de informação codificada como modulação da fase , frequência ou ambas da radiação eletromagnética na banda de comprimento de onda da luz visível ou infravermelha . O sinal de luz é comparado com a luz padrão ou de referência de um "oscilador local" (LO) que teria um deslocamento fixo em frequência e fase do sinal se este último carregasse informações nulas. "Heterodino" significa mais de uma frequência, em contraste com a única frequência empregada na detecção homódina .

A comparação dos dois sinais de luz é normalmente realizada combinando-os em um detector de fotodiodo , que tem uma resposta que é linear em energia e, portanto, quadrática em amplitude de campo eletromagnético . Normalmente, as duas frequências de luz são semelhantes o suficiente para que sua diferença ou frequência de batimento produzida pelo detector esteja na banda de rádio ou micro-ondas que pode ser convenientemente processada por meios eletrônicos.

Esta técnica tornou-se amplamente aplicável para topográfico e velocidade sensível a imagiologia com o invento na década de 1990 de detecção matriz heteródino sintético. A luz refletida de uma cena alvo é focada em um fotodetector relativamente barato que consiste em um único grande pixel físico, enquanto uma frequência de LO diferente também é fortemente focada em cada pixel virtual deste detector, resultando em um sinal elétrico do detector transportando uma mistura de frequências de batida que podem ser isoladas eletronicamente e distribuídas espacialmente para apresentar uma imagem da cena.

História

A detecção óptica heteródina começou a ser estudada pelo menos já em 1962, dois anos após a construção do primeiro laser .

Contraste com a detecção heteródina de radiofrequência convencional (RF)

É instrutivo contrastar os aspectos práticos da detecção de banda óptica com a detecção de banda heteródina de radiofrequência (RF) .

Energia versus detecção de campo elétrico

Ao contrário da detecção de banda de RF, as frequências ópticas oscilam muito rapidamente para medir e processar diretamente o campo elétrico eletronicamente. Em vez disso, os fótons ópticos são (geralmente) detectados absorvendo a energia do fóton, revelando apenas a magnitude, e não seguindo a fase do campo elétrico. Conseqüentemente, o objetivo principal da mistura heteródina é desviar para baixo o sinal da banda óptica para uma faixa de frequência eletronicamente tratável.

Na detecção de banda de RF, normalmente, o campo eletromagnético aciona o movimento oscilatório dos elétrons em uma antena ; o EMF capturado é subsequentemente misturado eletronicamente com um oscilador local (LO) por qualquer elemento de circuito não linear conveniente com um termo quadrático (mais comumente um retificador). Na detecção óptica, a não linearidade desejada é inerente ao próprio processo de absorção de fótons. Os detectores de luz convencionais - chamados de "detectores de lei quadrada" - respondem à energia do fóton para liberar elétrons ligados e, uma vez que o fluxo de energia varia como o quadrado do campo elétrico, o mesmo ocorre com a taxa na qual os elétrons são liberados. Uma diferença de frequência só aparece na corrente de saída do detector quando o LO e o sinal iluminam o detector ao mesmo tempo, fazendo com que o quadrado de seus campos combinados tenha um termo cruzado ou frequência de "diferença" modulando a taxa média na qual os elétrons livres estão gerado.

Osciladores locais de banda larga para detecção coerente

Outro ponto de contraste é a largura de banda esperada do sinal e do oscilador local. Normalmente, um oscilador local de RF é uma frequência pura; pragmaticamente, "pureza" significa que a largura de banda de frequência de um oscilador local é muito menor do que a diferença de frequência. Com sinais ópticos, mesmo com um laser, não é simples produzir uma frequência de referência suficientemente pura para ter uma largura de banda instantânea ou estabilidade temporal de longo prazo menor do que uma frequência de diferença de escala típica de megahertz ou quilohertz. Por esta razão, a mesma fonte é freqüentemente usada para produzir o LO e o sinal, de forma que sua diferença de frequência possa ser mantida constante, mesmo se a frequência central variar.

Como resultado, a matemática de elevar ao quadrado a soma de dois tons puros, normalmente invocada para explicar a detecção heteródina de RF , é um modelo simplificado de detecção heteródina óptica. No entanto, o conceito heteródino de frequência pura intuitivo ainda é válido para o caso de banda larga , desde que o sinal e o LO sejam mutuamente coerentes . Crucialmente, pode-se obter interferência de banda estreita de fontes de banda larga coerentes: esta é a base para interferometria de luz branca e tomografia de coerência óptica . A coerência mútua permite o arco-íris nos anéis de Newton e arco-íris supranumerários .

Consequentemente, a detecção óptica heteródina é geralmente realizada como interferometria, onde o LO e o sinal compartilham uma origem comum, ao invés de, como no rádio, um transmissor enviando para um receptor remoto. A geometria do receptor remoto é incomum porque gerar um sinal de oscilador local que seja coerente com um sinal de origem independente é tecnologicamente difícil em frequências ópticas. No entanto, existem lasers com largura de linha suficientemente estreita para permitir que o sinal e o LO se originem de diferentes lasers.

Contagem de fótons

Depois que o heteródino óptico se tornou uma técnica estabelecida, foi considerada a base conceitual para a operação em níveis de luz de sinal tão baixos que "apenas alguns, ou mesmo frações de fótons entram no receptor em um intervalo de tempo característico". Concluiu-se que, mesmo quando fótons de energias diferentes são absorvidos em uma taxa contável por um detector em tempos diferentes (aleatórios), o detector ainda pode produzir uma frequência de diferença. Conseqüentemente, a luz parece ter propriedades ondulatórias, não apenas quando se propaga através do espaço, mas também quando interage com a matéria. O progresso com a contagem de fótons foi tal que em 2008 foi proposto que, mesmo com intensidades de sinal maiores disponíveis, poderia ser vantajoso empregar uma potência do oscilador local baixa o suficiente para permitir a detecção do sinal de batimento por contagem de fótons. Isso foi entendido como uma vantagem principal de geração de imagens com fotodetectores de contagem de multi-pixel de grande formato disponíveis e de rápido desenvolvimento.

A contagem de fótons foi aplicada com lasers de onda contínua modulada em frequência (FMCW). Algoritmos numéricos foram desenvolvidos para otimizar o desempenho estatístico da análise dos dados de contagem de fótons.

Principais benefícios

Ganho na detecção

A amplitude da frequência de diferença misturada pode ser maior do que a amplitude do próprio sinal original. A diferença do sinal de frequência é proporcional ao produto das amplitudes do LO e dos campos elétricos do sinal. Assim, quanto maior for a amplitude do LO, maior será a amplitude da diferença de frequência. Conseqüentemente, há ganho no próprio processo de conversão de fótons.

Os primeiros dois termos são proporcionais ao fluxo de energia médio (DC) absorvido (ou, de forma equivalente, a corrente média no caso da contagem de fótons). O terceiro termo é variável no tempo e cria as frequências de soma e diferença. No regime óptico, a frequência de soma será muito alta para passar pelos eletrônicos subsequentes. Em muitas aplicações o sinal é mais fraco que o LO, portanto, pode-se observar que o ganho ocorre porque o fluxo de energia na diferença de frequência é maior do que o fluxo de energia DC do próprio sinal .

Preservação da fase óptica

Por si só, o fluxo de energia do feixe de sinal,, é DC e, portanto, apaga a fase associada à sua frequência óptica; A detecção heteródina permite que esta fase seja detectada. Se a fase óptica do feixe de sinal muda em um ângulo phi, então a fase da diferença eletrônica de frequência muda exatamente no mesmo ângulo phi. Mais apropriadamente, para discutir uma mudança de fase óptica, é necessário ter uma referência de base de tempo comum. Normalmente, o feixe de sinal é derivado do mesmo laser que o LO, mas alterado por algum modulador na frequência. Em outros casos, a mudança de frequência pode surgir da reflexão de um objeto em movimento. Contanto que a fonte de modulação mantenha uma fase de deslocamento constante entre o LO e a fonte do sinal, qualquer mudança de fase óptica adicionada ao longo do tempo decorrente da modificação externa do sinal de retorno é adicionada à fase da diferença de frequência e, portanto, é mensurável.

O mapeamento de frequências ópticas para frequências eletrônicas permite medições sensíveis

Conforme observado acima, a diferença de largura de linha de frequência pode ser muito menor do que a largura de linha óptica do sinal e do sinal LO, desde que os dois sejam mutuamente coerentes. Assim, pequenos deslocamentos na frequência central do sinal óptico podem ser medidos: por exemplo, os sistemas LIDAR Doppler podem discriminar as velocidades do vento com uma resolução melhor do que 1 metro por segundo, que é menos do que uma parte de um bilhão de deslocamento Doppler na frequência óptica. Da mesma forma, pequenos deslocamentos de fase coerentes podem ser medidos mesmo para luz de banda larga nominalmente incoerente, permitindo a tomografia de coerência óptica para imagens de recursos do tamanho de um micrômetro. Por causa disso, um filtro eletrônico pode definir uma passagem de banda de frequência óptica eficaz que é mais estreita do que qualquer filtro de comprimento de onda realizável operando na própria luz e, assim, permitir a rejeição da luz de fundo e, portanto, a detecção de sinais fracos.

Redução de ruído para limite de ruído de tiro

Como acontece com qualquer pequena amplificação de sinal, é mais desejável obter o ganho o mais próximo possível do ponto inicial da interceptação do sinal: mover o ganho à frente de qualquer processamento de sinal reduz as contribuições aditivas de efeitos como ruído de resistor Johnson-Nyquist ou elétrico ruídos em circuitos ativos. Na detecção óptica heteródina, o ganho de mistura acontece diretamente na física do evento inicial de absorção de fótons, tornando este o ideal. Além disso, para uma primeira aproximação, a absorção é perfeitamente quadrática, em contraste com a detecção de RF por um diodo não linear.

Uma das virtudes da detecção heteródina é que a diferença de frequência é geralmente muito removida espectralmente dos ruídos potenciais irradiados durante o processo de geração do sinal ou do sinal LO, portanto, a região espectral próxima à diferença de frequência pode ser relativamente silenciosa. Conseqüentemente, a filtragem eletrônica estreita perto da diferença de frequência é altamente eficaz na remoção das fontes de ruído restantes, geralmente de banda larga.

A principal fonte remanescente de ruído é o ruído de disparo de fóton do nível DC nominalmente constante, que é tipicamente dominado pelo Oscilador Local (LO). Uma vez que o ruído de disparo é dimensionado como a amplitude do nível de campo elétrico LO, e o ganho heteródino também é dimensionado da mesma maneira, a proporção do ruído de disparo para o sinal mixado é constante, não importa quão grande seja o LO.

Assim, na prática, aumenta-se o nível LO, até que o ganho do sinal o eleve acima de todas as outras fontes de ruído aditivas, deixando apenas o ruído de disparo. Neste limite, a relação sinal-ruído é afetada apenas pelo ruído de disparo do sinal (ou seja, não há contribuição de ruído do poderoso LO porque ele se dividiu da relação). Nesse ponto, não há mudança no sinal para ruído, pois o ganho é aumentado ainda mais. (Obviamente, esta é uma descrição altamente idealizada; os limites práticos da intensidade do LO importam em detectores reais e um LO impuro pode transportar algum ruído na frequência de diferença)

Principais problemas e suas soluções

Detecção de matriz e imagem

A detecção de matriz de luz, ou seja, a detecção de luz em um grande número de pixels de detectores independentes, é comum em sensores de imagem de câmeras digitais . No entanto, tende a ser bastante difícil na detecção heteródina, uma vez que o sinal de interesse é oscilante (também chamado de CA por analogia aos circuitos), muitas vezes a milhões de ciclos por segundo ou mais. Nas taxas de quadros típicas para sensores de imagem, que são muito mais lentas, cada pixel integraria a luz total recebida ao longo de muitos ciclos de oscilação, e essa integração no tempo destruiria o sinal de interesse. Assim, uma matriz heteródina geralmente deve ter conexões paralelas diretas de cada pixel do sensor para separar amplificadores elétricos, filtros e sistemas de processamento. Isso torna os sistemas de imagem heteródinos grandes e de uso geral proibitivamente caros. Por exemplo, simplesmente anexar 1 milhão de leads a uma matriz coerente de megapixels é um desafio assustador.

Para resolver este problema, foi desenvolvida a detecção heteródina de matriz sintética (SAHD). No SAHD, grandes matrizes de imagens podem ser multiplexadas em pixels virtuais em um detector de elemento único com cabo de leitura único, filtro elétrico único e sistema de gravação único. O conjugado no domínio do tempo dessa abordagem é a detecção de heteródina por transformada de Fourier , que também tem a vantagem de multiplexar e também permite que um detector de elemento único atue como uma matriz de imagem. SAHD foi implementado como detecção de arco-íris heteródino em que em vez de uma única frequência LO, muitas frequências estreitamente espaçadas são espalhadas pela superfície do elemento detector como um arco-íris. A posição física em que cada fóton chegou é codificada na própria frequência de diferença resultante, formando uma matriz 1D virtual em um detector de elemento único. Se o pente de frequência for espaçado uniformemente, então, convenientemente, a transformada de Fourier da forma de onda de saída é a própria imagem. Os arrays em 2D também podem ser criados e, como os arrays são virtuais, o número de pixels, seu tamanho e seus ganhos individuais podem ser adaptados dinamicamente. A desvantagem do multiplex é que o ruído de disparo de todos os pixels se combina, uma vez que eles não estão fisicamente separados.

Recepção de manchas e diversidade

Conforme discutido, o LO e o sinal devem ser temporalmente coerentes . Eles também precisam ser espacialmente coerentes em toda a face do detector ou interferirão destrutivamente. Em muitos cenários de uso, o sinal é refletido de superfícies opticamente ásperas ou passa por meios opticamente turbulentos levando a frentes de onda que são espacialmente incoerentes. Na dispersão de laser, isso é conhecido como manchas .

Na detecção de RF, a antena raramente é maior do que o comprimento de onda, então todos os elétrons excitados se movem de forma coerente dentro da antena, enquanto na óptica o detector é geralmente muito maior do que o comprimento de onda e, portanto, pode interceptar uma frente de fase distorcida, resultando em interferência destrutiva por elétrons gerados por fotofase dentro do detector.

Enquanto a interferência destrutiva reduz drasticamente o nível do sinal, a amplitude somada de uma mistura espacialmente incoerente não se aproxima de zero, mas sim a amplitude média de uma única mancha. No entanto, uma vez que o desvio padrão da soma coerente das manchas é exatamente igual à intensidade média das manchas, a detecção heteródina óptica de frentes de fase embaralhadas nunca pode medir o nível de luz absoluto com uma barra de erro menor que o tamanho do próprio sinal. Esta relação sinal-ruído de limite superior da unidade é apenas para medição de magnitude absoluta : ela pode ter uma relação sinal-ruído melhor do que a unidade para medições de fase, frequência ou amplitude relativa variável no tempo em um campo pontilhado estacionário.

Na detecção de RF, a "recepção de diversidade" é frequentemente usada para mitigar sinais baixos quando a antena primária está inadvertidamente localizada em um ponto nulo de interferência: por ter mais de uma antena, pode-se mudar de forma adaptativa para qualquer antena que tenha o sinal mais forte ou mesmo adicionar todos de forma incoerente dos sinais da antena. Simplesmente adicionar as antenas de forma coerente pode produzir interferência destrutiva, assim como acontece no reino óptico.

A recepção de diversidade análoga para heteródino óptico foi demonstrada com matrizes de detectores de contagem de fótons. Para adição incoerente de detectores de elementos múltiplos em um campo de manchas aleatórias, a proporção da média para o desvio padrão será escalada como a raiz quadrada do número de manchas medidas independentemente. Esta relação sinal-ruído melhorada torna as medições de amplitude absoluta viáveis ​​na detecção heteródina.

No entanto, como observado acima, escalar matrizes físicas para grandes contagens de elementos é um desafio para a detecção heteródina devido à natureza oscilante ou mesmo multifrequencial do sinal de saída. Em vez disso, um detector óptico de elemento único também pode atuar como receptor de diversidade por meio de detecção heteródina de matriz sintética ou detecção de heteródina por transformada de Fourier. Com um array virtual, pode-se selecionar adaptativamente apenas uma das frequências LO, rastrear uma mancha brilhante que se move lentamente ou adicioná-los todos no pós-processamento pela parte eletrônica.

Soma temporal coerente

Pode-se adicionar incoerentemente as magnitudes de uma série temporal de N pulsos independentes para obter uma melhoria de √ N no sinal para ruído na amplitude, mas ao custo de perder a informação de fase. Em vez disso, a adição coerente (adicionando a magnitude e a fase complexas) de várias formas de onda de pulso melhoraria o sinal para ruído por um fator de N , não sua raiz quadrada, e preservaria as informações de fase. A limitação prática é que os pulsos adjacentes de lasers típicos têm um desvio de frequência de minuto que se traduz em uma grande mudança de fase aleatória em qualquer sinal de retorno de longa distância e, portanto, assim como no caso de pixels de fase espacialmente embaralhados, interferem destrutivamente quando adicionados de forma coerente. No entanto, a adição coerente de vários pulsos é possível com sistemas de laser avançados que estreitam o desvio de frequência muito abaixo da frequência de diferença (frequência intermediária). Esta técnica foi demonstrada em Doppler coerente multipulso LIDAR .

Veja também

Referências

links externos