第10章 相干探测
直接探测和相干探测[专业知识]
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(e
/
hv
)
2
2 s
in2S in2B in2D in2T
最理想情况，只有信号光电流 引起的散粒噪声（忽略吗？）
SNRd
s 2hv
f
in2S 2eISf
－－直接探测的量子极限
行业相关
20
2.直接探测系统的信噪比
2)直接探测的信噪比极限：
SNRd
s 2hv
f
－直接探测的量子极限
量子极限的另一种表达是：
例：η为1，Δf 为 1Hz， 可探测 ～2hv
9.1 直接探测
－－Drirect Detection ，又称为非相干探测 装置简单，光源为相干光源或非相干光源， 只能探测平均光功率（光强）
9.1.1直接探测的基本原理 9.1.2* 直接探测系统的视场和作用距离
9.1.3直接探测的应用举例
光电科学与工程学院
光信号
光电 探测器
电信号
E E0 cos(2 vt 0 )
响应平均光功率
响应光的频率 ···
直接探测
相干探测
行业相关
6
➢光－电信号变换
光信号
光电 探测器
电信号
E E0 cos(2 vt 0 )
入射光与探测器相互作用的物理过程
行业相关
7
第09章 直接探测和相干探测 ➢光－电信号变换
直接探测 （平均光功率） 相干探测 （光的波动参数） 探测方法的改进
S 2
{as2
ar2
as2
cos(2st
1.直接探测基本物理过程：
平方律器件： Ids SPs[1 V (t)]
－－光电探测器 响应光场包络
光场包络的 频率<1010Hz
外差(相干)探测系统 2013.4.26
初位相。
这二列波叠加的结果为：
x 1 2 Es {2 E cos[ (t ) ]} 2 c 2 1 2 x 1 2 cos[ (t ) ] 1 2 c / 1 2 c 2
iC t As AL cos L s
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。
外差检测与直接检测的性能比较
• 探测能力强：光波的振幅、相位及频率的变化 都会引起光电探测器的输出，因此外差探测不 仅能够检测出振幅和强度调制的光波信号，而 且可以检测出相位和频率调制的光信号
基本特性
fs fL
(8.1 - 16)
外差探测具有更窄的接收带宽，即对背景光有良好
的滤波性能。
• 滤波性能好
– 形成外差信号，要求信号光和本征信号空间严 格对准，而背景光入射方向是杂乱无章的，偏 振方向也不确定，不能满足外差空间调准要求， 不能形成有效的外差信号，因此该方法可以滤 掉背景光 – 同时通过检测通道的通频带刚好覆盖有用的外 差信号的频谱范围，这样杂散光形成的拍频信 号也可以被滤掉
那么测出这个低频的波速，也就测出了光速。
问题5：如何将光信号变成含低频成份的“光 拍”信号？
原理：根据振动叠加原理，两列速度相 同、振面相同、频差较小而同向传播的简谐
波的叠加即形成拍。
设有两列振幅相同、频率分别为f1和f2，且 频差△f= f1-f2很小的二列波：
E1 E cos(1t k1 x 1 ) E2 E cos( 2t k2 x 2 )
•
q / h ； :
两束光频率必须足够接近，差频信号才能处于探测器的通 频带范围内
直接探测和相干探测PPT课件
相干探测需要将待测光信号与参考光信号进行干涉，通过检测干涉图样的变化来提 取光信号的参数。
相干探测技术能够提供高精度和高灵敏度的测量结果，因此在光学测量、光谱分析、 激光雷达等领域得到广泛应用。
相干探测的应用场景
直接探测
常用于短距离光纤通信和 局域网。
适用于高精度和低噪声应 用场景。
适用于高速数据传输和低 成本应用场景。
相干探测
常用于长距离光纤通信、 卫星光通信和光雷达等领
域。
优缺点比较
直接探测的优点
结构简单、成本低、实时性好； 缺点是精度较低，容易受到噪声 和干扰的影响。
相干探测的优点
精度高、抗干扰能力强；缺点是 需要本振光信号和复杂的干涉结 构，成本较高。
直接探测和相干探测ppt课件
目录
• 引言 • 直接探测技术 • 相干探测技术 • 直接探测与相干探测的比较 • 未来展望
01 引言
主题简介
直接探测和相干探测是光通信领域中 两种重要的信号检测方式，它们在原 理、应用和优缺点等方面存在显著差 异。
相干探测则利用光干涉原理，通过比 较输入光信号与本振光的干涉结果来 获取信息。
05 未来展望
技术发展趋势
01
02
03
探测技术不断升级
随着科技的进步，直接探 测和相干探测技术将不断 升级，提高探测精度和稳 定性。
智能化发展
未来探测技术将更加智能 化，能够自动识别和判断 目标，减少人工干预。
多模态融合
将不同探测方式进行融合， 形成多模态探测系统，提 高探测效率和准确性。
应用领域拓展
直接探测和相干探测综述
2. 相干探测的基本特性 相干探测优点：（与直接探测对比）
探测能力强 转换增益高 信噪比高 滤波性好
稳定性和可靠性高
相干探测优点之一：
探测能力强，可还原信号光信息
I hs S 2as ar cos(t )
信号光波的 振幅 频率 相位 只要知道参考光的全部信息，就可以恢复 信号光波的全部信息 直接探测－－光的强度：as2
I hs S 2as ar cos(t )
s r s r
r s f s f r c s r s r
c c
<1010Hz
例：1.55µ m和1.5501µ m双光束
6 0 . 0001 10 10 3 108 1 . 25 10 Hz 12 1.55 1.5501 10
基准精度 幅度 频率 10-3～10-4 10-6～10-8 测量精度 10-2～10-3 10-5～10-7 基准稳定方法
模拟量 稳定电路
晶振， 数字锁相环
现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法！
9.1.3直接探测的应用举例
例3. 光电测距 发射光波
－－光电光波测距
0t 0 2D / c
2 2 s
最理想情况，只有信号光电流 引起的散粒噪声（忽略吗？）
s SNRd 2hv f
i
2 nS
2eISf
－－直接探测的量子极限
s SNRd 2hv f
2hv f
－直接探测的量子极限
量子极限的另一种表达是：
NEPd
－直接探测的噪声等效功率
例：η为1，Δf为1Hz，～2hν，已很接近单个光子的
要求频差极小！
相干探测激光雷达工作原理
相干探测激光雷达工作原理
嘿呀！今天咱们来聊聊相干探测激光雷达的工作原理，这可真是个超酷的话题呢！
首先呀，咱得知道啥是相干探测激光雷达。
哇！简单来说，它就是一种超级厉害的测量工具。
那它到底咋工作的呢？1. 发射激光哎呀呀，它会发射出特定频率和波长的激光束，这束光就像个勇敢的小战士，勇往直前呀！2. 遇到目标这束光跑出去后，碰到目标物啦，比如说建筑物、车辆或者其他啥东西。
3. 反射回来然后呢，光被目标物反射回来。
4. 相干检测这时候关键的步骤来啦，相干检测！这就像是一场精准的比对。
反射回来的光和原本发射出去的光相互作用，产生干涉现象。
哎呀呀，这干涉现象可太重要啦！
为啥说重要呢？因为通过对干涉信号的分析，我们就能得到好多超级有用的信息呀！比如说目标物的距离、速度、形状，哇塞！这可太神奇了不是吗？
再深入讲讲，相干探测激光雷达在测量距离的时候，那精度高得让人惊叹！它是怎么做到的呢？哎呀，这就涉及到对光的频率、相位等等的精细分析啦。
通过这些分析，哪怕是极其微小的距离变化，都能被准确地检测出来呢！
还有哦，相干探测激光雷达在测量速度的时候，也是厉害得不行！它能根据多普勒效应，准确地算出目标物的速度。
哇！这在交通监测、航空航天等领域，可发挥了大作用啦！
总之呢，相干探测激光雷达的工作原理虽然有点复杂，但是真的超级厉害呀！它为我们的生活带来了好多便利和创新，难道不是吗？未来，说不定它还会有更让人惊喜的发展呢！。
相干探测原理
相干探测原理相干探测原理是一种利用光的干涉现象来实现测量的原理。
它是基于光的相干性原理，通过测量光的相位差来获得待测量的信息。
相干探测原理在物理、光学、电子学等领域都有广泛应用。
在相干探测原理中，首先需要明确什么是光的相干性。
光的相干性是指光波之间存在一定的相位关系。
一个相干光源发出的光波是有规律的波动，不同光波之间的相位差保持不变、可测量。
当两束或多束光波相遇时，它们会发生干涉现象。
根据干涉光变化的特点，可以利用光的相干性来进行测量。
相干探测原理的核心是利用干涉现象来测量待测物理量的变化。
对于光干涉现象而言，待测物理量的变化会引起干涉光强的改变，进而通过测量光的强度变化来得知待测物理量的变化。
常见的相干探测原理有干涉仪和光纤干涉传感技术。
干涉仪是利用光的干涉现象来实现测量的一种仪器。
它由光源、分束器、反射镜、合束器、光学路径和光探测器等组成。
当光通过分束器后分成两束光，并分别经过不同的光学路径后再次相遇时，会发生干涉现象。
根据干涉光强的变化来测量待测物理量的变化。
光纤干涉传感技术是一种基于光纤和干涉原理的测量技术。
它利用光纤的传导特性和光的干涉现象来实现对物理量的测量。
光纤干涉传感技术具有体积小、反应迅速、抗干扰能力强等优点，广泛应用于光纤传感、光纤通信等领域。
相干探测原理在现代科学和技术中有着广泛的应用。
无损检测领域中常使用相干探测原理进行材料的缺陷检测；光学仪器领域中，干涉仪被广泛应用于光学测量、光波导等领域的研究中；激光干涉测量技术通过相干探测原理实现了高精度、非接触的测量等。
相干探测原理是一种利用光的相干性和干涉现象来实现测量的原理。
它在物理、光学、电子学等领域有着广泛的应用，并在现代科学和技术中发挥着重要的作用。
第八章 外差(相干)探测系统
y
KL K Ly Ks
K Lx
y
θ θ
O
x l z
O
D
x
图8.3– 1
坐标关系
注意到在探测器面上x=0， 则有 es=Es cosωst eL=EL cos(ωLt+KL sinθ·y) 在(0,y)点上的中频电流 iIF (0,y,t)=α·EsEL cos(ωIFt+KL·y·sinθ) =α·E E =α Es·EL cos(ωIFt+KL·y·θ) y θ) (8.3 - 6) (8.3 - 4) (8.3 - 5)
∆f =
C
λ
∆λ = 3 × 109 Hz 2
(8.1 - 15)
在外差探测中， 情况发生了根本变化。 如果取差 频宽度作为信息处理器的通频带∆f， 即
ωs − ωL ∆ f IF = 2π
= fs − fL
(8.1 - 16)
外差探测具有更窄的接收带宽， 外差探测具有更窄的接收带宽，即对背景光有良好 的滤波性能。 的滤波性能。
这里c是光速。
ω IF
c
(8.3 - 16)
总的中频电流为
iIF (t ) =
α
D∫
D/2
−D / 2
iIF (0, x, y )dy
∆ K IF Dθ sin 2 = α Es E L cos ω IF t ⋅ ∆ K IF ⋅ Dθ 2
(8.3 - 17)
y
K
s
K
L
θ
Kcos θ
O l
θ
Ksin θ
D
x
图 8.3 - 2 两束光平行但不垂直于探测器
考虑到sinθ≈θ， y点产生的中频电流iIF (0，y，t)可 以写为 iIF (0,y,t)=αEsEL cos(ωIFt+∆KIFy sinθ) 式中 (8.3 - 15)
直接探测和相干探测
直接探测和相干探测概述直接探测和相干探测是两种常用的信号探测方法。
直接探测是通过直接测量信号的幅度或频率来判断信号的存在与否，而相干探测则是通过与参考信号进行干扰相消来提高探测性能。
本文将对这两种探测方法进行详细介绍，并对它们的优缺点进行讨论。
直接探测直接探测是一种简单直接的信号探测方法。
在直接探测中，我们直接测量信号的幅度或频率，并将其与一个预设的阈值进行比较。
如果信号的幅度或频率超过了阈值，则判定信号存在；否则，判定信号不存在。
直接探测在实际应用中非常常见，例如在无线通信中，接收机常常通过测量信号的功率来判断信道的质量。
另外，在雷达系统中，也可以使用直接探测来探测目标的存在。
然而，直接探测方法存在一些缺点。
首先，它对噪声非常敏感，噪声的存在往往会导致误判。
其次，直接探测方法通常无法提供对信号的相位信息的判断，这在某些应用中可能是十分重要的。
相干探测相干探测是一种基于相干性原理的信号探测方法。
在相干探测中，我们通过将接收到的信号与一个已知的参考信号进行干扰相消，从而提高探测性能。
相干探测的核心思想是利用干扰相消来减小噪声的影响，并提高信号与噪声之间的信噪比。
通过与参考信号进行相关运算，我们可以将信号的相位信息从噪声中提取出来，从而实现对信号的更准确的判断。
相干探测在很多应用中被广泛使用。
在通信系统中，相干解调可以大大提高接收机的性能。
在雷达系统中，相干处理可以提供目标的精确距离和速度信息。
然而，相干探测方法也存在一些限制。
首先，相干探测方法通常需要事先获得参考信号，这对于某些应用来说可能是十分困难的。
其次，对于复杂的信号，相干探测可能需要耗费大量的计算资源。
优缺点比较直接探测和相干探测具有不同的优缺点。
直接探测方法简单直接，适用于一些简单的探测问题。
然而，直接探测方法对噪声非常敏感，且无法提供对信号相位的判断。
相比之下，相干探测方法可以通过干扰相消来减小噪声的影响，并提高探测性能。
相干探测还可以提供对信号的相位信息的判断，这对于一些需要精确测量的应用非常重要。
第10章 相干探测
As Ar cos[(ωr − ωs )t + (ϕr − ϕs )]}
<1010Hz
1014～1015Hz
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
8
光探测器输出的光电流
ip (t) = β E 2 (t) = β[Es (t) + Er (t)]2
β = eη
hv
= β{As2 cos2 (ωst + ϕs ) + Ar2 cos2 (ωrt + ϕr ) + As Ar cos[(ωr + ωs )t + (ϕr + ϕs )] + As Ar cos[(ωr − ωs )t + (ϕr − ϕs )]}
有高度的单色性和频率
稳定性。
如何获得单频光和稳频光？
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
16
为什么需要角准直？
探测器接收面上沿x方向各点的相位不同
信号光和本振光的波前在光混频器表面上 没有相同的位相关系
导致混频输出电流信号减小
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
17
为什么需要角准直？
探测器表面各点 相位相同时：
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
2
第10章 相干探测系统
10.1 相干探测原理 10.2 相干探测特性 10.3 影响相干探测灵敏度的因素
• 空间条件 • 频率条件
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
3
10.1 相干探测原理
信号光和参考光在满足波前匹配条件下在光电探测器上进行 光学混频。探测器输出的是两光波光频之差的拍频信号，该 信号包含有调制信号的振幅、频率和相位等特征。通过检测 拍频信号可以解调出被传送的信息。
第8章 外差(相干)探测系统
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外差探测系统
光频外差探测，就是把以 为载频的光频信息转换到以ω 光频信息转换到以 光频外差探测，就是把以ωs为载频的光频信息转换到以 IF 为载频的中频电流 中频电流上 这一“转换”是本振光的作用， 为载频的中频电流上。这一“转换”是本振光的作用，它 使外差探测具有一种天然的转换增益 转换增益。 使外差探测具有一种天然的转换增益。 在同样信号光功率P 条件下， 在同样信号光功率 s 条件下，相干探测和直接探测方法得 到的信号功率比， 转换增益为 到的信号功率比，即转换增益为：
2 2
有效中频功率与信号光功率和本振光信号平均功率乘 积有关。 积有关。
上页 下页 后退
外差探测系统
调幅信号的相干探测
信息信号加载在频率为ω 若调制频率为 的信息信号加载在频率为 s的光波振幅 调幅光波可表示为： 上，调幅光波可表示为：
调幅波振 幅平均值 第n次谐波分量的 次谐波分量的 圆频率和初始相位
ωLs 光电探测器转换的信号电源正比于瞬时中频电流。 光电探测器转换的信号电源正比于瞬时中频电流。光波 振幅上所携带的调制信号完全无畸变地转移到频率为 ωLs=ωL－ωs的电流上去。 的电流上去。 调频、调相方式的相干探测与之类似， 调频、调相方式的相干探测与之类似，但直接探测则无 法达到。 法达到。
上页 下页 后退
外差探测系统
§8-2 光频外差探测的特点
1 高的转换增益
信号光功率，本振光功率与相应电场振幅的关系为： 信号光功率，本振光功率与相应电场振幅的关系为：
探测的相干原理
探测的相干原理相干原理是指在光学领域中，利用光波的相干性质进行测量或探测的原理。
相干原理是由光波的干涉和波动性质所决定的，它在光学成像、干涉计量、光谱分析等领域发挥着重要作用。
相干光的干涉是基于光波的叠加原理。
当两束光波相遇时，它们会相互干涉，形成干涉条纹。
干涉可以通过增强或抑制光波的振幅来实现对光波的探测与测量。
光的干涉分为两大类：一是干涉现象的观察，即观察干涉条纹，如杨氏双缝干涉、牛顿环等；二是以干涉为基础进行测量，利用干涉的移相性质进行精确测量，如反射镜的起波面测量等。
干涉现象的观察是最直观的相干原理的例证之一。
例如杨氏双缝干涉实验，通过将光源分别经过两个狭缝再投射到屏幕上，在屏幕上就会出现明暗交替的干涉条纹。
这是因为两束光波在空间中相互干涉后，波峰与波谷相加形成明亮的区域，而波峰与波峰、波谷与波谷相加形成暗亮的区域。
观察和记录这些干涉条纹的分布情况，可以推导出光的波长、波速等重要参数。
利用干涉的移相性质进行测量是相干原理的另一个重要应用。
例如反射镜的起波面测量，通过将待测反射镜与已知平面镜放置在同一光路上，观察两者干涉的条纹。
由于反射镜的反射特性和形状等因素的影响，干涉条纹的分布情况会发生变化。
通过观察并分析这些变化，可以得到反射镜的起波面信息，从而精确测量出反射镜的形状和表面的偏差。
相干原理在光学成像中也有广泛的应用。
例如在电子显微镜中，由于电子波长较短且具有较高的相干性质，可以通过干涉现象实现叠加和放大，从而得到高分辨率的图像。
类似地，同样可以利用相干性质进行光学干涉成像，如Holliday干涉成像技术。
在该技术中，利用相干光源和探测系统，通过对样品的干涉特性进行分析，可以获取样品表面的形貌信息。
此外，相干原理还在光谱分析中发挥着重要作用。
例如通过干涉光谱仪进行光谱分析，这是利用光波的相干性质实现的。
在这种设备中，通过将光波分为光路A 和光路B，然后使其以一定的相位差进入干涉器。
通过干涉器的干涉效应，可以对光波进行分解与合成，从而实现光谱的测量和分析。
第10章 相干探测
2
• 相干探测将光波振幅上所载的调制信号（频率为 ωS ）完全无畸变地转移到频率为ωLS＝ωL －ωS 的 电流上。
mn A0 ES (t ) A0 cos(S t s ) cos[(S n )t (S n )] 2 n 1 mn A0 cos[(S n )t (S n )] 2 n 1
2
在同样信号光功率PS条件下，这两种探测方法所得到的信号 功率比G为
PIF 2 PL G SP PS
PL PS , G 107 ~ 108
二、可获得全部信息——振幅、频率、位相
• 在直接探测中，光探测器输出的光电流随信号光的振幅或 强度的变化而变化，光探测器对信号光的频率或相位变化 不响应。 • 在相干探测中，光电探测器输出的中频光电流的振幅、频 率和相位都随信号光的振幅、频率和相位的变化而变化。 这使我们能把频率调制和相位调制的信号光像幅度调制或 强度调制一样进行解调。
• 设信号光为：
ES (t ) AS cos(S t S )
• 参考（本振）光为： E L (t ) • 合成：
AL cos( L t L )
Et (t ) AS cos(S t S ) AL cos(Lt L )
• 光混频器输出光电流：
iP E (t ) Es (t ) EL (t )
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光电流正比于信号光的平均 光功率，即光探测器输出的电功率正比于信号光平均光功 率的平方。 2
e 2 S p I RL Ps RL hν
2 p
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。通常，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、遥感、空间光通信等应用)，因而，在直接探测中光 探测器输出的电信号也是极其微弱的。在相干探测过程中， 尽管信号光功率非常小，但只要本振光功率足够大，仍能 得到可观的中频输出。相干探测对微弱光信号的探测特别 2 有利。 e
相干探测的原理与应用举例
相干探测的原理与应用举例1. 什么是相干探测？相干探测是一种用于研究信号相互关系的实验技术，通过测量信号在不同时间或空间上的相关性来研究信号的相干性。
相干性是指信号在时间或空间上的共振特性，它对于分析信号的相互干扰、噪声特性以及信号传输等问题非常重要。
2. 相干探测的原理相干探测的原理基于信号的干涉效应。
当两个或多个相干光波相遇时，它们会发生干涉现象，干涉效应取决于光波的相对相位差。
相干光波的干涉可以通过光强干涉、干涉色彩和干涉图样等方式进行观测和测量。
相干探测的实现通常包括以下两个关键步骤： - 生成相干光源：使用激光器等光源产生具有相同频率和固定相位差的相干光波。
- 测量干涉现象：将相干光波引入干涉仪或其他干涉装置，观察和测量干涉图样、干涉色彩或干涉信号。
3. 相干探测的应用举例相干探测技术在许多领域中都有广泛的应用。
以下是一些常见的应用举例：3.1 光学通信光纤通信是一种基于光传输的通信方式，时间上相干性是一个重要的考虑因素。
相干探测技术可以用于评估信号的传输质量和抗干扰能力。
通过测量光信号的相干度、干涉图样等信息，可以判断光信号是否会产生串扰、失真或衰减等问题。
3.2 光学成像相干成像是一种基于光波干涉的成像技术，可以获得高分辨率的图像。
相干探测技术在医学成像、生物显微镜和材料表面形貌测量等领域中得到广泛应用。
通过测量光信号的干涉变化，可以还原被测物体的形状、尺寸和结构等信息。
3.3 光学干涉谱学干涉谱学是一种基于光波干涉的分析技术，可以用于分析被测样品的光学性质和化学组成。
相干探测技术可以用于测量光波在样品中的干涉变化，从而获得样品的透射谱、反射谱和散射谱等信息。
干涉谱学在材料科学、化学分析和生物医学等领域中具有重要的应用价值。
3.4 干涉测量相干探测可以通过测量干涉信号的变化来实现高精度测量。
例如，通过测量干涉条纹的位移或幅度变化，可以实现纳米级别的位移测量、形变测量和震动测量等。
改 10直接探测和相干探测
l =?
2π / 2π(2nl / ) 2π( N m)
2nl 3.5 l 1.75
光场包络的 频率<1010Hz
I as S s [1 V (t )] e I as s [1 V (t )] h
例1 比较光场频率和光强度信号的变化频率 设光栅的栅距P＝40μm 相对移动的速度V =1cm/s 半导体激光器,波长λ =890nm 光场频率 v =?
s c / 3 108 / 890 109 3.37 1014 Hz
热力学方法，制冷降低探测器噪声 *提高器件内增益（光电倍增管、雪崩管）
例：红外探测系统
光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜· ·
第十章
直接探测和相干探测
光－电信号变换
直接探测 （平均光功率） 相干探测 （光的波动参数）
第10章 直接探测和相干探测 直接探测：（非相干探测）
装置简单，光源为相干光源或非相干光 源，只能探测光功率（光强）。
光强度信号的变化频率f = ？
m x [1 cos(2π )] 2 P m V [1 cos(2π t )] 2 P V m v 250Hz [1 cos(2πvt )] P 2
2.直接探测系统的光子信噪比(光信号输出/ 光噪声输出)
经推导得(江月松P255)，输出电信号信噪比为：
10.2.4 相干探测的应用举例
1)单频激光测长
单频
I hs Sas ar cos(t )
I hs Sar as cos
2π /
参考光
2 nl
信号光
2π / 2π(2nl / ) 2π( N m)
第10章 相干探测应用(1)
流体运动作品
这是一张图解，用来描述所谓的冯 ·卡门涡街现象。这种现象以匈牙 利空气动力学家西奥多·冯·卡门涡街的名字命名。 当气流在一个物体周围流动时，冯 ·卡门涡街便会出现，气流会 在物体后方分裂成一系列尾流和旋涡。图片中的这个物体是一个中空 圆柱。这幅图片由柏林祖斯研究所、柏林理工学院以及东北大学的科 学家制作。他们表示，蓝紫色区域是尾流相遇的地方，红色区域内的 气流将随后分裂。所呈现的景象让人联想到从空中看到的河谷。
NEPh = hν∆f / η
－－实际中容易达到
信噪比高、滤波性好等优点，要求满足空间、频率和偏振条件， 设备较复杂，要求光源相干性好。 －－相位调制检测（单一频分光，干涉测量） －－频率调制检测（运动参量、固定频移和直接调频）
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新加坡南洋理工大学拍摄。 图片中的气泡由于撞击彼 此的邻居呈现出畸形， 25 个气泡是利用激光脉冲在 流体中同时产生的。 在这种排列方式下， 中部气泡内的气压与周围 流体几乎相同，这就允许 气泡在破裂前变得更大。 但由于周围流体压力更大， 外部气泡几乎立即破裂。 这幅照片是在施加激光脉 冲6微秒后拍摄的，拍摄时 边缘气泡已经开始破裂， 中部气泡也几乎达到所能 达到的最大体积。
第10章 相干探测系统
10.1 相干探测原理 10.2 相干探测特性 10.3 影响相干探测灵敏度的因素 • 空间条件 • 频率条件
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
1
ic (t ) = βAs Ar cos[(ωr − ω s )t + (ϕ r − ϕ s )]
= 0，ϕs ∆v = vs − vr ≠ 0，vs
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e iIF 2 h
PL Ps cos ( L S )t (L S )
三、良好的滤波性能
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。 因为相干接收时要求信号光和本地振荡光空间方向严格调 准。而背景光入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求， 于是就不能得到输出。所以相干探测自身有很好的空间滤 波性能，无需像直接探测那样在系统中加孔径光阑和滤光 片。
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光电流正比于信号光的平均 光功率，即光探测器输出的电功率正比于信号光平均光功 率的平方。 2
e 2 S p I RL Ps RL hν
2 p
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。通常，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、遥感、空间光通信等应用)，因而，在直接探测中光 探测器输出的电信号也是极其微弱的。在相干探测过程中， 尽管信号光功率非常小，但只要本振光功率足够大，仍能 得到可观的中频输出。相干探测对微弱光信号的探测特别 2 有利。 e
2
在同样信号光功率PS条件下，这两种探测方法所得到的信号 功率比G为
PIF 2 PL G SP PS
PL PS , G 107 ~ 108
二、可获得全部信息——振幅、频率、位相
• 在直接探测中，光探测器输出的光电流随信号光的振幅或 强度的变化而变化，光探测器对信号光的频率或相位变化 不响应。 • 在相干探测中，光电探测器输出的中频光电流的振幅、频 率和相位都随信号光的振幅、频率和相位的变化而变化。 这使我们能把频率调制和相位调制的信号光像幅度调制或 强度调制一样进行解调。
§10－1 相干探测原理
当偏振方向相同、传播方向平行且重合的两束光垂 直入射到光混频器上时，一束是频率为νL的本振光， 另一束是频率为νS的信号光，光混频器可在频率νL、 νS的和频(νL +νS)、差频(νL -νS)处产生输出。
但在实际情况下，光频νL、νS 的和频(νL+νS) 极高，其远远超出相干探测系统的频率响应范围。 因此在光混频器的输出中只须考虑频率较低的差 频项，亦即中频信号iIF。 这个中频(差额)信号包含了信号光所携带的全部 信息。
隔掉直流、截止高频、保留中频
e iIF h
PL Ps cos ( L S )t (L S )
相干探测可解调强度调制、频率调制、位相调制的 光信号
VIF iIF RL
V e P IF 2 PS PL RL RL hν
2 IF
第十章
相干探测
相干探测又称为光外差探测。其探测原理与微波及无线电 外差探测原理相似，但由于光波比微波的波长短103～104 倍，因而其探测精度比微波高103～104 倍。
相干探测与直接探测比较，其测量精度高107～108倍，它 的灵敏度达到了量子噪声限，可探测单个光子，进行光子 计数。 相干探测方式探测目标或相干通信的作用距离比直接探测 远得多。 相干探测要求相干性极好的光源才能进行测量。而相干光 源——激光，受大气湍流效应影响严重，会破坏激光的相 干性。因而目前远距离相干探测在大气中应用受到限制， 但在外层空间特别是卫星之间通信联系已达到实用阶段。
2 t
2
e 2 e 2 iP Et (t ) [ As cos(s t s ) AL cos( Lt L )] h h e 2 2 2 AS cos (S t S ) AL cos2 ( Lt L ) h AS AL [cos( L S )t L S ]
iIF e AL A0 [cos( L S )t (L S )] h
e h mn A0 cos[cos( L S n )t (L S n )] 2 n 1
e h
mn A0 cos[cos( L S n )t (L S n )] 2 n 1
2
• 相干探测将光波振幅上所载的调制信号（频率为 ωS ）完全无畸变地转移到频率为ωLS＝ωL －ωS 的 电流上。
mn A0 ES (t ) A0 cos(S t s ) cos[(S n )t (S n )] 2 n 1 mn A0 cos[(S n )t (S n )] 2 n 1
展开得：
AS AL [cos( L S )t L S ]
~
e ip PS PL PL PS cos[(L S )t (L S )] h PL PS cos[(L S )t (L S )]
PS：平均信号光功率；PL：平均本振光功率
• 设信号光为：
ES (t ) AS cos(S t S )
• 参考（本振）光为： E L (t ) • 合成：
AL cos( L t L )
Et (t ) AS cos(S t S ) AL cos(Lt L )
• 光混频器输出光电流：
iP E (t ) Es (t ) 点
一、转换增益高
相干探测时，光电探测器经负载电阻输出的信号功率为
2
e P IF 2 PS PL RL hν
直接探测时，光电探测器经负载电阻输出的信号功率为
e 2 S p I RL Ps RL hν
2 p