光外差探測系統(tǒng)

1、光波光波f（t）寫成）寫成: tAtfcos平均光功率平均光功率Pcp為為: 202222cos21AttdAPcp外差探測原理外差探測原理fS為信號光波，為信號光波，fL為本機振蕩（本振）光波為本機振蕩（本振）光波 外差探測的實驗裝置外差探測的實驗裝置信號光場為信號光場為: SSSStAtfcos本機振蕩光場為本機振蕩光場為: LLLLtAtfcos干涉光場為：干涉光場為： LLLSSStAtAtfcoscos光探測器的光電流為：光探測器的光電流為： 22tftftftiLSp SLSLLSLSSLLSLLLSSSLSptAAtAAtAtAtftftfticoscoscoscos222222

2、he/：光電變換比例常數(shù)；：光電變換比例常數(shù)； ：量子效率：量子效率 ；h：光子能量；：光子能量； SLC稱為差頻稱為差頻 當差頻低于光探測器的截止頻率時，光探當差頻低于光探測器的截止頻率時，光探測器就有頻率為測器就有頻率為c c/ /2 2的光電流輸出。的光電流輸出。 帶通濾波器的瞬時中頻電流為：帶通濾波器的瞬時中頻電流為： SLSLLSCtAAticos瞬時中頻信號電壓為：瞬時中頻信號電壓為： SLSLLLSCRAAVcos中頻輸出有效信號功率：中頻輸出有效信號功率： LLSLCCRPPheRVP2222/2SSAP 2/2LLAP 其中其中當當1= 2時時 SLLSCAAticos稱為零

3、差探測。稱為零差探測。檢測時，檢測的是差頻信號，它包含了檢測時，檢測的是差頻信號，它包含了信號的振幅和相位。當使用具有穩(wěn)定頻信號的振幅和相位。當使用具有穩(wěn)定頻率和相位差的光源（相干光源）時，即率和相位差的光源（相干光源）時，即可得到穩(wěn)定的差頻輸出。可得到穩(wěn)定的差頻輸出。1、轉(zhuǎn)換增益、轉(zhuǎn)換增益轉(zhuǎn)換增益定義為：轉(zhuǎn)換增益定義為：0PPGC光外差檢測中頻輸出有效信號功率為光外差檢測中頻輸出有效信號功率為 LLSCRPPheP22直接檢測探測器輸出的電功率為直接檢測探測器輸出的電功率為 LSRPheP220所以有：所以有：SLCPPPPG202、光譜濾波性能、光譜濾波性能取差頻信號寬度為信息處理器的通頻

4、帶取差頻信號寬度為信息處理器的通頻帶 SLSLff2f/ )(外差檢測系統(tǒng)相當于一個低通濾波器，外差檢測系統(tǒng)相當于一個低通濾波器，可以有效的抑制噪聲?？梢杂行У囊种圃肼?。例如，目標沿光束方向的運動速度例如，目標沿光束方向的運動速度v015ms，對于，對于10.6m的的CO2激光，經(jīng)目標反激光，經(jīng)目標反射后回波的多卜勒頻率射后回波的多卜勒頻率fS為為 cv21ffLS頻差為：頻差為：LLLLS1v2cv2ccv2ffffHzvL661036 .10101522A若直接探測加光譜濾光片，濾光片帶寬若直接探測加光譜濾光片，濾光片帶寬若為若為10，所對應(yīng)的帶寬，所對應(yīng)的帶寬f2為為AHzccccfff

5、924182212121212210310106 .10103帶寬之比為：帶寬之比為：3691210103103ff3、外差檢測信噪比、外差檢測信噪比設(shè)存在背景光波設(shè)存在背景光波fB(t)，其功率為，其功率為PB。則。則探測器探測器的輸出電流為：的輸出電流為：LBSCPPPI2輸出信噪比為輸出信噪比為BSBSLBLSnSAAPPPPPPII224、最小可探測功率、最小可探測功率內(nèi)部增益為內(nèi)部增益為G的光外差探測器的輸出有的光外差探測器的輸出有效信號功率為效信號功率為:LLSCRPPGheP22光導(dǎo)探測器光導(dǎo)探測器G01000；對于光伏探測器；對于光伏探測器G1；對于光電倍增管；對于光電倍增管G

6、在在106以上。以上。 噪聲噪聲: fKTfRIPPPheeMPLdLBSn422功率信噪比為功率信噪比為:fKTfRIPPPheeMRPPMheSNRLdLBSLLSP222當本征功率當本征功率PL足夠大時足夠大時 fhPSNRSP光外差探測的量子探測極限或量子噪聲限。光外差探測的量子探測極限或量子噪聲限。 當熱噪聲是主要噪聲源時，量子噪聲限當熱噪聲是主要噪聲源時，量子噪聲限探測的條件為：探測的條件為：fKTfPhReLL22即即LLReKThP22最小可探測功率最小可探測功率 fhvNEP當當=1，f=1時時 hvNEP 單光子計數(shù)單光子計數(shù)5、光外差探測系統(tǒng)對探測器性能的要求、光外差探測

7、系統(tǒng)對探測器性能的要求系統(tǒng)性能主要取決于探測器的性能。系統(tǒng)性能主要取決于探測器的性能。1響應(yīng)頻帶寬響應(yīng)頻帶寬被測兩動態(tài)范圍寬，使得要求探測器的響應(yīng)被測兩動態(tài)范圍寬，使得要求探測器的響應(yīng)范圍也相當寬。范圍也相當寬。2均勻性好均勻性好探測器的光電性能在整個光敏面上都能保持探測器的光電性能在整個光敏面上都能保持一致。一致。 3工作溫度高工作溫度高實用性考慮。實用性考慮。1、空間相位條件（空間調(diào)準）、空間相位條件（空間調(diào)準）由于信號光束與本振光束方向不嚴格一致導(dǎo)由于信號光束與本振光束方向不嚴格一致導(dǎo)致。致。信號光束：信號光束： SStjSSeAtf本振光束：本振光束： LLtjLLeAtf本振光束隨本

8、振光束隨x分布的相位差：分布的相位差：xxLsin2sin2L其中其中 且射率且射率n=1 本振光波：本振光波： xtjAtfLLLLexpx點的響應(yīng)電流為：點的響應(yīng)電流為：dxxtAAdiLSCLScos光敏面總響應(yīng)電流為：光敏面總響應(yīng)電流為： dALSCLSdxdyxtAAicos22sincoslltAALSCLSAd為探測器的面積，為探測器的面積，l為為x方向的長度。方向的長度。 當當122sinll時，中頻電流時，中頻電流i最大最大 即即 22sinll外差探測的空間相位條件：外差探測的空間相位條件：002l12 l或或 sin2L又又lLsinlLarcsin或或 有：有： 要形成

9、強的差頻信號，對信號光束和本要形成強的差頻信號，對信號光束和本振光束的空間準直要求很嚴格。如此以振光束的空間準直要求很嚴格。如此以來，使得背景光噪聲被濾掉。來，使得背景光噪聲被濾掉。外差探測外差探測在具有很好的空間濾波性能在具有很好的空間濾波性能。同時，也。同時，也增加了系統(tǒng)測量的難度。增加了系統(tǒng)測量的難度。解決辦法：采用聚焦透鏡降低空間準直解決辦法：采用聚焦透鏡降低空間準直要求。要求。本質(zhì)上相當于把不同傳播方向的信號光本質(zhì)上相當于把不同傳播方向的信號光束集中在一起。失配角可由系統(tǒng)的視場束集中在一起。失配角可由系統(tǒng)的視場角來決定。角來決定。fDprf是透鏡的焦距，是透鏡的焦距，Dp是探測器光敏

10、面直徑是探測器光敏面直徑 有效孔徑為有效孔徑為Deff為：為：rpddffDDDD衍射線光斑直徑衍射線光斑直徑Dd為為：rdDf442D.442fDDfDDDDDrdprpdrdff.故故rdpdffrDDD442D442.解得：解得：2、多模外差接收、多模外差接收實際光源是多模激光，將使光外差探測的信實際光源是多模激光，將使光外差探測的信噪比下降。噪比下降。1）只考慮本振光為多模）只考慮本振光為多模假設(shè)假設(shè)信號光波為單模，其光波場函數(shù)為信號光波為單模，其光波場函數(shù)為fs(t)=Ascost； 本振光波場為多模，設(shè)共有個本振光波場為多模，設(shè)共有個ML模，且各模模，且各模的振幅相等為的振幅相等為

11、AL, 能量（功率）均勻地分布在能量（功率）均勻地分布在ML個模內(nèi)。個模內(nèi)。對信號場有貢獻的只有第對信號場有貢獻的只有第j個模個模而所有模對噪聲都有貢獻而所有模對噪聲都有貢獻因此，信噪比因此，信噪比為單模外差信噪比的為單模外差信噪比的1/ML倍。倍。 2）信號光和本振光通為多模）信號光和本振光通為多模信號光有信號光有MS個模；本振光有個模；本振光有ML個模個模且能量均分。且能量均分。若若ML MS在在ML MS,時，本振模帶來的噪聲大，信噪比下降。時，本振模帶來的噪聲大，信噪比下降。fkPMMkPSNRbSLsp)21 (/fkPMMkPSNRbLSsp)21 (當當ML =MS時，時，SNR

12、p最大最大fkPkPsSNRbp)21 (3、大氣湍流對外差探測的影響、大氣湍流對外差探測的影響大氣湍流是一種隨機現(xiàn)象，即反映在空間變量大氣湍流是一種隨機現(xiàn)象，即反映在空間變量上，又反映在時間變量上。表現(xiàn)為空間各點的上，又反映在時間變量上。表現(xiàn)為空間各點的光波相位隨機變化，因而使相干面積大大減小，光波相位隨機變化，因而使相干面積大大減小，破壞空間相位條件，使外差接收功率降低，信破壞空間相位條件，使外差接收功率降低，信噪比下降。噪比下降。4、頻率條件、頻率條件頻率條件主要表現(xiàn)為單色性。頻率條件主要表現(xiàn)為單色性。光外差探測是兩束光波迭加后產(chǎn)生干涉的結(jié)光外差探測是兩束光波迭加后產(chǎn)生干涉的結(jié)果。光的單

13、色性就越好，干涉信號越強。果。光的單色性就越好，干涉信號越強。若信號光和本振光的頻率相對漂移很大，兩若信號光和本振光的頻率相對漂移很大，兩者頻率之差就有可能大大超過中頻濾波器帶者頻率之差就有可能大大超過中頻濾波器帶寬，則光混頻器之后的前置放大和中頻放大寬，則光混頻器之后的前置放大和中頻放大電路對中頻信號不能正常地加以放大。電路對中頻信號不能正常地加以放大。需采用頻措施。需采用頻措施。F-P腔穩(wěn)頻、鎖模穩(wěn)頻、飽和吸收穩(wěn)頻等腔穩(wěn)頻、鎖模穩(wěn)頻、飽和吸收穩(wěn)頻等1、干涉測量技術(shù)、干涉測量技術(shù)應(yīng)用光的干涉效應(yīng)進行測量的方法稱為干涉應(yīng)用光的干涉效應(yīng)進行測量的方法稱為干涉測量技術(shù)。測量技術(shù)。干涉測量系統(tǒng)主要由

14、光源、干涉系統(tǒng)、信號干涉測量系統(tǒng)主要由光源、干涉系統(tǒng)、信號接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)組成。接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)組成。優(yōu)點：測量精度高（以波長為單位）優(yōu)點：測量精度高（以波長為單位） 干涉測量基本原理：改變干涉儀中傳輸干涉測量基本原理：改變干涉儀中傳輸光的光程而引起對光的相位調(diào)制，從而光的光程而引起對光的相位調(diào)制，從而表現(xiàn)為光強的調(diào)制。測量干涉條紋的變表現(xiàn)為光強的調(diào)制。測量干涉條紋的變化即可得到被測參量的信息?；纯傻玫奖粶y參量的信息。干涉條紋是由于干涉場上光程差相同的干涉條紋是由于干涉場上光程差相同的場點的軌跡形成。場點的軌跡形成?？蛇M行長度、角度、平面度、折射率、可進行長度、角度、平面度、折射

15、率、氣體或液體含量、光學(xué)元件面形、光學(xué)氣體或液體含量、光學(xué)元件面形、光學(xué)系統(tǒng)像差、光學(xué)材料內(nèi)部缺陷等幾何量系統(tǒng)像差、光學(xué)材料內(nèi)部缺陷等幾何量和物理量的測量。和物理量的測量。 1） 激光干涉測長的基本原理激光干涉測長的基本原理系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成：(a)激光光源激光光源(b)干涉系統(tǒng)干涉系統(tǒng)(c)光電顯微鏡光電顯微鏡(d)干涉信號處理部分干涉信號處理部分位移位移 2 NL2）激光干涉測長儀的光路設(shè)置）激光干涉測長儀的光路設(shè)置1.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.光電探測器 14.

16、 透鏡 15.光闌 16.光電探測器干涉光路的設(shè)置干涉光路的設(shè)置3）干涉信號的方向判別與計數(shù)）干涉信號的方向判別與計數(shù)誤差原因：外界干擾因素的影響，使測誤差原因：外界干擾因素的影響，使測量鏡在正向移動過程中產(chǎn)生一些偶然的量鏡在正向移動過程中產(chǎn)生一些偶然的反向移動。單純計數(shù)，測量結(jié)果是正反反向移動。單純計數(shù)，測量結(jié)果是正反移動的總和。移動的總和。解決方法：判別計數(shù)。當測量鏡正向移解決方法：判別計數(shù)。當測量鏡正向移動時所產(chǎn)生的脈沖為加脈沖；反之為減動時所產(chǎn)生的脈沖為加脈沖；反之為減脈沖脈沖 。判向計數(shù)：判向計數(shù)：正向移動：正向移動：正向：正向：1324同理可得同理可得反向：反向：1423位移長度為

17、：位移長度為： 8 NL2、光外差通信、光外差通信 光外差通信基本上都是采用光外差通信基本上都是采用CO2激光器做激光器做光源，光發(fā)射系統(tǒng)及接收系統(tǒng)兩大部分組光源，光發(fā)射系統(tǒng)及接收系統(tǒng)兩大部分組成。成。發(fā)射系統(tǒng)：發(fā)射系統(tǒng)：穩(wěn)頻原理穩(wěn)頻原理:發(fā)射波長增加，光通量亦增，輸出電壓發(fā)射波長增加，光通量亦增，輸出電壓增大，壓電陶瓷使腔長縮短，發(fā)射頻率增大，壓電陶瓷使腔長縮短，發(fā)射頻率提高，波長減短；反之，則波長加長提高，波長減短；反之，則波長加長 濾光片的濾光曲線濾光片的濾光曲線 接收系統(tǒng)接收系統(tǒng):3、多卜勒測速、多卜勒測速1）多卜勒測速原理）多卜勒測速原理 He-Ne激光器是經(jīng)穩(wěn)頻后的單模激光，焦激光

18、器是經(jīng)穩(wěn)頻后的單模激光，焦點處光強分布為高斯分布。點處光強分布為高斯分布。焦點處干涉場條紋分布：焦點處干涉場條紋分布：干涉條紋間距為：干涉條紋間距為： 212isin干涉條紋的空間頻率為：干涉條紋的空間頻率為：22i1fsin當散射粒子以速度當散射粒子以速度v，與條，與條紋垂線夾角為紋垂線夾角為 方向通過時，方向通過時，則顆粒散射的光強頻率為：則顆粒散射的光強頻率為：cos2sin2cosvfvfS2）輸出波形分析）輸出波形分析一個粒子流過，且粒子直徑一個粒子流過，且粒子直徑比干涉條紋寬度小很多時比干涉條紋寬度小很多時 若粒子直徑比干涉條紋寬度大時若粒子直徑比干涉條紋寬度大時 一個粒子的隨機信號一個粒子的隨機