第六章光外差探测系统

1、干涉测量技术 应用光的干涉效应进行测量的方法称为干涉 测量技术。 干涉测量系统主要由光源、干涉系统、信号 接收系统和信号处理系统组成。 优点：测量精度高（以波长为单位）
干涉测量基本原理：改变干涉仪中传输 光的光程而引起对光的相位调制，从而 表现为光强的调制。测量干涉条纹的变 化即可得到被测参量的信息。
x点的响应电流为：
d A i S A L c C o t S s L x dx
光敏面总响应电流为：
i A A dSAA LS cA oL c sCto C ts S S L siL nl 2l xdxdy
2
Ad为探测器的面积，l为x方向的长度。
当
sin l l 2
2
2vL21 1.5 061603160Hz
若直接探测加光谱滤光片，滤光片带宽
•
A
若为10 ，A• 所对应的带宽Δf2为
f2
f2
f1
c
2
c
1
c2 1
21
c22
31018 10.6104
2
103109Hz
带宽之比为：
f2 f133110096 103
3、外差检测信噪比 设存在背景光波fB(t)，其功率为PB。则探测器 的输出电流为：
瞬时中频信号电压为：
V C A S A L R L c L o S s L S
中频输出有效信号功率：
PC
VC2 RL
2he2PSPLRL
其中
PS AS2 /2 PL AL2 /2
当ω1= ω2时
iC tA S A L co L s S
称为零差探测。
检测时，检测的是差频信号，它包含了 信号的振幅和相位。当使用具有稳定频 率和相位差的光源（相干光源）时，即 可得到稳定的差频输出。
功率信噪比为:
SNPRM2eh ePSh eP BM P L2PSP ILdR LfRL2KTf
当本征功率PL足够大时
SNRP
PS hf
光外差探测的量子探测极限或量子噪声限。
当热噪声是主要噪声源时，量子噪声限 探测的条件为：
e2RL h
PLf
2KTf
即
PL
2KTh e2RL
最小可探测功率 NEP hvf
IC2P SP BP L
输出信噪比为
IS
2
PSPL
PS AS
In 2 PBPL PB AB
4、最小可探测功率 内部增益为G的光外差探测器的输出有 效信号功率为:
PC 2heG2PSPLRL
光导探测器G＝0～1000；对于光伏探测器 G＝1；对于光电倍增管G在106以上。
噪声:
P n 2 M 2 e h eP S P B P L Id fL R 4 KfT
V S t V S c2 o fS ts S
本地振荡器产生的振荡信号为：
V L t V L c2 o fL t sL
外差振荡信号：
V S t V L t 2 V S c 2 f S o t S s V L c 2 f L o t L 2 s
差频信号分量为：
干涉条纹是由于干涉场上光程差相同的 场点的轨迹形成。
可进行长度、角度、平面度、折射率、 气体或液体含量、光学元件面形、光学 系统像差、光学材料内部缺陷等几何量 和物理量的测量。
1） 激光干涉测长的基本原理 系统组成： (a)激光光源 (b)干涉系统 (c)光电显微镜 (d)干涉信号处理部分
位移 L N
当η=1，Δf=1时 NEPhv单光子计数
5、光外差探测系统对探测器性能的要求 系统性能主要取决于探测器的性能。
1．响应频带宽 被测两动态范围宽，使得要求探测器的响应 范围也相当宽。
2．均匀性好 探测器的光电性能在整个光敏面上都能保持 一致。
3．工作温度高 实用性考虑。
光外差检测原理 光外差检测特性 影响光外差检测灵敏度的因素 光外差检测系统举例
V L t L V S V L c 2 o f L f S s t L S
对中频放大器, 当差频信号的频率fL-fs等 于f0时，中频放大器有较大的差频信号输 出。
改变fL进行扫描，当扫描电压为适当频率 时，使fL-fs＝f0，中频放大器输出一个较 大的信号。从曲线中可得到使差频等于 中频f。的fL值，fL和f0都是已知,就可求出 信号频率fS。 频谱分析法只能测得流速的平均速度。
解得：
r
2.442.44 Dp
Ddff
DdDr
2、多模外差接收 实际光源是多模激光，将使光外差探测的信 噪比下降。 1）只考虑本振光为多模 假设信号光波为单模，其光波场函数为 fs(t)=Ascosωt； 本的ML振振个光幅模波相内场等。为为A多L模, 能，量设（共功有率个）M均L模匀，地且分各布模在 对信号场有贡献的只有第j个模 而所有模对噪声都有贡献 因此，信噪比为单模外差信噪比的1/ML倍。
fSfvcosv 2si 2 ncos
2）输出波形分析 一个粒子流过，且粒子直径 比干涉条纹宽度小很多时
若粒子直径比干涉条纹宽度大时
一个粒子的随机信号
10个粒子的随机信号
3) 速度信号的获取
两种测流速方法：一频谱分析法、频率跟踪
法。
fSfvcosv 2si 2 ncos
频谱分析法
光电倍增管输出信号经滤波后为：
信号光场为:
fS t A Sco S t sS
本机振荡光场为:
fL t A L co L t sL
干涉光场为：
f t A S c S o t S s A L c L o t L s
光探测器的光电流为：
iptf 2tfStfL t2
iptf2tfStfLt2
A S 2co 2sStSA L 2co 2sLtL
解决办法：采用聚焦透镜降低空间准直 要求。
本质上相当于把不同传播方向的信号光 束集中在一起。失配角可由系统的视场 角来决定。
r Dp f
f是透镜的焦距，Dp是探测器光敏面直径 有效孔径为Deff为：
Ddff
Dd Dp
Dr
衍射线光斑直径Dd为：
Dd
2.44f
Dr
故 D dffrD D d pD rD fpD dfD r 2.44
光外差探测是两束光波迭加后产生干涉的结 果。光的单色性就越好，干涉信号越强。
若信号光和本振光的频率相对漂移很大，两 者频率之差就有可能大பைடு நூலகம்超过中频滤波器带 宽，则光混频器之后的前置放大和中频放大 电路对中频信号不能正常地加以放大。
需采用频措施。
F-P腔稳频、锁模稳频、饱和吸收稳频等
6.4 光外差探测系统举例
光外差检测原理 光外差检测特性 影响光外差检测灵敏度的因素 光外差检测系统举例
6.2 光外差探测特性
1、转换增益 转换增益定义为： G PC
P0 光外差检测中频输出有效信号功率为
PC 2he2PSPLRL
直接检测探测器输出的电功率为
P0
e h
2
PS2RL
所以有：
G PC 2PL P0 PS
1
时，中频电流i最大
即 sin l 2l 2
外差探测的空间相位条件：
l 200 或 l 21
又 2 sin
L
有：sin L l
或
arcsinL l
要形成强的差频信号，对信号光束和本 振光束的空间准直要求很严格。如此以 来，使得背景光噪声被滤掉。外差探测 在具有很好的空间滤波性能。同时，也 增加了系统测量的难度。
2
2）激光干涉测长仪的光路设置
1.激光器 2.透镜 3.小孔光阑 4.透镜 5.反射镜 6.反射棱镜 7.位 相板8.角锥反射棱镜9．分束镜10.角锥反射棱镜 11.透镜 12.
光阑 13.光电探测器 14. 透镜 15.光阑 16.光电探测器
干涉光路的设置
3）干涉信号的方向判别与计数
误差原因：外界干扰因素的影响，使测 量镜在正向移动过程中产生一些偶然的 反向移动。单纯计数，测量结果是正反 移动的总和。
当ML =MS时，SNRp最大
SNpR(12kkPPb)sf
3、大气湍流对外差探测的影响
大气湍流是一种随机现象，即反映在空间变量 上，又反映在时间变量上。表现为空间各点的 光波相位随机变化，因而使相干面积大大减小， 破坏空间相位条件，使外差接收功率降低，信 噪比下降。
4、频率条件 频率条件主要表现为单色性。
2、光谱滤波性能 取差频信号宽度为信息处理器的通频带
f (LS )/2 fL fS
外差检测系统相当于一个低通滤波器， 可以有效的抑制噪声。
例如，目标沿光束方向的运动速度v＝0～ 15m／s，对于10.6μm的CO2激光，经目标反 射后回波的多卜勒频率fS为
fS
fL1
2v c
频差为：
f1fSfLfL2 c vcL2 c v 2v L
A SA Lco L sStSLA SA Lco L sStLS
e/h ：光电变换比例常数；
：量子效率 ； h ：光子能量；
CLS 称为差频
当差频低于光探测器的截止频率时，光探 测器就有频率为ωc/2π的光电流输出。
带通滤波器的瞬时中频电流为：
i C t A S A L c L o S t s L S
频率跟踪法：
混频器差频中频放大 鉴频器误差电压压 控振荡器改变fL
解决方法：判别计数。当测量镜正向移 动时所产生的脉冲为加脉冲；反之为减 脉冲 。
判向计数： 正向移动：
正向：1324 同理可得 反向：1423
位移长度为： L N
8
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，光发射系统及接收系统两大部分组 成。
发射系统：