光外差检测的条件(精)
10 光电外差探测技术与系统介绍
10.1光外差检测原理 10.2光外差检测特性 10.3光外差检测使用的光源 10.4光外差探测典型系统
2016/6/22
光外差检测原理
直接检测
直流量
处理及细 分困难
直流漂移 误差
光外差检 测
交流量
处理及细 分容易
克服直流 漂移误差
光外差检测原理
激光 通信 测速
当本振信号功率PL 足够大时
外差检测的量子检测极限或量子噪声限。
若用等效噪声功率NEP (Noise Equivalent Power) 值表 示，在量子检测极限下，光外差检测的等效噪声功率为
光外差检测的灵敏度，是光外差检测的理论极限
影响光外差检测灵敏度的因素
测量光和本振光的偏振态
频率稳定度
噪声 测量光波前和本振光波前的空间调准及场 匹配 光源的模态
传输通道的干扰以及电子噪声
光外差检测的空间条件
如果测量光与本振光一个光束的截面上，两束光在各 个面元上的波相差将导致各面元 上的干涉相位是不一致的，用探 测器获取到的是这些不同相的干 涉信号的平均值，这种情况下就 会造成外差信号的对比度降低， 从而影响探测的灵敏度。
β 可以视为与探测器光电转换和滤波电路响应有关的 比例常数
光外差检测原理
测量信号
参考信号
如果被测参量能够对这些参量进行调制而使得测量 信号携带有待测量信息，则通过检测其相应的变化 就可获得被测量的大小 参考光频率等于测量光频率时，则所获得的干涉信 号频率为零，这是外差检测的一种特殊形式，称为 零差检测（Homodyne detection），也是光学干涉 仪最常见的形式。
光外差检测的空间条件
光外差检测的空间条件
测控复习
一、填空题。
（每空1分，共24分）⑴测控仪器的发展趋势可以概括为高精度、高效率、高可靠性及智能化、多样化与多维化。
测控仪器的设计流程为确定设计任务、设计任务分析，制定设计任务书、调查研究，详细占有资料、总体方案设计、技术设计、制造样机、产品鉴定或验收、设计定型后进行小批量生产。
⑵仪器误差的来源包括原理误差、制造误差和运行误差。
仪器误差产生的原因从数学特性上看，原理误差多为系统误差，而制造误差和运行误差多为随机误差。
⑶测控仪器设计的基本原理有平均读数原理、比较测量原理和补偿原理。
测控仪器设计的6项基本原则为阿贝原则、变形最小原则、测量链最短原则、坐标系基准统一原则、精度匹配原则、经济原则⑷仪器的导轨按导轨面间摩擦性质可分为滑动摩擦导轨、滚动导轨、静压导轨和弹性摩擦导轨导轨设计应遵守的原理和原则有运动学原理、弹性平均效应原理、导向导轨与压紧导轨分立原则。
导轨设计的基本要求有导向精度、运动的平稳性、刚度要求和耐磨性要求⑸主轴系统设计的主要要求是主轴在一定载荷下具有一定的回转精度，同时还要求有一定的刚度和热稳定性。
柔性铰链用于绕轴作复杂运动的有限角位移，它的特点是：无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高。
⑹常用的驱动装置有步进电机、直流电机、同步电机、测速电机和压电陶瓷驱动器。
常用的微驱动器件有压电器件、电致伸缩器件和电磁驱动器。
⑺测控仪器对电路与软件系统的设计要求主要包括精度、响应速度、可靠性、经济性等几个方面。
测控仪器电路与软件系统的设计准则包括总线化准则、模块化准则和电磁兼容性准则。
⑻测控仪器光电系统的组成主要包括光源、光学系统、信息的光学变换、光电转换、显示和控制。
光电系统的类型分为主动系统与被动系统，模拟系统与数字系统，直接探测系统与相干探测系统等。
二、选择最适当的填入括号中（只填写其中之一的符号, 每题2分，共8题16分）⑴（B ）是仪器对被测量变化的反映能力。
（ C ）表示仪器感受微小量的敏感程度。
《测控仪器设计(第)》课后习题答案浦昭邦王宝光
封面作者：Pan Hongliang仅供个人学习测控仪器则是利用测量和控制的理论，采用机、电、光各种计量测试原理及控制系统与计算机相结合的一种范围广泛的测量仪器。
仪器仪表的用途和重要性—遍及国民经济各个部门，深入到人民生活的各个角落，仪器仪表中的计量测试仪器与控制仪器统称为测控仪器，可以说测控仪器的水平是科学技术现代化的重要标志。
仪器仪表的用途:在机械制造业中：对产品的静态与动态性能测试；加工过程的控制与监测；设备运行中的故障诊断等。
在电力、化工、石油工业中：对压力、流量、温度、成分、尺寸等参数的检测和控制；对压力容器泄漏和裂纹的检测等。
在航天、航空工业中：对发动机转速、转矩、振动、噪声、动力特性、喷油压力、管道流量的测量；对构件的应力、刚度、强度的测量；对控制系统的电流、电压、绝缘强度的测量等。
发展趋势:高精度与高可靠性、高效率、智能化、多样化与多维化（1）高精度与高可靠性随着科学技术的发展，对测控仪器的精度提出更高的要求，如几何量nm精度测量，力学量的mg精度测量等。
同时对仪器的可靠性要求也日益增高，尤其是航空、航天用的测控仪器，其可靠性尤为重要。
（2）高效率大批量产品生产节奏，要求测量仪器具有高效率，因此非接触测量、在线检测、自适应控制、模糊控制、操作与控制的自动化、多点检测、机光电算一体化是必然的趋势。
（3）高智能化在信息拾取与转换、信息测量、判断和处理及控制方面大量采用微处理器和微计算机，显示与控制系统向三维形象化发展，操作向自动化发展，并且具有多种人工智能从学习机向人工智能机发展是必然的趋势。
（4）多维化、多功能化（5）开发新原理（6）动态测量现代设计方法的特点：(1)程式性强调设计、生产与销售的一体化。
(2)创造性突出人的创造性，开发创新性产品。
(3)系统性用系统工程思想处理技术系统问题。
力求系统整体最优，同时要考虑人-机-环境的大系统关系。
(4)优化性通过优化理论及技术，以获得功能全、性能良好、成本低、性能价格比高的产品。
第八章 光外差探测8.1-8.4
在完善的空间准直条件下，信号光电场和本振光 电场分别为
当信号光和本振光重合垂直入射到光混频器上 时，则光混频器输出的瞬时光电流为
相位差项不受短时间平均的影响，倍频项的平均值为零，第1和第2两项 直流项被滤波器滤除
因此，负载电阻上的信号电压为
峰值信号功率
在光零差探测系统中，如果仅限于考虑不可能消 除的散粒噪声和热噪萨，则噪声功卒
3 光外差探测的频率条件 光外差探测除了要求信号光和本振光必须保持 空间准直以外，还要求两者具有高度的单色性 和频率稳定度。 从物理光学的观点来看，光外差探测(或相干 探测)是两束光波达加后产生干涉的结果。 显然，这种干涉取决于信号光束和本扳光束 的单色性。
光的单色性：是指这种光只包含一种频率或光谱线 极窄的光。
在光外差探测系统中遇到的噪声与直接探测系统中 的噪声基本相同，存在多种可能的噪声源。在此只 考虑不能消除或难以抑制的散粒噪声和热噪声两种。
在带宽为Δ fIF的带通滤波器输出端，电噪声功率 为
式中，PB为背景辐射功率，ID是光混频器的暗 电流。 前一项为信号光、本振光、背景辐射和光混 频器暗电流所引起的散粒噪声项，后一项为 光混频器内阻和前置放大器负载电阻所引起 的热噪声项。
根据信号噪声比定义，中频滤波器输出端的信号 噪声(功率)比为
（10） 当本振光功率PL 足够大时，上式分母中由本振 光引起的散粒噪声远远大于所有其它噪声，则式 变为
这是光外差探测系统所能达到的最大信噪比，一般把这种情况称为 光外差探测的量子探测极限或量子噪声限。
从式(10)可导出实现量子噪声限探测的条件为
上述两种情况带宽之比
可见，相干探测对背景光谱有很好的抑制作用。
四、有利于微弱光信号的探测
在直接探测中光探测器输出的电功率正比于信号 光平均光功率的平方。 在相干探测中光混频器输出的中频信号功率正比 于信号光和本振光平均光功率的乘积 在一般的实际情况下，入射到光探测器上的信 号光功率是非常小的(尤其在远距离上应用，例 如光雷达、光通信等应用)，
光电检测技术光电检测技术试卷(练习题库)(2023版)
光电检测技术光电检测技术试卷(练习题库)1、光电检测系统通常由哪三部分组成？2、光电效应包括哪些？3、外光电效应4、内光电效应5、简述内光电效应的分类？6、光电导效应7、光生伏特效应8、光电池是根据什么效应制成的将光能转换成电能的器件，按用途可分为哪几种？9、激光的定义，产生激光的必要条件有什么？10、热释电器件必须在什么样的信号的作用下才会有电信号输出？11、 CCD是一种电荷耦合器件，CCD的突出特点是以什么作为信号，CCD的基本功能是什么？12、根据检查原理，光电检测的方法有哪四种？13、光热效应应包括哪三种？14、一般PSD分为两类，一维PSD和二维PSD，他们各自用途是什么？15、真空光电器件是基于什么效应的光电探测器，它的结构特点是有一个真空管，其他元件都在真空管中，真空光电器16、响应度（或称灵敏度）17、亮电流18、光电信号的二值化处理19、亮态前历效应20、热释电效应21、暗态前历效应22、简述雪崩光电二极管的工作原理？23、简述光生伏特效应与光电导效应的区别？24、简述光生伏特效应与光电导效应的联系？25、什么是敏感器？26、简述敏感器与传感器的区别？27、简述敏感器与传感器的联系？28、简述发光二极管的工作原理？29、简述PIN型的光电二极管的结构？30、简述PIN型的光电二极管的工作原理？31、简述PIN型的光电二极管的及特点？32、简述光电检倍增管的结构组成？33、简述光电检倍增管的工作原理？34、简述CCD器件的结构？35、简述CCD器件的工作原理？36、举例说明补偿测量方法的原理？37、举例说明象限探测器的应用。
38、坎德拉（Candela，cd）39、象增强管40、本征光电导效应41、信息载荷于光源的方式信息载荷于透明体的方式、信息载荷于反射光的方式、信息载荷于遮挡光的方式、信息载荷42、光源选择的基本要求有哪些？43、光电倍增管的供电电路分为负__供电与正__供电，试说明这两种供电电路的特点，举例说明它们分别适用于哪44、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在那种偏置状态？为什么？45、为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光？而光电二极管要零偏或反偏才能有光生伏特效应？46、简述三种主要光电效应的基本工作原理？47、光电探测器与热电探测器在工作原理、性能上有什么区别？48、简述光电探测器的选用原则？49、简述光电池、光电二极管的工作原理及区别？50、叙述实现光外差检测必须满足的条件？51、光具有的一个基本性质是（）。
光外差探测系统-PPT
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
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。
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
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：
稳频原理: 发射波长增加，光通量亦增，输出电压 增大，压电陶瓷使腔长缩短，发射频率 提高，波长减短；反之，则波长加长
滤光片的滤光曲线
接收系统:
3、多卜勒测速 1）多卜勒测速原理
He-Ne激光器是经稳频后的单模激光，焦 点处光强分布为高斯分布。
焦点处干涉场条纹分布：
干涉条纹间距为：
i
2
1
sin
2
干涉条纹的空间频率为：
f
1
2 sin
2
i
当散射粒子以速度v，与条 纹垂线夹角为方向通过时， 则颗粒散射的光强频率为：
光电检测技术与应用 第六章 光外差探测系统
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：
输出信噪比为
I 2 P P P C S B L
2 P P I P A S L S S S I P A 2 P P n B B B L
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: 2 e P G P C 2 SP LR L h
6.3 影响光外差检测灵敏度的因素
2v fS fL 1 c
频差为：
2 v c2 v 2 v f f f f 1 S L L c L c L 6 2 v 2 15 10 6 3 10 Hz 10 . 6 L
若直接探测加光谱滤光片，滤光片带宽 若为10 ，所对应的带宽 Δ f 2为 A
A
f2 f2 f1 c
c
2 1
4
c
c 2 1
2 1
2
2
10 .6 10
18 3 10
9 Hz 10 3 10 2
带宽之比为：
9 3 10 3 f2 f1 10 6 3 10
第六章 光外差探测系统
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
6.1 光外差探测原理
光波f（t）写成:
f t A cos t
平均光功率Pcp为:
1 A 2 2 P A cos td t cp 2 0 2
2
2
外差探测原理
P 2PL C G P P 0 S
e 2 P P 0 S R L h
外差检测概要
SNR po
PS hf IF
2 * * EL ES dA EL EL dA * * * EL EL dA ES ES dA EL EL dA
PS meff eff hf IF
SNR po
(2.2.18)
式中
g d 1 Rd
'
为半导体光电二极管的电导，通常有 Rs g d 1
Rd Rs jCd Rd Rs 1 Rs g d jCd Rs Z d Z Rs 1 jCd Rd g d jCd
1 jC d Rs g d jC d
则光外差信号流过光电二极管的中频电流 i IF 产生的光生电压为
该电流通过中频带通滤波器后的瞬时电流为
iIF ES 0 EL0 cos[(L S )t ( L S )] (2.2.5)
注意其中振幅、频率和位相中均含有与信号有关的信息， 故可用于检测强度调制、频率调制或位相调制信号。 若探测器的负载电阻为 R L ，则输出信号功率为
2 PIF iIF RL
1 2 2 2 2 ES 0 E L 0 RL 2 P S P L RL （2.2.6） 2
PL 1 2 EL0 2
其中
PS
1 2 ES 0 2
特别当
L S
时，
iIF ES 0 EL0 cos( L S )
平均功率为
（2.2.7）
这是外差检测中的特殊情况,称为“光零差检测”,其输出信号
三、光伏、光电导探测器和光电倍增管用作外差检测 时的信噪比和灵敏度（此部分仅介绍结论）
1、光伏探测器用于外差检测（以半导体光电二极管为例） (1) 半导体光电二极管的等效电路
第八章 外差(相干)探测系统
上页 下页 后退
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
上页 下页 后退
外差探测系统
直接检测接收机框图
外差检测接收机框图
上页 下页 后退
外差探测系统
外差原理图
相干光通信系统
上页 下页 后退
外差探测系统
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
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 ) ]
上页
2
下页
后退
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
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。
4.10 光频外差探测的基本原理
1
2 sin
S
则
ES t AS cos S t S 1x
入射到光混频器表面的总电场为
Et t ES t EL t
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
于是光混频器输出的瞬时光电流为
2 sin iP t AS cos S t S x AL cos L L dxdy d / 2 d / 2 S
2．光谱滤波性能
在直接探测过程中，光探测器除接收信号光以外，杂散背景 光也不可避免地同时入射到光探测器上。为了抑制杂散背景光的 干扰，提高信号噪声比，一般都要在光探测器的前面加上孔径光 阑和窄带滤光片。相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测 系统要高。因为相干接受是要求信号光和本地振荡光空间方向严 格调准，而背景光的入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求， 于是就不能得到输出。 如果取差频信号宽度ωc / 2π =ωL-ωs /2π为信息处理器 的通频带Δf，那么只有与本机振荡光束混频后在此频带内的杂光 可以进入系统，其他杂光所形成的噪声均被信号处理器滤掉。因 此，外差探测系统中不需要加光谱滤光片，其效果甚至比加滤光 片的直接探测系统还好得多。
共23页 12
主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
对热噪声为主要噪声源的系统，要实现量子噪声限探测，满足
e 2 PL f IF RL 2kT f IF hv
由此得到
2kThv P L e 2 RL
S 若令 1 ，则可求得相干探测的噪声等效功率NEP值为 N IF
在中频滤波器输出端，瞬时中频电压为
VIF 2 AS AL RL cos L S t L S
光外差原理
光外差原理光外差探测是一种对光波振幅、频率和相位调制信号的检波方法、对于光强度调制信号。
只要选择光电探测器适当，都能无失真地转换为电信号，最后由电路完成检波任务，检出所需信息。
而光波振幅、频率和相位的调制信号因光频太高，不能直接被光电探测器所响应。
采用光外差法，光电探测器可以以输出电信号的形式检出所需信息。
光外差探测法在光通信中是很有发展前途的，目前在实时精密测量方面的应用已有显著成就。
一、实验目的（1） 验证和掌握光外差探测原理；（2） 训练相干探测的实验能力。
二、实验内容（1） 在信息仪平台上调整光路，了解外插法所必须的空间配准条件，也就是参考光束和物光束空间配准与接收口径之间的关系；（2） 用外插法所得到的信号可表示插入透明物体的透过光波的复振幅，也就是振幅与相位的变化。
三、基本原理光外差探测的基本原理是基于两束光的相干。
必须采用相干性好的激光器作光源，在接收信号光时同时加入参考光（本地振荡光）。
参考光的频率与信号光频率极为接近，使参考光和信号光在光电探测器的光敏面上形成拍频信号。
只要光电探测器对拍频信号的响应速度足够高，就能输出电信号检出信号光中的调制信号来，如图1所示即为一例。
图中用一个激光器射出激光，经半透、半反平面镜M 后分成两路。
一路透射光再经半透、半反平面镜M 3后直接投向光电探测器作为参考光；另一路反射光经反射镜M 1偏转90o 方向后投向声光调制器。
声光调制器出射光束，由光阑M 0选出其一级衍射光，它经反射镜M 2偏转后投向半透、半反平面镜M 3成为信号光。
微调M 3使信号光和参考光以几乎重合、平行地投向光电探测器，两束光在光敏面上相干。
如果这两束光偏振方向一致（或偏振方向一致的分量），它们就能形成差频信号。
声光调制器由声频信号提供声频ω1的信号加到声光调制器上。
若调制器是布拉格衍射，则出射的一级衍射光就是声频信号的调制光，其光频率为ω0＋ω1或ω0－ω1（视入射方向而定）。
光辐射的直接检测与外差检测概要
号处理
（3）前置放大器： （i）通常探测器输出的信号非常弱，多为微伏量级，故需要用 一个低噪声放大器与其配接，以便后续处理与进一步放大。 （ii）将探测器做必要的偏置，以便与后续电路匹配
要求：噪声低、增益高、带宽适当
（4）信号处理器： 将信号做进一步的放大与处理，以获得所需的信号 工作方式：数字式、模拟式 功能：放大、滤波、数学运算等
2 (e h) 2 ( P P ) RL si ni
2 2 (e h) 2 ( P si 2 P si P ni P ni ) RL
2 2 (e h) 2 Psi RL (e h) 2 (2Psi Pni Pni ) RL （2.1.4）
输出信噪(功率)比(以下简称为“信噪比”)为
2 P s
2hf (G 2 G ) ( P s P b ) (2.1.20)
2
与(2.1.13)比较
SNR po
IL
Ps2 2hf ( Ps P b
知差一因子
1 G
2
h Id ) e
表明 : 对于大信号检测, 内增益直接检测系统信噪比低于无内增益 系统信噪比。原因是内增益系统在增大了信号的同时也增大了 噪声，故信噪比没有明显改善。
第一节 直接检测
引言 ： 1、直接检测的一般构成：
2、各部分的功能 ： （1）光学接收天线：通常为一组透射式或反射式光学系统，用以 收集入射光辐射 可见光：多用透射式以获得高质量的成像 红外光：因反射损失小，材料来源方便，易于加工，故多用 反射式
（2） 滤波片与空间滤波器：滤除部分无用的光辐射以减小干扰 调制盘：从探测信号中获得更多信息，提高灵敏度，便于信
(2.1.23)
仅考虑霰弹噪声与热噪声时的噪声均方电流为
光外差检测必须满足的条件
光外差检测必须满足的条件光外差检测必须满足的条件在光学技术领域，光外差检测是一种常用的方法，用于测量光场的相位差。
这种技术在不同领域都有着广泛的应用，比如光学成像、光通信、激光雷达等。
然而，要想得到准确可靠的测量结果，光外差检测必须满足一定的条件，才能保证其有效性和精准度。
以下是光外差检测必须满足的四个条件：条件一：稳定的光源光源的稳定性对于光外差检测至关重要。
光源的波长和强度必须保持稳定，以确保测量结果的准确性。
光源的频率稳定性也是十分重要的，任何频率的波动都会对测量结果产生影响。
选择合适的光源并对其进行稳定性测试是光外差检测的第一步。
条件二：稳定的光路光路的稳定性同样是影响光外差检测准确性的重要因素。
光路中的任何微小变化都可能导致相位差的变化，从而影响测量结果。
必须确保光路的稳定性，采取适当的措施来避免振动、温度变化和光学元件的微小移动。
光路的安装和调节也必须十分精准，以确保光线的传输和反射都能够保持在设计好的轨迹上。
条件三：高精度的检测装置光外差检测所使用的检测装置必须具有高精度，以满足对光场相位差的准确测量。
这包括光学元件的精度、探测器的灵敏度和响应速度等方面。
特别是在高精度测量中，需要选择具有高线性度和低噪声的检测器，并且保持其在整个测量过程中的稳定性和可靠性。
条件四：准确的数据处理和分析算法准确的数据处理和分析算法是保证光外差检测准确性的关键。
在得到测量数据后，需要对其进行合理的处理和分析，以提取出所需的相位差信息。
正确选择和应用适当的算法对于保证测量结果的可靠性和准确性至关重要。
光外差检测必须满足稳定的光源、稳定的光路、高精度的检测装置和准确的数据处理和分析算法这四个条件。
只有在满足了这些条件的前提下，光外差检测才能够得到准确、可靠的测量结果，为光学技术领域的应用提供了有力支持。
个人观点和理解光外差检测作为一种重要的光学测量技术，在科学研究和工程应用中有着广泛的应用前景。
通过本文的探讨，我对光外差检测有了更深入的了解，知道了它必须满足的条件以及实现高精度测量的关键技术要点。
第6章 外差检测系统1
2 {As2 cos2 (S t s ) AL cos2 (Lt L ) As AL cos[(L S )t (s L )] As AL cos[(L S )t (L s )]}
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 （6-6） 流为 ic (t ) As AL cos[(L S )t (L s )]
第6章 光外差检测系统
1、光外差检测 是将待测信号光与本振光同时入射到探测器的光 敏面上，形成光的干涉图样（光混频效应），探测 器响应光混频效应而输出光电流，该光电流不仅与 光强有关，还与输入光的频率和位相有关。 2、一般构成
3、用途 激光通信、雷达、测长、测速、测振和光谱学方面。 4、优点 （1）检测灵敏度高，可获得更多信息 （2）可检测单个光子、进行光子计数，作用距离比 直接检测远。 5、缺点 （1）对光源要求高（要求相干性好的光波—激光） （2）激光受大气湍流效应影响严重，因而远距离应用受 到限制。 （3）在光波频率很高时（γ>>1016Hz）每个光子能量很 大，光外差检测并不特别适用；在波长较长的情况下， 光外差检测显示了它的优越性。
r Dp / f
2.44 Dp Dd Dr
6.3.2 光外差检测的频率条件：
要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳
定性。
1、为了获得单色性好的激光输出，必须选用
单纵模运转的激光器作为光外差检测的光源。
2、信号光和本振光的频率漂移如不能限制在
一定范围内，则光外差检测系统的性能就会变坏。
由上式可知，
l sin 2 1 l 2 中频电流i最大。此时应满足
l 0 2
光敏电阻的应用
1. 举例说明光敏电阻的应用（画出原理图及工作过程） 路灯自动点熄控制由两部分组成：电阻R 、电容C 和二极管D 组成半波整流滤波电路；RCds 光敏电阻和继电器组成光控继电器。
路灯接在继电器常闭触点上，由光控继电器来控制路灯的点燃和熄灭．光暗时，光敏电阻的阻值很高，继电器关，灯亮；光亮时，光敏电阻的阻值降低，继电器开，灯灭。
2. 硅光电池的工作原理和等效电路为下图：（a ）光电池工作原理图 （b ）光电池等效电路图 （c ）进一步简化 从图（b ）中可以得到流过负载R L 的电流方程为：)1()1(/0/0--=--==KT qV s E KT qV s p D p e I E S e I I I I I －其中，S E 为光电池的光电灵敏度，E 为入射光照度，I s0是反向饱和电流，是光电池加反向偏压后出现的暗电流。
当I L ＝0时，R L ＝∞（开路），此时曲线与电压轴交点的电压通常称为光电池开路时两端的开路电压，以V OC 表示，由式（1）解得：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=1ln 0I Iq kT U pOC当Ip 》Io 时，)/ln()/(0I I q kT U p OC ≈当R L ＝0（即特性曲线与电流轴的交点）时所得的电流称为光电流短路电流，以Isc 表示，所以Isc ＝I p ＝Se ·E从上两式可知，光电池的短路光电流Isc 与入射光照度成正比，而开路电压Uoc 与光照度的对数成正比。
3. 光外差检测只有在下列条件下才可能得到满足： ①信号光波和本征光波必须具有相同的模式结构，这意味着所用激光器应该单频基模运转。
②信号光和本振光束在光混频面上必须相互重合，为了提供最大信噪比，它们的光斑直径最好相等，因为不重合的部分对中频信号无贡献，只贡献噪声。
③信号光波和本振光波的能流矢量必须尽可能保持同一方向，这意味着两束光必须保持空间上的角准直。
④在角准直，即传播方向一致的情况下，两束光的波前面还必须曲率匹配，即或者是平面，或者有相同曲率的曲面。
光外差检测的条件(精)
接检测的光电转换增益 为
G
PIF P直接
22 Ps PL RL 2 Ps 2 RL
2PL Ps
外差检测中 PL ~ 103W 量级； Ps ~ 1010W 量级；
代入上式，知： G 2 107 倍。
三、信噪改善比 SNIR
1、直接检测系统信噪比依（2.1.5）为
S NR p o
(SNRpi )2 1 2SNRpi
Es0
cos(st
s
2 s in s
x)
(2.2.30)
EL (t) EL0 cos(Lt L )
则入射到光敏面上的总光场为
(2.2.31)
E(t) Es (x,t) EL (t) 依探测器的平方律特性, 在探测器表面 x方向增量 dx 上产 生的微分电流为
dip [Es ( x, t) EL (t)]2dx
1、 SNRpo
当本振光足够强时，可认为系统噪声的主要成分为本振光电
流的霰弹噪声，有
式中
in2 2eiL f 2ePL f 2eidc f
idc
2
(E120
E220
EL20 )
2
EL2,0
PL
f为带通滤波器带宽
(2.2.42)
则 第一个滤波器输出端信噪比为
SNRpo
iI2F in2L
2idc
展开上式 ，并舍弃合频项， 得
dip
Es20
EL20 2
Es0EL0 cos[(L
s )t
k
x
x]dx
将余弦项展开后，从 d 2 到 d 2 积分，
ip
d
Es20
EL20 2
Es0EL0 cos(L
第三章 光辐射的直接检测与外差检测
• 当两光栅沿垂直于栅线的方向 相对移动时，莫尔条纹将沿平 行于栅线的方向移动．光栅每 移动一个节距Ｐ，莫尔条纹移 动一个宽度Ｂ． • 因为θ很小，放大倍数Ｋ很 大．例如: θ=20’,K=172
斜向条纹
B 1 K= = P θ
莫尔条纹测长仪
• 两块光栅：一块为指示光栅与 工作台固定．一块为长光 栅．工作台前后移动的距离由 两块光栅形成的莫尔条纹进行 计数得到．指示光栅相对移动 一个节距，莫尔条纹变化一 周．指示光栅移动的距离为：
∆f = 2v
rs fs v
θ
α
r0 f0 多普勒测速基本公式
λ
sin
θ
2
sin( α +
θ
2
)
固定频移的频率调制
• 使用频移器件使参考光波相对信号形成一固定的 频率偏移 声波 • 采用声光效应激光频移
声光器件中以频率为f的超声波交 变信号激励换能器，在透明介质 内形成折射率的周期变化；若满 足布拉格衍射的条件，将会产生 一级衍射光。一级衍射光与零级 衍射光频率产生频移，可分别作 为参考光和信号光
外差信号检测示意图
双频激光干涉仪
光学隔离器 激光器 参考镜 M3
f2
M1
F1 F2 M4 测量镜
f1 , f 2
M2
f1
f1 ± ∆f
光电检测器
f 2 − f1
( f2
− f1 ) ± ∆ f
典型的光电检测系统
• 直接检测系统（光强调制）
– – – – 莫尔条纹测长仪 激光测距仪 激光准直 环境污染检测系统
– 横向条纹:P1=P2, θ很小; – 纵向条纹: P1~P2, θ=0; –斜条纹: P1~P2, θ很小.
光电信号检测第六章
信号光束f s
fL 本振 光束
fs fL
探测器
混 频 光
放大器
光外差检测原理示意图
3
CO2激光器
如图，光源经过稳频 的二氧化碳激光器， 分光镜 fs fL 由分束镜把入射光分 线栅偏振器 成两路：一路经反射 fs 作为本振光波，频率 fL 输出 可变光阑 为fL，另一路经偏心 转镜 光电检测器 放大器 ν 轮反射，经聚焦到可 反射镜 变光阑上作为信号光 外差检测实验装置图 束。 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：
4
s s s 信息光电子研究所 Information optoelectronics research
f t A cos t s
f L 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
e P 2 Ps PL RL C 光外差检测中频输出有效信号功率为： h
2
可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。
7
信息光电子研究所 Information optoelectronics research
e 2 在直接检测中，检测器输出电功率为： P Ps RL 0 h 两种方法得到的信号功率比G为： PC 2 PL G P0 Ps
__________ __________ ______ _______ 2 __________ ___
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将得到的差频分别为 1 L和 2 L 的中频信号送到平方律
器件再次混频，产生频率为 1 2 的差频信号并经放大器放大
后输出。由于 1 和 2 的信号与 L 无关，且 1和 2 可由 同一激光器产生，故本振光频率的不稳定性不会影响差频项。
2、中频电流公式
设：偏振方向相同、传输方向互相平行且重合的三束光垂直 入射到探测器的光敏面上，其光场可分别表示为
2、两光场不重合对信噪比的影响 设：探测器光敏面为边长为d 的正方形；信号光场和本振光场
均为平面波，其中，本振光垂直入射到光敏面；二波前夹角 ，
如图所示
注意到信号光同一波前上各为 v x ，则在光敏面上不同点处形成 波前的相位差，此时，信号光场可写为 s E s ( x, t ) E s 0 cos( s t s x) (2.2.29) vx
展开上式 ，并舍弃合频项， 得
2 2 Es 0 EL 0 di p Es 0 EL 0 cos[(L s )t k x x]dx 2
将余弦项展开后，从
d 2
到
d 2
积分，
2 2 sin( k x d 2) Es 0 E L 0 i p d Es 0 E L0 cos( L s )t 2 kxd 2 再舍弃直流项，得中频输出电流为
2 2 2 {E10 E20 EL 0 2 E10 EL 0 cos[(1 L )t (1 L )] 2
2E20 EL0 cos[(2 L )t (2 L )]
2E10 E20 cos[(1 2 )t (1 2 )]}
s d
此时
iIF 0
（3）若允许 iIF 比 0 时的 iIF 降低10%， 则有
kxd 2 d 0.8rad s
相应的允许失配角为
表明：允许的失配角与信号光波长 s 成正比，与探测器边长d
0.8 s s d 4d
成反比。由此可推断，红外波段比可见光波段容易实现外差检测。 3、解决准直困难问题的方法：采用埃里斑系统（自学，p153）
2.3
光外差检测的条件
一、空间相位的调准与匹配（空间条件）
1、要求： 由对外差检测混频效率公式(2.2.19)
meff * 2 EL ES dA * * EL dA ES ES dA
EL
的讨论可知: 仅当信号光场和本振光场在探测器灵敏面各点处均具有相 同的偏振方向、可比的振幅和相同的位相时，才有最佳混频效 率，此状态称为实现了空间相位匹配。这一要求意味着信号光 与本振光的波前应重合，在空间上实现角准直。
(2.2.30)
EL (t ) EL0 cos(Lt L )
则入射到光敏面上的总光场为
(2.2.31)
E (t ) Es ( x, t ) EL (t )
依探测器的平方律特性, 在探测器表面 x方向增量 dx 上产
生的微分电流为
di p [ Es ( x, t ) E L (t )] 2 dx
(2.2.38)
kxd 2 0
即
k x d 2 n
n 1,2,3,...
n s d
2 sin d 2 d d n 和 s 2 2 s s
一般当 n 1 时 ,
sin(k x d 2) 已经很小，可不考虑. kxd 2
仅考虑 n 1 即可. 令 n=1, 上式变成
E1 (t ) E10 cos(1t 1 )
E2 (t ) E20 cos(2t 2 )
EL (t ) EL0 cos(Lt L )
（2.2.37）
则总入射光场为
E (t ) E1 (t ) E2 (t ) EL (t )
光探测器输出电流为
i p [ E1 (t ) E2 (t ) EL (t )]2
iIF
sin(k x d 2) dEs 0 EL 0 cos(L s )t (2.2.32) kxd 2
分析: 由上式知
sin(k x d 2) 时, (1) 仅当 1 kxd 2
此时必有: (2)当
iIF 最大
0。
k x 0 , 也就是 k x 和
sin(k x d 2) 0 时, iIF 0 . 此时有 sin(k x d 2) 0 kxd 2
2.4 三频外差检测
引言 :
外差检测的弱点 ：
（1）技术复杂，需采用各种措施保证信号光束与本振光束满足 空间匹配条件。 （2）对运动目标的检测，由于存在多普勒频移，会引起中频漂 移，为此，系统带宽必须做得很大，结果会降低检测信噪比。
一、 三频外差检测原理
1、系统结构
工作过程： 互相平行并完全重合的两列信号光波及本振光垂直入射到光 探测器上，其频率分别为 1 、 2 和 L ，经光探测器混频后，
式中
s
vx
2f 2 v 2 sin vx s v x s
ˆ k k s sin k s cos( ) k s x x 2
ks 在
是信号光波矢
x 方向 的分量。
将其代入(2.2.29)得
2 sin Es ( x, t ) Es 0 cos(s t s x) s 设: 本振光场为
二、外差检测的频率条件 1、单色性：光外差检测是两束光波迭加产生干涉的结果，其干 涉程度取决于两束光的单色性，既两束光应具有单一的频率， 或足够窄并互相交迭的光谱，激光器则需单纵模运行。 2、频率稳定性：信号光与本振光的频率漂移会使外差性能变坏， 若频移超出中频带宽，系统就不能正常工作，故光源需附有稳 频措施。 三、大气湍流对光外差检测的影响