激光探測技術(shù)概論

1、光電子技術(shù)結(jié)課論文 激光探測技術(shù)概論電子1002班 LZ摘要：激光探測系統(tǒng)的作用是將接受的激光信號變化變成電信號，也就是說將光信息轉(zhuǎn)皇城電信息，并通過不同的信息處理方法來獲取不同的信息并實現(xiàn)探測目的，激光探測技術(shù)按探測方式分為直接探測和外差探測兩種，按探測器的方式分類，可分為單元探測和多元陣列探測，本文即從探測方式的角度，對激光探測技術(shù)的原理、應用等四方面進行綜合闡述。關(guān)鍵字：激光探測 直接探測 外差探測 干擾引言隨著光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光越來越多的走入科技和生活，其激光探測技術(shù)也隨著光技術(shù)的進步取得了很大的進步。激光探測就是激光信號通過探測器轉(zhuǎn)換成電信號的過程。通常用光電型探測器或光熱型探測

2、器探測激光信號。激光探測在激光接收以及 HYPERLINK /doc/5798883.html t _blank 激光測距、通信、跟蹤、制導、雷達等研究和應用中具有重要的作用。2. 激光探測技術(shù)原理激光的最初中文名叫做“ HYPERLINK /view/625169.htm 鐳射”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞的頭一個字母組成的縮寫詞。意思是“受激 HYPERLINK /view/2121.htm 輻射的光放大”1。激光的英文全名已完全表達了制造激光的主要過程。1

3、964年按照我國著名科學家錢學森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。激光是 HYPERLINK /view/170410.htm 20 HYPERLINK /view/170410.htm 世紀以來，繼 HYPERLINK /view/972.htm 原子能、 HYPERLINK /view/3314.htm 計算機、 HYPERLINK /view/19928.htm 半導體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。激光是在有理論準備和生產(chǎn)實踐迫切需要的背景下應運而生的，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學科學和光學技

4、術(shù)獲得了新生，而且導致整個一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。 激光的產(chǎn)生： HYPERLINK /view/21855.htm 原子或 HYPERLINK /view/25255.htm 分子等 HYPERLINK /view/251133.htm 微觀 HYPERLINK /view/150389.htm 粒子具有高能級E2和低能級E1，在兩能級間存在著自發(fā)發(fā)射躍遷、受激發(fā)射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發(fā)射躍遷所產(chǎn)生的受激發(fā)射光，與入射光具有相同的 HYPERLINK /view/30964.htm 頻率、 HYPERLINK /view/132570.htm 相位、傳播方向和 HYPERLINK

5、/view/487675.htm 偏振方向。一個原子從高能階降到低能階時，會放出一個光子，原子在高能階時受到一個光子的撞擊，就會受激而放出另外一個相同的光子，變成兩個光子，如果受激放光的過程持續(xù)產(chǎn)生，則所發(fā)出來的光子便會越來越多2。利用共振腔，把由光放大器所產(chǎn)生的光線用反射鏡局限在一個特定的范圍內(nèi)，讓光線可以來回反射；透過共振腔的作用，能讓光線行進的方向完全相同，能量足夠大時就會有光子射出，從而產(chǎn)生激光。 2.1直接探測技術(shù)直接探測就是將激光信號直接轉(zhuǎn)換成電信號。光電探測器輸出的電信號幅度正比于接受的光功率。不要求具有相干性，因此這種探測方法又稱為非相干探測，圖1為直接探測原理框圖。圖1 直接

6、探測原理框圖光電探測器的基本功能是把入射到探測器上的光功率轉(zhuǎn)換為相應的光電流，光電流是光電探測器對入射光功率的響應，如果傳遞的信息表現(xiàn)為光功率的變化，利用光電探測器的直接光電轉(zhuǎn)換功能就能實現(xiàn)信息的直接解調(diào)。目前，絕大多數(shù)激光雷達采用直接探測方法，如激光火控測量系統(tǒng)、激光測距系統(tǒng)、激光偵查幾桶、大氣雷達等。這主要是由于直接探測具有以下優(yōu)點：探測技術(shù)簡單，較容易獲得所需信息；探測信息可靠性、長期穩(wěn)定性好；工作環(huán)境適應性強，環(huán)境溫度和大氣壓強探測系統(tǒng)影響??；結(jié)構(gòu)簡單、體積小等。2.2外差探測技術(shù)2.2.1光外差探測原理由于激光的單色性很高，其譜線極窄，因而可以利用兩個激光信號在光頻段進行混頻實現(xiàn)光的

7、想干探測，故光外差探測又叫相干探測3。光外差原理與電子學外差原理相同。圖2為光外差探測原理圖。與直接探測方法相比，外差探測多了一個本振激光器和光束合成器?；祛l器即光電探測器，具有光電轉(zhuǎn)換和光混頻的功能，與直接探測方法所使用的光電探測器相同。圖2 外差探測原理框圖兩束光頻率相近的激光信號和本振光通過光束合成后，在光電探測器光敏面上相干涉（電子學成為混頻）產(chǎn)生干涉條紋，其變化速度取決于信號光與本振光的差頻項，光差頻為：f=f-式中，f為激光信號頻率；f0 為本振激光頻率；差值為光頻差。雖然探測器不相應很高的光頻變化，但對差頻變化能很好響應，故能輸出廣外查信號電流即差頻電流，它包含了光信號的幅度、頻

8、率和相位信息。與直接探測相比，外差探測逼近能探測信號的強度，還能探測光頻變化。外差探測用于速度測量，與無線點測速原理一樣，由于多普勒效應，運動目標反射的激光頻率相對于照射激光頻率有微笑變化，采用光外差測量頻率變化值得出目標速度，稱多普勒測速。由于速度引起的頻率變化值與入射光頻率程正比，而光頻很高，因此采用外差測速的精度是很高的，斌更可以測量很小的運動速度。2.2.2微波調(diào)制激光強度的外差探測原理在這種技術(shù)體制中，外差的本振頻率時微波頻率，而不是光頻。由于外差接收技術(shù)既復雜，又不穩(wěn)定，在有些激光測量雷達中，激光作為載波，采用微薄或高頻信號對激光進行強度調(diào)制，這樣就可以對激光進行直接探測，通過外差

9、探測出調(diào)制頻率的頻移，從而求得目標運動速度。2.3外差檢測與直接檢測的性能比較1）探測能力強：光波的振幅、相位及頻率的變化都會引起光電探測器的輸出，因此外差探測不僅能夠檢測出振幅和強度調(diào)制的光波信號，而且可以檢測出相位和頻率調(diào)制的光信號。2）轉(zhuǎn)換增益高：外差探測時經(jīng)過光電接收器輸出的電流幅值為。3）濾波性能好4）差頻信號是由具有恒定頻率（近于單頻）和恒定相位的相干光混頻得到的，只有激光才能實現(xiàn)外差探測3. 激光探測的干擾及抗擾措施3.1 噪聲組成背景干擾噪聲。包括太陽的直射或經(jīng)地物漫反射的雜散光，在中紅外波段主要是來自背景的自熱輻射。探測器的幾種主要的固有噪聲：散粒噪聲，與光電探測器的暗電流有

10、關(guān)，與工作頻率無關(guān)；熱噪聲，任何電阻材料都有熱噪聲，與工作溫度成正比；放大器噪聲。3.2 抗干擾措施 合理選擇接收視場，插入窄帶濾光片，抑制背景光干擾； 合理選擇發(fā)射激光的調(diào)制波型，以獲得最好的信噪比； 采用抗干擾能力的探測方法； 信號處理中，采用適當?shù)奶幚泶胧?；如采用低噪、高增益前置放大器。采用雙鑒相電路等。4. 激光探測器的應用3.1 激光探測器用于激光雷達的探測器分為兩大類，：外光電效應探測器和內(nèi)光電效應探測器4。常用的光電倍增管、微通道板管、像增強管和條紋管都屬于外光電效應探測器，其中，前兩者那對單個光子的能量比較靈敏，并具有較高的內(nèi)增益，它們一般應用于可見光激光波長、微型信號、相應速

11、度較高的場合。后兩者用于激光成像探測。內(nèi)光電效應探測器是一種PN型半導體器件，如常用的硅光二極管、PIN管、雪崩光電二極管、多元陣列半導體探測器，該類探測器從可見光到近紅外波段都具有良好的光電轉(zhuǎn)換性能。3.2 引信激光探測器在軍事中的應用主要為引信，其中包括：觸發(fā)引信（機械引信）、近炸引信（電子引信）、執(zhí)行引信。其中近炸引信是通過目標出現(xiàn)時周圍空間物理場特性的變化感覺目標的存在，并在預定的位置適時起爆戰(zhàn)斗部的一種引信5。按其借以傳遞目標信息的物理場的來源可分為主動式、半主動式和被動式三類；根據(jù)對目標的探測方式不同有無線電近炸、磁近炸、紅外近炸、激光近炸、電容近炸、毫米波近炸等。激光近炸引信的優(yōu)點：為無線電探測技術(shù)提供了必要的補充;發(fā)射波束窄，發(fā)射信號不易被敵方接收；接收視場有限，使地方干擾機瞄準困難；發(fā)射峰值功率較大、方向性好，探測距離遠；工作于光波波段，波長極小，使其角度和距離分辨率極高；發(fā)射波束旁瓣小，對地、海雜波的干擾抵抗能力較強6。4. 激光探測技術(shù)的應用前景1、反武裝直升機激光近炸引信技術(shù)；2、激光成像引信（比紅外成像更準確）；3、遠距離定高母彈開倉引信；4、激光引信測高與引爆一體化技術(shù)；5、迫彈通用多選擇激光近炸引信；6、高定距精度云爆彈激光近炸引信；參考文獻：1 梅遂生. 光電子技術(shù)M. 第二版. 北京:國防工業(yè)出版社, 2008:85-86.2 侯宏錄. 光電子材