光外差檢測的條件1.ppt

1、第五章 相干探測方法,相干探測又稱為光外差探測，其探測原理與微波及無線電外差探測原理相似。相干探測與直接探測比較，它的靈敏度達(dá)到了量子噪聲限，可探測單個光子，進行光子計數(shù)。相干探測在激光通信、雷達(dá)、測長、測速、測振、光譜學(xué)等方面應(yīng)用廣泛，顯然，用相干探測方式探測目標(biāo)或相干通信的作用距離比直接探測遠(yuǎn)得多。而相干光源激光受大氣湍流效應(yīng)的影響嚴(yán)重，破壞了激光的相干性。因而目前遠(yuǎn)距離相干探測在大氣中應(yīng)用受到限制，但在外層空間特別是衛(wèi)星之間，通信聯(lián)系已達(dá)到實用階段。,直接探測系統(tǒng)（復(fù)習(xí)）,光波攜帶信息可以采用多種形式，如光波的強度變化、頻率變化、相位變化及偏振變化等。 1.直接探測的基本物理過程 所謂直

2、接探測是將待檢測的光信號直接入射到光探測器的光敏面上，由光探測器將光強信號直接轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流或電壓，根據(jù)不同系統(tǒng)的要求，再經(jīng)后續(xù)電路處理（如放大、濾波或各種信號變換電路），最后獲得有用的信號。,信號光場,平均功率,光電探測器輸出的光電流,若光探測器的負(fù)載電阻為RL，則光探測器輸出的電功率為：,上式表明：光電探測器的電功率正比于入射光功率的平方。 光電探測器對光的響應(yīng)特性包含兩層含義： （1）光電流正比于光場振幅的平方，即光的強度。 （2）光電流輸出功率正比于入射光功率的平方。 如果入射信號光為強度調(diào)制（IM）光，調(diào)制信號為d（t），則探測器的光電流為：,2、直接探測系統(tǒng)的信噪比 眾所周知，任

3、何系統(tǒng)都需一個重要指標(biāo)信噪比來衡量其質(zhì)量的好壞，其靈敏度的高低與此密切相關(guān)。,考慮到信號和噪聲的獨立性,輸出功率的信噪比,討論： （1）若Ps/PN 1，則,這說明輸出信噪比等于輸入信噪比的平方。由此可見，直接探測系統(tǒng)不適于輸入信噪比小于1或者微弱光信號的探測。,（2）若Ps/PN1，則,這時輸出信噪比等于輸入信噪比的一半，即經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后信噪比損失了3dB，在實際應(yīng)用中還是可以接受的。 直接探測方法不能改善輸入信噪比，不適合探測微弱信號。但是這種方法比較簡單，易于實現(xiàn)，可靠性高，成本較低。,3、直接探測系統(tǒng)的探測極限及趨近方法 如果考慮直接探測系統(tǒng)存在的所有噪聲，則輸出噪聲總功率為：,輸出信號

4、噪聲比為,（1）當(dāng)熱噪聲是直接探測系統(tǒng)的主要噪聲源，而其它噪聲可以忽略時，我們就說直接探測系統(tǒng)受熱噪聲限制，這時的信噪比為,（2）當(dāng)散粒噪聲遠(yuǎn)大于熱噪聲時，熱噪聲可以忽略，則直接探測系統(tǒng)受散粒噪聲限制，這時的信噪比為,（3）當(dāng)背景噪聲是直接探測系統(tǒng)的主要噪聲源，而其它噪聲可以忽略時，我們就說直接探測系統(tǒng)受背景噪聲限制，這時的信噪比為,掃描熱探測系統(tǒng)的理論極限即由背景噪聲極限所決定。,（4）當(dāng)入射的信號光波所引起的散粒噪聲是直接探測系統(tǒng)的主要噪聲源，而其它噪聲可以忽略時，我們就說直接探測系統(tǒng)受信號噪聲限制，這時的信噪比為,直接探測在理論上的極限信噪比，也稱直接探測器的量子極限 （5）在量子極限下

5、，直接探測系統(tǒng)理論上可測量的最小功率為,直接探測器的理想狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)部噪聲都抑制到可以忽略的程度，但實際系統(tǒng)的視場不能是衍射極限對應(yīng)的小視場，背景噪聲不能為0，實際探測器總會用噪聲，光探測器本身具有電阻以及負(fù)載電阻等都會產(chǎn)生熱噪聲和放大器噪聲,若1，f1Hz，則系統(tǒng)在量子極限下所探測功率為2h,如果使系統(tǒng)趨近量子極限則意味著信噪比的改善，可行的方法就是在光電探測過程中利用光電探測器的內(nèi)增益獲得光電倍增。 舉例：對于光電倍增管，由于倍增因子M的存在，信號功率 增加M2的同時，散粒噪聲功率也倍增M2倍，信噪比變?yōu)椋?當(dāng)G很大時，熱噪聲可以忽略。如果光電倍增管加致冷、屏蔽等措施可以減小暗電流及背景噪

6、聲。因此光電倍增管達(dá)到散粒噪聲限是不難的。在特殊情況下可以趨于量子限。 注意：選用無倍增因子起伏的內(nèi)增益的器件，否則倍增因子的起伏又會在系統(tǒng)中增加新的噪聲源。,第五章 相干探測方法,相干探測又稱為光外差探測，其探測原理與微波及無線電外差探測原理相似。相干探測與直接探測比較，它的靈敏度達(dá)到了量子噪聲限，可探測單個光子，進行光子計數(shù)。相干探測在激光通信、雷達(dá)、測長、測速、測振、光譜學(xué)等方面應(yīng)用廣泛，顯然，用相干探測方式探測目標(biāo)或相干通信的作用距離比直接探測遠(yuǎn)得多。而相干光源激光受大氣湍流效應(yīng)的影響嚴(yán)重，破壞了激光的相干性。因而目前遠(yuǎn)距離相干探測在大氣中應(yīng)用受到限制，但在外層空間特別是衛(wèi)星之間，通信

7、聯(lián)系已達(dá)到實用階段。,5.1相干探測的原理,當(dāng)偏振方向相同、傳播方向平行且重合的兩束光垂直入射到光混頻器上時，假設(shè)一束是頻率為 的本振光，另一束是頻率為 的信號光，光混頻器可在頻率 、 和頻 差頻 處產(chǎn)生輸出。但在實際情況下，光頻 、 和 極高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出相干探測系統(tǒng)的響應(yīng)頻率范圍。因此在光混頻器的輸出中只需考慮頻率較低的差頻項，亦即中頻信號。這個中頻（差頻）信號包含了信號光所攜帶的全部信息。圖示出了相干探測的原理圖。,兩個光電場的標(biāo)量分別為,在光混頻器光敏面上總的電場為,由于光混頻器的輸出與入射的光強或光電場的平方成正比，所以光混頻器輸出的光電流為,寫成等式并展開，則有,用平均信號光功率 和平

8、均本振光功率 表示,如果把信號的測量限制在差頻的通帶范圍內(nèi)，則可得到通過以為中心頻率的帶通濾波器的瞬時中頻電流為,在中頻濾波器輸出端，瞬時中頻電壓為,在中頻濾波器輸出端輸出的有效中頻功率就是瞬時中頻功率在中頻周期內(nèi)的平均值，即,有效中頻功率與信號光平均光功率和本振光信號平均光功率乘積有關(guān)。 下面進一步考慮信號光場為調(diào)幅信號，即由光波振幅攜帶信息時，相干探測的輸出信號。,調(diào)幅光波表示為,信號光的頻率,當(dāng)調(diào)幅信號光與平面本振光相干后，其瞬時中頻電流為,光電探測器轉(zhuǎn)換的信號點源正比于瞬時中頻電流，的頻譜如圖857所示。,相干探測的特點,從理論上講，在探測能力方面相干探測與直接探測相比，有如下幾個特點

9、。 1. 轉(zhuǎn)換增益高 相干探測時，光電探測器經(jīng)單位電阻輸出的信號功率為,直接探測時，光電探測器經(jīng)單位電阻輸出的信號功率為,在同樣信號光功率條件下，這兩種探測方法所得到的信號功率比G（轉(zhuǎn)換增益）為,2. 可獲得全部信息 在直接探測中，光探測器輸出的光電流隨信號光的振幅或強度的變化而變化，光探測器對信號光的頻率或相位變化不響應(yīng)。在相干探測中，光電探測器輸出的中頻光電流的振幅 、頻率 和相位 都隨信號光的振幅、頻率和相位的變化而變化。 3. 良好的濾波性能 在直接探測過程中，光探測器除接收信號光以外，雜散背景光也不可避免地同時入射到光探測器上。為了抑制雜散背景光的干擾，提高信號噪聲比，一般都要在光探

10、測器的前面加上孔徑光闌和窄帶濾光片。相干探測系統(tǒng)對背景光的濾波性能比直接探測系統(tǒng)要高。因為相干接受是要求信號光和本地振蕩光空間方向嚴(yán)格調(diào)準(zhǔn)，而背景光的入射方向是雜亂的，不能滿足空間調(diào)準(zhǔn)要求，于是就不能得到輸出。,4. 有利于微弱光信號的探測 在直接探測中光探測器輸出的光電流正比于信號光的平均光功率，在相干探測中光混頻器輸出的中頻信號功率正比于信號光和本振光平均光功率的乘積。 5.1.2光外差探測SNR和NEP 假定光混頻器具有內(nèi)部增益G，光混頻器的中頻輸出功率為,在光外差探測系統(tǒng)中遇到的噪聲與直接探測系統(tǒng)中的噪聲基本相同，存在多種可能的噪聲源。在此只考慮不可能消除或難以抑制的散粒噪聲和熱噪聲兩

11、種。在帶寬為 的帶通濾波器輸出端，電噪聲功率為,中頻濾波器輸出端的信號噪聲（功率）比為,當(dāng)本振光功率 足夠大時，上式分母中由本振光引起的散粒噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所有其它噪聲，則上式簡化為,這是光外差探測系統(tǒng)所能達(dá)到的最大信噪比，一般把這種情況稱為光外差探測的量子探測極限或量子噪聲限。,對于熱噪聲為主要噪聲源的系統(tǒng)來說，要實現(xiàn)量子噪聲限探測，必須滿足,由此得到,若令 ，則可求得相干探測的噪聲等效功率NEP值為,二、一般情況下的信號信噪比 The conditions of optical heterodyne detection 空間相位的調(diào)準(zhǔn)與匹配（空間條件） The adjustment and m

12、atching of spatial phase (spatial conditions) 1、要求： 由對外差檢測混頻效率公式 的討論可知: 僅當(dāng)信號光場和本振光場在探測器靈敏面各點處均具有相 同的偏振方向、可比的振幅和相同的位相時，才有最佳混頻效 率，此狀態(tài)稱為實現(xiàn)了空間相位匹配。,相干探測的的空間條件和頻率條件,影響相干探測靈敏度的因素很多，諸如本振場的頻率穩(wěn)定度、噪聲；信號光波和本振光波的空間調(diào)準(zhǔn)及場匹配、光源的模式；傳輸通道的干擾以及電子噪聲等都影響探測靈敏度。在這一小節(jié)我們只考慮相干探測的空間條件和頻率條件。 1、相干探測的空間條件 在相干探測原理一節(jié)中，曾假定信號光束和本振光束重

13、合并垂直入射到光混頻器表面上，亦即信號光和本振光的波前在光混頻器表面上保持相同的相位關(guān)系，據(jù)此導(dǎo)出了通過帶通濾波器的瞬時中頻電流。這就要求信號光和本振光的波前必須重合，也就是說，必須保持信號光和本振光在空間上的角準(zhǔn)直。,圖8-58 相干探測的空間關(guān)系,為了研究兩光束波前不重合對相干探測的影響，假設(shè)信號光和本振光都是平面波，信號光波前和本振光波前之間有一夾角，如圖858所示。為簡化分析，假定光混頻器的光敏面是邊長為d的正方形。在分析中，假定本振光沿垂直于光混頻器表面的方向入射，因此，令本振光電場為,由于信號光與本振光波前有一失配角 ，所以信號光斜入射到光混頻器表面，在光混頻器接收面上沿x方向各點

14、的相位是不同的，可將信號光電場寫為,令 則,入射到光混頻器表面的總電場為,于是光混頻器輸出的瞬時光電流為,經(jīng)中頻濾波器后輸出端瞬時中頻電流為,積分上式得,由于 ，所以瞬時中頻電流的大小與失配角有關(guān)。 顯然 時瞬時中頻電流達(dá)到最大值，此時要求 亦即要求失配角 。即要求失配角 ， 由于實際原因， 角很難調(diào)整到零，為了得到盡可能大的中頻輸出，總是希望因子 盡可能接近于1，要滿足這一條件，只有,即,失配角與信號波長成正比，與光混頻器的尺寸成反比。相干探測的空間準(zhǔn)直要求是非常嚴(yán)格的。在紅外波段光外差探測比在可見光波段有利的多。,2、相干探測的頻率條件 為了獲得高靈敏度的相干探測，還要求信號光和本振光具有

15、高度的單色性和頻率穩(wěn)定度。從物理光學(xué)的觀點來看，相干探測是兩束光波疊加后產(chǎn)生干涉的結(jié)果。顯然，這種干涉取決于信號光束和本振光束的單色性。所謂光的單色性是指這種光只包含一種頻率或光譜線極窄的光。激光的重要特點之一就是具有高度的單色性。 信號光和本振光的頻率漂移如不能限制在一定范圍內(nèi)，則相干探測系統(tǒng)的性能就會變壞。這是因為，如果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，因此，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。所以，在光相干探測中，需要采用專門措施穩(wěn)定信號光和本振光的頻率，這也是使相干探測方法比直接探測方法更為復(fù)雜的一個原因。,這一

16、要求意味著信號光與本振光的波前應(yīng)重合，在空間上 實現(xiàn)角準(zhǔn)直。 1、Requirements: From the discussion on the mixing frequency efficiency of the heterodyne detection scheme Eq.(2.2.19), we know that: Only when the signal light field and local light field have identical polarized directions、comparable amplitudes and phases at all spots

17、 on the detectors sensitive surface, we have optimum mixing frequency efficiency, which is called that the spatial phase matching is realized. This means that the wave fronts of the signal and local lights should be coincident to realize spatial collimation of the incident angles.,2、兩光場不重合對信噪比的影響 Th

18、e influence on the SNR when the two optical fields are not coincident 設(shè)：探測器光敏面為邊長為d 的正方形；信號光場和本振光場 均為平面波，其中，本振光垂直入射到光敏面；二波前夾角 ， Suppose: Detectors photosensitive surface is a square with a side length of d; both of the signal and local lights are plane waves, the local light is normally incident on

19、the photosensitive surface of the detector; and the angle between the two wave fronts is shown as following figure 如圖所示,注意到信號光同一波前上各點到達(dá)光敏面的時間不同， 設(shè)其在 x 方向的速度分量為 ，則在光敏面上不同點處形成波前的相位差，此時，信號光場可寫為 Noticing that the arrival time of each spot on the same wave front of signal light is different at the photos

20、ensitive surface, suppose the x-component of its velocity is , then the phase difference between the different spots of the wave-fronts is formed on the photosensitive surface. In this case, the signal optical field can be written as (2.2.29) where (see above figure) and notice,是信號光波矢 在 x 方向 的分量。 is

21、 the x-component of signal light wave vector . 將其代入(2.2.29)得 Substituting it into Eq(2.2.29), we have (2.2.30) 設(shè): 本振光場為 Suppose the local light field is (2.2.31) 則入射到光敏面上的總光場為 Then the total incident field on the photosensitive surface is 依探測器的平方律特性, 在探測器表面 x方向增量 上產(chǎn) 生的微分電流為 According to the detector

22、s square-law, the differential current generated in the x-increment on the detectors surface is,展開上式 ，并舍棄合頻項， 得 Expanding above formula, and discarding the sum frequency item, we have 將余弦項展開后，從 到 積分， Expand the cosine item and integrate it from to , we have 再舍棄直流項，得中頻輸出電流為 Discarding DC item, we obt

23、ain the intermediate-frequency output current: (2.2.32),Analysis: From above formula, we know that (1) Only when , can the get its maximum, this means that the should be zero: , i.e. ， and 。 (2) When , . This means but ，i.e. for , i.e. and Usually when , is small enough and is not considered. We can

24、 consider the case of only. Let n=1, formula of becomes and now,（3）若允許 比 時的 降低10%， 則有 If allow the is reduced by 10% compared with that when , we have 相應(yīng)的允許失配角為 The corresponding allowable mismatching angle is 表明：允許的失配角與信號光波長 成正比，與探測器邊長d 成反比。由此可推斷，紅外波段比可見光波段容易實現(xiàn)外差檢測。 This indicates : The allowable m

25、ismatching angle is directly proportional to The wave length of the signal light , but inversely proportional to detectors side length d, from which one can deduce that it is easier to realize the hete- rodyne detection scheme in infrared band than that in visible band. 3、解決準(zhǔn)直困難問題的方法：采用埃里斑系統(tǒng)（自學(xué)，p153

26、） The methods used to solve the problems encountered in collimation procedures: adopting Airy Disk system. You can learn it by yourselves.,二、外差檢測的頻率條件 The Frequency conditions for the heterodyne detection 1、單色性：光外差檢測是兩束光波迭加產(chǎn)生干涉的結(jié)果，其干 涉程度取決于兩束光的單色性，既兩束光應(yīng)具有單一的頻率， 或足夠窄并互相交迭的光譜，激光器則需單縱模運行。 Monochromatic

27、ity: Optical heterodyne detection is the result of the interference between the two optical waves, and the degree of the interference is determined by the monochromaticities of the two waves， i.e. the two waves should have an identical frequency or they have the spectra of narrow enough and overlapp

28、ing each other. The laser should operate in single longitudinal mode. 2、頻率穩(wěn)定性：信號光與本振光的頻率漂移會使外差性能變壞， 若頻移超出中頻帶寬，系統(tǒng)就不能正常工作，故光源需附有穩(wěn) 頻措施。,5.4 三頻外差檢測 Three-frequency heterodyne detection scheme 引言 Introduction: 外差檢測的弱點 The shortcomings of the heterodyne detection schemes： （1）技術(shù)復(fù)雜，需采用各種措施保證信號光束與本振光束滿足 空間匹配

29、條件。 The technique is complex, and all sorts of measures should be adopted to insure the fulfilling of the spatial matching condition between the signal optical beam and the local one. （2）對運動目標(biāo)的檢測，由于存在多普勒頻移，會引起中頻漂 移，為此，系統(tǒng)帶寬必須做得很大，結(jié)果會降低檢測信噪比。 For the detection of a moving target, the intermediate-freq

30、uency drift will happen because of Doppler shift, therefore, the system bandwidth have to be large enough, which results in the reduction of the detection SNR.,一、 三頻外差檢測原理 The Principle of 3-frequency heterodyne 1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Basic structure of the system 工作過程： 互相平行并完全重合的兩列信號光波及本振光垂直入射到光 探測器上，其頻率分別為 、 和 ，經(jīng)

31、光探測器混頻后， 將得到的差頻分別為 和 的中頻信號送到平方律 器件再次混頻，產(chǎn)生頻率為 的差頻信號并經(jīng)放大器放大,后輸出。由于 和 的信號與 無關(guān)，且 和 可由 同一激光器產(chǎn)生，故本振光頻率的不穩(wěn)定性不會影響差頻項。 Working process: Two mutual parallel and completely coincidence signal light waves and local light are perpendicularly incident on an optical detector, whose frequency are 、 and , respective

32、ly. After mixing, the intermediate-frequency signals of and will be sent to a square-law device to mix again, and to generate a difference frequency signal of , which will be output after being amplified. Because the signal of and is irrelevant to , and 、 can be generated by the same laser, the inst

33、ability of the frequency of the local light will not affect the difference frequency item. 2、中頻電流公式 The formula of the intermediate-frequency current,設(shè)：偏振方向相同、傳輸方向互相平行且重合的三束光垂直入射到探測器的光敏面上，其光場可分別表示為 Suppose: Three light beams of identical polarized directions、mutually parallel and coincident transmis

34、sion directions are perpendicularly incident on the detectors photosensitive surface, whose light fields are (5。4。1) 則總?cè)肷涔鈭鰹?Then the total incident light field is 光探測器輸出電流為 The output current of optical detector is,其中的合頻項對時間積分為零，差頻項因變化緩慢當(dāng)常數(shù)處 理得以保留。 The integral of its sum-frequency item over time i

35、s zero, and the difference- frequency item can remain as a constant because of its slow variation. 由于本振光很強,有 , ,上式可簡化為 Because the local light is strong enough, having , , Above formula can be simplified as,式中第三項為高階小量略掉, 于是,中頻電流為 The 3rd item in Eq.(2.2.38) is a high order small quantity and can be

36、omitted. Therefore, the intermediate-frequency current becomes 這兩個中頻信號經(jīng)平方律器件混頻得差頻信號為 After the mixing of the two intermediate-frequency signals in a square- law device, the difference frequency item is obtained as:,二、信噪比及最小可探測光功率 The SNR 隨 增大， 增加減慢，脫離直線關(guān)系，到 處曲 線明顯彎曲； As the increasing of the , the i

37、ncrease of is slowed down， deviating from the linearity, and the curve is bended obviously at ； 當(dāng) ， 趨于1, 表明增大接收孔徑已不能改善信噪比； When the ， approaches to 1, indicating that increasing the receiving aperture will not improve the SNR again in this situation； 通常認(rèn)為 時的 D為最佳接收孔徑，此時可得最大信 噪比，此即 的物理含義。,The D in th

38、e case of is usually taken as the optimum receiving aperture, using which the maximum SNR can be obtained. This is the physical meaning of the . The formula of the is given as： (5.5.2) 式中： 為不完全 函數(shù)， 為頂角， 為接收高度。 where: is the incomplete function, is the apical angle, is the receiving height. 上式僅適用于白天，

39、夜晚的 值約為上式的2倍； Above formula is only suitable for daytime, because the value of is about two times of that in Eq.(2.2.35).,還和大氣的結(jié)構(gòu)常數(shù) 、傳播距離 L 有關(guān)，在水平傳輸時， 有： The is also relevant to atmospheric structural constant and propagation distance L . In cases of horizon transmission, it is given as (5。5.3),外差檢測與直接檢測性能比較 (可自己歸納) The Comparison of the performances between heterodyne complex equipments