第八章外差相干探測系統(tǒng)VIP

1、上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)第八章第八章 外差外差(相干相干)探測系統(tǒng)探測系統(tǒng)上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)8-1 8-1 光頻外差探測的基本原理光頻外差探測的基本原理8-2 8-2 光頻外差探測的特點光頻外差探測的特點 8-2 8-2 光頻外差探測的信噪比分析光頻外差探測的信噪比分析 8-3 8-3 光頻外差探測的空間相位條件光頻外差探測的空間相位條件上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)8-1 光頻外差探測的原理光頻外差探測的原理v 光頻外差探測的基本原理和無線電波外差探測的基本原光頻外差探測的基本原理和無線電波外差探測的基本原理是完全一樣的

2、。又稱相干探測。理是完全一樣的。又稱相干探測。v 但光波探測精度比無線電波高但光波探測精度比無線電波高103104數(shù)量級；光頻外差數(shù)量級；光頻外差探測比直接探測測量精度高探測比直接探測測量精度高107108數(shù)量級。可探測單個數(shù)量級?？商綔y單個光子進行光子計數(shù)。同時相干探測目標或相干通信作用光子進行光子計數(shù)。同時相干探測目標或相干通信作用距離比直接探測遠的多。距離比直接探測遠的多。v 相干探測在激光通信、雷達、測長、測速、測振、光譜相干探測在激光通信、雷達、測長、測速、測振、光譜學等方面應(yīng)用廣泛但對光源相關(guān)性要求較高（受大氣湍學等方面應(yīng)用廣泛但對光源相關(guān)性要求較高（受大氣湍流影響嚴重，破壞相干性

3、）。目前在外層空間特別時衛(wèi)流影響嚴重，破壞相干性）。目前在外層空間特別時衛(wèi)星間通信聯(lián)系已經(jīng)達到實用階段。星間通信聯(lián)系已經(jīng)達到實用階段。上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)直接檢測接收機框圖直接檢測接收機框圖 外差檢測接收機框圖外差檢測接收機框圖 上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)外差原理圖外差原理圖 相干光通信系統(tǒng)相干光通信系統(tǒng)上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)光頻外差探測的實驗裝置，即光頻外差多普勒測速的原光頻外差探測的實驗裝置，即光頻外差多普勒測速的原理裝置。理裝置。 轉(zhuǎn)鏡fsfL分光鏡可變光闌線柵偏振器光電探測器放大器fs fL輸出CO2激光器光頻

4、外差多普勒測速裝置光頻外差多普勒測速裝置 8.1.1 光頻外差探測的實驗裝置光頻外差探測的實驗裝置光混頻器光混頻器上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)8.1.2 光外差原理光外差原理2( )( )sLia E tE tE由實驗裝置知，光外差必須有兩束滿足相干條件的光束。由實驗裝置知，光外差必須有兩束滿足相干條件的光束。E假定同方向到達且同偏振方向的信號光束和本機振蕩光束假定同方向到達且同偏振方向的信號光束和本機振蕩光束的電場分別為的電場分別為 Es(t)=As cos(st+s) EL(t)=AL cos(Lt+L) E 由光電探測器的平方律特性，其輸出光電流為由光電探測器的平方律

5、特性，其輸出光電流為 上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)2222cos ()cos ()coscossssLLLsLsLsLsLsLsLiAtAtAAtAAt 信號光頻率，信號光頻率，均值為均值為1/2本振光頻率，本振光頻率，均值為均值為1/2差頻頻率低于光差頻頻率低于光混頻器截止頻率混頻器截止頻率時有光電流輸出時有光電流輸出和頻頻率太高，光混頻和頻頻率太高，光混頻器不響應(yīng)，故均值為零器不響應(yīng)，故均值為零eh v功率的時變項，功率的時變項，相當于探測器相當于探測器的頻率響應(yīng)非的頻率響應(yīng)非光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)E從數(shù)學運算和相應(yīng)物理過程考慮

6、，用平均信號光功率從數(shù)學運算和相應(yīng)物理過程考慮，用平均信號光功率Ps和平均本振光功率和平均本振光功率PL表示表示：cos22sLsLIFLsPPiPPtcosIFsLIFLsiA AtE光電流經(jīng)過有限帶寬的中頻放大器，直流項被濾出，光電流經(jīng)過有限帶寬的中頻放大器，直流項被濾出，最后只剩下中頻交流分量：最后只剩下中頻交流分量：IFLs中頻光電流振幅中頻光電流振幅中頻光電流頻率中頻光電流頻率中頻光電流相位中頻光電流相位 中頻光電流振幅、頻率和相位都隨信號光的振幅、頻率和中頻光電流振幅、頻率和相位都隨信號光的振幅、頻率和 相位成比例變化；相位成比例變化；因此，振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制因此，振幅調(diào)

7、制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制 的光波所攜帶的信息，通過光頻外差探測均可實現(xiàn)解調(diào)。的光波所攜帶的信息，通過光頻外差探測均可實現(xiàn)解調(diào)。上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)E中頻濾波器輸出端，瞬時中頻電壓為：中頻濾波器輸出端，瞬時中頻電壓為：cosIFsLLIFLsVA A Rt222IFIFsLLLVePP PRRhvE中頻濾波器輸出的有效中頻功率為：中頻濾波器輸出的有效中頻功率為： 負載電阻負載電阻有效中頻功率與信號光功率和本振光信號平均功率乘有效中頻功率與信號光功率和本振光信號平均功率乘積有關(guān)。積有關(guān)。 上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng) 調(diào)幅信號的相干探測調(diào)幅信號的相干探

8、測v 若調(diào)制頻率為若調(diào)制頻率為的的信息信號加載在頻率為信息信號加載在頻率為s的光波振幅的光波振幅上，調(diào)幅光波可表示為：上，調(diào)幅光波可表示為： 01001011coscos()cos()cos2cos2snnssnnsssnsnnnsnsnnE tAtm AAttm At 第第n次諧波分量的次諧波分量的圓頻率和初始相位圓頻率和初始相位調(diào)幅波振調(diào)幅波振幅平均值幅平均值調(diào)幅系數(shù)調(diào)幅系數(shù)上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)v 若調(diào)幅信號光若調(diào)幅信號光Es(t)與本振光與本振光EL(t) 相干后，瞬時中頻電流為：相干后，瞬時中頻電流為：00101cos()cos2cos2IFLLsLsnLL

9、snLsnnnLLsnLsnniA Atm AAtm AAtE光電探測器轉(zhuǎn)換的信號電源正比于瞬時中頻電流。光波光電探測器轉(zhuǎn)換的信號電源正比于瞬時中頻電流。光波振幅上所攜帶的調(diào)制信號完全無畸變地轉(zhuǎn)移到頻率為振幅上所攜帶的調(diào)制信號完全無畸變地轉(zhuǎn)移到頻率為Ls=Ls的電流上去。的電流上去。LsE調(diào)頻、調(diào)相方式的相干探測與之類似，但直接探測則無調(diào)頻、調(diào)相方式的相干探測與之類似，但直接探測則無法達到。法達到。上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng) 調(diào)幅信號光和相干探測后瞬時中頻電信號頻譜調(diào)幅信號光和相干探測后瞬時中頻電信號頻譜0s02s 02s 0ss0Ls02Ls 02Ls 0LsLs調(diào)幅信

10、號光波的頻譜調(diào)幅信號光波的頻譜相干探測瞬時中頻電信號頻譜相干探測瞬時中頻電信號頻譜上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)外差接收機原理框圖外差接收機原理框圖 上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)外差原理的頻譜與波形圖外差原理的頻譜與波形圖 上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng) 零差探測零差探測cosIFsLsLiA AsLE若信號光與本振光頻率相同：若信號光與本振光頻率相同： ，則相干探，則相干探測的差頻測的差頻Ls0，即，即零差探測。零差探測。E對對調(diào)幅信號調(diào)幅信號來說，零差探測所得光電流信號是光波調(diào)來說，零差探測所得光電流信號是光波調(diào)制信號的原形。制信號的

11、原形。E但零差探測時，本振光振幅的慢變化會直接引到信號但零差探測時，本振光振幅的慢變化會直接引到信號頻譜中造成信號畸變。因此，零差工作時對本振光的頻譜中造成信號畸變。因此，零差工作時對本振光的振幅穩(wěn)定性有較高要求。振幅穩(wěn)定性有較高要求。E需注意：外差探測時，要實現(xiàn)某一信息解調(diào)，保證本需注意：外差探測時，要實現(xiàn)某一信息解調(diào)，保證本振光束的頻率和位相的高度穩(wěn)定。振光束的頻率和位相的高度穩(wěn)定。上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)2222ssLLPAPA8-2 光頻外差探測的特點光頻外差探測的特點 高的轉(zhuǎn)換增益高的轉(zhuǎn)換增益 信號光功率，本振光功率與相應(yīng)電場振幅的關(guān)系為：信號光功率，本振光功

12、率與相應(yīng)電場振幅的關(guān)系為： 中頻電流輸出對應(yīng)的電功率為：中頻電流輸出對應(yīng)的電功率為：2IFIFLPi R光電探測器光電探測器的負載電阻的負載電阻上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng) 經(jīng)推導經(jīng)推導2224cos()2IFsLIFLsLsLLPPPtRPP R對中頻周期求平均對中頻周期求平均E在直接探測中，探測器輸出的電功率為：在直接探測中，探測器輸出的電功率為： 222LsLsLPi RP Rv 從物理過程的觀點出發(fā)，直接探測是光功率包絡(luò)變換的檢從物理過程的觀點出發(fā)，直接探測是光功率包絡(luò)變換的檢 波過程，而外差探測的光電轉(zhuǎn)換過程不是檢波過程，而是波過程，而外差探測的光電轉(zhuǎn)換過程不是檢

13、波過程，而是 一種一種“轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換”過程；過程；上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)v 光頻外差探測光頻外差探測，就是把以，就是把以s為載頻的為載頻的光頻信息光頻信息轉(zhuǎn)換到以轉(zhuǎn)換到以IF 為載頻的為載頻的中頻電流中頻電流上。這一上。這一“轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換”是本振光的作用，它是本振光的作用，它使外差探測具有一種天然的使外差探測具有一種天然的轉(zhuǎn)換增益轉(zhuǎn)換增益。 v 在同樣信號光功率在同樣信號光功率Ps 條件下，相干探測和直接探測方法得條件下，相干探測和直接探測方法得 到的信號功率比，即到的信號功率比，即轉(zhuǎn)換增益轉(zhuǎn)換增益為：為：2IFLLsPPGPP 通常通常 PLPs ，故轉(zhuǎn)換增益，故轉(zhuǎn)換增益G

14、1，可達到，可達到107108數(shù)量級，可數(shù)量級，可 見相干探測的轉(zhuǎn)換增益是非常高的。見相干探測的轉(zhuǎn)換增益是非常高的。上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)PL= 0.5 mW 時Ps與G的關(guān)系 光頻外差探測具有天然的探測微弱信號的能力光頻外差探測具有天然的探測微弱信號的能力此時，外差探測的靈敏度此時，外差探測的靈敏度比直接探測高比直接探測高107108量級量級上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)v 在直接探測中，光探測器輸出的光電流隨信號光的振在直接探測中，光探測器輸出的光電流隨信號光的振幅或強度的變化而變化，光探測器對信號光的頻率或幅或強度的變化而變化，光探測器對信號光

15、的頻率或相位變化不響應(yīng)。相位變化不響應(yīng)。 可獲得全部信息可獲得全部信息v 在相干探測中，光探測器輸出的中頻光電流振幅、頻在相干探測中，光探測器輸出的中頻光電流振幅、頻率和相位都隨信號光的振幅率和相位都隨信號光的振幅 aAsAL、頻率、頻率(L-s)和相和相位位(L-s)的變化而變化，因此可以把頻率調(diào)制和相位的變化而變化，因此可以把頻率調(diào)制和相位調(diào)制的信號光像幅度調(diào)制或強度調(diào)制一樣進行解調(diào)。調(diào)制的信號光像幅度調(diào)制或強度調(diào)制一樣進行解調(diào)。上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)在直接探測中在直接探測中，為了抑制雜散背景光的干擾，都是在探測，為了抑制雜散背景光的干擾，都是在探測器前加置孔徑光

16、闌或窄帶濾光片。例如，濾光片的帶寬為器前加置孔徑光闌或窄帶濾光片。例如，濾光片的帶寬為1nm( (這已經(jīng)是十分優(yōu)良的濾光片了這已經(jīng)是十分優(yōu)良的濾光片了) )，即，即=1nm。它所。它所相應(yīng)的頻帶寬度相應(yīng)的頻帶寬度( (以以=10.6m估計估計) )為：為：923 10CfHz 良好的濾波性能良好的濾波性能上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)在外差探測中在外差探測中，要求信號光和本振光空間方向嚴格調(diào)準，要求信號光和本振光空間方向嚴格調(diào)準，而背景入射雜亂無法滿足空間調(diào)準要求，于是不能得到而背景入射雜亂無法滿足空間調(diào)準要求，于是不能得到輸出。因此，相干探測系統(tǒng)自身良好的輸出。因此，相干探

17、測系統(tǒng)自身良好的空間濾波性能空間濾波性能不不需孔徑光闌。需孔徑光闌。2sLIFsLfffE因此，只有與本振光混頻后相干信號落在此頻帶內(nèi)所對因此，只有與本振光混頻后相干信號落在此頻帶內(nèi)所對應(yīng)的雜散光才可以進入系統(tǒng)，其它雜光所形成的噪聲均應(yīng)的雜散光才可以進入系統(tǒng)，其它雜光所形成的噪聲均被放大器濾掉，不需直接探測中的濾光片。被放大器濾掉，不需直接探測中的濾光片。其次，相干探測系統(tǒng)也具有良好的其次，相干探測系統(tǒng)也具有良好的光譜濾波性能光譜濾波性能。如果。如果取差頻寬度取差頻寬度(L-s)/2作為探測器后面放大器的通頻帶作為探測器后面放大器的通頻帶f， 即即 上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測

18、系統(tǒng)假設(shè)目標沿光束方向的運動速度假設(shè)目標沿光束方向的運動速度 v=15m/s，對于，對于L=10.6um的本振頻率的本振頻率fL的的CO2激光，經(jīng)目標反射后回波激光，經(jīng)目標反射后回波的多普勒頻率的多普勒頻率 fs：6223 10sLIFLLvvffffHzc E若取若取放大器通頻帶寬放大器通頻帶寬fIF等于最大頻移值等于最大頻移值，則差頻放大器，則差頻放大器帶寬為帶寬為fIF3MHz。則信號光與本振光的差頻為則信號光與本振光的差頻為 21sLvffc上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)采用直接探測加光譜濾光片，濾光片帶寬若為采用直接探測加光譜濾光片，濾光片帶寬若為1.0nm ，所，

19、所對應(yīng)的帶寬對應(yīng)的帶寬f濾濾為為：2192121223 10ccfffHz 濾E因此，相干探測對背景光有很好的抑制作用。因此，相干探測對背景光有很好的抑制作用。兩種情況下帶寬之比為兩種情況下帶寬之比為 310ff濾IF上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng) 良好的空間和偏振鑒別能力良好的空間和偏振鑒別能力v 信號光和本振光必須沿同一方向射向光電探測器，而信號光和本振光必須沿同一方向射向光電探測器，而且要保持相同的偏振方向。這就意味著光頻外差探測且要保持相同的偏振方向。這就意味著光頻外差探測裝置本身就具備了對光方向的高度鑒別探測能力和對裝置本身就具備了對光方向的高度鑒別探測能力和對光偏

20、振方向的鑒別探測能力。光偏振方向的鑒別探測能力。上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng) 有利于微弱光信號的探測有利于微弱光信號的探測v 直接探測中光探測器輸出的光電流正比于信號光的平均直接探測中光探測器輸出的光電流正比于信號光的平均光功率，即光探測器輸出的電功率正比于信號光平均光光功率，即光探測器輸出的電功率正比于信號光平均光功率的平方。功率的平方。 v 相干探測中光混頻器輸出的中頻信號功率正比于信號光相干探測中光混頻器輸出的中頻信號功率正比于信號光和本振光平均光功率的乘積。和本振光平均光功率的乘積。v 一般情況下，入射到探測器上的信號光功率非常?。ㄓ纫话闱闆r下，入射到探測器上的信號

21、光功率非常?。ㄓ绕湓谶h距離應(yīng)用中），因此直接探測中探測器輸出的電其在遠距離應(yīng)用中），因此直接探測中探測器輸出的電信號也是及其微弱的。而在相干探測中，只要本振光功信號也是及其微弱的。而在相干探測中，只要本振光功率足夠大仍能得到可觀的中頻輸出，即：率足夠大仍能得到可觀的中頻輸出，即：相干探測更有相干探測更有利于微弱光信號的探測。利于微弱光信號的探測。上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)v 即光外差探測的量子探測極限或量子噪聲限。即光外差探測的量子探測極限或量子噪聲限。v 中頻濾波器輸出端的信噪比為：中頻濾波器輸出端的信噪比為：2222sLLIFIFPIFsLBDLIFMP PRPSNN

22、M efPPPIRkTf光混頻器光混頻器內(nèi)部增益內(nèi)部增益v 本振光功率本振光功率PL足夠大，則分母中由本振光引起的散粒噪聲足夠大，則分母中由本振光引起的散粒噪聲遠遠大于所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋哼h遠大于所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋簊IFIFPSNhvf光外差探測系光外差探測系統(tǒng)所能達到的統(tǒng)所能達到的最大信噪比最大信噪比上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)信號噪聲極限信號噪聲極限v 信號噪聲極限是直接探測方式最理想的工作狀態(tài)，其它噪信號噪聲極限是直接探測方式最理想的工作狀態(tài)，其它噪聲均不考慮，只存在光信號所引起的散粒噪聲。即直接探聲均不考慮，只存在光信號所引起的散粒噪聲。即直接探測系統(tǒng)

23、受信號噪聲限制，則信噪比為：測系統(tǒng)受信號噪聲限制，則信噪比為：2222ossonssPPnhvfi上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)2hvfNEP量E 若若=1.06m ，=50%，T=300K，f =1HZ；E 則估算：則估算：NEP7.2 10-22W，而，而h =18.7 10-22J，E 這表明已接近單光子接收靈敏度，理想工作狀態(tài)。這表明已接近單光子接收靈敏度，理想工作狀態(tài)。v 噪聲等效功率噪聲等效功率NEP，即量子極限下直接探測系統(tǒng)理論上可即量子極限下直接探測系統(tǒng)理論上可 探測的最小功率：探測的最小功率： E 若探測器量子效率若探測器量子效率=1，測量帶寬，測量帶寬f

24、=1Hz，系統(tǒng)在量子極，系統(tǒng)在量子極限下最小可探測功率為限下最小可探測功率為2hv，接近單光子能量。接近單光子能量。 上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)v 濾波器帶寬相同時，相干探測是直接探測量子噪聲限信噪濾波器帶寬相同時，相干探測是直接探測量子噪聲限信噪比的比的2倍。倍。v 但應(yīng)特別指出：直接探測極限信噪比是理想光探測器在理但應(yīng)特別指出：直接探測極限信噪比是理想光探測器在理想條件下（探測器無噪聲）能達到的最大值。而相干探測想條件下（探測器無噪聲）能達到的最大值。而相干探測公式則是在本振光足夠強的情況下（并非理想探測器）導公式則是在本振光足夠強的情況下（并非理想探測器）導出的。兩

25、者有本質(zhì)區(qū)別。出的。兩者有本質(zhì)區(qū)別。上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)v 相干探測的噪聲等效功率相干探測的噪聲等效功率NEP值值：IFhvfNEPv 也是相干探測的靈敏度，即光相干探測的理論極限。也是相干探測的靈敏度，即光相干探測的理論極限。E 若光混頻器量子效率若光混頻器量子效率=1，測量帶寬，測量帶寬f =1Hz，則相干探，則相干探測靈敏度的極限是一個光子。因此，相干探測能探測微弱測靈敏度的極限是一個光子。因此，相干探測能探測微弱光信號。光信號。 E實踐表明，外差探測的本振光功率實踐表明，外差探測的本振光功率PL通常為通常為mW量級，量級，最小可探測信號光功率可達最小可探測信

26、號光功率可達10-1910-20W，而直接檢測最小，而直接檢測最小可檢測信號功率通常不小于可檢測信號功率通常不小于10-20W，靈敏度約差，靈敏度約差78個數(shù)量個數(shù)量級，靈敏度高是相干探測的突出優(yōu)點。級，靈敏度高是相干探測的突出優(yōu)點。 上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)8-3 8-3 光頻外差探測的信噪比分析光頻外差探測的信噪比分析ei=si+ni+sL 8.3.1 8.3.1 不計本振噪聲不計本振噪聲v 假定理想情況下本振光束是純正弦形式，不引入噪聲。假定理想情況下本振光束是純正弦形式，不引入噪聲。v 令輸入端信號場、噪聲場以及本振場分別用符號令輸入端信號場、噪聲場以及本振場分

27、別用符號si、ni和和sL表示，則入射到光電探測器面上的總輸入場可以寫為表示，則入射到光電探測器面上的總輸入場可以寫為上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)根據(jù)探測器的平方律特性，輸出信號則為 222()2()oooiiiLiiLesnesnssnsoissnn2()ooLiisnssn略去略去sini 、ni2，并用中頻放大器并用中頻放大器濾去濾去si2 、sL2上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)8.2.2 8.2.2 計入本振噪聲計入本振噪聲 ioLissnnn 現(xiàn)在假定本振光場現(xiàn)在假定本振光場 L=sL+nL 式中式中, sL為本振光場分量，為本振光場分量，nL為

28、本振噪聲分量，而且為本振噪聲分量，而且nL nL k112oioiLssknnn匹配好的探測器可大匹配好的探測器可大大減小本振噪聲，是大減小本振噪聲，是輸出信噪比接近無本輸出信噪比接近無本征噪聲的理想情況征噪聲的理想情況上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)8-4 8-4 光頻外差探測的空間相位條件光頻外差探測的空間相位條件 iIF=EsEL cosIFt(sL)v 考察光外差的基本關(guān)系式：考察光外差的基本關(guān)系式： 不難發(fā)現(xiàn)，不難發(fā)現(xiàn)， 該式成立的條件是該式成立的條件是信號光波和本振光波信號光波和本振光波的波前在整個探測器靈敏面上必須保持相同的相位的波前在整個探測器靈敏面上必須保持相

29、同的相位關(guān)系。關(guān)系。 上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng) 為了簡化分析，假定不平行為了簡化分析，假定不平行( (失配角失配角) )的兩光束有一束的兩光束有一束垂直于探測器表面，分析模型的坐標關(guān)系如下圖：垂直于探測器表面，分析模型的坐標關(guān)系如下圖：8.4.1 8.4.1 信號光束和本振光束不平行信號光束和本振光束不平行yxzxdyOOKsxKLKsyKsqq上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng) 由上圖所示的坐標關(guān)系，可以寫出邊長為由上圖所示的坐標關(guān)系，可以寫出邊長為d d的探測器表的探測器表面上的信號和本振光波電場分別為面上的信號和本振光波電場分別為 入射到光混頻器上的

30、總電場為入射到光混頻器上的總電場為 cos2 sincosLLLLsssssEtAtEtAtxq 積分后光混頻器輸出的瞬時中頻電流為積分后光混頻器輸出的瞬時中頻電流為 tsLE tEtEt 瞬時中頻電流與瞬時中頻電流與失配角失配角有關(guān)；當有關(guān)；當0 0瞬時中頻電流最大。瞬時中頻電流最大。2sin2cos2IFsLsLsLdid A Atd1上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng) 為了得到盡可能大的中頻輸出，要求為了得到盡可能大的中頻輸出，要求12d 失配角失配角與信號光波長與信號光波長s 成正比，與混頻器尺寸成正比，與混頻器尺寸d d 成反比；即：成反比；即：光波長越長，混頻器尺寸越

31、小，所容許的失配角就越大。光波長越長，混頻器尺寸越小，所容許的失配角就越大。sin212ddsinsdq0.631smdmm；10.61smdmm；41q1136qv 因此，相干探測的空間準直要求嚴格；且波長越短，空間準直因此，相干探測的空間準直要求嚴格；且波長越短，空間準直越苛刻。同時，紅外相干探測比可見光相干探測有利。越苛刻。同時，紅外相干探測比可見光相干探測有利。使相干探測有良好的空間濾波功能使相干探測有良好的空間濾波功能上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng) 不能完全準直時存在失配角不能完全準直時存在失配角，若，若2d 則混頻器各點相干探測信號疊加結(jié)果使得總輸出信號為零。則混

32、頻器各點相干探測信號疊加結(jié)果使得總輸出信號為零。2sinsdq0IFiv 因此，相干探測中頻電流還與我們選擇的光混頻器尺寸因此，相干探測中頻電流還與我們選擇的光混頻器尺寸大小有關(guān)。大小有關(guān)。22d 則混頻器各點相干探測信號疊加結(jié)果中頻輸出電流最強。則混頻器各點相干探測信號疊加結(jié)果中頻輸出電流最強。2sinsdq 若若上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)8.4.2 8.4.2 兩光束平行但不垂直于光敏面兩光束平行但不垂直于光敏面xDlyKsinqOKcosqqKsKLq 總的中頻電流為總的中頻電流為11sin2cos2IFsLsLsLdiA Atd12d0IFiv 因此，相干探測需要

33、對信因此，相干探測需要對信號光和本振光調(diào)平行。號光和本振光調(diào)平行。上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)n 從上面討論中可以看出，要使信號光波和本振光波在光混頻面上有效的空間相干，必須使兩束光盡量平行，因為這個要求是比較嚴格的，所以給光外差的實現(xiàn)帶來一定困難，嚴重妨礙了它的實際應(yīng)用。接近這一問題的方法只有是：愛里斑原理法。 8.4.3 8.4.3 降低空間相干條件的方法降低空間相干條件的方法上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng) 先來看一下光學透鏡天線在接收系統(tǒng)中的作用：先來看一下光學透鏡天線在接收系統(tǒng)中的作用：fvf透鏡面積Ar探測器ADdl面積2f 2Ar光學透鏡天線光

34、學透鏡天線上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng) 當光波正入射時，由物理光學可知，經(jīng)過面積為當光波正入射時，由物理光學可知，經(jīng)過面積為Ar的透的透鏡之后，在焦平面處的探測器上形成衍射光斑。衍射光鏡之后，在焦平面處的探測器上形成衍射光斑。衍射光斑中最大峰值處所包含的面積斑中最大峰值處所包含的面積2f2/Ar稱為稱為愛里斑面積愛里斑面積。這。這個面積決定了接收系統(tǒng)的衍射極限視場，若用立體角個面積決定了接收系統(tǒng)的衍射極限視場，若用立體角dl表示，表示， 則有則有 22211drrfAfA 若用平面角表示，若用平面角表示， 則有：則有：1dDq式中式中Dr是是透鏡的直徑尺寸。透鏡的直徑尺寸。

35、 上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng)愛里斑原理示意圖愛里斑原理示意圖: : L1本振光束反射鏡孔徑 Dr焦距 f小孔光闌合束板探測器Dd透鏡s1信號光束 用透鏡將信號光聚焦用透鏡將信號光聚焦到光混頻器表面。光到光混頻器表面。光混頻器的有效面積就混頻器的有效面積就是愛里斑的面積。是愛里斑的面積。 同時使本振光也照射同時使本振光也照射到愛里斑上，即可發(fā)到愛里斑上，即可發(fā)生光混頻。生光混頻。 隨著隨著Dr/f 比的增加，比的增加，對失配角的要求越來對失配角的要求越來越寬。越寬。上頁上頁下頁下頁后退后退外差探測系統(tǒng)外差探測系統(tǒng) 8.4.4 8.4.4 相干探測的頻率條件相干探測的頻率條件為獲得高靈敏度的相干探測，要求信號光和本振光具為獲得高靈敏度