4.10-光频外差探测的基本原理PPT文件格式下载.ppt

1、适用范围：激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的相干性，因而目前远距离外差探测在大气中应用受到限制，但在外层空间特别是卫星之间通信联系已达到实用阶段。,光频外差探侧：两束光波在光电探测器光敏面上发生相干，获得振幅、频率和相位信号。,3,fs为信号光波，fL为本机振荡（本振）光波，这两束平面平行的相干光，经过分光镜和可变光阑入射到探测器表面进行混频，形成相干光场。经探测器变换后，输出信号中包含 fcfs fL 的差频信号，故又称相干探测。,一、光外差探测原理,4,入射到探测器上的总光场为,由于光探测器的响应与光电场的平方成正比，所以光探测器的光电流为,5,式中：是光电变换系数，为量子效率 h为

2、光子能量，c=L-s称为差额。上式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于12。第三项（和频项）是余弦函数的平均值，应为零。而第四项（差频项）相对光频而言，频率要低得多。当差频c/2低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为c/2的光电流输出。,6,在中频滤波器输出端，瞬时中频电压为,在中频滤波器输出端输出的有效中频功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平均值，即,有效中频功率与信号光平均光功率和本振光信号平均光功率乘积有关。,外差探测不仅可探测振幅和强度调制的光信号，还可探测频率调制及相位调制的光信号。这是外差探测的第一个优点。,7,二、光外差探测特性1、转换增益光探测器输出电流振幅为,在直接

3、探测中，输出信号电流的振幅,外差转换增益,由于在外差探测中，本机振荡光功率PL比信号光功率大几个数量级，所以，外差转换增益可以高达107 10 8。由此看出，外差探测灵敏度比直接探测灵敏度高107 10 8 倍。这是外差探侧的第二个优点。,8,2光谱滤波性能 在直接探测过程中，光探测器除接收信号光以外，杂散背景光也不可避免地同时入射到光探测器上。为了抑制杂散背景光的干扰，提高信号噪声比，一般都要在光探测器的前面加上孔径光阑和窄带滤光片。相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测系统要高。因为相干接受是要求信号光和本地振荡光空间方向严格调准，而背景光的入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求，于是就

4、不能得到输出。如果取差频信号宽度c/2=L-s/2为信息处理器的通频带f，那么只有与本机振荡光束混频后在此频带内的杂光可以进入系统，其他杂光所形成的噪声均被信号处理器滤掉。因此，外差探测系统中不需要加光谱滤光片，其效果甚至比加滤光片的直接探测系统还好得多。,9,举例：如果取差频信号宽度 为探测器后面放大器的通频带，即，那么只有与本地振荡光束混频后相干信号落在此频带内所对应的杂光才可以进入系统，其它杂光所形成的噪声均被放大器滤掉。因此，相干探测系统中不加光谱滤光片其效果仍比加滤光片的直接探测系统好得多。例如，目标沿光束方向的运动速度，对于10.6 的CO2激光，经目标反射后回波的多普勒频率 为,

5、则信号光束与本地振荡光束的差频为,10,可以求得,如果直接探测加光谱滤光片，滤波片带宽为1.0nm，所对应的带宽为,若取放大器的带宽 为最大频移，则,两种情况带宽之比,可见，外差探测对背景光有强抑制作用。这是光外差探测的第三个优点。,11,在相干探测中光混频器输出的中频信号功率正比于信号光和本振光平均光功率的乘积。假定光混频器具有内部增益G，光混频器的中频输出功率为,在光外差探测系统中遇到的噪声与直接探测系统中的噪声基本相同，存在多种可能的噪声源。在此只考虑不可能消除或难以抑制的散粒噪声和热噪声两种。在带宽为 的带通滤波器输出端，电噪声功率为,3外差探测信噪比,12,中频滤波器输出端的信号噪声

6、（功率）比为,当本振光功率 足够大时，上式分母中由本振光引起的散粒噪声远远大于所有其它噪声，则上式简化为,这是光外差探测系统所能达到的最大信噪比，一般把这种情况称为光外差探测的量子探测极限或量子噪声限。,13,对热噪声为主要噪声源的系统，要实现量子噪声限探测，满足,由此得到,若令，则可求得相干探测的噪声等效功率NEP值为,输人信噪比等于输出信噪比，输出信躁比没有任何损失。这是外差探测的第四个优点。,14,四、光外差探测典型系统1干涉测量技术（1）激光干涉测长的基本原理,15,（2）激光干涉测长仪的光路没置,16,该光路中，使用角锥棱镜代替了平面反射镜作为反射器，一方面避免了反射光束反馈回激光器

7、而对激光器带来的不利影响，另一方面由于角锥棱镜的特点，使得出射光束与入射光束平行，而棱镜绕任一转轴的转动均不影响出射光束的方向，当它绕光学中心转动的角度不大时，它对光程的影响可以忽赂。角锥棱镜的形状相当于立方体切下来的一个角，它的三个内表面作为光学反射面并相互垂直。当光从基面入射，可在三个直角面上依次反射，仍从基面出射。出射光线与入射光线总保持平行。,17,18,五 相干探测的的空间相位条件,影响相干探测灵敏度的因素很多，诸如本振场的频率稳定度、噪声；信号光波和本振光波的空间调准及场匹配、光源的模式；传输通道的干扰以及电子噪声等都影响探测灵敏度。在这一小节我们只考虑相干探测的空间条件和频率条件

8、。1、相干探测的空间条件 在相干探测原理一节中，曾假定信号光束和本振光束重合并垂直入射到光混频器表面上，亦即信号光和本振光的波前在光混频器表面上保持相同的相位关系，据此导出了通过带通滤波器的瞬时中频电流。这就要求信号光和本振光的波前必须重合，也就是说，必须保持信号光和本振光在空间上的角准直。,19,相干探测的空间关系,为了研究两光束波前不重合对相干探测的影响，假设信号光和本振光都是平面波，信号光波前和本振光波前之间有一夹角。为简化分析，假定光混频器的光敏面是边长为d的正方形。在分析中，假定本振光沿垂直于光混频器表面的方向入射，因此，令本振光电场为,20,由于信号光与本振光波前有一失配角，所以信

9、号光斜入射到光混频器表面，在光混频器接收面上沿x方向各点的相位是不同的，可将信号光电场写为,令 则,入射到光混频器表面的总电场为,21,于是光混频器输出的瞬时光电流为,经中频滤波器后输出端瞬时中频电流为,积分上式得,22,由于，所以瞬时中频电流的大小与失配角有关。显然 时瞬时中频电流达到最大值，此时要求 亦即要求失配角。即要求失配角，由于实际原因，角很难调整到零，为了得到尽可能大的中频输出，总是希望因子 尽可能接近于1，要满足这一条件，只有,即,失配角与信号波长成正比，与光混频器的尺寸成反比。相干探测的空间准直要求是非常严格的。在红外波段光外差探测比在可见光波段有利的多。,23,2、相干探测的

10、频率条件 为了获得高灵敏度的相干探测，还要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳定度。从物理光学的观点来看，相干探测是两束光波叠加后产生干涉的结果。显然，这种干涉取决于信号光束和本振光束的单色性。所谓光的单色性是指这种光只包含一种频率或光谱线极窄的光。激光的重要特点之一就是具有高度的单色性。信号光和本振光的频率漂移如不能限制在一定范围内，则相干探测系统的性能就会变坏。这是因为，如果信号光和本振光的频率相对漂移很大，两者频率之差就有可能大大超过中频滤波器带宽，因此，光混频器之后的前置放大和中频放大电路对中频信号不能正常地加以放大。所以，在光相干探测中，需要采用专门措施稳定信号光和本振光的频率，这也是使相干探测方法比直接探测方法更为复杂的一个原因。,