光外差检测系统

1 光外差检测原理
直接检测系统中，检测器检测的光功率为平均光功率Pcp：
Pcp
1
2
2 A2 cos2 tdt A2
0
2
显然光波直接检测只能测量其振幅值。
光外差检测原理如图，两束平 行的相干光，经分光镜和可变 光阑入射到检测器表面进行混 频，形成相干光场，经检测器 变换后，输出信号包含差频信 号，故又称相干检测。
如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以得到通 过以ωC为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：
iC t As AL cosL s t L s
中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：
VC t iC t RL As ALRL cosL s t L s
中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平
外差检测不仅可检测振幅和强度调制的光信号，还可检测频 率调制及相位调制的光信号。在直接检测系统是不可能的。
2.2 光外差检测转换增益G高 光外差检测中频输出有效信号功率为：
PC
2
e h
2
Ps PL RL
在直接检测中，检测器输出电功率为：
P0
e h
2
Ps2
RL
两种方法得到的信号功率比G为：
Байду номын сангаас
G PC 2PL
极限下，光外差检测的NEP值为：
即SNR
1时的信号功率
Ps 最小
NEP
hf
SNRp
Ps hf
在光电直接检测系统的量子极限为： NEP 2hf
这里面需要说明的是：直接检测量子限是在理想光检测器的 理想条件下得到，实际中无法实现量子极限的。而对于光外 差检测，利用足够的本振光是容易实现的。
P0
Ps
可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。
2.3 良好的滤波性能
光外差检测中，取信号处理器通频带为Δf=fL-fs，则只有此频带内的 杂光可进入系统，对系统造成影响，而其它的杂光噪声被滤掉。因 此外差检测系统不需滤光片，其效果也远优于直接检测系统。
例：目标沿光束方向运动速度υ=0-15m/s，对于CO2激光信号，
光外差检测系统
光外差检测与直接检测系统相比，具有如下优点：
1. 测量精度高7-8个数量级； 2. 灵敏度达到量子噪声极限，其NEP值可达10-20W。 3. 可用于光子计数。 4. 激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的相干性，所
在外差检测在大气中应用受限，在外层空间已经达到实用 阶段。 5. 外差检测在高频（υ≥1016Hz）光波时不如直接检测有 用。而在长波长（近红外和中红外波段），光外差检测技 术就可实现接近量子噪声限的检测。
fs t As cosst s fL t AL cosLt L
那么，入射到检测器上的总光场为：
f t As cosst s AL cosLt L
光检测器的响应与光电场的平方成正比，所以光检测器的光 电流为：
_______
_____________
ip t f 2 t fs t fL t 2
fs fL
fL
可变光阑
反射镜
输出
光电检测器 放大器
外差检测实验装置图
偏心轮转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的
回波产生多普勒频移，其频率为fs。可变光阑用来限制两光束 射向光电检测器的空间方向，线栅偏振镜用来使两束光变为偏
振方向相同的相干光，然后两束光垂直投射到检测器上。
首先设入射到检测器上的信号光场和本机振荡光场分别为：
2.5 最小可检测功率—内增益型光电检测器件
内部增益为M的光外差检测器输出有效信号功率为：
PC
2
e h
M
2
Ps
PL
RL
检测系统中检测器本身的散粒噪声和热噪声是影响最大可难以
消除的。则外差检测输出的散粒噪声和热噪声表示为：
Pn
2M
2
e
e h
Ps
PB
PL
Id
fR
L
4k Tf
功率信噪比为：
As2
______________
cos2 st s
_______________
AL2 cos2 Lt L
__________________________
________________________
As AL cosL s t L s As AL cosL s t L s
式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1/2。第三项 为和频项，频率太高，光混频器不响应，可略去，第四项为 差频项，频率低得多，当差频信号(ωL-ωs)/2π=ωC/2π低 于光检测器的上限截止频率时，检测器就有频率为ωC/2π的光 电流输出。
为克服由信号光引起的噪声以外的所有其他噪声，从而获得高的转换 增益，增大本振光功率是有利的。但本振光本身也引起散粒噪声，本振功 率越大，噪声也越大，使检测系统信噪比反而降低。因此，应合理选择本 振光功率，以便得到最佳信噪比和较大的中频转换增益。
引入最小可检测功率（等效噪声功率）NEP表示，在量子检测
多普勒频率fs为：
fs
f
L
1
2
c
通频带Δf1取为：
f1
fs
fL
fL
2
c
c 2 L c
3MHz
而直接检测加光谱滤光片时，设滤光片带宽为1nm，所对应的带宽， 即通频带Δf2=3000MHz。
可见，外差检测对背景光有强抑制作用。
另：速度越快，多普勒频率越大，通频带越宽。
2.4 信噪比损失小
当不考虑检测器本身噪声影响，只包含输入背景噪声的情况下，外 差检测器的输出信噪比等于输出信噪比，输出信噪比没有损失。
分光镜 可变光阑
信号光束 fs
fL 本振 光束
fs fL
混 频 光
探测器 放大器
光外差检测原理示意图
如图，光源经过稳频 的二氧化碳激光器， 由分束镜把入射光分 成两路：一路经反射 作为本振光波，频率 为fL，另一路经偏心 轮反射，经聚焦到可 变光阑上作为信号光 束。
fs
转镜
ν
CO2激光器
分光镜
线栅偏振器
SNRp
M
2e
e h
Ps
e h
PB
2
M
Ps PL RL
PL
I
d
f
RL
2kTf
当本征功率PL足够大时，本征散粒噪声远超过所有其它噪声，则上式变为：
SNRp
Ps hf
这就是光外差检测系统中所能达到的最大信噪比
极限，一般称为光外差检测的量子检测极限或 量子噪声限。
2.5 最小可检测功率—内增益型光电检测器件
均值，即：
____
PC
VC2 RL
2
e h
2
Ps PL RL
当ωL-ωs=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频 电流为：
iC t As AL cosL s
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。
2 光外差检测特性
2.1 光外差检测可获得全部信息
iC t As AL cosL s t L s