光電信號檢測第六章

1、 信息光電子研究所信息光電子研究所Information optoelectronics research 王靜王靜 信息光電子研究所信息光電子研究所Information optoelectronics research 光光外差檢測與直接檢測系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)點：外差檢測與直接檢測系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)點：1.1. 測量精度高測量精度高7-87-8個數(shù)量級；個數(shù)量級；2.2. 靈敏度達到量子噪聲極限，其靈敏度達到量子噪聲極限，其NEPNEP值可達值可達1010-20-20W W。3.3. 可用于光子計數(shù)?？捎糜诠庾佑嫈?shù)。4.4. 激光受大氣湍流效應影響嚴重，破壞了激光的相干性，所激光受大氣

2、湍流效應影響嚴重，破壞了激光的相干性，所在外差檢測在大氣中應用受限，在外層空間已經達到實用在外差檢測在大氣中應用受限，在外層空間已經達到實用階段。階段。5.5. 外差檢測在高頻（外差檢測在高頻（10101616HzHz）光波時不如直接檢測有）光波時不如直接檢測有用。而在長波長（近紅外和中紅外波段），光外差檢測技用。而在長波長（近紅外和中紅外波段），光外差檢測技術就可實現(xiàn)接近量子噪聲限的檢測。術就可實現(xiàn)接近量子噪聲限的檢測。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 3放大器探測器sf信號光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測原理示

3、意圖分光鏡可變光闌光頻混直接檢測系統(tǒng)中，檢測器檢測的光功率為平均光功率Pcp：2cos2122202AttdAPcp顯然光波直接檢測只能測量其振幅值。光外差檢測原理如圖，兩束平行的相干光，經分光鏡和可變光闌入射到檢測器表面進行混頻，形成相干光場，經檢測器變換后，輸出信號包含差頻信號，故又稱相干檢測。6.1 光外差檢測原理 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 4轉鏡反射鏡可變光闌線柵偏振器光電檢測器放大器輸出激光器2COsfLfLsff 分光鏡外差檢測實驗裝置圖如圖，光源經過穩(wěn)頻的二氧化碳激光器，由分束鏡把入射光分成兩路：一

4、路經反射作為本振光波，頻率為fL，另一路經偏心輪反射，經聚焦到可變光闌上作為信號光束。偏心輪轉動相當于目標沿光波方向并有一運動速度，光的回波產生多普勒頻移，其頻率為fs。可變光闌用來限制兩光束射向光電檢測器的空間方向，線柵偏振鏡用來使兩束光變?yōu)槠穹较蛳嗤南喔晒猓缓髢墒獯怪蓖渡涞綑z測器上。首先設入射到檢測器上的信號光場和本機振蕩光場分別為： sssstAtfcos LLLLtAtfcos 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 5 LLLssstAtAtfcoscos那么，入射到檢測器上的總光場為：光檢測器的響應與光電場

5、的平方成正比，所以光檢測器的光電流為： _22_22_2_2coscoscoscossLsLLssLsLLsLLLsssLsptAAtAAtAtAtftftfti式中第一、二項為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1/2。第三項為和頻項，頻率太高，光混頻器不響應，可略去，第四項為差頻項，頻率低得多，當差頻信號(L-s)/2=C/2低于光檢測器的上限截止頻率時，檢測器就有頻率為C/2的光電流輸出。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 6如果把信號的測量限制在差頻的通常范圍內，則可以得到通過以C為中心頻率的帶通濾波器的瞬時中頻電流為：

6、sLsLLsCtAAticos中頻濾波器輸出端，瞬時中頻信號電壓為： sLsLLLsLCCtRAARtitVcos中頻輸出有效信號功率就是瞬時中頻功率在中頻周期內的平均值，即：LLsLCCRPPheRVP2_22當L-s=0，即信號光頻率等于本振光頻率時，則瞬時中頻電流為： sLLsCAAticos這是外差探測的一種特殊形式，稱為零差探測。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 76.2 光外差檢測特性6.2.1 6.2.1 光外差檢測可獲得全部信息光外差檢測可獲得全部信息 sLsLLsCtAAticos外差檢測不僅可檢測振

7、幅和強度調制的光信號，還可檢測頻率調制及相位調制的光信號。在直接檢測系統(tǒng)是不可能的。6.2.2 光外差檢測轉換增益光外差檢測轉換增益G高高光外差檢測中頻輸出有效信號功率為：LLsCRPPheP22在直接檢測中，檢測器輸出電功率為：LsRPheP220兩種方法得到的信號功率比G為：sLCPPPPG20可知，在微弱光信號下，外差檢測更有用。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 86.2.4 6.2.4 信噪比損失小信噪比損失小6.2.3 6.2.3 良好的濾波性能良好的濾波性能光外差檢測中，取信號處理器通頻帶為光外差檢測中，取

8、信號處理器通頻帶為f=f=f fL L-f-fs s，則只有此頻帶內，則只有此頻帶內的雜光可進入系統(tǒng)，對系統(tǒng)造成影響，而其它的雜光噪聲被濾掉。的雜光可進入系統(tǒng)，對系統(tǒng)造成影響，而其它的雜光噪聲被濾掉。因此外差檢測系統(tǒng)不需濾光片，其效果也遠優(yōu)于直接檢測系統(tǒng)。因此外差檢測系統(tǒng)不需濾光片，其效果也遠優(yōu)于直接檢測系統(tǒng)。例：目標沿光束方向運動速度例：目標沿光束方向運動速度=0-15m/s=0-15m/s，對于，對于COCO2 2激光信號，激光信號， 多普勒頻率多普勒頻率f fs s為：為：cffLs21通頻帶通頻帶f f1 1取為：取為：MHzcccffffLLLs3221而直接檢測加光譜濾光片時，設濾

9、光片帶寬為而直接檢測加光譜濾光片時，設濾光片帶寬為1nm1nm，所對應的帶寬，所對應的帶寬，即通頻帶即通頻帶f f2 2=3000MHz=3000MHz?？梢姡獠顧z測對背景光有強抑制作用?？梢姡獠顧z測對背景光有強抑制作用。 另：速度越快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。另：速度越快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。當不考慮檢測器本身噪聲影響，只包含輸入背景噪聲的情況下，外當不考慮檢測器本身噪聲影響，只包含輸入背景噪聲的情況下，外差檢測器的差檢測器的輸出信輸出信噪噪比等于輸出信噪比比等于輸出信噪比，輸出信噪比沒有損失。，輸出信噪比沒有損失。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information

10、optoelectronics research 96.2.5 6.2.5 最小可檢測功率最小可檢測功率內增益型光電檢測器件內增益型光電檢測器件當本征功率當本征功率P PL L足夠大時，本征散粒噪聲遠超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋鹤銐虼髸r，本征散粒噪聲遠超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋簝炔吭鲆鏋閮炔吭鲆鏋镸 M的光外差檢測器輸出有效信號功率為：的光外差檢測器輸出有效信號功率為：LLsCRPPMheP22檢測系統(tǒng)中檢測器本身的檢測系統(tǒng)中檢測器本身的散粒噪聲和熱噪聲散粒噪聲和熱噪聲是影響最大可難以是影響最大可難以消除的。則外差檢測輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為：消除的。則外差檢測輸出的散粒噪聲和熱噪聲

11、表示為：fkTfRIPPPheeMPLdLBsn422功率信噪比為：功率信噪比為：fkTfRIPPPheeMRPPMheSNRLdLBsLLsp222fhPSNRsp這就是光外差檢測系統(tǒng)中所能達到的最大信噪比這就是光外差檢測系統(tǒng)中所能達到的最大信噪比極限，一般稱為光外差檢測的極限，一般稱為光外差檢測的量子檢測極限量子檢測極限或或量子噪聲限量子噪聲限。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 10引入引入最小可檢測功率（等效噪聲功率）最小可檢測功率（等效噪聲功率）NEP表示，在表示，在量子檢測量子檢測極限下，光外差檢測的極限下，

12、光外差檢測的NEP值為：值為：fhNEPPs最小在光電直接檢測系統(tǒng)的量子極限為：在光電直接檢測系統(tǒng)的量子極限為：fhNEP2這里面需要說明的是：直接檢測量子限是在理想光檢測器的這里面需要說明的是：直接檢測量子限是在理想光檢測器的理想條件下得到，實際中無法實現(xiàn)量子極限的。而對于光外理想條件下得到，實際中無法實現(xiàn)量子極限的。而對于光外差檢測，利用差檢測，利用足夠的本振光足夠的本振光是容易實現(xiàn)的。是容易實現(xiàn)的?？傊傊?，檢測靈敏度高檢測靈敏度高是光外差檢測的突出優(yōu)點。是光外差檢測的突出優(yōu)點。6.2.5 6.2.5 最小可檢測功率最小可檢測功率內增益型光電檢測器件內增益型光電檢測器件時的信號功率即1

13、SNR為克服由信號光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的轉換為克服由信號光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的轉換增益，增益，增大本振光功率增大本振光功率是有利的。但本振光本身也引起散粒噪聲，本振功是有利的。但本振光本身也引起散粒噪聲，本振功率越大，噪聲也越大，使檢測系統(tǒng)信噪比反而降低。因此，應合理選擇本率越大，噪聲也越大，使檢測系統(tǒng)信噪比反而降低。因此，應合理選擇本振光功率，以便得到振光功率，以便得到最佳信噪比和較大的中頻轉換增益最佳信噪比和較大的中頻轉換增益。fhPSNRsp 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics resear

14、ch 116.2.6 6.2.6 光外差檢測系統(tǒng)對檢測器性能的要求光外差檢測系統(tǒng)對檢測器性能的要求外差檢測系統(tǒng)對檢測器要求一般比直接檢測對檢測器的要外差檢測系統(tǒng)對檢測器要求一般比直接檢測對檢測器的要求高得多，主要如下：求高得多，主要如下：1.1. 響應頻帶寬響應頻帶寬。主要是因為采用多普勒頻移特性進行目標檢。主要是因為采用多普勒頻移特性進行目標檢測時，頻移的變化范圍寬，要求檢測器的響應范圍要寬，甚至測時，頻移的變化范圍寬，要求檢測器的響應范圍要寬，甚至達上千兆達上千兆HzHz。2.2. 均勻性好均勻性好。外差檢測中檢測器即為混頻器，在檢測器光敏。外差檢測中檢測器即為混頻器，在檢測器光敏面上信號

15、光束和本振蕩光束發(fā)生相干產生差頻信號，為達到在面上信號光束和本振蕩光束發(fā)生相干產生差頻信號，為達到在光敏面不同區(qū)域相同的外差效果，要求檢測器的光電性能在整光敏面不同區(qū)域相同的外差效果，要求檢測器的光電性能在整光敏面上都是一致。特別是跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測器。光敏面上都是一致。特別是跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測器。3.3. 工作溫度高工作溫度高。在實驗室工作時，工作溫度無嚴格要求。如。在實驗室工作時，工作溫度無嚴格要求。如果在室外或空間應用時，要求選工作溫度高的檢測器。如果在室外或空間應用時，要求選工作溫度高的檢測器。如HgCdTeHgCdTe紅外檢測器件。紅外檢測器件。 信息光電子研究所信息光電

16、子研究所 Information optoelectronics research 126.3 影響光外差檢測靈敏度的因素在本節(jié)內容中，只考慮光外差檢測的空間條件和頻率條件在本節(jié)內容中，只考慮光外差檢測的空間條件和頻率條件對靈敏度的影響及改善方法。其它因素可參閱書籍。對靈敏度的影響及改善方法。其它因素可參閱書籍。6.3.1 6.3.1 光外差檢測的空間條件（空間調準）光外差檢測的空間條件（空間調準）放大器探測器sf信號光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測原理示意圖分光鏡可變光闌光頻混 sLsLLsCtAAticos 信號光和本振光的信號光和本振光的波前波前在光檢測器光在光檢測器光敏面上保持敏面

17、上保持相同的相位關系相同的相位關系，才得式：，才得式： 實質上，由于光的波長比光檢測器面積實質上，由于光的波長比光檢測器面積小很多，混頻作用是在一個個小面積元上產小很多，混頻作用是在一個個小面積元上產生的，即總的中頻電流是每個小微分面元所生的，即總的中頻電流是每個小微分面元所產生的微分電流之和，顯然要使中頻電流達到最大，這些微分中產生的微分電流之和，顯然要使中頻電流達到最大，這些微分中頻電流要保持恒定的相位關系。即要求信號光和本振光的頻電流要保持恒定的相位關系。即要求信號光和本振光的波前是波前是重合重合的。即是說必須保持信號光和本振光在的。即是說必須保持信號光和本振光在空間空間上的上的角準直角

18、準直。 下面就考慮一下信號光與本振光皆為平面波時，波前不重合下面就考慮一下信號光與本振光皆為平面波時，波前不重合時對光外差檢測的影響。時對光外差檢測的影響。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 13 設信號光束和本振光束之間夾角為設信號光束和本振光束之間夾角為，且信號光束的波陣面，且信號光束的波陣面平行于光敏面時，如圖。平行于光敏面時，如圖。6.3.1 6.3.1 光外差檢測的空間條件（空間調準）光外差檢測的空間條件（空間調準）xz信號本振檢測器l設信號光束和本振光束的光場為：設信號光束和本振光束的光場為： LLsstjL

19、LtjsseAtfeAtf,那么本振光束到達光敏面時，在不那么本振光束到達光敏面時，在不同點同點x處有不同的波前，即不同的處有不同的波前，即不同的相位差相位差 。相位差等于光程差和。相位差等于光程差和波數(shù)之積。即：波數(shù)之積。即：xxLsin2式中，式中，sin2L，并認為折射率，并認為折射率n=1。于是本振光波可表示為：于是本振光波可表示為： xtjAtfLLLLexp則檢測器上則檢測器上x點的響應電流為點的響應電流為dxxtAAdiLscLscos 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 14則整個光敏面總響應電流為則整個光

20、敏面總響應電流為6.3.1 6.3.1 光外差檢測的空間條件（空間調準）光外差檢測的空間條件（空間調準）22sincoscosllLscLsALscLstAAdxxtAAid12sin2ll從式中可知，當從式中可知，當 時，時，即即 時，中頻電流時，中頻電流i最大。最大。22sinll即可得外差檢測的即可得外差檢測的空間相位條件空間相位條件為：為：sin2LlLsin即：即：lLarcsin顯然：波長愈短或口徑愈大，要求相位差角顯然：波長愈短或口徑愈大，要求相位差角愈小，愈難滿足外愈小，愈難滿足外差檢測的要求。差檢測的要求。說明紅外光比可見光更易實現(xiàn)光外差檢測。說明紅外光比可見光更易實現(xiàn)光外差

21、檢測。例：本振光波長為例：本振光波長為1微米，檢測器光敏面長度為微米，檢測器光敏面長度為1mm，則，則0.32mrad（0.018度）。度）。實驗證實，穩(wěn)頻的實驗證實，穩(wěn)頻的CO2激光器做外差檢測實驗，當激光器做外差檢測實驗，當2.6mrad時，時，才能看到清晰的差頻信號。才能看到清晰的差頻信號。這個角度也被稱為失配角。這個角度也被稱為失配角。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 15放大器探測器sf信號光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測原理示意圖分光鏡可變光闌光頻混如圖，要形成強的差頻信號，如圖，要形成強的差頻信號，必

22、須使信號光束和本振光束必須使信號光束和本振光束在空間準直得很好。在空間準直得很好。背景雜散光來自各個方向，背景雜散光來自各個方向，絕大部分的背景光不與本振絕大部分的背景光不與本振光準直，即不產生明顯的差光準直，即不產生明顯的差頻信號。頻信號。因此外差檢測在空間上能很好地抑制背景噪聲。具有很好因此外差檢測在空間上能很好地抑制背景噪聲。具有很好的的空間濾波性能空間濾波性能。但是嚴格的空間條件也使調準兩光束比但是嚴格的空間條件也使調準兩光束比較困難。較困難。問：問：“如果兩光束是平行的，但與光檢測器呈一定角度時，如果兩光束是平行的，但與光檢測器呈一定角度時，對中頻電流有沒有影響對中頻電流有沒有影響”

23、？ 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 16dD斑直徑衍射限光pD敏面直徑探測器光本振光束rD直徑會聚透鏡信號光束r解決方法解決方法；如圖結構稱為如圖結構稱為聚焦光束聚焦光束外差結構外差結構，即用聚焦透，即用聚焦透鏡降低空間準直要求。鏡降低空間準直要求。這種結構本質上相當于這種結構本質上相當于把不同傳播方向的信號把不同傳播方向的信號光束集中在一起。光束集中在一起。 理論分析證明，如果用聚焦透鏡聚焦到衍理論分析證明，如果用聚焦透鏡聚焦到衍射限，這時的失配角可由系統(tǒng)的視場角射限，這時的失配角可由系統(tǒng)的視場角r來決定。來決定。經

24、過推導，失配角經過推導，失配角r與透鏡，光敏面參數(shù)有如下關系：與透鏡，光敏面參數(shù)有如下關系：rdpDDD44. 2例：波長為例：波長為1um，l為為0.1mm（檢測器直徑），由上知失配角（檢測器直徑），由上知失配角0.32mrad，如，如采用會聚透鏡，孔徑采用會聚透鏡，孔徑Dr=10cm(在光外差檢測系統(tǒng)中，作為接收天線的會聚透在光外差檢測系統(tǒng)中，作為接收天線的會聚透鏡，這個孔具有代表性）。取焦距鏡，這個孔具有代表性）。取焦距f=100cm，可求得視場角，可求得視場角r=1mrad。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 1

25、76.3.2 6.3.2 光外差檢測的頻率條件光外差檢測的頻率條件為獲得靈敏度高的光外差檢測，要求信號光和本振光具有高為獲得靈敏度高的光外差檢測，要求信號光和本振光具有高度的度的單色性和頻率穩(wěn)定性單色性和頻率穩(wěn)定性。光外差檢測的物理光學的本質是光外差檢測的物理光學的本質是兩束光波疊加后產生干涉的兩束光波疊加后產生干涉的結果結果。這種干涉取決于信號光和本振光束的單色性。因此為。這種干涉取決于信號光和本振光束的單色性。因此為獲得單色性好的激光輸出，必須選用獲得單色性好的激光輸出，必須選用單縱模運轉的激光器單縱模運轉的激光器作作為光外差檢測光源。為光外差檢測光源。信號光和本振光存在著信號光和本振光存

26、在著頻率漂移頻率漂移，使光外差檢測系統(tǒng)的性能，使光外差檢測系統(tǒng)的性能變壞。是因為頻率差太大可能超過中頻濾波帶寬，中頻信號變壞。是因為頻率差太大可能超過中頻濾波帶寬，中頻信號不能正常放大。因此在光外差檢測中，需要采用專門措施穩(wěn)不能正常放大。因此在光外差檢測中，需要采用專門措施穩(wěn)定信號光和本振光的頻率。定信號光和本振光的頻率。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 181、激光光源：He-Ne氣體激光器，頻寬達103Hz，相干長度可達300km。2、干涉系統(tǒng)：邁克爾遜干涉原理，位移-測量臂；3、光電顯微鏡：給出起始位置。實現(xiàn)對對

27、測長度或位移的精密瞄準，使干涉儀的干涉信號處理部分和被測量之間實現(xiàn)同步。4、干涉信號處理部分：光電控制、信號放大、判向、細分及可逆計數(shù)和顯示記錄等。6.4 光外差檢測系統(tǒng)舉例6.4.1 6.4.1 激光干涉測長儀激光干涉測長儀如圖，主要有幾部分組成：激光器NeHe光電計數(shù)器顯示記錄裝置邁克爾遜干涉儀可移動平臺待測物體光電顯微鏡光束光束激光束BS測量光束2和參考光束1相互疊加干涉形成干涉信號。其明暗變化次數(shù)直接對應于測量鏡的位移，可表示為：2 NL 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 19L2M1M光束光束激光器器數(shù)計逆可2

28、34567891011121314151611、激光器；2、透鏡；3、小孔光闌；4、透鏡；5、反射鏡；6、反射棱鏡；7、位相板；8、角錐反射棱鏡；9、分束鏡；10、角錐反射棱鏡；11、透鏡；12、光闌；13、光電檢測器；14、透鏡；15、光闌；16、光電檢測器光闌3形成一種空間濾波器，減小光源中雜散光的影響。到達角錐反射棱鏡10的作為干涉儀的參考臂。而角錐反射棱鏡8作為測量臂。光學元件7稱為位相板，使通過光路的部分光束產生附加位相移動，使光電檢測器13和16接收到的干涉信號在位相上相差/2。光路中，采用角錐棱鏡代替了平面反射鏡作為反射器，一方面避免了反射光束反饋回激光器對激光器帶來不利影響；另

29、一方面由于角錐棱鏡具有“出射光束與入射光束的平行不受棱鏡繞軸轉動的影響”的特點。實用的激光干涉測長儀的簡化光路實用的激光干涉測長儀的簡化光路 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 20干涉信號的方向判別與計數(shù)原理干涉信號的方向判別與計數(shù)原理紋條涉干光電接收光電接收波形變換前置放大波形變換前置放大倒相倒相微分微分微分微分器數(shù)計逆可機算計子電器示顯度長系統(tǒng)移相sincos1243反向sinsincoscos1234正向辨向原理：正向移動時，辨向原理：正向移動時，四路信號依次相差四路信號依次相差9090度，度，順序為順序為1324

30、1324若反向移動，若反向移動，接收信號依然相差接收信號依然相差9090度，度，但順序為但順序為14231423，由后面的，由后面的邏輯電路可以判斷，進行邏輯電路可以判斷，進行辨向處理。辨向處理。同時，由于一個周期的干涉信號變成同時，由于一個周期的干涉信號變成四個脈沖信號，計數(shù)脈沖被細分，每四個脈沖信號，計數(shù)脈沖被細分，每個計數(shù)脈沖代表個計數(shù)脈沖代表1/41/4條紋的變化，則條紋的變化，則所測位移長度為：所測位移長度為：8 NL 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 21 激光測速的原理是：是測量通過激光束的示蹤粒子的多普勒

31、信號，再根據速度與多普勒頻率的關系得到粒子速度。測得了粒子的速度，也就是流動的速度。 激光測速的最主要的優(yōu)點是對流動沒有任何擾動，測量的精度高，測速范圍寬，而且由于多普勒頻率與速度是線性關系，和該點的溫度，壓力沒有關系，是目前世界上速度測量精度最高的儀器。6.4.2 6.4.2 激光多普勒測速激光多普勒測速Laser Doppler Velocimeter光電倍增管放大屏信號電源光源2L聚焦透鏡粒子流動1L透鏡分束鏡多普勒測速原理基本光路原理圖 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 22光源：穩(wěn)頻后的單模激光光源測速原理：測速原理：激光光束的光強分布為高斯分布，在透鏡L1后的焦點附近高斯光束束腰的波前為平面波，兩光束在焦點附近空間范圍內相交得到平行的干涉條紋；而在遠離焦點的空間范圍相交干涉條紋為弧形。干涉條紋間距為2