第六章光外差检测系统2
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
号 多普勒频率fs为通：频带Δf1取fs 为f：L1 2cf1fsfLfL2c cL2c 3MH
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。
6.2.4 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 差检测器的输入信噪比等于输出信噪比，输出信噪比没有损失。
6.2.2 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 2he 2PsPLRL
在直接检测中，检测器输出电功率为：
P0
e h
2
Ps2RL
两种方法得到的信号功率比G为：
G PC 2PL
P0
PsBaidu Nhomakorabea
可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。
10
6.2.3 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10.6um CO2激光信
光电检测器 放大器
变光阑上作为信号光
反射镜
束。
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：
5
6.1 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：
P cp2 1 0 2A 2co 2std tA 22
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。
8
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：
iCt A sA Lco sLstL s
中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：
V C t iC tR L A sA L R L co s L st 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
3
光外差检测的空间和频率条件
• 空间条件：
sin L l
θ:两束光的夹角，l=d：检测
器光敏面线度．
波长越短或口径越大，要求相 位差角θ越小，越难满足要 求．
• 频率条件：
要求信号光和本振光具有高度 的单色性和频率稳定性。
如何获得单频光和稳频光？
信号光与本振光并非平行 而成一夹角θ
4
光外差检测系统
11
6.2.5 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 2h e M2PsPLRL
Pc 2 S 2 Ps PL R L
2
光外差检测的特性
• 光探测器的输出包含有信号光的全部信息：振幅、
频率和相位等；
• 转换效率高，检测灵敏度高（比直接检测高７－
８数量级），对微弱信号的探测有利（尽管信号 光功率小，但是本振光功率大）
• 良好的滤波性能 • 信噪比损失小 • 检测灵敏度高 • 检测距离远 • 对探测器的要求比直接检测高
fst A sco st ss fL t A L co L t sL 7
那么，入射到检测器上的总光场为：
f t A s c s t o s s A L c L o t L s
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：
_______ _____________
第六章 光外差检测系统
1
光外差检测的基本原理
• 利用光波的振幅、频率、
相位携带信息，而不是光 强。
• 两束相干光入射到探测器
表面进行混频，形成相干 光场,又称相干检测。只有 激光才能进行相干检测。
• 输出信号中包含 fs fL
的差频信号,因此称光外差 检测
• 输出的中频功率正比于信
号光和本振光功率的乘积。
均值，即：
____
PC
VC2 RL
2he2PsPLRL
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：
iCtAsALcosLs
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。 9
6.2 光外差检测特性
6.2.1 光外差检测可获得全部信息
iCt A sA Lco sLstL s
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。
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
6
如图，光源经过稳频
CO2激光器
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
分光镜
线栅偏振器
fs fL
作为本振光波，频率
fs
为fL，另一路经偏心 轮反射，经聚焦到可
转镜
ν
fL
可变光阑
输出
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 5. 在外差检测在大气中应用受限，在外层空间已经达到实用 6. 阶段。 5. 外差检测在高频（υ≥1016Hz）光波时不如直接检测有 6. 用。而在长波长（近红外和中红外波段），光外差检测技 7. 术就可实现接近量子噪声限的检测。
ipt f 2tfstfLt2
As2c_o_s2___s_t_____s___AL2c_o_s_2__L_t______L___
__________________________
________________________
AsALcosLs tLs AsALcosLs tLs
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。
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。
6.2.4 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 差检测器的输入信噪比等于输出信噪比，输出信噪比没有损失。
6.2.2 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 2he 2PsPLRL
在直接检测中，检测器输出电功率为：
P0
e h
2
Ps2RL
两种方法得到的信号功率比G为：
G PC 2PL
P0
PsBaidu Nhomakorabea
可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。
10
6.2.3 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10.6um CO2激光信
光电检测器 放大器
变光阑上作为信号光
反射镜
束。
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：
5
6.1 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：
P cp2 1 0 2A 2co 2std tA 22
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。
8
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：
iCt A sA Lco sLstL s
中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：
V C t iC tR L A sA L R L co s L st 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
3
光外差检测的空间和频率条件
• 空间条件：
sin L l
θ:两束光的夹角，l=d：检测
器光敏面线度．
波长越短或口径越大，要求相 位差角θ越小，越难满足要 求．
• 频率条件：
要求信号光和本振光具有高度 的单色性和频率稳定性。
如何获得单频光和稳频光？
信号光与本振光并非平行 而成一夹角θ
4
光外差检测系统
11
6.2.5 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 2h e M2PsPLRL
Pc 2 S 2 Ps PL R L
2
光外差检测的特性
• 光探测器的输出包含有信号光的全部信息：振幅、
频率和相位等；
• 转换效率高，检测灵敏度高（比直接检测高７－
８数量级），对微弱信号的探测有利（尽管信号 光功率小，但是本振光功率大）
• 良好的滤波性能 • 信噪比损失小 • 检测灵敏度高 • 检测距离远 • 对探测器的要求比直接检测高
fst A sco st ss fL t A L co L t sL 7
那么，入射到检测器上的总光场为：
f t A s c s t o s s A L c L o t L s
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：
_______ _____________
第六章 光外差检测系统
1
光外差检测的基本原理
• 利用光波的振幅、频率、
相位携带信息，而不是光 强。
• 两束相干光入射到探测器
表面进行混频，形成相干 光场,又称相干检测。只有 激光才能进行相干检测。
• 输出信号中包含 fs fL
的差频信号,因此称光外差 检测
• 输出的中频功率正比于信
号光和本振光功率的乘积。
均值，即：
____
PC
VC2 RL
2he2PsPLRL
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：
iCtAsALcosLs
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。 9
6.2 光外差检测特性
6.2.1 光外差检测可获得全部信息
iCt A sA Lco sLstL s
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。
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
6
如图，光源经过稳频
CO2激光器
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
分光镜
线栅偏振器
fs fL
作为本振光波，频率
fs
为fL，另一路经偏心 轮反射，经聚焦到可
转镜
ν
fL
可变光阑
输出
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 5. 在外差检测在大气中应用受限，在外层空间已经达到实用 6. 阶段。 5. 外差检测在高频（υ≥1016Hz）光波时不如直接检测有 6. 用。而在长波长（近红外和中红外波段），光外差检测技 7. 术就可实现接近量子噪声限的检测。
ipt f 2tfstfLt2
As2c_o_s2___s_t_____s___AL2c_o_s_2__L_t______L___
__________________________
________________________
AsALcosLs tLs AsALcosLs tLs
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。