光電探測與信號處理課件C9 直接探測與相干探測

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C9直接探測與相干探測光－電信號變換

光電探測器光信號電信號響應平均光功率

直接探測響應光的頻率···

相干探測

直接探測（平均光功率）

相干探測（光的波動參數(shù)）

探測方法的改進光－電信號變換直接探測和相干探測1.直接探測的基本原理2.直接探測的應用舉例直接探測－－DrirectDetection，又稱為非相干探測裝置簡單，光源為相干光源或非相干光源，只能探測平均光功率（光強）一、直接探測(1)直接探測基本物理過程：平方律器件：光波：光功率：人眼和探測器可以響應平均光功率1.直接探測的基本原理(2)直接探測系統(tǒng)的信噪比1)信噪比定義：－－電信號功率和電噪聲功率之比提高系統(tǒng)信噪比的基本途徑：－－光學方法，如場鏡、光錐、浸沒透鏡·····

－－－－－《應用光學》－－電學方法，如濾波、低噪聲放大、弱信號檢測·······－－－－－熱力學方法，制冷降低探測器噪聲

信噪比是衡量光電探測系統(tǒng)質(zhì)量好壞的一個重要指標信號光電流、背景光電流和器件暗電流熱噪聲散粒噪聲2)直接探測的信噪比極限：以光電二極管為例最理想情況，只有信號光電流引起的散粒噪聲－－直接探測的量子極限－直接探測的量子極限量子極限的另一種表達是：－直接探測的噪聲等效功率例：η為1，Δf為1Hz，～2hν，已很接近單個光子的能量hν。E=

J=3.14×10-19J=1.96eV.

以632.8nm的氦氖激光為例計算光子能量2.直接探測的應用舉例激光制導、飛行物自動跟蹤激光穩(wěn)頻、機器人視覺·········幾何量（長度、位移····）表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕···）光學參量（吸收、反射···）電磁量（電流、電場、磁場···）··············應用于測量：應用于控制：特點：信息加載－－輻通量（光強）幾何量（長度、位移····）表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕···）光學參量（吸收、反射···）電磁量（電流、電場、磁場···）··············輻通量（幅度、頻率、相位···）例1.光電磁場測量磁場－－光通量（幅度）磁場振動方向旋轉(zhuǎn)角度光通量幅度例2.光柵莫爾條紋測位移t精度可達±0.1μm/m位移－－光通量（頻率）t光電轉(zhuǎn)速表光柵位移傳感器光通量的頻率測量測“幅度”與“頻率”方法，測量精度的比較：基準精度測量精度基準穩(wěn)定方法幅度10-3～10-410-2～10-3模擬量穩(wěn)定電路頻率10-6～10-810-5～10-7晶振，數(shù)字鎖相環(huán)現(xiàn)代光電測量中常優(yōu)先考慮采用頻率測量法！

例3.光電測距發(fā)射光波接收光波距離－－光通量（相位）直接探測：（非相干探測）

相干探測：（光學外差探測）裝置簡單，光源為相干光源或非相干光源，只能探測光功率（光強）。

裝置復雜，零差探測時光源必須為相干光源，間接探測光波的振幅、頻率和相位等參數(shù)。二、相干探測與干涉的區(qū)別？1.相干探測的基本原理2.相干探測的條件3.相干探測的應用舉例－－CoherentDetection－－又稱為光外差探測

相干探測(1)相干探測的物理過程原理圖信號光ωs（異地）參考光ωr（本地）雙頻（不同光波長）光波：1.相干探測的基本原理一般情況：在同一方向上傳播、振動方向相同、振幅不同、頻率差相差很小的兩束單色光帶通濾波1)合成的光強得到信號輸出信號光參考光平方律探測器光混頻電流信號為：

經(jīng)帶通濾波選頻平均光電流為幅值的有效值注意參考光ar的作用！

21相速度群速度22頻譜分析類似DSB調(diào)制拍頻等于兩光頻差包絡(luò)頻率等于兩光頻差的1/223參考：雙邊帶調(diào)制（DSB）探測器－－濾波器（中頻輸出）≤1010Hz說明：Δω≠0，外差探測；Δω=0，零差探測。在采用零差探測時，Δω=0，可用同一光源分光，形成信號光和參考光（本振光）。即25特例：單頻雙光束干涉（頻差為0）－零差探測例：1.55μm和1.5501μm雙光束要求頻差極?。』祛l器選通放大器觀察儀器高頻示波器頻譜分析儀

外差接收△v，104～1010Hzνsνr無線電－－外差接收高頻載波本機振蕩混頻中頻信號解調(diào)

音頻圖像信息－－光外差探測光電系統(tǒng)－－相干探測2)調(diào)制信號的探測相干探測_拍頻信號的調(diào)制(2)相干探測的基本特性相干探測優(yōu)點：（與直接探測對比）探測能力強轉(zhuǎn)換增益高信噪比高濾波性好穩(wěn)定性和可靠性高相干探測優(yōu)點之一：探測能力強，可還原信號光信息直接探測－－光的強度：as2振幅相位頻率信號光波的不僅能探測幅度，還能探測相位與頻率調(diào)制的信光號。只要知道參考光的全部信息，就可以恢復信號光波的全部信息相干探測優(yōu)點之二：轉(zhuǎn)換增益高，適合微弱信號的探測Φr>>ΦsG~107－108

注意：功率為幅值有效值的平方外差探測直接探測相干探測與直接探測功率比為：信號光電流、背景光電流和器件暗電流熱噪聲散粒噪聲僅考慮信號光電流引起的散粒噪聲：直接探測的信噪比：相干探測優(yōu)點之三：信噪比高外差探測：僅考慮強的本地光引起的散粒噪聲限制，即外差探測的量子探測極限相干探測：直接探測：僅考慮信號光引起的散粒噪聲限制相干探測信噪比高，最小可探測功率更小(1)相干探測空間條件(2)相干探測頻率條件(3)相干探測偏振條件滿足波前匹配條件：2.相干探測的條件為什么需要角準直？探測器表面各點相位相同時：探測器表面各點相位不同時：輸出電流信號－－最大輸出電流信號－－減小－－信號光和本振光在空間上的角準直（共軸）(1)相干探測空間條件為什么需要角準直？探測器接收面上沿x方向各點的相位不同信號光和本振光的波前在光混頻器表面上沒有相同的位相關(guān)系

導致混頻輸出電流信號減小例：d=1mm，λs＝0.6328μm失配角：例：d=1mm，λs＝10.6μm失配角：定義：中頻輸出比最大值小10%時的主光線夾角為失配角對長波探測有利空間濾波混頻器選通放大器觀察儀器高頻示波器頻譜分析儀

外差接收△v，104～1010Hz信號光和本振光的頻率漂移？？？采用高單色性和頻率穩(wěn)定度的激光源兩束光取自同一激光器，由頻偏取得本振光穩(wěn)頻措施：(2)相干探測頻率條件平方律探測器光混頻輸出Ihs為：

“代數(shù)和”？信號光與本振光的偏振方向一致加檢偏器－－獲得偏振方向一致(3)相干探測偏振條件3.相干探測的應用舉例－－相位調(diào)制（光程差檢測）－－頻率調(diào)制干涉測量相干通信精密測長、測距、測速、測振動、測力、測應變、光譜分析，······外層空間特別是衛(wèi)星之間通信、光纖通中波分復用接收解調(diào)，······(2)激光多普勒測速(3)CO2激光外差通信(1)激光干涉測量1)單頻激光測長

信號光參考光單頻(1)激光干涉測量位移ln=11)單頻激光測長

例：取n=1,測量鏡連續(xù)位移時觀察到探測器的輸出為：l=?局限性：－－單數(shù)光或單探測器不能判別移動方向1)單頻激光測長

光電探測器4,5相位差參考光信號光判別移動方向：－－“參照物”45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463）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)果是正反移動的總和。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；反之為減脈沖。移相＋/2B路A路A1路A2路B1路B2路47判向計數(shù)：A路B路A1路A2路B1路B2路A1路A2路B1路B2路48正向移動：反向移動：正向：1324反向：1423位移長度為：判別移動方向：－－“參照物”正反移動方向波形

信號光參考光缺點：空氣的折射率n與當時的環(huán)境溫度、濕度

及氣壓等因素有關(guān)，影響測量精度2.雙頻激光測長

2)雙頻激光測長

雙頻激光干涉儀－雙頻激光－檢偏器－濾波片－信號光－參考光2)雙頻激光測長

雙頻（調(diào)制）激光干涉儀光學差頻信號雙頻激光測長

光學差頻信號:積分器波數(shù):位移測量公式：－－位移與空氣的折射率n無關(guān)！??！雙頻激光測長

雙頻激光干涉儀頻差為1～50MHz，激光穩(wěn)頻精度為10－8時，測長精度0.1μm表面形狀分布二維光強分布亮條紋擴束壓電陶瓷：伸長（縮短）量Δl=kU

－ΔLr

3)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析

物面凹凸不平程度

相位分布基本思路：亮條紋

二維干涉圖樣3)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析表面形狀分布二維光強分布亮條紋動態(tài)檢測：精度λ/100

靜態(tài)檢測：精度λ/20

二次相位調(diào)制

二次相位調(diào)制的實現(xiàn)途徑

二次相位調(diào)制

移動參考鏡參考鏡干涉圖樣：時序信號：tI階梯波掃描時的干涉圖：i.干涉面上任意一點x的光強分布都可以展開為參考光相位φr的時序調(diào)制，即可將干涉空間圖轉(zhuǎn)換為時序信號：ii.被測光信息的相位φs(x)可由下式計算得出，并由此確定面形的凹凸程度：一種改進的泰曼-格林干涉儀雙頻平面外差干涉測量系統(tǒng)單頻平面干涉λ/100雙頻平面干涉λ/10003)波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析3.CO2激光外差通信光通信光纖通信大氣光通信半導體激光器強度調(diào)制直接探測CO2激光器光波頻率或相位調(diào)制相干探測CO2激光外差通信頻率或者相位調(diào)制相干探測－－外層空間星際通信光纖通信強度調(diào)制

直接探測應用·······

相干探測相干探測可用于光纖通信中波分復用接收解調(diào)···發(fā)送端接收端λ1λ2···λn強度調(diào)制強度調(diào)制強度調(diào)制···復用相干接收···