第10章干探測(cè)

1、第十章第十章 相干探測(cè)相干探測(cè)光電信號(hào)檢測(cè)光電信號(hào)檢測(cè)第十章第十章 相干探測(cè)相干探測(cè) 相干探測(cè)相干探測(cè)又稱為又稱為光外差探測(cè)光外差探測(cè)。其探測(cè)原理與微波及無(wú)線電。其探測(cè)原理與微波及無(wú)線電外差探測(cè)原理相似，但由于光波比微波的波長(zhǎng)短外差探測(cè)原理相似，但由于光波比微波的波長(zhǎng)短10103 310104 4倍，因而其探測(cè)精度比微波高倍，因而其探測(cè)精度比微波高10103 310104 4 倍。倍。 相干探測(cè)與直接探測(cè)比較，其測(cè)量精度高相干探測(cè)與直接探測(cè)比較，其測(cè)量精度高10107 710108 8倍，它倍，它的靈敏度達(dá)到了量子噪聲限，可探測(cè)單個(gè)光子，進(jìn)行光子的靈敏度達(dá)到了量子噪聲限，可探測(cè)單個(gè)光子，進(jìn)行光

2、子計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)。 相干探測(cè)方式探測(cè)目標(biāo)或相干通信的相干探測(cè)方式探測(cè)目標(biāo)或相干通信的作用距離作用距離比直接探測(cè)比直接探測(cè)遠(yuǎn)得多。遠(yuǎn)得多。 相干探測(cè)要求相干性極好的光源才能進(jìn)行測(cè)量。而相干光相干探測(cè)要求相干性極好的光源才能進(jìn)行測(cè)量。而相干光源源激光，受大氣湍流效應(yīng)影響嚴(yán)重，會(huì)破壞激光的相激光，受大氣湍流效應(yīng)影響嚴(yán)重，會(huì)破壞激光的相干性。因而目前遠(yuǎn)距離相干探測(cè)在大氣中應(yīng)用受到限制，干性。因而目前遠(yuǎn)距離相干探測(cè)在大氣中應(yīng)用受到限制，但在外層空間特別是衛(wèi)星之間通信聯(lián)系已達(dá)到實(shí)用階段。但在外層空間特別是衛(wèi)星之間通信聯(lián)系已達(dá)到實(shí)用階段。10101 1 相干探測(cè)原理相干探測(cè)原理當(dāng)偏振方向相同、傳播方向平行且重合

3、的兩束光垂當(dāng)偏振方向相同、傳播方向平行且重合的兩束光垂直入射到光混頻器上時(shí)，一束是頻率為直入射到光混頻器上時(shí)，一束是頻率為l的本振光，的本振光，另一束是頻率為另一束是頻率為s的信號(hào)光，光混頻器可在頻率的信號(hào)光，光混頻器可在頻率l、s的和頻的和頻( (l + +s) )、差頻、差頻( (l - -s) )處產(chǎn)生輸出。處產(chǎn)生輸出。但在實(shí)際情況下，光頻但在實(shí)際情況下，光頻l、s 的和頻的和頻( (l+ +s) )極高，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出相干探測(cè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)范圍。極高，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出相干探測(cè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)范圍。因此在光混頻器的輸出中只須考慮頻率較低的差因此在光混頻器的輸出中只須考慮頻率較低的差頻項(xiàng)，亦即中頻信號(hào)

4、頻項(xiàng)，亦即中頻信號(hào)iif。這個(gè)中頻這個(gè)中頻( (差額差額) )信號(hào)包含了信號(hào)光所攜帶的全部信號(hào)包含了信號(hào)光所攜帶的全部信息。信息。 設(shè)信號(hào)光為：設(shè)信號(hào)光為： 參考（本振）光為：參考（本振）光為： 合成：合成： 光混頻器輸出光電流：光混頻器輸出光電流：)cos()(sssstate)cos()(lllltate)cos()cos()(lllsssttatate22)()()(teteteilstp展開得：展開得：ps：平均信號(hào)光功率；：平均信號(hào)光功率；pl：平均本振光功率：平均本振光功率)cos()cos()(cos)(cos)cos()cos()(222222slsllsslsllslllss

5、slllssstptaataatatahetatahetehei)()cos()()cos(slslslslslsllsptpptpppphei 隔掉直流、截止高頻、保留中頻隔掉直流、截止高頻、保留中頻 相干探測(cè)可解調(diào)相干探測(cè)可解調(diào)強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制、頻率調(diào)制頻率調(diào)制、位相調(diào)制位相調(diào)制的的光信號(hào)光信號(hào)lififrivllslififrpphervp222)()(cosslslsliftpphei 相干探測(cè)將光波振幅上所載的調(diào)制信號(hào)（頻率為相干探測(cè)將光波振幅上所載的調(diào)制信號(hào)（頻率為s ）完全無(wú)畸變地轉(zhuǎn)移到頻率為）完全無(wú)畸變地轉(zhuǎn)移到頻率為lsl s 的的電流上。電流上。10)()cos(2nnsns

6、ntam100)()cos(2)cos(nnsnsnsstamta)(tes10)()coscos(2nnslnslntamhe)()cos(0slslliftaahei10)()coscos(2nnslnslntamhe10102 2 相干探測(cè)的特點(diǎn)相干探測(cè)的特點(diǎn)一、轉(zhuǎn)換增益高一、轉(zhuǎn)換增益高 相干探測(cè)時(shí)，光電探測(cè)器經(jīng)負(fù)載電阻輸出的信號(hào)功率為相干探測(cè)時(shí)，光電探測(cè)器經(jīng)負(fù)載電阻輸出的信號(hào)功率為 直接探測(cè)時(shí)，光電探測(cè)器經(jīng)負(fù)載電阻輸出的信號(hào)功率為直接探測(cè)時(shí)，光電探測(cè)器經(jīng)負(fù)載電阻輸出的信號(hào)功率為 在同樣信號(hào)光功率在同樣信號(hào)光功率ps條件下，這兩種探測(cè)方法所得到的信號(hào)條件下，這兩種探測(cè)方法所得到的信號(hào)功率

7、比功率比g為為slpifppspg2871010,gppsllslpprpheris222llsifrpphep22 在直接探測(cè)中，光探測(cè)器輸出的光電流隨信號(hào)光的振幅或在直接探測(cè)中，光探測(cè)器輸出的光電流隨信號(hào)光的振幅或強(qiáng)度的變化而變化，光探測(cè)器對(duì)信號(hào)光的頻率或相位變化強(qiáng)度的變化而變化，光探測(cè)器對(duì)信號(hào)光的頻率或相位變化不響應(yīng)。不響應(yīng)。 在相干探測(cè)中，光電探測(cè)器輸出的中頻光電流的振幅、頻在相干探測(cè)中，光電探測(cè)器輸出的中頻光電流的振幅、頻率和相位都隨信號(hào)光的振幅、頻率和相位的變化而變化。率和相位都隨信號(hào)光的振幅、頻率和相位的變化而變化。這使我們能把頻率調(diào)制和相位調(diào)制的信號(hào)光像幅度調(diào)制或這使我們能把頻

8、率調(diào)制和相位調(diào)制的信號(hào)光像幅度調(diào)制或強(qiáng)度調(diào)制一樣進(jìn)行解調(diào)。強(qiáng)度調(diào)制一樣進(jìn)行解調(diào)。)()(cos2slslsliftpphei三、良好的濾波性能三、良好的濾波性能 在直接探測(cè)過(guò)程中，光探測(cè)器除接收信號(hào)光以外，雜散背在直接探測(cè)過(guò)程中，光探測(cè)器除接收信號(hào)光以外，雜散背景光也不可避免地同時(shí)入射到光探測(cè)器上。為了抑制雜散景光也不可避免地同時(shí)入射到光探測(cè)器上。為了抑制雜散背景光的干擾，提高信號(hào)噪聲比，一般都要在光探測(cè)器的背景光的干擾，提高信號(hào)噪聲比，一般都要在光探測(cè)器的前面加上孔徑光闌和窄帶濾光片。前面加上孔徑光闌和窄帶濾光片。 相干探測(cè)系統(tǒng)對(duì)背景光的濾波性能比直接探測(cè)系統(tǒng)要高。相干探測(cè)系統(tǒng)對(duì)背景光的濾波

9、性能比直接探測(cè)系統(tǒng)要高。因?yàn)橄喔山邮諘r(shí)要求信號(hào)光和本地振蕩光空間方向嚴(yán)格調(diào)因?yàn)橄喔山邮諘r(shí)要求信號(hào)光和本地振蕩光空間方向嚴(yán)格調(diào)準(zhǔn)。而背景光入射方向是雜亂的，不能滿足空間調(diào)準(zhǔn)要求，準(zhǔn)。而背景光入射方向是雜亂的，不能滿足空間調(diào)準(zhǔn)要求，于是就不能得到輸出。所以相干探測(cè)自身有很好的空間濾于是就不能得到輸出。所以相干探測(cè)自身有很好的空間濾波性能，無(wú)需像直接探測(cè)那樣在系統(tǒng)中加孔徑光闌和濾光波性能，無(wú)需像直接探測(cè)那樣在系統(tǒng)中加孔徑光闌和濾光片。片。四、有利于微弱光信號(hào)的探測(cè)四、有利于微弱光信號(hào)的探測(cè) 在直接探測(cè)中光探測(cè)器輸出的光電流正比于信號(hào)光的平均在直接探測(cè)中光探測(cè)器輸出的光電流正比于信號(hào)光的平均光功率，即

10、光探測(cè)器輸出的電功率正比于信號(hào)光平均光功光功率，即光探測(cè)器輸出的電功率正比于信號(hào)光平均光功率的平方。率的平方。 在相干探測(cè)中光混頻器輸出的中頻信號(hào)功率正比于信號(hào)光在相干探測(cè)中光混頻器輸出的中頻信號(hào)功率正比于信號(hào)光和本振光平均光功率的乘積。通常，入射到光探測(cè)器上的和本振光平均光功率的乘積。通常，入射到光探測(cè)器上的信號(hào)光功率是非常小的信號(hào)光功率是非常小的( (尤其在遠(yuǎn)距離上應(yīng)用，例如光雷尤其在遠(yuǎn)距離上應(yīng)用，例如光雷達(dá)、遙感、空間光通信等應(yīng)用達(dá)、遙感、空間光通信等應(yīng)用) )，因而，在直接探測(cè)中光，因而，在直接探測(cè)中光探測(cè)器輸出的電信號(hào)也是極其微弱的。在相干探測(cè)過(guò)程中，探測(cè)器輸出的電信號(hào)也是極其微弱的

11、。在相干探測(cè)過(guò)程中，盡管信號(hào)光功率非常小，但只要本振光功率足夠大，仍能盡管信號(hào)光功率非常小，但只要本振光功率足夠大，仍能得到可觀的中頻輸出。相干探測(cè)對(duì)微弱光信號(hào)的探測(cè)特別得到可觀的中頻輸出。相干探測(cè)對(duì)微弱光信號(hào)的探測(cè)特別有利。有利。lslpprpheris222llsifrpphep2210103 3 相干探測(cè)的空間條件和頻率條件相干探測(cè)的空間條件和頻率條件一、相干探測(cè)的空間條件一、相干探測(cè)的空間條件 為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)信號(hào)光和本振光均為平面波，夾角為為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)信號(hào)光和本振光均為平面波，夾角為，探測(cè)器為正方形（邊長(zhǎng)為探測(cè)器為正方形（邊長(zhǎng)為d），有：），有：2csin)cos()(2dtaa

12、dhetislsllsifssin2 ，iif(t) iif(t)最大最大 實(shí)際中實(shí)際中 可使可使 則則 數(shù)值例：數(shù)值例：d=1mm 02ddssin14,m63. 0 s12csind12d00 3611,m6 .10s二、相干探測(cè)的頻率條件二、相干探測(cè)的頻率條件 相干探測(cè)是兩束光波迭加后產(chǎn)生干涉的結(jié)果。這種干涉取相干探測(cè)是兩束光波迭加后產(chǎn)生干涉的結(jié)果。這種干涉取決于信號(hào)光束和本振光束的決于信號(hào)光束和本振光束的單色性單色性。要求激光光源具有良。要求激光光源具有良好的單色性（單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器）好的單色性（單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器） 。 信號(hào)光和本振光的信號(hào)光和本振光的頻率頻率漂移會(huì)導(dǎo)致相干探測(cè)系統(tǒng)的性能變漂移會(huì)導(dǎo)致相干探測(cè)系統(tǒng)的性能變差。如果信號(hào)光和本振光的頻率相對(duì)漂移很大，兩者頻率差。如果信號(hào)光和本振光的頻率相對(duì)漂移很大，兩者頻率之差就有可能大大超過(guò)中頻濾波器帶寬，因此，光混頻器之差就有可能大大超過(guò)中頻濾波器帶寬，因此，