第八章-相干变换与检测

如果把信号的测量限制在差频的通带范围内，则可得到通过以IF 为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为
iIF 2 AS AL cos L S t L S
在中频滤波器输出端，瞬时中频电压为
VIF 2 AS ALRL 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
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 fL ，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，
写成等式并展开，则有
iP Et2 t AS 2 cos2 St S AL2 cos2 Lt L
AS ALcos L S t L S AS ALcos L S t L S
用平均信号光功率PS 和平均本振光功率 PL 表示
iP
2
PS 2
PL 2
PS PL cos L S t L S
LS L S
相干探测的特点
从理论上讲，在探测能力方面相干探测与直接探测相比，有如 下几个特点。
1. 转换增益高 相干探测时，光电探测器经单位电阻输出的信号
功率为
PIF
2
e
hv
2
PS
PL
直接探测时，光电探测器经单位电阻输出的信号功率为
SP
e 2
hv
PS 2
在同样信号光功率条件下，这两种探测方法所得到的信号功率 比G（转换增益）为
PIF
VIF 2
RL
2
e
hv
2
PS
PL RL
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。
下面进一步考虑信号光场为调幅信号，即由光波振幅携带信息时， 相干探测的输出信号。
调幅光波表示为
ES
t
A0
1
n1
mn
cos
n
n
cos St
S
A0
cos
St
S
n1
mn A0 2
cos
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
PIF
2
e
hv
2
G
2
PS
PL
RL
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 fIF 的带通滤波器输出端， 电噪声功率为
S
n
t
S
n
n1
mn A0 2
cos
SnBiblioteka tSn信号光的频率
当调幅信号光与平面本振光相干后，其瞬时中频电流为
iIF AL A0 cos L S t L S
AL
n1
mn A0 2
cos L
S
n
t
L
S
n
AL
n1
mn A0 2
cos
L
S
n
t
L
S
n
光电探测器转换的信号点源正比于瞬时中频电流，的频谱如图8 －57所示。
G PIF SP 2PL PS
2. 可获得全部信息 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 AS AL、频率L S 和相位 L S 都随信号光的振幅、频率和相 位的变化而变化。
第一节 相干变换与检测的原理 第二节 相干信号的相位调制与检测 第三节 相干光外差检测原理与方法
一、光学干涉和干涉测量 二、干涉测量中的调制和解调
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。相干探测与直接探测比较， 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。相干探测在激光通信、雷达、测长、测 速、测振、光谱学等方面应用广泛，显然，用相干探 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。而相干光源——激光受大气湍流效应的影响严 重，破坏了激光的相干性。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。
目标沿光束方向的运动速度 v 0 ~ 15m/s，对于10.6μm 的CO2激 光，经目标反射后回波的多普勒频率 fS 为
fS
fL
1
2
c
则信号光束与本地振荡光束的差频为
fS fL
fL
2 c c L
2 2 c L
可以求得
fS fL 3106 Hz
若取放大器的带宽 f相为最大频移，则
相干探测的原理
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，假设一束是频率为 fL 的本振光，另一束是频率为 fS 的信号光，光混频器可在频率 L 、 S 和频 L S 差频 L S 处产 生输出。但在实际情况下，光频 L 、 S和 L S 极高，远远超出 相干探测系统的响应频率范围。因此在光混频器的输出中只需 考虑频率较低的差频项，亦即中频信号。这个中频（差频）信 号包含了信号光所携带的全部信息。图8－55示出了相干探测的 原理图。
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
f滤
f2
f1
c2 1
12
c
22
3109 Hz
两种情况带宽之比
f滤 103 f相
可见，相干探测对背景光谱有很好的抑制作用
4. 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。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。
两个光电场的标量分别为
ES t AS cosSt S EL t AL cosLt L
在光混频器光敏面上总的电场为
Et t AS cosSt S AL cosLt L
由于光混频器的输出与入射的光强或光电场的平方成正比，所 以光混频器输出的光电流为
iP Et2 t ES t EL t 2
3. 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。