第六章 光外差检测系统2

第六章 光外差检测系统
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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, 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, 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。
Pc = 2 S 2 Ps PL R L
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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－ 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 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
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光外差检测的空间和频率条件
•
λL 空间条件： 空间条件： sin θ << π l θ:两束光的夹角，l=d：检测 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 位差角θ越小，越难满足要 求．
• 频率条件： 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
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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.
5.
测量精度高7 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 灵敏度达到量子噪声极限，其NEP值可达10-20W。 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 在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。 外差检测在高频（υ≥10 Hz）光波时不如直接检测有 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。
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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 2π 2 A2 Pcp = A cos 2 ω td (ω t ) = 2π ∫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。
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
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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 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：
f s (t ) = As cos(ωst + ϕs )
f L (t ) = AL cos(ωLt + ϕL )
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那么，入射到检测器上的总光场为：
f (t ) = As cos(ωst + ϕs ) + AL cos(ωLt + ϕL )
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：
i p (t )=α f (t ) =α [ f s (t )+ f L (t )]2 __________ _____ 2 __________ ____ 2 =α As cos 2 (ω s t + ϕ s )+ AL cos 2 (ω L t + ϕ L )+ As AL cos [(ω L + ω s )t + (ϕ L + ϕ s )]+ As AL cos [(ω L − ω s )t + (ϕ L −ϕ s )]
__________ __________ ______ __________ __________ ____ _______ 2 __________ ___
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。
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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 )=αAs AL cos [(ω L −ω s )t + (ϕ L −ϕ s )]
中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：
VC (t )=iC (t ) RL =αAs AL RL cos [(ω L −ω s )t + (ϕ L −ϕ 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 均值，即： ____ 2 V C2 eη PC = = 2 Ps PL R L RL hν 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 )=αAs AL cos [(ϕ L −ϕ s )]
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
iC (t )=αAs AL cos [(ω L −ω s )t + (ϕ L −ϕ 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 高 光外差检测转换增益G高
eη PC = 2 Ps PL R L 光外差检测中频输出有效信号功率为： hν
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eη 2 在直接检测中，检测器输出电功率为： P0 = Ps R L hν 两种方法得到的信号功率比G为： PC 2 PL G = = P0 Ps
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可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。
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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Δ 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。 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。 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。 目标沿光束方向运动速度υ=0-15m/s， 例：目标沿光束方向运动速度υ=0-15m/s，对于10.6um CO2激光信号 多普勒频率f 多普勒频率fs为： 通频带Δ 取为： 通频带Δf1取为： ∆f1 = f s − f L = f L 2ν = c 2ν = 3MHz
c 2ν f s = f L 1 + 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， 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， 1nm 即通频带Δ =3000MHz。 即通频带Δf2=3000MHz。
λL c
可见，外差检测对背景光有强抑制作用。 可见，外差检测对背景光有强抑制作用。 速度越快，多普勒频率越大，通频带越宽。 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， 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 比等于输出信噪比，输出信噪比没有损失。 输入信噪 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。
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最小可检测功率— 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： 内部增益为M的光外差检测器输出有效信号功率为：
PC eη = 2 M Ps PL R L hν
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检测系统中检测器本身的散粒噪声和热噪声是影响最大， 检测系统中检测器本身的散粒噪声和热噪声是影响最大，难以 散粒噪声和热噪声是影响最大 消除的。则外差检测输出的散粒噪声和热噪声表示为： 消除的。则外差检测输出的散粒噪声和热噪声表示为： 2 eη (Ps + PB + PL ) + I d ∆ fR L + 4 kT ∆ f Pn = 2 M e hν
功率信噪比为： 功率信噪比为：
(SNR ) p
eη M Ps PL R L hν = eη (Ps + PB + PL ) + I d ∆ fR L + 2 kT ∆ f M 2e hν
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当本征功率P 足够大时，本征散粒噪声远超过所有其它噪声，则上式变为： 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
η Ps = hν∆f
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 极限，
量子噪声限。 量子噪声限。
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最小可检测功率— 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， 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， 是有利的。 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， 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。 振光功率，以便得到最佳信噪比和较大的中频转换增益。 最佳信噪比和较大的中频转换增益
引入最小可检测功率（等效噪声功率） 表示， 引入最小可检测功率（等效噪声功率）NEP表示，在量子检测 最小可检测功率 表示 极限下，光外差检测的NEP值为： 值为： 极限下，光外差检测的 值为 ηP s
即 SNR =1 的 号 率 时 信 功
Ps 最小 = NEP =
hν∆f
(SNR) p =
2hν∆f
hν∆f
η
NEP =
在光电直接检测系统的量子极限为： 在光电直接检测系统的量子极限为：
η
这里面需要说明的是： 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。 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。 足够的本振光是容易实现的 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。 总之，检测灵敏度高是光外差检测的突出优点。 是光外差检测的突出优点
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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： 求高得多，主要如下： 响应频带宽。 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， 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 Hz。 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 均匀性好。外差检测中检测器即为混频器， 面上信号光束和本振荡光束发生相干产生差频信号， 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， 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。 光敏面上都是一致。特别是跟踪系统的四象限列阵检测器。 工作温度高。在实验室工作时，工作温度无严格要求。 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。 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 红外检测器件。 HgCdTe红外检测器件。(P140 表6-2)