光电检测技术与应用-7光电检测系统

1、光电检测系统光电检测系统主讲：张广远光电检测系统光电检测系统主要内容：光电直接检测系统光外差检测系统典型的光电检测系统典型的光电检测系统 直接检测系统（光强调直接检测系统（光强调制）制） 莫尔条纹测长仪莫尔条纹测长仪 激光测距仪激光测距仪 激光准直激光准直 环境污染检测系统环境污染检测系统 光外差检测系统光外差检测系统 激光干涉测长仪（相位调激光干涉测长仪（相位调制）制） 多普勒测速（频率调制）多普勒测速（频率调制） 光外差通信光外差通信光电检测系统分类光电检测系统分类 主动系统主动系统/被动系统被动系统(按信息光源分按信息光源分) 红外系统红外系统/可见光系统可见光系统(按光源波长分按光源波

2、长分) 点探测点探测/面探测系统面探测系统(按接受系统分按接受系统分) 模拟系统模拟系统/数字系统数字系统(按调制和信号处理方按调制和信号处理方式分式分) 直接检测系统直接检测系统/光外差检测系统光外差检测系统(按光波按光波对信号的携带方式分对信号的携带方式分)光外差检测直接检测光电检测系统相干检测，光源：相干光源原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息， 检测时需要用光波相干原理。调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。非相干检测，光源：非相干或相干光源原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为 电信号，解调电路检出信息。调制方法：光强度调制、偏振调制直接检

3、测是一种简单实用的方法。1 光电直接检测系统的基本工作原理光电直接检测系统是将待光信号直接入射到光检测器光敏面上，光检测器响应光辐射强度（幅度）并输出相应的电流和电压。检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信号，前端还可经过频率滤波和空间滤波等处理。强度调制直接检测模型光源强度调制器光学天线光学通道接收天线及光电检测器光电信号处理器信号发射机背景噪声场接收机电路噪声回收的信息假定入射光信号电场为： tAtEscos光场平均光功率为： 22_2AtEPss表示 _2tEs tEs2的时间平均值；光检测器输出电流为： 2_22AhetEhePIsss称为光电变换比例常数he1 光电直接检测系统的基

4、本工作原理光检测器的平方律特性：光电流正比于光电场振幅的平方，电输出功率正比于入射光功率的平方。若光检测器负载电阻RL，则光检测器输出电功率为：LsLsoRPheRIP222如果入射光是调幅波，即 ttdAtEscos1其中d(t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流为: tdAAis2221式中第一项为直流项，若光检测器输出端有隔直电容，则输出光电流只包含第二项，称为包络检测。1 光电直接检测系统的基本工作原理2 光电直接检测系统的基本特性2.1 直接检测系统的信噪比衡量模拟系统好坏及灵敏度光检测器输出的总功率包括信号电功率和噪声功率，可表示为：22nsLnooPPRhePP考虑到信号和噪

5、声的独立性，有：22sLoPRheP222nnsLnoPPPRheP由信噪比定义，输出功率信噪比为：nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222说明输出信噪比是输入信噪比的平方，可见，直接检测系统不适用于输入信噪比小于1或微弱光信号的检测。输出信噪比是输入信噪比的一半。即经过光电转换，信噪比损失了3dB。实际应用中可以接受。可见，直接检测方法不能改善输入信噪比，适宜不是很微弱的光信号检测。但这种方法简单，易于实现，可靠性高，成本低，得到广泛应用。(1)若1nsPP，则有：2nspPPSNR(2) 若1nsPP，则有

6、：nspPPSNR21在数字式光电系统中，噪声对系统的影响常使用“误码率”来衡量。误码率仍然与信噪比有关。信噪比高，误码率低。由噪声的概率分布规律考虑“概率问题”来衡量。考虑直接检测系统中存在的所有噪声，则输出噪声总功率为：LNTNDNBNSnoRiiiiP_2_2_2_2_2_2_2,NDNBNSiii和分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。_2NTi为负载电阻和放大器的热噪声之和。5-12_2_2_2_222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR输出信噪比为：5-13_2_2_2_222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR 当热噪声是直接检测系统 的主要噪声

7、源时，直接检测系统受热噪声限制，信噪比为：LspRfkTPheSNR422热 当散粒噪声远大于热噪声时，直接检测系统受散粒噪声限 制，信噪比为：_2_2_222NDNBNSsp散iiiPheSNR 当背景噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统 受背景噪声限制，信噪比为：BsBspPfhPPhefePheSNR22222背假定光波长=0.7m，检测器的量子效率=1，测量带宽f=1，由上式得到系统在量子极限下的最小可检测功率为WP18min10 当入射信号光波所引起的噪声为直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统受信号噪声限制，这时信噪比为：fhPSNRsp2信该式为直流检测在理论上的极限

8、信噪比，称为直接检测系统的量子极限，又称量子限灵敏度。若用等效噪声功率NEP值表示，在量子极限下，直接检测系统理论上可测量的最小功率为：fhNEP2量在实际直接检测系统中，很难达到量子极限检测。实际系统总会有背景噪声、检测器和放大器的热噪声。背景限信噪比可以在激光检测系统中实现，是因为激光光谱窄，加滤光片很容易消除背景光，实现背景限信噪比。系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行方法是在光电检测过程中利用光检测器的内增益获得光电倍增，如光电倍增管。当倍增很大时，热噪声可忽略，同时加致冷、屏蔽等措施减小暗电流及背景噪声，光电倍增管可达到散粒噪声限。在特殊条件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪

9、声，增益过程中使噪声增加。在直接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力较高，采用有内部高增益的检测器可使直接检测系统趋近于检测极限。对于光电导器件，主要噪声为产生复合噪声（极限散粒噪声），光电导器件极限信噪比低，噪声等效功率NEP较大。直接检测系统视场角Du fd检测器物镜视场角表示系统能检测到的空间范围，是检测系统的性能指标之一。对于检测系统，被测物看作是在无穷远处，且物方与像方介质相同。当检测器位于焦平面上时，其半视场角为：或视场角立体角为：2fAd从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即大检测器面积或减小光学系统的焦距，但对检测器会带来不利影响： 增加检测器面积意味着增大系统噪声。因为对大多数

10、检测器，噪声功率和面积的平方根成正比。 减小焦距使系统的相对孔径加大，引入系统背景辐射噪声，使系统灵敏方式下降。因此在系统设计时，在检测到信号的基础上尽可能减小系统视场角。fd25-19I 0I0O1频带宽度f是光电检测系统的重要指标之一。检测系统要求f应保存原有信号的调制信息，并使系统达到最大输出功率信噪比。系统按传递信号能力，可有以下几种方法确定系统频带宽度。以脉冲激光波形为例.对于输入信号为矩形波时，通过不同带通滤波器的波形的分析，可知，要使系统可以复现输入信号波形，要求系统带宽f：在输入信号为调幅波时，一般情况下取频带宽度为其包络（边频）频率的2倍。如果是调频波，则要求滤波器加宽频带宽

11、度，保证有足够的边频分量通过系统。04f等效矩形带宽：频谱曲线下降3dB的带宽包含90%能量的带宽0106. 00262. 0f0389. 0f光电检测系统的灵敏度在不同的用途时，灵敏度的表达形式不同，在对地测距、搜索和跟踪等系统中，通常用“检测距离”来评价系统的灵敏度。对于其他系统的灵敏度亦可用距离方程推演出来。直接检测系统分为被动检测和主动检测系统，其距离方程不同。下面分别进行推导。光源强度调制器光学天线光学通道接收天线及光电检测器光电信号处理器信号发射机背景噪声场接收机电路噪声回收的信息3.1 被动检测系统的距离方程被动检测过程示意图大气传播eEeP接收光学系统信号处理接收机接收信息光电

12、检测LsV被测目标eI光谱辐射强度L传播距离大气光谱透过率1VR光谱响应度00A入射孔径面积光谱透过率设被测目标的光谱辐射强度为eI经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度 为：eE21LIEee的距离为目标到光电检测系统内的大气光谱透过率；为被测距离LL1入射到检测器上的光谱功率 为：eP002100ALIAEPeee透过率为接收光学系统的光谱孔径面积为接收光学系统的入射10A根据目标辐射强度最大的波段范围及所选取检测器光谱响应范围共同决定选取的12的辐射波段，可得到检测器的输出信号电压为：21210120dRILAdRPVVeVes为检测器的光谱响应度VR3.1 被动检测系统的距离方

13、程210120dRILAVVes 都是波长的复杂函数，难有确切的解析表达式。通常作如下简化处理：VeR、I和01式中 取1为被测距离L在光谱响应范围内的平均透过率1。 光学系统的透过率0对光谱响应范围内平均值。 把检测器的光谱响应带看成是一个矩形带宽。即在响应范围内为 常数RV，在其它区域为零。根据物体的温度T查表，可计算出在考查波段范围内的黑体辐射强度， 再乘以物体的平均比辐射率，可得到物体在光谱响应范围内的辐射强度Ie。将上述值代入1式，可得：令检测器的方均根噪声电压为Vn，则它的输出信噪比为：210120dRILVAVVVenns13.1 被动检测系统的距离方程VennsRILVAVV0

14、120210120dRILVAVVVenns即：21010nsVVnVeVRIAL2又因为：fADVRdnV*将上式代入2，可得：21*010fADIALdVVens5-26式中Ad为检测器面积；f为系统的带宽；D*为检测器的归一化检测度；AoIe=P0是入射到接收光学系统的平均功率。考虑到系统的调制特性，入射到探测器上的有效功率为： dSP210S()为调制信号的功率谱为清楚地看出系统各部件对检测距离的影响，把调制特性考虑为对入射功率的利用系数km，则上式改写为： 21212121*001nsmdeVVfkADAIL5-27第一个括号是目标辐射特性及大气透过率对检测距离的影响；第二个括号和第

15、三个括号表示光学系统及检测器件特性对作用距离的影响；第四个括号是信息处理系统对作用距离的影响。大气传播 Lk传播距离衰减系数2LSLL后光斑面积经距离 eE eIrSa反射系数反射面积 P dP接收光学系统信号处理接收机回收信息0立体角接收口径 D 02透过率光电检测强度调制器发射光学系统光源信号发射机 sPmk 01 TP反射目标LsV3.2 主动检测距离方程主动检测过程示意图 主动检测系统的光源主要为激光光源。令其发射功率为Ps()；发射束发散立体角为；发射光学系统透过率为01()，经调制的光能利用率为km，则发射机发射的功率PT()为： mskP01TP 激光在大气中传播时，能量若为按指

16、数规律衰减，令衰减系数为k()，经传播距离L后光斑面积为SL=L2，光斑SL的辐射照度Ee为： LkTLkLTeLPeSP2eE 设在距光源L处有一目标，其反射面积为Sa。普通情况下把反射体看作是朗伯反射，即在半球内均匀反射，其反射系数为r。在此条件下，单位立体角的反射光辐射强度Ie() 为： LkaLeaerSLPErS2e1I3.2 主动检测距离方程假定接收机和发射机在一处，反射光经大气传输到接收器的过程仍遵守指数规律衰减，衰减系数仍为k()，则接收功率为： LkaTerSLDP2420e4IP式中，D0为光学系统接收口径；=D02/4L2为接收系统的立体角。如果接收光学系统的透过率为02

17、()，则检测器上接收到的总功率为： LkamseLDkSkP242002d4PP式中: rk0201检测器上的输出电压为： VLkamsVReLDkSkPR2420ds4PV式中：RV()为检测器相对光谱响应度，将式RV()代入上式得距离L为： VLkamsVReLDkSkPR2420ds4PV 412*204LLkdnsamsefAVVDDkSkP如果目标反射面积Sa等于光斑照射面积L2，则上式可化为： 212*204LLkdnsmsefAVVDkDkP可知，影响检测距离的因素很多，发射系统、接收系统的大气特性以及目标反射特性都将影响检测距离。 在前面计算距离时，在被动检测系统中，由于光谱范

18、围宽，大气衰减作用以透过率表示，而在主动检测系统中，绝大多数系统是以激光做光源，激光光谱较窄，用衰减系数表示，其物理意义是等价的。fADVRdnV*莫尔条纹测长仪计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。光敏元件可以是光敏二极管，也可以是光电池。透射式光栅一般是用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区。在检测技术中常用的是计量光栅。计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分辨力，可优于0.1m。 黑白光栅 计量光栅由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成，标尺光栅和指示光栅的刻线宽度和

19、间距完全一样。将指示光栅与标尺光栅叠合在一起，两者之间保持很小的间隙（0.05mm或0.1mm）。在长光栅中标尺光栅固定不动，而指示光栅安装在运动部件上，所以两者之间可以形成相对运动。 在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠和在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角，光栅节距为P。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹.莫尔条纹是周期性函数。 莫尔条纹光栅原理 构成： 主光栅-标尺光栅，定光栅指示光栅-动光栅横向莫尔条纹特征当指示光栅沿x轴（例如水平方向）自左向右

20、移动时，莫尔条纹的亮带和暗带将顺序自下而上不断地掠过光敏元件（在演示中就是我们的眼睛）。光敏元件“观察”到莫尔条纹的光强变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距P，光强变化一个周期。由于光栅的刻线非常细微，很难分辨到底移动了多少个栅距，而利用莫尔条纹具有放大作用，当光栅移动了一个节距时P，莫尔条纹移动了一个宽度B。且满足关系式： sinPB莫尔条纹有如下特征： 1）平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。 2）对应关系：当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直

21、）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。 3）放大作用：莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角而改变。越小，B越大，相当于把微小的栅距P扩大了 倍。由此可见，计量光栅起到光学放大器的作用。sin/ 1莫尔条纹的应用莫尔条纹测长仪分长光栅和圆光栅两种，光刻密度相同，通常为25，50，100，250条/mm。被广泛地应用于： 光栅数显表光栅传感器在位置控制中的应用轴环式数显表1.机械测长和数控机床中。 代表性产品： 德国Heidenhain（海德汉）：封闭式：量程3000mm，分辨力0.1 m开放式：量程1440mm，分辨

22、力0.01m开放式：量程270mm 分辨力1nm英国Renishaw（雷尼绍）： 量程：任意分辨力： 0.1 m 0.01 m中国长春光机所： 量 程：1000mm 分辨力：0.01 m5 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,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 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。Lsff LLscRPPSP22 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（比直接检测高数量级），对微弱信号的

23、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5 光外差检测的特性光外差检测的空间和频率条件 空间条件空间条件：: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？lLsin信号光与本振光并非平行而成一夹角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：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10-20W。可用于光子计数。激光受大气湍流效应影响严重，

24、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（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。放大器探测器sf信号光束Lsff 光束本振Lf光外差检测原理示意图分光镜可变光阑光频混直接检测系统中，检测器检测的光功率为平均光功率Pcp：2cos2122202AttdAPcp显然光波直接检测只能测量其振幅值。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。6.1 光外差检测原理转镜反

25、射镜可变光阑线栅偏振器光电检测器放大器输出激光器2COsfLfLsff 分光镜外差检测实验装置图如图，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。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： sssstAtfcos LLLLtAtfcos LLLssstAtAtfcoscos那么，

26、入射到检测器上的总光场为：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： _22_22_2_2coscoscoscossLsLLssLsLLsLLLsssLsptAAtAAtAtAtftftfti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(L-s)/2=C/2低于光检测器的上限截止频率时，检测器就有频率为C/2的光电流输出。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C为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为： sLsLLsCtAAticos中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压

27、为： sLsLLLsLCCtRAARtitVcos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：LLsLCCRPPheRVP2_22当L-s=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频电流为： sLLsCAAticos这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。6.2 光外差检测特性6.2.1 6.2.1 光外差检测可获得全部信息光外差检测可获得全部信息 sLsLLsCtAAticos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光外差检测转换增益G高高光外差检测中频输出有效信号功率为：LL

28、sCRPPheP22在直接检测中，检测器输出电功率为：LsRPheP220两种方法得到的信号功率比G为：sLCPPPPG20可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。6.2.4 6.2.4 信噪比损失小信噪比损失小6.2.3 6.2.3 良好的滤波性能良好的滤波性能光外差检测中，取信号处理器通频带为光外差检测中，取信号处理器通频带为f=ff=fL L-f-fs s，则只有此频带内，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

29、也远优于直接检测系统。例：目标沿光束方向运动速度例：目标沿光束方向运动速度=0-15m/s=0-15m/s，对于，对于10.6um COCO2 2激光信号激光信号 多普勒频率多普勒频率f fs s为：为：cffLs21通频带通频带f f1 1取为：取为：MHzcccffffLLLs3221而直接检测加光谱滤光片时，设滤光片带宽为而直接检测加光谱滤光片时，设滤光片带宽为1nm1nm，所对应的带宽，所对应的带宽，即通频带即通频带f f2 2=3000MHz=3000MHz。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。 另：速度越快，多普勒频率越大，通频带越宽。另：速度越

30、快，多普勒频率越大，通频带越宽。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，外差检测器的差检测器的输入信输入信噪噪比等于输出信噪比比等于输出信噪比，输出信噪比没有损失。，输出信噪比没有损失。6.2.5 6.2.5 最小可检测功率最小可检测功率内增益型光电检测器件内增益型光电检测器件当本征功率当本征功率P PL L足够大时，本征散粒噪声远超过所有其它噪声，则上式变为：足够大时，本征散粒噪声远超过所有其它噪声，则上式变为：内部增益为内部增益为M M的光外差检测器输出有效信号功率为：的光外差检测器输出有效信号功率为：LLsCRPP

31、MheP22检测系统中检测器本身的检测系统中检测器本身的散粒噪声和热噪声散粒噪声和热噪声是影响最大，难以是影响最大，难以消除的。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：fkTfRIPPPheeMPLdLBsn422功率信噪比为：功率信噪比为：fkTfRIPPPheeMRPPMheSNRLdLBsLLsp222fhPSNRsp这就是光外差检测系统中所能达到的最大信噪比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极限，一般称为光外差检测的量子检测极限量子检测极限或或量子噪声限量子噪声限。引入引入最小可检测功率（等效噪声功率）最

32、小可检测功率（等效噪声功率）NEP表示，在表示，在量子检测量子检测极限下，光外差检测的极限下，光外差检测的NEP值为：值为：fhNEPPs最小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：fhNEP2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。而对于光外理想条件下得到，实际中无法实现量子极限的。而对于光外差检测，利用差检测，利用足够的本振光足够的本振光是容易实现的。是容易实现的。总之，总之，检测灵敏度高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。6.2.5 6

33、.2.5 最小可检测功率最小可检测功率内增益型光电检测器件内增益型光电检测器件时的信号功率即1SNR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，增益，增大本振光功率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，应合理选择本率越大，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。fhPSNRsp6.2.6

34、 6.2.6 光外差检测系统对检测器性能的要求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：响应频带宽响应频带宽。主要是因为采用多普勒频移特性进行目标检。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，甚至测时，频移的变化范围宽，要求检测器的响应范围要宽，甚至达上千兆达上千兆HzHz。均匀性好均匀性好。外差检测中检测器即为混频器，在检测器光敏。外差检测中检测器即为混频器，在检测器光敏面上信号光束和本振荡光束发生相干产生差频信号，为

35、达到在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，要求检测器的光电性能在整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。1.1. 工作温度高工作温度高。在实验室工作时，工作温度无严格要求。如。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。如果在室外或空间应用时，要求选工作温度高的检测器。如HgCdTeHgCdTe红外检测器件。红外检测器件。(P140 (P140 表表6-2)6-2)6.3 影响光外差检测

36、灵敏度的因素6.3.1 6.3.1 光外差检测的空间条件（空间调准）光外差检测的空间条件（空间调准）放大器探测器sf信号光束Lsff 光束本振Lf光外差检测原理示意图分光镜可变光阑光频混 sLsLLsCtAAticos 信号光和本振光的信号光和本振光的波前波前在光检测器光在光检测器光敏面上保持敏面上保持相同的相位关系相同的相位关系，才得式：，才得式： 实质上，由于光的波长比光检测器面积实质上，由于光的波长比光检测器面积小很多，混频作用是在一个个小面积元上产小很多，混频作用是在一个个小面积元上产生的，即总的中频电流是每个小微分面元所生的，即总的中频电流是每个小微分面元所产生的微分电流之和，显然要

37、使中频电流达到最大，这些微分中产生的微分电流之和，显然要使中频电流达到最大，这些微分中频电流要保持恒定的相位关系。即要求信号光和本振光的频电流要保持恒定的相位关系。即要求信号光和本振光的波前是波前是重合重合的。即是说必须保持信号光和本振光在的。即是说必须保持信号光和本振光在空间空间上的上的角准直角准直。 下面就考虑一下信号光与本振光皆为平面波时，波前不重合下面就考虑一下信号光与本振光皆为平面波时，波前不重合时对光外差检测的影响。时对光外差检测的影响。 设信号光束和本振光束之间夹角为设信号光束和本振光束之间夹角为，且信号光束的波阵面，且信号光束的波阵面平行于光敏面时，如图。平行于光敏面时，如图。

38、xz信号本振检测器l设信号光束和本振光束的光场为：设信号光束和本振光束的光场为： LLsstjLLtjsseAtfeAtf,那么本振光束到达光敏面时，在不那么本振光束到达光敏面时，在不同点同点x处有不同的波前，即不同的处有不同的波前，即不同的相位差相位差 。相位差等于光程差和。相位差等于光程差和波数之积。即：波数之积。即：xxLsin2式中，式中，sin2L，并认为折射率，并认为折射率n=1。于是本振光波可表示为：于是本振光波可表示为： xtjAtfLLLLexp则检测器上则检测器上x点的响应电流为点的响应电流为dxxtAAdiLscLscos则整个光敏面总响应电流为则整个光敏面总响应电流为2

39、2sincoscosllLscLsALscLstAAdxxtAAid12sin2ll从式中可知，当从式中可知，当 时，时，即即 时，中频电流时，中频电流i最大。最大。22sinll即可得外差检测的即可得外差检测的空间相位条件空间相位条件为：为：lLsin即：即：lLarcsin显然：波长愈短或口径愈大，要求相位差角显然：波长愈短或口径愈大，要求相位差角愈小，愈难满足外愈小，愈难满足外差检测的要求。差检测的要求。说明红外光比可见光更易实现光外差检测。说明红外光比可见光更易实现光外差检测。例：本振光波长为例：本振光波长为1微米，检测器光敏面长度为微米，检测器光敏面长度为1mm，则，则0.32mra

40、d（0.018度）。度）。实验证实，稳频的实验证实，稳频的CO2激光器做外差检测实验，当激光器做外差检测实验，当2.6mrad时时，才能看到清晰的差频信号。，才能看到清晰的差频信号。这个角度也被称为失配角。这个角度也被称为失配角。放大器探测器sf信号光束Lsff 光束本振Lf光外差检测原理示意图分光镜可变光阑光频混如图，要形成强的差频信号如图，要形成强的差频信号，必须使信号光束和本振光，必须使信号光束和本振光束在空间准直得很好。束在空间准直得很好。背景杂散光来自各个方向，背景杂散光来自各个方向，绝大部分的背景光不与本振绝大部分的背景光不与本振光准直，即不产生明显的差光准直，即不产生明显的差频信

41、号。频信号。因此外差检测在空间上能很好地抑制背景噪声。具有很好因此外差检测在空间上能很好地抑制背景噪声。具有很好的的空间滤波性能空间滤波性能。但是严格的空间条件也使调准两光束比但是严格的空间条件也使调准两光束比较困难。较困难。问：问：“如果两光束是平行的，但与光检测器呈一定角度时，如果两光束是平行的，但与光检测器呈一定角度时，对中频电流有没有影响对中频电流有没有影响”？dD斑直径衍射限光pD敏面直径探测器光本振光束rD直径会聚透镜信号光束r解决方法解决方法；如图结构称为如图结构称为聚焦光束聚焦光束外差结构外差结构，即用聚焦透，即用聚焦透镜降低空间准直要求。镜降低空间准直要求。这种结构本质上相当

42、于这种结构本质上相当于把不同传播方向的信号把不同传播方向的信号光束集中在一起。光束集中在一起。 理论分析证明，如果用聚焦透镜聚焦到衍理论分析证明，如果用聚焦透镜聚焦到衍射限，这时的失配角可由系统的视场角射限，这时的失配角可由系统的视场角r来决定。来决定。经过推导，失配角经过推导，失配角r与透镜，光敏面参数有如下关系：与透镜，光敏面参数有如下关系：rdpDDD44. 2例：波长为例：波长为1um，l为为0.1mm（检测器直径），由上知失配角（检测器直径），由上知失配角0.32mrad，如，如采用会聚透镜，孔径采用会聚透镜，孔径Dr=10cm(在光外差检测系统中，作为接收天线的会聚透在光外差检测系

43、统中，作为接收天线的会聚透镜，这个孔具有代表性）。取焦距镜，这个孔具有代表性）。取焦距f=100cm，可求得视场角，可求得视场角r=1mrad。6.3.2 6.3.2 光外差检测的频率条件光外差检测的频率条件为获得灵敏度高的光外差检测，要求信号光和本振光具有高为获得灵敏度高的光外差检测，要求信号光和本振光具有高度的度的单色性和频率稳定性单色性和频率稳定性。光外差检测的物理光学的本质是光外差检测的物理光学的本质是两束光波叠加后产生干涉的两束光波叠加后产生干涉的结果结果。这种干涉取决于信号光和本振光束的单色性。因此为。这种干涉取决于信号光和本振光束的单色性。因此为获得单色性好的激光输出，必须选用获

44、得单色性好的激光输出，必须选用单纵模运转的激光器单纵模运转的激光器作作为光外差检测光源。为光外差检测光源。信号光和本振光存在着信号光和本振光存在着频率漂移频率漂移，使光外差检测系统的性能，使光外差检测系统的性能变坏。是因为频率差太大可能超过中频滤波带宽，中频信号变坏。是因为频率差太大可能超过中频滤波带宽，中频信号不能正常放大。因此在光外差检测中，需要采用专门措施稳不能正常放大。因此在光外差检测中，需要采用专门措施稳定信号光和本振光的频率。定信号光和本振光的频率。1、激光光源：He-Ne气体激光器，频宽达103Hz，相干长度可达300km(相干长度如何定义)2、干涉系统：迈克尔逊干涉原理，位移-

45、测量臂；3、光电显微镜：给出起始位置。实现对对测长度或位移的精密瞄准，使干涉仪的干涉信号处理部分和被测量之间实现同步。4、干涉信号处理部分：光电控制、信号放大、判向、细分及可逆计数和显示记录等。6.4 6.4 光外差检测系统举例光外差检测系统举例6.4.1 6.4.1 激光干涉测长仪激光干涉测长仪如图，主要有几部分组成：激光器NeHe光电计数器显示记录装置迈克尔逊干涉仪可移动平台待测物体光电显微镜光束光束激光束BS测量光束2和参考光束1相互叠加干涉形成干涉信号。其明暗变化次数直接对应于测量镜的位移，可表示为：2 NLL2M1M光束光束激光器器数计逆可234567891011121314151611、激光器；2、透镜；3、小孔光阑；4、透镜；5、反射镜；6、反射棱镜；7、位相板；8、角锥反射棱镜；9、分束镜；10、角锥反射棱镜；11、透镜；12、光阑；13、光电检测器；14、透镜；15、光阑；16、光电检测器光阑3形成一种空间滤波器，减小光源中杂散光的影响。到达角锥反射棱镜10的作为干涉仪的参考臂。而角锥反射棱镜8作为测量臂。光学元件7称为位相板，使通过光路的部分光束产生附加位相移动，使光电检测器13