第六章 光外差检测系统

先来看一下光学透镜天线在接收系统中的作用：
探测器
透镜面积Ar
2f 2
fv d l
f
面积＝
光学透镜天线
Ar
AD
当光波正入射时，由物理光学可知，经过面积为Ar 的透 镜之后，在焦平面处的探测器上形成衍射光斑。衍射光 斑中最大峰值处所包含的面积λ2f2/Ar 称为爱里斑面积。 这个面积决定了接收系统的衍射极限视场，若用立体角 Ωdl表示， 则有
L 即： arcsin l
L l
这个角度也被称为失配角。
分光镜
可变光阑
如图，要形成强的差频信号， 必须使信号光束和本振光束 在空间准直得很好。
背景杂散光来自各个方向， 绝大部分的背景光不与本振 光准直，即不产生明显的差 频信号。
信号光束f s
fL 本振 光束
fs fL
探测器
混 频 光
2
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：
SNR p
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。
6.2.5 最小可检测功率—内增益型光电检测器件
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。
第六章 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. 2. 3. 4. 测量精度高7-8个数量级； 灵敏度达到量子噪声极限，其NEP值可达10-20 W。 可用于光子计数。 激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的相干性，所 以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。
则检测器上x点的响应电流为 di As AL cosct s L xdx
6.3.1 光外差检测的空间条件（空间调准）
则整个光敏面总响应电流为

2
L
sin
sin 2l i As AL cosct s L xdx As AL cosct s L l Ad 2 l
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 差检测器的输出信噪比等于输入信噪比，输出信噪比没有损失。
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：
2
e P 2 M Ps PL RL C h

2 c 2 f1 f s f L f L 3MHz 通频带Δf1取为： c L c
2 c
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。
信号光束f s
fL 本振
fs fL
探测器
混 频 光
放大器
光束 实质上，由于光的波长比光检测器面积 小很多，混频作用是在一个个小面积元上产 光外差检测原理示意图 生的，即总的中频电流是每个小微分面元所 产生的微分电流之和，显然要使中频电流达到最大，这些微分中 频电流要保持恒定的相位关系。即要求信号光和本振光的波前是 重合的。即是说必须保持信号光和本振光在空间上的角准直。
信号光束f s
fL 本振 光束
fs fL
探测器
混 频 光
放大器
来自百度文库
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。
CO2激光器
分光镜
线栅偏振器
fs fL
fs
引入最小可检测功率（等效噪声功率）NEP表示，在量子检测 极限下，光外差检测的NEP值为： Ps
即SNR 1 时的信号功率
Ps 最小 NEP
hf
SNRp
2hf
hf

NEP
在光电直接检测系统的量子极限为：

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。 总之，检测灵敏度高是光外差检测的突出优点。
fL
转镜 输出
ν
可变光阑
反射镜
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：
放大器
光外差检测原理示意图
因此外差检测在空间上能很好地抑制背景噪声。具有很好 的空间滤波性能。但是严格的空间条件也使调准两光束比 较困难。
降低空间相干条件的方法 从上面讨论中可以看出，要使信号光 波和本振光波在光混频面上有效的空间 相干，必须使两束光尽量平行，因为这 个要求是比较严格的，所以给光外差的 实现带来一定困难，严重妨碍了它的实 际应用。接近这一问题的方法只有是： 爱里斑原理法（用聚焦透镜降低空间准 直要求）。
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 cos L 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 AL RL cos L s t L s
i p t f t f s t f L t 2 ____ __________ _____ 2 __________ 2 2 2 As cos s t s AL cos L t L
__________ __________ ______ _______ 2 __________ ___
6.2.6 光外差检测系统对检测器性能的要求
外差检测系统对检测器要求一般比直接检测对检测器的要 求高得多，主要如下：
1. 响应频带宽。主要是因为采用多普勒频移特性进行目标检 测时，频移的变化范围宽，要求检测器的响应范围要宽，甚至 达上千兆Hz。 2. 均匀性好。外差检测中检测器即为混频器，在检测器光敏 面上信号光束和本振荡光束发生相干产生差频信号，为达到在 光敏面不同区域相同的外差效果，要求检测器的光电性能在整 光敏面上都是一致。特别是跟踪系统的四象限列阵检测器。 3. 工作温度高。在实验室工作时，工作温度无严格要求。如 果在室外或空间应用时，要求选工作温度高的检测器。如 HgCdTe红外检测器件。
从式中可知，当
sin
l
2
2 1
时，即sin l l 时，中频电流i最大。 2 2
即可得外差检测的空间相位条件为： sin
显然：波长愈短或口径愈大，要求相位差角θ愈小，愈难满足外 差检测的要求。说明红外光比可见光更易实现光外差检测。 例：本振光波长为1微米，检测器光敏面长度为1mm，则 θ<<0.32mrad（0.018度）。 实验证实，稳频的CO2激光器做外差检测实验，当θ<2.6mrad时， 才能看到清晰的差频信号。
e PC 2 Ps PL RL 光外差检测中频输出有效信号功率为： h
2
e 2 在直接检测中，检测器输出电功率为： P0 Ps RL h 两种方法得到的信号功率比G为： PC 2 PL G P0 Ps 可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。
2
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CO2激光信号，
多普勒频率fs为： f s f L 1
As AL cos L s t L s As AL cos L 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。
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 均值，即： ____ 2 2 VC e P 2 Ps PL RL C RL h 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 cos L s
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： e Ps PB PL I d fR L 4k Tf Pn 2 M 2 e h
功率信噪比为：
SNR p
e M Ps PL RL h e Ps PB PL I d fR L 2k Tf M 2e h
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。
6.2 光外差检测特性
6.2.1 光外差检测可获得全部信息
iC t As AL cos L s t L 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。 6.2.2 光外差检测转换增益G高
那么本振光束到达光敏面时，在不 同点x处有不同的波前，即不同的 相位差 。相位差等于光程差和 波数之积。即： 2 x sin x L 式中， 2
L

检测器 l
sin
x
，并认为折射率n=1。
于是本振光波可表示为：f L t AL exp j Lt L x
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： 1 2 2 A2 Pcp A cos2 td t 2 0 2 显然光波直接检测只能测量其振幅值。
分光镜 可变光阑
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。
f s t As cosst 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
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：
6.3 影响光外差检测灵敏度的因素
在本节内容中，只考虑光外差检测的空间条件和频率条件 对灵敏度的影响及改善方法。其它因素可参阅书籍。 6.3.1 光外差检测的空间条件（空间调准） 信号光和本振光的波前在光检测器光 敏面上保持相同的相位关系，才得式：
分光镜
可变光阑
iC t As AL cos L s t L s
下面就考虑一下信号光与本振光皆为平面波时，波前不重合 时对光外差检测的影响。
6.3.1 光外差检测的空间条件（空间调准）
设信号光束和本振光束之间夹角为θ，且信号光束的波阵面 平行于光敏面时，如图。 z
本振
设信号光束和本振光束的光场为：
信号
f s t As e j st s , f L t AL e j Lt L