光外差探測系統(tǒng)

光外差探測系統(tǒng)第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日6.1光外差探測原理光波f（t）寫成:平均光功率Pcp為:第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日外差探測原理fS為信號光波，fL為本機(jī)振蕩（本振）光波

第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日外差探測的實(shí)驗(yàn)裝置第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日信號光場為:本機(jī)振蕩光場為:干涉光場為：第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日光探測器的光電流為：：光電變換比例常數(shù)；：量子效率；：光子能量；稱為差頻第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日當(dāng)差頻低于光探測器的截止頻率時(shí)，光探測器就有頻率為ωc/2π的光電流輸出。帶通濾波器的瞬時(shí)中頻電流為：瞬時(shí)中頻信號電壓為：中頻輸出有效信號功率：其中第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日當(dāng)ω1=ω2時(shí)稱為零差探測。檢測時(shí)，檢測的是差頻信號，它包含了信號的振幅和相位。當(dāng)使用具有穩(wěn)定頻率和相位差的光源（相干光源）時(shí)，即可得到穩(wěn)定的差頻輸出。第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日光外差檢測原理光外差檢測特性影響光外差檢測靈敏度的因素光外差檢測系統(tǒng)舉例第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、轉(zhuǎn)換增益轉(zhuǎn)換增益定義為：6.2光外差探測特性光外差檢測中頻輸出有效信號功率為直接檢測探測器輸出的電功率為所以有：第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日2、光譜濾波性能取差頻信號寬度為信息處理器的通頻帶外差檢測系統(tǒng)相當(dāng)于一個低通濾波器，可以有效的抑制噪聲。例如，目標(biāo)沿光束方向的運(yùn)動速度v＝0～15m／s，對于10.6μm的CO2激光，經(jīng)目標(biāo)反射后回波的多卜勒頻率fS為

第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日頻差為：若直接探測加光譜濾光片，濾光片帶寬若為10，所對應(yīng)的帶寬Δf2為第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日帶寬之比為：3、外差檢測信噪比設(shè)存在背景光波fB(t)，其功率為PB。則探測器的輸出電流為：輸出信噪比為第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日4、最小可探測功率內(nèi)部增益為G的光外差探測器的輸出有效信號功率為:光導(dǎo)探測器G＝0～1000；對于光伏探測器G＝1；對于光電倍增管G在106以上。

噪聲:第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日功率信噪比為:當(dāng)本征功率PL足夠大時(shí)

光外差探測的量子探測極限或量子噪聲限。第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日當(dāng)熱噪聲是主要噪聲源時(shí)，量子噪聲限探測的條件為：即最小可探測功率當(dāng)η=1，Δf=1時(shí)

單光子計(jì)數(shù)第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日5、光外差探測系統(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。1．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)范圍也相當(dāng)寬。2．均勻性好探測器的光電性能在整個光敏面上都能保持一致。3．工作溫度高實(shí)用性考慮。第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日光外差檢測原理光外差檢測特性影響光外差檢測靈敏度的因素光外差檢測系統(tǒng)舉例第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、空間相位條件（空間調(diào)準(zhǔn)）由于信號光束與本振光束方向不嚴(yán)格一致導(dǎo)致。6.3影響光外差檢測靈敏度的因素第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日信號光束：本振光束：本振光束隨x分布的相位差：其中且射率n=1

第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日本振光波：x點(diǎn)的響應(yīng)電流為：光敏面總響應(yīng)電流為：Ad為探測器的面積，l為x方向的長度。第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日當(dāng)時(shí)，中頻電流i最大即外差探測的空間相位條件：或又或有：第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日要形成強(qiáng)的差頻信號，對信號光束和本振光束的空間準(zhǔn)直要求很嚴(yán)格。如此以來，使得背景光噪聲被濾掉。外差探測在具有很好的空間濾波性能。同時(shí)，也增加了系統(tǒng)測量的難度。解決辦法：采用聚焦透鏡降低空間準(zhǔn)直要求。第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日本質(zhì)上相當(dāng)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)的視場角來決定。f是透鏡的焦距，Dp是探測器光敏面直徑

有效孔徑為Deff為：第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日衍射線光斑直徑Dd為：故解得：第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日2、多模外差接收實(shí)際光源是多模激光，將使光外差探測的信噪比下降。1）只考慮本振光為多模假設(shè)信號光波為單模，其光波場函數(shù)為fs(t)=Ascosωt；

本振光波場為多模，設(shè)共有個ML模，且各模的振幅相等為AL,能量（功率）均勻地分布在ML個模內(nèi)。對信號場有貢獻(xiàn)的只有第j個模而所有模對噪聲都有貢獻(xiàn)因此，信噪比為單模外差信噪比的1/ML倍。

第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日2）信號光和本振光通為多模信號光有MS個模；本振光有ML個模且能量均分。若ML<MS,若ML>MS在ML<MS,時(shí)，信號模沒有完全利用，信噪比下降；在ML>MS,時(shí)，本振模帶來的噪聲大，信噪比下降。第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日當(dāng)ML=MS時(shí)，SNRp最大3、大氣湍流對外差探測的影響大氣湍流是一種隨機(jī)現(xiàn)象，即反映在空間變量上，又反映在時(shí)間變量上。表現(xiàn)為空間各點(diǎn)的光波相位隨機(jī)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，信噪比下降。第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日4、頻率條件頻率條件主要表現(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)果。光的單色性就越好，干涉信號越強(qiáng)。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。需采用頻措施。F-P腔穩(wěn)頻、鎖模穩(wěn)頻、飽和吸收穩(wěn)頻等第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日1、干涉測量技術(shù)應(yīng)用光的干涉效應(yīng)進(jìn)行測量的方法稱為干涉測量技術(shù)。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。優(yōu)點(diǎn)：測量精度高（以波長為單位）6.4光外差探測系統(tǒng)舉例第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日干涉測量基本原理：改變干涉儀中傳輸光的光程而引起對光的相位調(diào)制，從而表現(xiàn)為光強(qiáng)的調(diào)制。測量干涉條紋的變化即可得到被測參量的信息。干涉條紋是由于干涉場上光程差相同的場點(diǎn)的軌跡形成?？蛇M(jìn)行長度、角度、平面度、折射率、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)部缺陷等幾何量和物理量的測量。第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日1）激光干涉測長的基本原理系統(tǒng)組成：(a)激光光源(b)干涉系統(tǒng)(c)光電顯微鏡(d)干涉信號處理部分位移第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日2）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.透鏡15.光闌16.光電探測器第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日干涉光路的設(shè)置第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日3）干涉信號的方向判別與計(jì)數(shù)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)生一些偶然的反向移動。單純計(jì)數(shù)，測量結(jié)果是正反移動的總和。解決方法：判別計(jì)數(shù)。當(dāng)測量鏡正向移動時(shí)所產(chǎn)生的脈沖為加脈沖；反之為減脈沖。第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日判向計(jì)數(shù)：正向移動：第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日正向：1324同理可得反向：1423位移長度為：第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日2、光外差通信光外差通信基本上都是采用CO2激光器做光源，光發(fā)射系統(tǒng)及接收系統(tǒng)兩大部分組成。發(fā)射系統(tǒng)：第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日穩(wěn)頻原理: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)射頻率提高，波長減短；反之，則波長加長濾光片的濾光曲線第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日接收系統(tǒng):第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日3、多卜勒測速1）多卜勒測速原理He-Ne激光器是經(jīng)穩(wěn)頻后的單模激光，焦點(diǎn)處光強(qiáng)分布為高斯分布。第四十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日焦點(diǎn)處干涉場條紋分布：干涉條紋間距為：第四十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日干涉條紋的空間頻率為：當(dāng)散射粒子以速度v，與條紋垂線夾角為方向通過時(shí)，則顆粒散射的光強(qiáng)頻率為：第四十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日2）輸出波形分析一個粒子流過，且粒子直徑比干涉條紋寬度小很多時(shí)若粒子直徑比干涉條紋寬度大時(shí)一個粒子的隨機(jī)信號10個粒子的隨機(jī)信號第四十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日3)速度信號的獲取兩種測流速方法：一頻譜分析法、頻率跟蹤法。頻譜分析法第四十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日光電倍增管輸出信號經(jīng)濾波后為：本地振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號為：外差振蕩信號：差頻信號分量為：第四十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日對中頻放大器,

當(dāng)差頻信號的頻率fL-fs等于f0時(shí)，中頻放大器有較大的差頻信號輸出。改變fL進(jìn)行