第8章 外差(相干)探测系统

Es(t)=As cos(ωst+φs) EL(t)=AL cos(ωLt+φL)
由光电探测器的平方律特性， 由光电探测器的平方律特性，其输出光电流为
i = a[ Es (t ) + EL (t ) ]
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2
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外差探测系统
i = α As2 cos2 (ωst +φs )
eη hv
功率的时变项， 功率的时变项， 相当于探测器 的频率响应非 光谱响应
对调幅信号来说，零差探测所得光电流信号是光波调 调幅信号来说， 来说 制信号的原形。 制信号的原形。 但零差探测时， 但零差探测时，本振光振幅的慢变化会直接引到信号 频谱中造成信号畸变。因此， 频谱中造成信号畸变。因此，零差工作时对本振光的 振幅稳定性有较高要求。 振幅稳定性有较高要求。 需注意：外差探测时，要实现某一信息解调， 需注意：外差探测时，要实现某一信息解调，保证本 振光束的频率和位相的高度稳定。 振光束的频率和位相的高度稳定。
2 IF
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外差探测系统
经推导
2 2
对中频周期求平均
PIF = 4α Ps PL cos [ωIF t + (φL − φs ) ] ⋅ RL = 2α 2 Ps PL RL
在直接探测中，探测器输出的电功率为： 在直接探测中，探测器输出的电功率为：
PL = is2 RL = α 2 Ps2 RL
光电流经过有限带宽的中频放大器，直流项被滤出， 光电流经过有限带宽的中频放大器，直流项被滤出， 最后只剩下中频交流分量： 最后只剩下中频交流分量： 中频光电流频率
ωIF = ωL − ωs
iIF = α As AL cos ωIF t + (φL − φs )
中频光电流振幅 中频光电流相位
}
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和频频率太高， 和频频率太高，光混频 器不响应， 器不响应，故均值为零
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外差探测系统
从数学运算和相应物理过程考虑， 从数学运算和相应物理过程考虑，用平均信号光功率 Ps和平均本振光功率 L表示： 和平均本振光功率P 表示：
Ps PL i = α + + Ps PL cos ωIF t + (φL − φs ) 2 2
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外差探测系统
3 良好的滤波性能
在直接探测中，为了抑制杂散背景光的干扰， 在直接探测中，为了抑制杂散背景光的干扰，都是在探测 器前加置孔径光阑或窄带滤光片。例如， 器前加置孔径光阑或窄带滤光片。例如，滤光片的带宽为 1nm(这已经是十分优良的滤光片了 ) ， 即 ∆λ=1nm。 它所 ( 这已经是十分优良的滤光片了) 。 相应的频带宽度( 估计) 相应的频带宽度(以λ=10.6µm估计)为： 估计
从物理过程的观点出发， 从物理过程的观点出发，直接探测是光功率包络变换的检 波过程，而外差探测的光电转换过程不是检波过程， 波过程，而外差探测的光电转换过程不是检波过程，而是 一种“转换”过程； 一种“转换”过程；
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外差探测系统
光频外差探测，就是把以 为载频的光频信息转换到以ω 光频信息转换到以 光频外差探测，就是把以ωs为载频的光频信息转换到以 IF 为载频的中频电流 中频电流上 这一“转换”是本振光的作用， 为载频的中频电流上。这一“转换”是本振光的作用，它 使外差探测具有一种天然的转换增益 转换增益。 使外差探测具有一种天然的转换增益。 在同样信号光功率P 条件下， 在同样信号光功率 s 条件下，相干探测和直接探测方法得 到的信号功率比， 转换增益为 到的信号功率比，即转换增益为：
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外差探测系统
若调幅信号光E 与本振光 与本振光E 相干后，瞬时中频电流为： 若调幅信号光 s(t)与本振光 L(t) 相干后，瞬时中频电流为：
iIF = α A0 AL cos (ωL −ωs ) t + (φL −φs ) mn A0 +α AL ∑ cos (ωL −ωs −Ωn ) t + (φL −φs −φn ) 2 n=1 ∞ mn A0 +α AL ∑ cos (ωL −ωs +Ωn ) t + (φL −φs +φn ) 2 n=1
PIF 2 PL G= = PL Ps
故转换增益G>>1，可达到 7~108数量级，可 数量级， 通常 PL>>Ps ，故转换增益 ，可达到10 见相干探测的转换增益是非常高的。 见相干探测的转换增益是非常高的。
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外差探测系统
PL= 0.5 mW 时Ps与G的关系
此时， 此时，外差探测的灵敏度 比直接探测高10 比直接探测高 7~108量级
∞ Es ( t ) = A0 1 + ∑ cos ( Ωn + φn ) cos(ωst + φs ) 调幅系数 n=1 ∞ mn A0 = A0 cos(ωst + φs ) + ∑ cos (ωs + Ωn ) t + (φs + φn ) 2 n =1 ∞ mn A0 +∑ cos (ωs − Ωn ) t + (φs − φn ) 2 n =1
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外差探测系统
直接检测接收机框图
外差检测接收机框图
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外差原理图
相干光通信系统
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8.1.1 光频外差探测的实验装置
光频外差探测的实验装置， 光频外差探测的实验装置，即光频外差多普勒测速的原 理装置。 理装置。
CO2激本探 fs－fL
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§8-2 光频外差探测的特点
1 高的转换增益
信号光功率，本振光功率与相应电场振幅的关系为： 信号光功率，本振光功率与相应电场振幅的关系为：
Ps = As2 2
2 PL = AL 2
中频电流输出对应的电功率为： 中频电流输出对应的电功率为：
光电探测器 的负载电阻
PIF = i RL
ωLs 光电探测器转换的信号电源正比于瞬时中频电流。 光电探测器转换的信号电源正比于瞬时中频电流。光波 振幅上所携带的调制信号完全无畸变地转移到频率为 ωLs=ωL－ωs的电流上去。 的电流上去。 调频、调相方式的相干探测与之类似， 调频、调相方式的相干探测与之类似，但直接探测则无 法达到。 法达到。
中频光电流振幅、频率和相位都随信号光的振幅、 中频光电流振幅、频率和相位都随信号光的振幅、频率和 相位成比例变化；因此，振幅调制、频率调制、相位调制 相位成比例变化；因此，振幅调制、频率调制、 的光波所携带的信息，通过光频外差探测均可实现解调。 的光波所携带的信息，通过光频外差探测均可实现解调。
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外差探测系统
外差(相干 相干)探测系统 第八章 外差 相干 探测系统
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外差探测系统
§ 8-1 § 8-2 § 8-2 § 8-3
光频外差探测的基本原理 光频外差探测的特点 光频外差探测的信噪比分析 光频外差探测的空间相位条件
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外差探测系统
§8-1 光频外差探测的原理
光频外差探测的基本原理和无线电波外差探测的基本原理 是完全一样的。又称相干探测。 是完全一样的。又称相干探测。 但光波探测精度比无线电波高10 数量级； 但光波探测精度比无线电波高 3~104 数量级 ； 光频外差 探测比直接探测测量精度高10 数量级。 探测比直接探测测量精度高 7~108 数量级 。 可探测单个 光子进行光子计数。 光子进行光子计数。同时相干探测目标或相干通信作用距 离比直接探测远的多。 离比直接探测远的多。 相干探测在激光通信、雷达、测长、测速、测振、 相干探测在激光通信、雷达、测长、测速、测振、光谱学 等方面应用广泛但对光源相关性要求较高（受大气湍流影 等方面应用广泛但对光源相关性要求较高（ 响严重，破坏相干性） 响严重，破坏相干性）。目前在外层空间特别时卫星间通 信联系已经达到实用阶段。 信联系已经达到实用阶段。
{
信号光频率， 信号光频率， 均值为1/2 均值为 本振光频率， 本振光频பைடு நூலகம்， 均值为1/2 均值为 差频频率低于光 混频器截止频率 时有光电流输出
+ A cos (ωLt +φL )
2 L 2
+ As AL cos (ωs −ωL ) t + (φs −φL )
+ As AL cos (ωs + ωL ) t + (φs +φL )
光频外差探测具有天然的探测微弱信号的能力
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外差探测系统
2 可获得全部信息
在直接探测中， 在直接探测中 ， 光探测器输出的光电流随信号光的振 幅或强度的变化而变化， 幅或强度的变化而变化 ， 光探测器对信号光的频率或 相位变化不响应。 相位变化不响应。 在相干探测中，光探测器输出的中频光电流振幅 、 频 在相干探测中 ， 光探测器输出的中频光电流振幅、 频率(ω 率和相位都随信号光的振幅 aAsAL 、 频率 L-ωs)和相 和相 的变化而变化， 位 (φL-φs)的变化而变化 ， 因此可以把频率调制和相位 的变化而变化 调制的信号光像幅度调制或强度调制一样进行解调。 调制的信号光像幅度调制或强度调制一样进行解调。
分本透
fs
转透
fL
可可本小
线线 偏本探
本光 探探探
放放探
中中
光频外差多普勒测速装置 光混频器
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外差探测系统
8.1.2 光外差原理
由实验装置知，光外差必须有两束满足相干条件的光束。 由实验装置知，光外差必须有两束满足相干条件的光束。 假定同方向到达且同偏振方向的信号光束和本机振荡光束 的电场分别为
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∞
外差探测系统
调幅信号光和相干探测后瞬时中频电信号频谱
调幅信号光波的频谱
相干探测瞬时中频电信号频谱
ωs − Ω 0
ω s − 2Ω 0
ωs
ωs + Ω0
ωs + 2Ω0
ω
ωLs − Ω0 ωLs + Ω0 ωLs ω L s − 2Ω 0 ωLs + 2Ω0
ω
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外差探测系统
ωs − ω L ∆ f IF = = fs − fL 2π
因此， 因此 ，只有与本振光混频后相干信号落在此频带内所对 应的杂散光才可以进入系统， 应的杂散光才可以进入系统，其它杂光所形成的噪声均 被放大器滤掉，不需直接探测中的滤光片。 被放大器滤掉，不需直接探测中的滤光片。
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外差探测系统
中频滤波器输出端，瞬时中频电压为： 中频滤波器输出端，瞬时中频电压为：
负载电阻
VIF = α As AL RL cos ωIF t + (φL − φs )
中频滤波器输出的有效中频功率为： 中频滤波器输出的有效中频功率为：
(VIF ) = 2 eη P ⋅ P ⋅ R PIF = s L L RL hv
∆f =
C
λ
∆λ = 3 ×109 Hz 2
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外差探测系统
在外差探测中，要求信号光和本振光空间方向严格调准， 在外差探测中 ， 要求信号光和本振光空间方向严格调准， 而背景入射杂乱无法满足空间调准要求， 而背景入射杂乱无法满足空间调准要求 ， 于是不能得到 输出。因此，相干探测系统自身良好的空间滤波性能 空间滤波性能不 输出 。 因此 ， 相干探测系统自身良好的 空间滤波性能 不 需孔径光阑。 需孔径光阑。 其次，相干探测系统也具有良好的光谱滤波性能 光谱滤波性能。 其次 ， 相干探测系统也具有良好的 光谱滤波性能 。 如果 取差频宽度(ω 作为探测器后面放大器的通频带∆f， 取差频宽度 L-ωs)/2π作为探测器后面放大器的通频带 ， 作为探测器后面放大器的通频带 即
外差接收机原理框图
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外差探测系统
外差原理的频谱与波形图
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外差探测系统
零差探测
ω 若信号光与本振光频率相同： s 若信号光与本振光频率相同： 测的差频ω 测的差频 Ls＝0，即零差探测。 ， 零差探测。
= ωL ，则相干探
iIF = α As AL cos (φs − φL )
2 2
有效中频功率与信号光功率和本振光信号平均功率乘 积有关。 积有关。
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外差探测系统
调幅信号的相干探测
信息信号加载在频率为ω 若调制频率为 的信息信号加载在频率为 s的光波振幅 调幅光波可表示为： 上，调幅光波可表示为：
调幅波振 幅平均值 第n次谐波分量的 次谐波分量的 圆频率和初始相位