[发明专利]基于单一混频器的太赫兹相干检测系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及信号源锁相和信号相干检测技术，特别是一种基于单一混频器同时实现太赫兹信号源锁相和太赫兹信号相干检测的系统和方法。

背景技术

相干检测（超外差混频）是通过被检测信号与本振参考信号之间差频实现信号检测。相干检测可同时获取被检测信号的幅度和相位信息，并可实现高分辨率信号检测（如分子谱线信号检测）。目前相干检测已经被广泛应用于射电天文等领域。

太赫兹相干检测系统由太赫兹信号源、太赫兹混频器以及中频信号处理系统等组成。目前常用太赫兹信号源主要包括固体半导体源、气体激光器和量子级联激光器等。然而当射电天文越来越向高频段发展，有些太赫兹信号源将难以满足实际应用需求，如固体半导体源，其受寄生电抗效应限制，在1.5 THz以上频段信号输出功率急剧降低, 已难以满足太赫兹混频器（包括超导混频器）本振需求。而红外气体激光器由于输出功率稳定性不高，并且体积较大，也难以适合实际天文应用。近年来，量子级联激光器在输出功率，输出频率和工作温度等各个方面均取得显著突破，已成为太赫兹高频段（如1.5 THz以上频段）本振信号源的重要选择之一。但是，此类太赫兹信号源自由振荡时的工作频率通常会受外在因素（如工作温度和偏置源电流噪声等）影响，在实际天文应用中需要对其进行锁相处理来稳定其输出频率。为此，欧美等发达国家正积极开展高频段太赫兹信号源锁相技术研究。

对信号源的锁相通常可以利用谐波混频器实现，例如利用肖特基谐波混频器实现固体半导体源（如耿式振荡器和倍频器组合）的锁相。在太赫兹高频段（如1.5 THz以上频段），谐波混频器(如肖特基谐波混频器)的谐波混频效率急剧降低，利用谐波混频器实现太赫兹高频段信号源锁相将变得非常困难。目前太赫兹高频段信号源的锁相通常是基于混频器基波混频实现，例如德国KOSMA小组和荷兰SRON小组基于超导热电子混频器基波混频分别实现了1.5 THz和2.7 THz量子级联激光器锁相。

如图1所示，现有的太赫兹相干检测系统由太赫兹相干检测子系统1和太赫兹信号锁相子系统2组成，太赫兹相干检测单元1由被检信号、波束分离器、太赫兹混频器、中频放大单元和频谱处理单元组成，太赫兹信号锁相单元2由太赫兹参考源、波束分离器、太赫兹混频器、中频放大单元、锁相单元和太赫兹信号源组成。在这个太赫兹相干检测系统中设有两个太赫兹混频器，其中一个混频器用于太赫兹信号源锁相，另一个混频器用于太赫兹信号相干检测，这将使太赫兹相干检测系统结构变得复杂，特别是使用超导混频器（如超导热电子混频器，其工作温度通常为4 K），需要额外辅助制冷设备。另外，使用两个太赫兹混频器也相应需要两套中频放大单元，复杂结构将给太赫兹相干检测系统的可靠工作带来不确定性。

发明内容

为了简化现有太赫兹相干检测（使用两个太赫兹混频器）系统，本发明将提供一种基于单一混频器同时实现太赫兹信号源锁相和太赫兹信号相干检测系统和方法。本发明在信号源锁相和信号相干检测中共用太赫兹混频器及相应中频放大单元，可以简化太赫兹相干检测系统结构，提高检测系统工作稳定性和可靠性，为实现太赫兹信号稳定相干检测打下重要基础。

为了完成上述发明任务，即基于单一混频器同时实现太赫兹信号源锁相和太赫兹信号相干检测，本发明的一个技术方案如下：

基于单一混频器的太赫兹相干检测系统，由第一波束分离器、第二波束分离器、太赫兹混频器、中频放大单元、太赫兹参考源、太赫兹信号源、锁相单元、频谱处理单元和偏置单元组成，第一波束分离器、第二波束分离器、太赫兹混频器和中频放大单元依次连接，中频放大单元输出端分别和锁相单元和频谱处理单元输入端连接，锁相单元输出信号至太赫兹信号源，太赫兹信号源输出信号至第一波束分离器，太赫兹参考源输出信号至第二波束分离器，偏置单元包括第一偏置单元和第二偏置单元，第一偏置单元和太赫兹混频器连接，第二偏置单元和中频放大单元连接；

其中，第一波束分离器、第二波束分离器、太赫兹信号源、太赫兹参考源、太赫兹混频器、第一和第二偏置单元及锁相单元构成太赫兹信号源锁相子系统，实现太赫兹信号源锁相；第一波束分离器、太赫兹信号源、太赫兹参考源、太赫兹混频器、第一和第二偏置单元及锁相单元构成太赫兹信号相干检测子系统，实现太赫兹信号相干检测。