《光外差检测系统》ppt课件

1、Lsff LLscRPPSP22光？光？lLsin信号光与本振光并非平行而成一夹角用。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光外差检测原理表示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丈量其振幅值。光外差检测原理如图，两束平行的相关光，经分光镜和可变光阑入射到检测器外表进展混频，构成相关光场，经检测器变换后，输出信号包含差频信号，故又称相关检测。6.1 光外差检测原理转镜反射镜可变光阑线栅偏振器光电检测器放大器输出激光器2

2、COsfLfLsff 分光镜外差检测实验安装图如图，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的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一样的相关光，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，入射到检测器上的总光场为：光检测器的呼应与光电场的

3、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，光混频器不呼应，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。假设把信号的丈量限制在差频的通常范围内，那么可以得到经过以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，瞬时中频信号电压为： sLsLLLsLCCtRAARtitVco

4、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：LLsLCCRPPheRVP2_22当L-s=0，即信号光频率等于本振光频率时，那么瞬时中频电流为： sLLsCAAticos这是外差探测的一种特殊方式，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能够的。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：LLsCRPPheP22在直接检测中，检测器输出电

5、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，取信号处置器通频带为光外差检测中，取信号处置器通频带为f=fL-fsf=fL-fs，那么只需此频带，那么只需此频带内的杂光可进入系统，对系统呵斥影响，而其它的杂光噪声被滤掉。内的杂光可进入系统，对系统呵斥影响，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。例：目的沿光束方向运动速

6、度例：目的沿光束方向运动速度=0-15m/s=0-15m/s，对于，对于10.6um CO210.6um CO2激光信号激光信号 多普勒频率多普勒频率fsfs为：为：cffLs21通频带通频带f1f1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f2=3000MHzf2=3000MHz。可见，外差检测对背景光有强抑制造用。可见，外差检测对背景光有强抑制造用。 另：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。当不思索检测器

7、本身噪声影响，只包含输入背景噪声的情况下，外当不思索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噪比等于输出信噪比，输出信噪比没有损失。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。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PLPL足够大时，本征散粒噪声远超越一切其它噪声，那么上式变为：足够大时，本征散粒噪声远超越一切其它噪声，那么上式变为：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：LLsCRPPMheP22检测系统中检测器本身的散粒噪声和热

8、噪声是影响最大，难以检测系统中检测器本身的散粒噪声和热噪声是影响最大，难以消除的。那么外差检测输出的散粒噪声和热噪声表示为：消除的。那么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到达的最大信噪比这就是光外差检测系统中所能到达的最大信噪比极限，普通称为光外差检测的量子检测极限或量极限，普通称为光外差检测的量子检测极限或量子噪声限。子噪声限。引入最小可检测功率等效噪声功率引入最小可检测功率等效噪声功率NEP表示，在量子检

9、测表示，在量子检测极限下，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这里面需求阐明的是：直接检丈量子限是在理想光检测器的这里面需求阐明的是：直接检丈量子限是在理想光检测器的理想条件下得到，实践中无法实现量子极限的。而对于光外理想条件下得到，实践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。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。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

10、电检测器件内增益型光电检测器件时的信号功率即1SNR为抑制由信号光引起的噪声以外的一切其他噪声，从而获得高的转换为抑制由信号光引起的噪声以外的一切其他噪声，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，本振功增益，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，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，以便得到最正确信噪比和较大的中频转换增益。振光功率，以便得到最正确信噪比和较大的中频转换增益。fhPSNRsp6.2.6 6.2.6 光外差检测系统对检测器性能的

11、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普通比直接检测对检测器的要外差检测系统对检测器要求普通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：呼应频带宽。主要是由于采用多普勒频移特性进展目的检呼应频带宽。主要是由于采用多普勒频移特性进展目的检测时，频移的变化范围宽，要求检测器的呼应范围要宽，甚至测时，频移的变化范围宽，要求检测器的呼应范围要宽，甚至达上千兆达上千兆HzHz。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，在检测器光敏面上信号光束和本振荡光束发生相关产生差频信号，为到达在面上信号光束和本振荡光束发生相关产生

12、差频信号，为到达在光敏面不同区域一样的外差效果，要求检测器的光电性能在整光敏面不同区域一样的外差效果，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。任务温度高。在实验室任务时，任务温度无严厉要求。假任务温度高。在实验室任务时，任务温度无严厉要求。假设在室外或空间运用时，要求选任务温度高的检测器。如设在室外或空间运用时，要求选任务温度高的检测器。如HgCdTeHgCdTe红外检测器件。红外检测器件。(P140 (P140 表表6-2)6-2)6.3 影响光外差检测灵敏度的要素在本节内容中，只思索光外差检测的空间条件

13、和频率条件在本节内容中，只思索光外差检测的空间条件和频率条件对灵敏度的影响及改善方法。其它要素可参阅书籍。对灵敏度的影响及改善方法。其它要素可参阅书籍。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光外差检测原理表示图分光镜可变光阑光频混 sLsLLsCtAAticos 信号光和本振光的波前在光检测器光信号光和本振光的波前在光检测器光敏面上坚持一样的相位关系，才得式：敏面上坚持一样的相位关系，才得式： 本质上，由于光的波长比光检测器面积本质上，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，

14、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，显然要使中频电流到达最大，这些微分中产生的微分电流之和，显然要使中频电流到达最大，这些微分中频电流要坚持恒定的相位关系。即要求信号光和本振光的波前是频电流要坚持恒定的相位关系。即要求信号光和本振光的波前是重合的。即是说必需坚持信号光和本振光在空间上的角准直。重合的。即是说必需坚持信号光和本振光在空间上的角准直。 下面就思索一下信号光与本振光皆为平面波时，波前不重合下面就思索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

15、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。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，并以为折射率，并以为折射

16、率n=1。于是本振光波可表示为：于是本振光波可表示为： xtjAtfLLLLexp那么检测器上那么检测器上x点的呼应电流点的呼应电流为为dxxtAAdiLscLscos那么整个光敏面总呼应电流那么整个光敏面总呼应电流为为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22sincoscosllLscLsALscLstAAdxxtAAid12sin2ll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即可得外差检测的空间相位条件为：即可得外差检测的空间相位条件为：sin2LlLsin即：即：lLarcsin显然：波长

17、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。阐明红外光比可见光更易实现光外差检测。差检测的要求。阐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，那么，那么0.32mrad0.018度。度。实验证明，稳频的实验证明，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，才干看到明晰的差频信号。才干看到明晰的差频信号。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

18、表示图分光镜可变光阑光频混如图，要构成强的差频信号，如图，要构成强的差频信号，必需使信号光束和本振光束必需使信号光束和本振光束在空间准直得很好。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。具有很好的空间滤波性能。但是严厉的空间条件也使调准两光束比的空间滤波性能。但是严厉的空间条件也使调准两光束比较困难。较困难。问：问：“假设两光束是平行的，但与光检测器呈一定角度时，假设两

19、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处理方法；处理方法；如图构造称为聚焦光束如图构造称为聚焦光束外差构造，即用聚焦透外差构造，即用聚焦透镜降低空间准直要求。镜降低空间准直要求。这种构造本质上相当于这种构造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同。光束集中在一同。 实际分析证明，假设用聚焦透镜聚焦到衍实际分析证明，假设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来决议。来决议。经过推导，失配角经过推导，失配角

20、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，作为接纳天线的会聚透在光外差检测系统中，作为接纳天线的会聚透镜，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

21、和本振光具有高度的单色性和频率稳定性。度的单色性和频率稳定性。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结果。这种干涉取决于信号光和本振光束的单色性。因此为结果。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，必需选用单纵模运转的激光器作获得单色性好的激光输出，必需选用单纵模运转的激光器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频率漂移，使光外差检测系统的性能信号光和本振光存在着频率漂移，使光外差检测系统的性能变坏。是由于频率差太大能够超越中频滤波带宽，中频信号变坏。是由于频率差太大能够超越中频

22、滤波带宽，中频信号不能正常放大。因此在光外差检测中，需求采用专门措施稳不能正常放大。因此在光外差检测中，需求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，相关长度可达300km(相关长度如何定义)2、干涉系统：迈克尔逊干涉原理，位移-丈量臂；3、光电显微镜：给出起始位置。实现对对测长度或位移的精细瞄准，使干涉仪的干涉信号处置部分和被丈量之间实现同步。4、干涉信号处置部分：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 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：

23、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丈量光束2和参考光束1相互叠加干涉构成干涉信号。其明暗变化次数直接对应于丈量镜的位移，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构成一种空间滤波器，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

24、镜8作为丈量臂。光学元件7称为位相板，使经过光路的部分光束产生附加位相挪动，使光电检测器13和16接纳到的干涉信号在位相上相差/2。光路中，采用角锥棱镜替代了平面反射镜作为反射器，一方面防止了反射光束反响回激光器对激光器带来不利影响；另一方面由于角锥棱镜具有“出射光束与入射光束的平行不受棱镜绕轴转动的影响的特点。适用的激光干涉测长仪的简化光路适用的激光干涉测长仪的简化光路干涉信号的方向判别与计数原理干涉信号的方向判别与计数原理纹条涉干光电接收光电接收波形变换前置放大波形变换前置放大倒相倒相微分微分微分微分器数计逆可机算计子电器示显度长系统移相sincos1243反向sinsincoscos12

25、34正向辨向原理：正向挪动时，辨向原理：正向挪动时，四路信号依次相差四路信号依次相差9090度，度，顺序为顺序为13241324假设反向挪动，假设反向挪动，接纳信号依然相差接纳信号依然相差9090度，度，但顺序为但顺序为14231423，由后面的，由后面的逻辑电路可以判别，进展逻辑电路可以判别，进展辨向处置。辨向处置。同时，由于一个周期的干涉信号变成同时，由于一个周期的干涉信号变成四个脉冲信号，计数脉冲被细分，每四个脉冲信号，计数脉冲被细分，每个计数脉冲代表个计数脉冲代表1/41/4条纹的变化，那条纹的变化，那么所测位移长度为：么所测位移长度为：8 NL6.4.2 6.4.2 激光多普勒测速激光多普勒测速Laser Doppler Velocimeter光电倍增管放大屏信号电源光源2L聚焦透镜粒子流动1L透镜分束镜多普勒测速原理根本光路原理图光源：稳频后的单模激光光源测速原理：测速原理