相干探测

§10-2相干探测的特点 一、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 直接探测时，光电探测器经单位输出的功 率信号为 在同样信号光功率条件下这两种探测方法 得到的信号功率比G为

G为转换增益。相干探测中本地振荡功率 PL远大于接受到的信号光功率Ps，高几十 个数量级是很容易达到的，所以G可以高 7 8 达 10 ~ 10 ，可见相干探测的转换增益是 非常高的。 二、可获得全部信息 相干探测中，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
三、良好的滤波性能 相干探测系统对背景光的滤波性能比直接 探测系统要高 相干系统中不加光谱滤光片其效果比加滤 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=015m/s对于10.6μ m的CO2激光，经目标反 射后回波的多普勒频率fs为
则信号光束与本地振荡光束的差频为
带入λ L和v的数值，得 若取放大器通带宽度Δ f相等于最大频移值， 则差频放大器带宽Δ f相=3MHz
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 将上式展开写成等式并展开，则有
如果用平均信号光功率和平均本振光功率 表示，则上式可表示为 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ω 为中心频率的带同滤波 器顺势中频电流为
IF
中频滤波器的输出端，瞬时中频电压为
如果直接探测加光谱滤光片，滤光片带宽若为 1.0mm，所对应的带宽Δ f滤为
上述两种情况带宽之比
可见，相干探测对背景光谱有很好的抑制作用
四、有利于微弱光信号的探测
在相干探测中，信号光信号功率非常小，但只要 本振光功率足够大，仍能得到可观的中频输出。 这就是相干探测对微弱光信号的探测特别有利的 原因
另一方面，从理论上讲，相干探测可能达到更低 的探测极限，可以从极限信噪比来说明这个问题
假定光谱混频器具有内部增益G，光混频器 的中频输出功率为 在带宽为Δ fIF的带通滤波器输出端，电噪 声功率为 根据信噪比的定义，中频滤波器输出端的 信号噪声比为
当本振光功率足够大时，分母中有本振光 引起的散粒噪声远远大于所有其他噪声， 则上式变为
在中频滤波器输出端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
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。

信号信息载在频率为ω s的百度文库波振幅上，信 息信号的调制频率为Ω ，则调幅波振幅由 各次谐波的合成波构成。调幅光波表示为

当调幅信号光与平面本振光相干后，其瞬 时中频电流为
由于两个光电场矢量彼此平行，为简化， 用两个光电场的标量来替代矢量。假定信 号光电场Es(t)和本振光电场EL(t)分别为
式中，As和AL分别是信号光电场和本征光 电场的振幅，ω s和ω L分别是信号光和本振 光的角频率Φ S和Φ L分别是信号光和本振光 的初相位
于是在光混频器光敏面上总的光电场为
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。
二、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 是两束光波迭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。
对于热噪声为主要噪声源的系统来说，要 实现量子噪声限探测，必须满足 由此得到
§10-3 相干探测的空间条件和频率条件 一。相干探测的空间条件 由于光辐射的波长比光混频器的实际尺寸 得多，实际上光混频是在一个个小面积元 上发生的，及总的中频电流等于光混频器 表面上每一微分面积元所产生的微分中频 电流值和。很显然，只有当这些微分中频 电流保持恒定的相位关系时，总的中频电 流才会达到最大值。
§10-4 相干探测系统举例 相干探测系统在通信、雷达、精密计量等 方面应用较为普遍。
一、光外差通讯
二、调频—连续波激光雷达