4.10 光频外差探测的基本原理

EL t AL cos L L
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由于信号光与本振光波前有一失配角 ，所以信号光斜入射到 光混频器表面，在光混频器接收面上沿x方向各点的相位是不同 的，可将信号光电场写为
2 sin ES t AS cos S t S x S
在直接探测中，输出信号电流的振幅 外差转换增益 由于在外差探测中，本机振荡光功率PL比信号光功率大几 个数量级，所以，外差转换增益可以高达107 ~ 倍。这是外差探侧的第二个优点。
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10 8 。由 此看出，外差探测灵敏度比直接探测灵敏度高107 ~ 10 8
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即
sin
S d
失配角与信号波长成正比，与光混频器的尺寸成反比。相干 探测的空间准直要求是非常严格的。在红外波段光外差探测比 在可见光波段有利的多。
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2、相干探测的频率条件 为了获得高灵敏度的相干探测，还要求信号光和本振光具 有高度的单色性和频率稳定度。从物理光学的观点来看，相干 探测是两束光波叠加后产生干涉的结果。显然，这种干涉取决 于信号光束和本振光束的单色性。所谓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。激光的重要特点之一就是 具有高度的单色性。 信号光和本振光的频率漂移如不能限制在一定范围内，则 相干探测系统的性能就会变坏。这是因为，如果信号光和本振 光的频率相对漂移很大，两者频率之差就有可能大大超过中频 滤波器带宽，因此，光混频器之后的前置放大和中频放大电路 对中频信号不能正常地加以放大。所以，在光相干探测中，需 要采用专门措施稳定信号光和本振光的频率，这也是使相干探 测方法比直接探测方法更为复杂的一个原因。
2
e N P 2G e PS PL PB I D f IF RL 4kT f IF hv
2
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中频滤波器输出端的信号噪声（功率）比为
PIF S N IF N P G 2 ef e P P P I R 2kT f S L B D L IF IF hv
f相 3MHz
如果直接探测加光谱滤光片，滤波片带宽为1.0nm，所对应的带 宽为 c 2 1 c f滤 f 2 f1 2 3 109 Hz
12
2
两种情况带宽之比
f滤 103 f相
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பைடு நூலகம்
可见，外差探测对背景光有强抑制作用。这是光外差探测的 第三个优点。 10
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4.10 光频外差探测的基本原理
技术领域：全息探测技术（中频交流分量） 探测范围：弱信号（107～108） 探测原理：相干探测（相干条件）
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1
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光频外差探侧：两束光波在光电探测器光敏面上
d 1 2
S
，所以瞬时中频电流的大小与失配角有关。
d 1 0。即要求失配角 2
d 1 时瞬时中频电流达到最大值，此时要求 1 2
0 ， 由于实际原
因， 角很难调整到零，为了得到尽可能大的中频输出，总是 希望因子
sin d 1 2
尽可能接近于1，要满足这一条件，只有
d 1 1 2
3
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入射到探测器上的总光场为
由于光探测器的响应与光电场的平方成正比，所以光探测器 的光电流为
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式中：
是光电变换系数，η为量子效率 hυ为光子能量，ωc
=ωL-ωs称为差额。
令
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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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
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
在中频滤波器输出端输出的有效中频功率就是瞬时中频功率在中 频周期内的平均值，即
VIF e PIF 2 PS PL RL RL hv
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为了研究两光束波前不重合对相干 探测的影响，假设信号光和本振光 都是平面波，信号光波前和本振光 波前之间有一夹角。为简化分析， 假定光混频器的光敏面是边长为d 的正方形。在分析中，假定本振光 沿垂直于光混频器表面的方向入射， 因此，令本振光电场为 相干探测的空间关系
(2)激光干涉测长仪的光路没置
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该光路中，使用角锥棱镜代替了平面反射镜作 为反射器，一方面避免了反射光束反馈回激光器而 对激光器带来的不利影响，另一方面由于角锥棱镜 的特点，使得出射光束与入射光束平行，而棱镜绕 任一转轴的转动均不影响出射光束的方向，当它绕 光学中心转动的角度不大时，它对光程的影响可以 忽赂。 角锥棱镜的形状相当于立方体切下来的一个角， 它的三个内表面作为光学反射面并相互垂直。当光 从基面入射，可在三个直角面上依次反射，仍从基 面出射。出射光线与入射光线总保持平行。
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五 相干探测的的空间相位条件
影响相干探测灵敏度的因素很多，诸如本振场的频率稳定 度、噪声；信号光波和本振光波的空间调准及场匹配、光源的 模式；传输通道的干扰以及电子噪声等都影响探测灵敏度。在 这一小节我们只考虑相干探测的空间条件和频率条件。 1、相干探测的空间条件 在相干探测原理一节中，曾假定信号光束和本振光束重合 并垂直入射到光混频器表面上，亦即信号光和本振光的波前在 光混频器表面上保持相同的相位关系，据此导出了通过带通滤 波器的瞬时中频电流。这就要求信号光和本振光的波前必须重 合，也就是说，必须保持信号光和本振光在空间上的角准直。
发生相干，获得振幅、频率和相位信号。 应用领域：光外差探侧在激光通信、雷达、测 长、测速、测振、光谱学等方面都很有用。精度达 7~8个数量级。 适用范围：激光受大气湍流效应影响严重，破 坏了激光的相干性，因而目前远距离外差探测在大 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。
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，则上式简化为
2e G PS PL RL hv
2
P S S hvf IF N IF
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。
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。
NEP
hvf IF

输人信噪比等于输出信噪比，输出信躁比没有任何损失。 这是外差探测的第四个优点。
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四、光外差探测典型系统
1．干涉测量技术 (1)激光干涉测长的基本原理
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d /2 d /2
2
经中频滤波器后输出端瞬时中频电流为
2 sin iIF t AS AL cos L S t L S d / 2 d / 2 S
d /2 d /2
x dxdy
2 2
有效中频功率与信号光平均光功率和本振光信号平均光功率乘积 有关。

外差探测不仅可探测振幅和强度调制的光信号，还可探测频 率调制及相位调制的光信号。这是外差探测的第一个优点。
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二、光外差探测特性
1、转换增益
光探测器输出电流振幅为
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一、光外差探测原理
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fs为信号光波，fL为本机振荡(本振)光波，这两 束平面平行的相干光，经过分光镜和可变光阑入 射到探测器表面进行混频，形成相干光场。经探 测器变换后，输出信号中包含 fc＝fs –fL 的差频信 号，故又称相干探测。
上式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1／2。第三项(和频 项)是余弦函数的平均值，应为零。 而第四项(差频项)相对光频而言，频率要低得多。当差频ωc /2π低于 光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为ωc /2π的光电流输出。
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3．外差探测信噪比
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。 假定光混频器具有内部增益G，光混频器的中频输出功率为
e 2 PIF 2 SP L RL G P hv
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。在此只考虑不可能消除或难以抑制 的散粒噪声和热噪声两种。在带宽为 f IF的带通滤波器输出端， 电噪声功率为
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举例：如果取差频信号宽度(S L ) / 2 为探测器后面放大器的通频 带 f ，即 f (S L ) / 2 fS f L，那么只有与本地振荡光束混频后 相干信号落在此频带内所对应的杂光才可以进入系统，其它杂光 所形成的噪声均被放大器滤掉。因此，相干探测系统中不加光谱 滤光片其效果仍比加滤光片的直接探测系统好得多。例如，目标 沿光束方向的运动速度 v 0 ~ 15m/s ，对于10.6 μ m 的CO2激光，经 目标反射后回波的多普勒频率 f S 为
积分上式得
d 1 iIF d AS AL cos L S t L S sin 2
2
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d 1 2
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由于 1
2 sin
显然
sin
亦即要求失配角
d 1 2
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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
fS
2 f L 1 c
则信号光束与本地振荡光束的差频为
2 c 2 2 fS fL fL c L c L
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可以求得
f S f L 310 Hz
6
若取放大器的带宽f相为最大频移，则