宽带和高分辨率毫米波亚毫米波信号检测方法

摘要

本发明涉及一种宽带和高分辨率毫米波亚毫米波信号检测方法，目的在于提供一种能在一个信号检测系统中，同时实现宽带和高频率分辨率的信号检测的方法。本发明的技术方案是：一种宽带高分辨毫米波亚毫米波信号检测方法，结合直接检波非相干探测和超外差混频相干探测技术，采用超导SIS探测器作为探测器，以实现宽带快速信号扫描和高分辨信号频谱分析。

说明书

技术领域

本发明涉及一种毫米波亚毫米波信号检测方法，特别是一种宽带和高分辨率毫米波亚毫米波信号检测方法。

背景技术

目前毫米波和亚毫米波段在射电天文、地球大气环境、雷达信号、医药和生物等应用领域，根据信号特征频谱的不同，实现信号检测有两种方法。其一为直接检波技术，直接检测技术可以实现宽带信号检测，例如连续谱信号的检测；其二为超外差混频技术，超外差混频技术应用于实现高分辨信号频谱分析。

实现直接检波传统的探测器为bolometer，bolometer以直接接收信号的总功率方式实现信号检测。其优点就是可以实现宽带信号低分辨频谱检测(几十GHz至上百GHz量级带宽，实现频谱分析的分辨率为λ/Δλ～10³)，其缺点作为混频器件尽管具有一定中频带宽(如InSb材料的bolometer作为混频器件中频带宽在MHz～几十MHz量级)，通过超外差混频却很难取得有效高分辨频谱分析的实际应用。

实现超外差混频传统混频器为半导体肖特基(schottky)混频器，通过超外差混频，将高频信号下变频至低频段(GHz范围)进行放大和窄带高分辨频谱分析(λ/Δλ≥10⁶)。肖特基混频器实现超外差检测优点是工作温度范围比较广，常用于室温下工作，同时工作频率也比较宽(最高可以至5THz)。其缺点是在常温下工作灵敏度比较差(在1000-3000K量级)，且需求较大的本振信号源功率(mW量级)。半导体肖特基器件作为直接检波器时灵敏度差，在宽带信号探测方面的应用受到了限制。

在射电天文、大气检测和宽带雷达信号捕获等方面，需要进行宽带扫描，并进行窄带高分辨频谱分析。Bolometer尽管可以通过直接检波实现宽带的信号检测，却无法同时满足高分辨频谱分析的需求。同样地，半导体肖特基混频器，可以通过超外差混频技术实现高分辨频谱的分析，却无法同时满足宽带信号检测的需要。

发明内容

为了克服上述现有技术中，混频信号检测方法可以通过超外差混频技术实现高分辨频谱分析，无法同时实现宽带信号检测，以及直接检波信号检测方法可以通过直接检波技术实现宽带信号检测，无法同时实现高分辨谱分析的不足，本发明提供一种新的技术方案，能在一个信号检测系统中，同时实现宽带和高频率分辨率的信号检测。

完成上述发明任务的技术方案是：

一种宽带高分辨毫米波亚毫米波信号检测方法，结合直接检波非相干探测和超外差混频相干探测技术，采用超导SIS(Superconductor-Insulator-Superconductor)探测器作为探测器，以实现宽带快速信号扫描和高分辨信号频谱分析。

本发明中技术方案可以在如下系统中实现：宽带和高分辨率毫米波亚毫米波信号检测方法所用的检测系统中设有宽带快速扫描子系统和高分辨率频谱处理子系统，其中，所述宽带快速扫描子系统由Michelson(迈克尔逊)干涉仪、宽带波束分离器、超导SIS探测器和数据读出及宽带频谱处理单元组成，通过直接检波方式实现宽带信号检测；所述高分辨频谱处理子系统由Michelson(迈克尔逊)干涉仪、锁相本振信号源、宽带波束分离器、超导SIS探测器、低噪声中频放大和窄带高分辨频谱处理单元组成，通过超外差混频方式实现窄带高分辨信号检测；两个子系统中，共用Michelson(迈克尔逊)干涉仪、宽带波束分离器和超导SIS探测器。

该系统进行宽带信号快速扫描时实施以下步骤：

信号进入Michelson(迈克尔逊)干涉仪，在波束分离器处，被分成两个波束，两个波束经过可动平面镜和固定平面镜反射后，又在波束分离器处汇合；

超导SIS探测器检测经过宽带波束分离器汇聚以后的汇合波束：改变Michelson(迈克尔逊)干涉仪中的可动平面镜的位置，使得可动平面镜和固定平面镜与波束分离器的距离不相等，两个波束之间产生光程差，从而两个波束发生干涉；

通过不断改变可动平面镜的位置，超导SIS探测器探测到两个波束干涉强度与光程差之间对应关系的干涉波纹；

数据读出单元从超导SIS探测单元中读取各可动平面镜位置对应的干涉条纹强度，获取干涉条纹强度与对应的光程差的图像；

对上一步获得的干涉图进行傅立叶变换，求得宽带频谱，获取信号和超导SIS探测器的频谱响应；

对照超导SIS频率响应情况，得到宽带信号的频谱特性，实现直接检波方式的宽带信号检测；

该系统进行窄带高分辨信号检测时实施以下步骤：

信号经过Michelson(迈克尔逊)干涉仪，调整可动平面镜，使得信号经过Michelson(迈克尔逊)干涉仪后两个波束的光程差仍为零；

上述经过Michelson(迈克尔逊)干涉仪通路的信号，再经宽带波束分离器透射，与设定好频率和功率的锁相本振信号源经宽带波束分离器反射后，一同汇集到超导SIS探测器；

待检测信号和本振信号通过超导SIS混频器混频，得到中频信号，即待检测信号和本振信号之间的差值；

超导SIS混频器混频输出先经过低噪声中频放大单元进行放大，再通过窄带高分辨频谱处理单元进行频谱处理，包括对中放信号进行傅立叶变换、计算并积分其功率谱，实现超外差混频方式的窄带高分辨信号频谱分析。

本发明有益的效果是，采用高灵敏度超导SIS探测器，超导SIS探测器具有很宽的射频带宽(100GHz量级甚至更宽带宽)。在直接检波时，待测信号的带宽主要受超导SIS探测器的射频带宽限制，所以对直接检波的结果进行频谱分析，得到的结果宽带低分辨的信号频谱，超导SIS探测器的中频带宽，相比其射频带宽小得多。在超外差混频时，后端信号处理的信号带宽，受超导SIS探测器的中频带宽及低温放大器件的处理带宽共同限制(几个GHz-10GHz量级)，所以对混频后的中频进行频谱处理，显然较直接检波方式，实现的是窄带的频谱分析，在这两种情况下，即使采用的快速傅立叶变换(傅立叶变换的数字处理形式)的点数都一样，则超外差混频方式得到的频率分辨率，要比直接检波方式的高得多，大于10³。所以，直接检波实现的是宽带低分辨的频谱分析，超外差混频方式得到的是窄带高分辨的频谱分析。根据不同需要，对超导SIS探测器输出信号采用上述不同分析处理，实现毫米波亚毫米波波段信号两种探测方式(相干探测和非相干探测)相结合的宽带快速扫描和窄带高分辨频谱检测。

附图说明

图1是本发明实施例的系统框图；

图2是本发明实施例的Michelson干涉仪结构示意图

具体实施方式

实施例1，

如图1所示，宽带和高分辨率毫米波亚毫米波信号检测系统，设有宽带快速扫描子系统1和高分辨率频谱处理子系统2，其中，宽带快速扫描子系统1由Michelson干涉仪3、宽带波束分离器4、超导SIS探测器5和数据读出及宽带频谱处理单元6组成，通过直接检波方式实现宽带信号检测；高分辨频谱处理子系统2由Michelson干涉仪3、锁相本振信号源12、宽带波束分离器4、超导SIS探测器5、低噪声中频放大7和窄带高分辨频谱处理单元8组成，通过超外差混频方式实现窄带高分辨信号检测；两个子系统中，共用Michelson干涉仪3、宽带波束分离器4和超导SIS探测器5

如图2所示，Michelson干涉仪由固定平面镜(Fixed Mirror)9、波束分离器11(Beamsplitter)和可动平面镜(Moveable Mirror)10组成。

宽带信号检测的实现包括以下步骤：

信号进入Michelson(迈克尔逊)干涉仪3，在波束分离器11处，被分成两个波束；

两个波束经过可动平面镜10和固定平面镜9的反射后，又在波束分离器11处汇合；

超导SIS探测器5检测经过汇聚以后的汇合波束：改变Michelson(迈克尔逊)干涉仪1中的可动平面镜10的位置，使得可动平面镜10和固定平面镜9与波束分离器11的距离不相等，两个波束之间产生光程差，从而两个波束发生干涉；

通过不断改变可动平面镜10的位置，超导SIS探测器5就可以探测到两个波束干涉强度与光程差之间对应关系的干涉波纹。

干涉条纹的读出：改变可动平面镜10位置，数据读出及宽带频谱处理单元6从超导SIS探测器5中读取此刻对应的干涉条纹强度，获取干涉条纹强度与对应的光程差(移动可动平面镜的位置，可获取不同的光程差)，即干涉图；

再对干涉条纹进行宽带频谱处理，获取信号和超导SIS探测器的频谱响应，在已知超导SIS频率响应情况下，可进一步得到宽带信号的频谱特性，即计算宽带信号‘照射’探测器引起其电压或电流变化的电压量或电流量的频谱，实现直接检波方式的宽带信号分析。

对感兴趣的频点进行窄带高分辨信号频谱分析的步骤如下：

信号经过Michelson干涉仪3，为了得到较好的检测强度，调整可动平面镜10，使得信号经过Michelson(迈克尔逊)干涉仪3后两个波束的光程差仍为零；尽管信号通过Michelson(迈克尔逊)干涉仪后为两个波束叠加，当光程差调整为零时，则不具干涉效应，信号幅度没有消减，这时信号仍认为是单一波束；

再经宽带波束分离器4透射，与设定好所需频率和功率的锁相本振信号源12经宽带波束分离器4反射，一同汇集到超导SIS探测器5；

待检测信号和本振信号通过超导SIS混频器混频5，得到待检测信号和本振信号之间的差值-中频信号；

中频信号先经过低噪声中频放大单元7进行放大，再通过窄带高分辨频谱处理单元8进行频谱处理，实现了超外差混频方式的窄带高分辨信号频谱分析。