第五章 相干光电检测系统2.

1、第五章第五章 相干检测方法与系统相干检测方法与系统 按光学变换系统将被测量转换为光信息方式的不同，可将按光学变换系统将被测量转换为光信息方式的不同，可将光电检测系统分为光电检测系统分为非相干检测系统非相干检测系统和和相干检测系统相干检测系统。第五章第五章 相干检测方法与系统相干检测方法与系统 非相干检测系统非相干检测系统 被测量被携带于光载波被测量被携带于光载波的强度之中或加载于调制光的强度之中或加载于调制光载波的振幅、频率或者相位载波的振幅、频率或者相位变化之中，这样的系统称为变化之中，这样的系统称为非相干检测系统。非相干检测系统。 相干检测系统相干检测系统 被测信息加载于光载波被测信息加载

2、于光载波（只能是相干光源）的振幅、（只能是相干光源）的振幅、频率或者相位之中的系统称频率或者相位之中的系统称为相干检测系统。为相干检测系统。主要内容：主要内容： 相干检测就是利用光的相干性对光载波所携带的信相干检测就是利用光的相干性对光载波所携带的信息进行检测和处理，它只有采用相干性好的激光器作为息进行检测和处理，它只有采用相干性好的激光器作为光源才能实现。所以从理论上讲，相干检测能准确检测光源才能实现。所以从理论上讲，相干检测能准确检测到光波到光波振幅振幅、频率频率和和相位相位所携带的信息。所携带的信息。但由于光波的但由于光波的频率很高，迄今为止的任何光电探测器都还不能直接感频率很高，迄今为

3、止的任何光电探测器都还不能直接感受光波本身的振幅、相位、频率及偏振的变化，而只能受光波本身的振幅、相位、频率及偏振的变化，而只能探测光的强度探测光的强度（注）。（注）。因此，光的这些特征参量最终都因此，光的这些特征参量最终都须转换为光强的变化进行探测。而这种转换就必须通过须转换为光强的变化进行探测。而这种转换就必须通过干涉测量技术。干涉测量技术。 根据产生干涉的光束间频率关系可分为：根据产生干涉的光束间频率关系可分为： 同频干涉同频干涉外差干涉外差干涉1 1 光学干涉和干涉测量光学干涉和干涉测量 光学测量中，常需要利用相干光作为信息变换的载体，光学测量中，常需要利用相干光作为信息变换的载体，将

4、被测信息加载到光载波上，使光载波的特征参量随被测信将被测信息加载到光载波上，使光载波的特征参量随被测信息变换。息变换。 光干涉光干涉是指可能相干的两束或多束光波相叠加，它们的是指可能相干的两束或多束光波相叠加，它们的合成信号的光强度随时间或空间有规律的变化。合成信号的光强度随时间或空间有规律的变化。 干涉测量干涉测量的作用就是把光波的相位关系或频率状态以及的作用就是把光波的相位关系或频率状态以及它们随时间的变化关系以光强度的空间分布或随时间变化的它们随时间的变化关系以光强度的空间分布或随时间变化的形式检测出来。形式检测出来。以双光束干涉为例，设两相干平面波的振动以双光束干涉为例，设两相干平面波

5、的振动E1(x,y)和和E2(x,y)分分别为：别为：两束光合成时，所形成干涉条纹的强度分布两束光合成时，所形成干涉条纹的强度分布I (x, y)可表示为：可表示为：式中，式中， 是条纹光强的直流分量；是条纹光强的直流分量； 是条纹的对比度；是条纹的对比度； 是光频差；是光频差； 是相位差。是相位差。 11112222( , )exp( , )( , )exp( , )E x yajtx yE x yajtx y221212( , )2cos( , )I x yaaa atx y( , )1( , )cos( , )A x yx ytx y2212( , )A x yaa221212( , )

6、2/()x ya aaa1212( , )( , )( , )x yx yx y 当两束频率相同的光（即单频光）相干时，有当两束频率相同的光（即单频光）相干时，有 ， 即即 ，此时，此时， 干涉条纹不随时间变化，呈稳定的空间分布。随着相位干涉条纹不随时间变化，呈稳定的空间分布。随着相位差的变化，干涉差的变化，干涉 条纹强度的变化表现为有偏置的正弦分布。条纹强度的变化表现为有偏置的正弦分布。可以看出，干涉条纹的强度信息和被测量的相关参数相对应，可以看出，干涉条纹的强度信息和被测量的相关参数相对应，对干涉条纹进行计数或对条纹形状进行分析处理，可以得到对干涉条纹进行计数或对条纹形状进行分析处理，可以

7、得到相应的被测信息。相应的被测信息。120,1,cos,I x yA x yx yx y 当两束光的频率不同，干涉条纹将以当两束光的频率不同，干涉条纹将以 的角频率随时的角频率随时 间波动，形成光学拍频信号，也叫外差干涉信号。如果两间波动，形成光学拍频信号，也叫外差干涉信号。如果两 束光的频率相差较大，超过光电检测器件的频响范围，将束光的频率相差较大，超过光电检测器件的频响范围，将 观察不到干涉条纹。在两束光的频率相差不大观察不到干涉条纹。在两束光的频率相差不大( 较小较小) 的情况下，采用光电检测器件可以探测到干涉条纹信号，的情况下，采用光电检测器件可以探测到干涉条纹信号， 并且可以通过电信

8、号处理直接测量拍频信号的频差及相位并且可以通过电信号处理直接测量拍频信号的频差及相位 等参数，从而能以极高的灵敏度测量出相干光束本身的特等参数，从而能以极高的灵敏度测量出相干光束本身的特 征参量，形成外差检测技术。征参量，形成外差检测技术。 221212( , )2cos( , )I x yaaa atx y( , )1( , )cos( , )A x yx ytx y实际上，干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，而相位差实际上，干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，而相位差又取决于光传输介质的折射率又取决于光传输介质的折射率n对光的传播距离对光的传播距离ds的线积分，的线积分，即即对于均匀介质，

9、上式可简化为：对于均匀介质，上式可简化为： 对上式中的变量对上式中的变量L和和n作全微分可得到相位变化量作全微分可得到相位变化量 002Lnds0/2nL)(20LnnL主要内容：主要内容： 2 2 干涉测量技术中的调制和解调干涉测量技术中的调制和解调 一般干涉测量系统主要由光源、干涉系统、干涉信号接收系一般干涉测量系统主要由光源、干涉系统、干涉信号接收系统和信号处理系统组成。从信息处理的角度来看，干涉测量实质统和信号处理系统组成。从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是被测信息对光载波调制和解调的过程。各种类型的干涉仪或上是被测信息对光载波调制和解调的过程。各种类型的干涉仪或干涉装置是光频载波

10、的调制器和解调器。干涉装置是光频载波的调制器和解调器。 根据光调制器所调制的光载波的特征参量不同，调制技术可根据光调制器所调制的光载波的特征参量不同，调制技术可以分为以分为振幅调制、频率调制、相位调制和偏振调制振幅调制、频率调制、相位调制和偏振调制。二二 基本干涉系统及应用基本干涉系统及应用 能形成干涉现象的装置是干涉仪，它的主要作用是，将光束能形成干涉现象的装置是干涉仪，它的主要作用是，将光束分成两个沿不同路径传播的光束，在其中一路中引入被测量，产分成两个沿不同路径传播的光束，在其中一路中引入被测量，产生光程差后，再与另一路参考光重新合成为一束光，以便观察干生光程差后，再与另一路参考光重新合

11、成为一束光，以便观察干涉现象。涉现象。1 1、典型的双光束干涉系统、典型的双光束干涉系统2122sinrrd2122sinrrdS1S2SdDxOP1r2r干涉条纹干涉条纹I I光强分布2 2、多光束干涉系统、多光束干涉系统222241sin21aIERR各透射光波叠加干涉后的干涉强度分布为各透射光波叠加干涉后的干涉强度分布为当平行反射面镀以高反射膜层，即当平行反射面镀以高反射膜层，即 时，时， ，可见，可见，当当 时，光强时，光强 I I 几乎为几乎为0 0；而当满足；而当满足 条件时，条件时， I I 达到极大值达到极大值 。因此，多光束干涉的光强分布是由宽的暗。因此，多光束干涉的光强分布

12、是由宽的暗 带相间的明亮细条纹。带相间的明亮细条纹。1R 2411RRsin20sin202IaA0hi1GGn2i2I3I1I1I2I2I3I11I22I33A3 3、光纤干涉仪、光纤干涉仪光纤迈克尔逊干涉仪光纤迈克尔逊干涉仪光纤马赫光纤马赫 曾德干涉仪曾德干涉仪光纤萨格纳克干涉仪光纤萨格纳克干涉仪光纤杨氏干涉仪光纤杨氏干涉仪光纤多光束光纤多光束F-P干涉仪干涉仪主要内容：主要内容： 三三 同频率相干信号的相位调制与检测方法同频率相干信号的相位调制与检测方法 当两束相干光束的频率相同时，若被测量变化使当两束相干光束的频率相同时，若被测量变化使相干光波的相位发生变化，再通过干涉作用把光波相相干

13、光波的相位发生变化，再通过干涉作用把光波相位的变化变换为振幅的变化，这个过程称为单频光波位的变化变换为振幅的变化，这个过程称为单频光波的相位调制。的相位调制。221212( , )2cos( , )I x yaaa atx y( , )1( , )cos( , )A x yx ytx y,1,cos,I x yA x yx yx y1 1 相位调制与检测的原理相位调制与检测的原理 干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，而相位差又取决于光传输介干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，而相位差又取决于光传输介质的折射率质的折射率 n 对光的传播距离对光的传播距离ds 的线积分，即的线积分，即002Lnd

14、s0/2nL)(20LnnL 光波传输介质光波传输介质折射率折射率和和光程长度光程长度的变化都将导致相干光的变化都将导致相干光相位相位的变化，从的变化，从而引起干涉条纹强度的改变。干涉测量中就是利用这一特性改变光载波的特而引起干涉条纹强度的改变。干涉测量中就是利用这一特性改变光载波的特征参量，以形成各种光学信息的。征参量，以形成各种光学信息的。 几何距离、位移、角度、速度、温度引起的热膨胀几何距离、位移、角度、速度、温度引起的热膨胀导致传播距离导致传播距离改变；介质成分、密度、环境温度、气压以及介质周围电场、磁场引起折射改变；介质成分、密度、环境温度、气压以及介质周围电场、磁场引起折射率变化。

15、率变化。 相位调制通常是利用不同形式的干涉仪，借助机械的、光学的、电子学相位调制通常是利用不同形式的干涉仪，借助机械的、光学的、电子学的变换器件，将被测量的变化转换为光路长度和折射率的变化，用于检测的变换器件，将被测量的变化转换为光路长度和折射率的变化，用于检测几何和机械运动参量，分析物质的理化特性。几何和机械运动参量，分析物质的理化特性。2 2 干涉条纹的干涉条纹的检测方法检测方法在相位调制检测系统中，被测参量一般是通过改变干涉仪在相位调制检测系统中，被测参量一般是通过改变干涉仪中传输光的光程而引起对光的相位调制，由干涉仪解调出来的中传输光的光程而引起对光的相位调制，由干涉仪解调出来的信息是

16、一幅干涉图样，它以干涉条纹的变化反映被测参量的信信息是一幅干涉图样，它以干涉条纹的变化反映被测参量的信息。干涉条纹是由干涉场上光程差相同的场点的轨迹形成。干息。干涉条纹是由干涉场上光程差相同的场点的轨迹形成。干涉条纹的形状、间隔、颜色及位置的变化，均与光程的变化有涉条纹的形状、间隔、颜色及位置的变化，均与光程的变化有关，关，因此根据干涉条纹上述诸因素的变化可以进行长度、角度、因此根据干涉条纹上述诸因素的变化可以进行长度、角度、平面度、折射率、气体或液体含量、光学元件面形、光学系统平面度、折射率、气体或液体含量、光学元件面形、光学系统象差、光学材料内部缺陷等各种与光程有确定关系的几何量和象差、光

17、学材料内部缺陷等各种与光程有确定关系的几何量和物理量的测量。物理量的测量。因此，如何检测干涉条纹就变得十分有意义。因此，如何检测干涉条纹就变得十分有意义。干涉条纹检测实际是检测干涉条纹的光强度分布或其随时间的干涉条纹检测实际是检测干涉条纹的光强度分布或其随时间的变化。变化。 基本的条纹检测法包括条纹基本的条纹检测法包括条纹光强检测法光强检测法、条纹比较法条纹比较法和和条条纹跟踪法纹跟踪法。干涉条纹光强检测法干涉条纹光强检测法在干涉场中确定的位置上用光电元件直接检测干涉条纹的在干涉场中确定的位置上用光电元件直接检测干涉条纹的光强变化称为干涉条纹光强检测法。下图给出了一维干涉测长光强变化称为干涉条

18、纹光强检测法。下图给出了一维干涉测长的实例。为了获得最佳的光电信号，要求有最大的交变信号幅的实例。为了获得最佳的光电信号，要求有最大的交变信号幅值和信噪比，这需要光学装置和光电检测器确保最佳工作条件，值和信噪比，这需要光学装置和光电检测器确保最佳工作条件，尽可能地提高两束光的相干度和光电转换的混频效率。尽可能地提高两束光的相干度和光电转换的混频效率。单频光相干时，合成信号的瞬时光强为：单频光相干时，合成信号的瞬时光强为： 221212,2cosI x yaaa at0,1cos 2LI x yIn可见，可见，变化，变化，随之做周期变化。当随之做周期变化。当变化变化时，时，变化一个周期。若对变化

19、一个周期。若对的变化进行计数，根据移动方向进行的变化进行计数，根据移动方向进行加减运算，就可以测量出动镜的移动距离。加减运算，就可以测量出动镜的移动距离。 干涉条纹比较法干涉条纹比较法 如果采用两束不同频率的相干光源，各自独立地组成干如果采用两束不同频率的相干光源，各自独立地组成干涉光路，使其中一束光频为已知，另一束是未知的，则对应涉光路，使其中一束光频为已知，另一束是未知的，则对应共用测量反射镜的同一位移，两束光各自形成干涉条纹。经共用测量反射镜的同一位移，两束光各自形成干涉条纹。经光电检检测后形成两组独立的电信号，通过电信号频率的比光电检检测后形成两组独立的电信号，通过电信号频率的比较可以

20、计算出未知光波的波长。这种对应同一位移，比较不较可以计算出未知光波的波长。这种对应同一位移，比较不同波长的两个光束干涉条纹的变化差异的方法称作干涉条纹同波长的两个光束干涉条纹的变化差异的方法称作干涉条纹比较法。从这种原理出发，设计出了许多精确测量波长的波比较法。从这种原理出发，设计出了许多精确测量波长的波长计。长计。1rxBnM Nn条纹比较法波长测量条纹比较法波长测量原理图原理图1 1半透半反镜半透半反镜 2 2，3 3圆锥角反射镜圆锥角反射镜 两个锁相振荡器分别与两个锁相振荡器分别与 Dr 和和 Dx 输出的光电信号输出的光电信号Ur和和Ux同步，产生与同步，产生与r和和x的干涉条纹同频的

21、整形脉冲信号。其中，与的干涉条纹同频的整形脉冲信号。其中，与r 对应的脉冲信号经对应的脉冲信号经M倍频器倍频器进行频率倍频，而与进行频率倍频，而与x 对应的信号则进行对应的信号则进行N倍分频。利用脉冲开关，由倍分频。利用脉冲开关，由N分频分频信号控制信号控制M倍频信号进行脉冲计数，最后由显示器输出。被测波长的计数按倍频信号进行脉冲计数，最后由显示器输出。被测波长的计数按下式进行：下式进行：其中，其中，B为脉冲计数器的计数值，为脉冲计数器的计数值，n/n 是折射率的相对变化。是折射率的相对变化。干涉条纹跟踪法干涉条纹跟踪法 干涉条纹跟踪法是一种平衡测量法。在干涉仪干涉条纹跟踪法是一种平衡测量法。

22、在干涉仪测量镜位置变化时，通过光电接收器实时地检测出测量镜位置变化时，通过光电接收器实时地检测出干涉条纹的变化。同时利用控制系统使参考镜沿相干涉条纹的变化。同时利用控制系统使参考镜沿相应方向移动，以维持干涉条纹保持静止不动。这时，应方向移动，以维持干涉条纹保持静止不动。这时，根据参考镜位移驱动电压的大小可直接得到测量镜根据参考镜位移驱动电压的大小可直接得到测量镜的位移。的位移。如下图所示，表示了利用这种原理（如下图所示，表示了利用这种原理（干涉条纹跟踪法干涉条纹跟踪法）测量微）测量微小位移的干涉测量装置。这种方法能避免干涉测量的非线性影小位移的干涉测量装置。这种方法能避免干涉测量的非线性影响，

23、并且不需要精确的相位测量装置。但是跟踪系统的固有惯响，并且不需要精确的相位测量装置。但是跟踪系统的固有惯性限制了测量的快速性，因此只能测量性限制了测量的快速性，因此只能测量10kHz以下的位移变化。以下的位移变化。条纹跟踪法干涉系统示意图条纹跟踪法干涉系统示意图 主要内容：主要内容： 四、四、 光外差检测方法与系统光外差检测方法与系统相干检测的主要方式是相干检测的主要方式是外差检测外差检测。光外差检测在激光通信、。光外差检测在激光通信、雷达（测距、测速、测长）、外差光谱学、测振、激光陀螺及雷达（测距、测速、测长）、外差光谱学、测振、激光陀螺及红外物理等许多方面有着广泛应用。红外物理等许多方面有

24、着广泛应用。光外差检测与直接检测相比，有检测距离远、检测灵敏度光外差检测与直接检测相比，有检测距离远、检测灵敏度高高7-8个数量级、测量精度高等特点，但光外差检测对光源的相个数量级、测量精度高等特点，但光外差检测对光源的相干性要求高，而且受大气湍流效应的影响，目前远距离外差检干性要求高，而且受大气湍流效应的影响，目前远距离外差检测在大气中应用受到限制，但在测在大气中应用受到限制，但在外层空间外层空间，特别是，特别是卫星之间卫星之间，通信联系已经达到实用阶段。通信联系已经达到实用阶段。1 1、 光外差光外差检测原理检测原理 光外差光外差检测是利用两束频率不相同的相干光，在满足检测是利用两束频率不

25、相同的相干光，在满足波波前匹配前匹配条件下，在光电检测器上进行光学混频。条件下，在光电检测器上进行光学混频。检测器的输检测器的输出是频率为两光波频差的拍频信号，该信号包含有调制信号出是频率为两光波频差的拍频信号，该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位特征。从理论上讲，外差检测能准确检的振幅、频率和相位特征。从理论上讲，外差检测能准确检测到这些参量所携带的信息，比直接检测具有更大的信息容测到这些参量所携带的信息，比直接检测具有更大的信息容量和更低的检测极限。量和更低的检测极限。 两束平行的相干光在光电探测器表面形成相干光场，经两束平行的相干光在光电探测器表面形成相干光场，经光电检测器后能输出频率

26、为光电检测器后能输出频率为L L- - s s 的差频信号。的差频信号。设信号光、本振光电场分别为：设信号光、本振光电场分别为： cos,cosLLLLSSSSEtAtEtAt在光电检测器光敏面上总的光电场为：在光电检测器光敏面上总的光电场为： coscosSSSLLLE tAtAt在混频器上的平均光功率为：在混频器上的平均光功率为： 22SLP tEtEtEt则光电探测器输出的光电流为：则光电探测器输出的光电流为： 2PSLItP tEtEteh其中，其中， 为光电变换比例常数。为光电变换比例常数。 光电探测器输出的光电流为：光电探测器输出的光电流为： 第一、二项的平均值，即余弦函数平方的平

27、均值等于第一、二项的平均值，即余弦函数平方的平均值等于1/2；第三；第三项是和频项，因为它的频率太高而不能被光电探测器响应，平均项是和频项，因为它的频率太高而不能被光电探测器响应，平均值为零；第四项是差频项，它相对于光频来说要缓慢得多，当差值为零；第四项是差频项，它相对于光频来说要缓慢得多，当差频低于探测器的截止频率时，才能被响应，则可得到通过以频低于探测器的截止频率时，才能被响应，则可得到通过以为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为： 此即为光学外差信号表达式。此即为光学外差信号表达式。 IF 22222coscoscoscosPSLSssLLLSLL

28、SLSSLLSLSItPEtEtAtAtA AtA At cosIFSLLSLSItA At可见，外差信号的参量可见，外差信号的参量可以表征信号光波的特征参量可以表征信号光波的特征参量 。即即外差信号能以时序电信号的形式反映干涉场上各点处信号光波的外差信号能以时序电信号的形式反映干涉场上各点处信号光波的波动性质波动性质。即使信号光的参量受到被测信息调制，外差信号也能无。即使信号光的参量受到被测信息调制，外差信号也能无畸变的精确复制这些信号。畸变的精确复制这些信号。 cosIFSLLSLSItA At则，在中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：则，在中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为： cos

29、IFSLLLSLSVtA A Rt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：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：222IFIFSLLLVPP P RR当当 L= S时，瞬时中频电流为时，瞬时中频电流为： cosIFSLLSItA A222,2SSLLPAPASLLSLSA A、SSSA、当当 L= S 时，瞬时中频电流为时，瞬时中频电流为： cosIFSLLSItA A这是外差检测的特殊形式，称为零差检测。这是外差检测的特殊形式，称为零差检测。结论：结论： 差频信号是由具有恒定频率和恒定相位的相干光混频得到差频信号是由具有恒定频率和恒定相位的相干光混频得到

30、的，如果频率、相位不恒定，无法得到确定的差频光。因此，的，如果频率、相位不恒定，无法得到确定的差频光。因此，激光是光外差检测技术发展的前提基础。激光是光外差检测技术发展的前提基础。2 2、 光外差光外差检测特性检测特性 检测能力强，可获得全部信息检测能力强，可获得全部信息 光外差检测光外差检测可获得有关光信号的全部信息，是可获得有关光信号的全部信息，是一种全息检测技术。一种全息检测技术。其输出电流中包含有信号光的其输出电流中包含有信号光的振幅、频率和相位的全部信息，也就是说，不仅振振幅、频率和相位的全部信息，也就是说，不仅振幅调制，而且频率调制以及相位调制的光波所携带幅调制，而且频率调制以及相

31、位调制的光波所携带的信息，通过光频外差检测方式均可实现解调。的信息，通过光频外差检测方式均可实现解调。结论结论1 1：光外差检测可获得有关光信号的全部信息！光外差检测可获得有关光信号的全部信息！ 光外差检测转换增益高光外差检测转换增益高(a) 外差探测中，中频输出有效信号功率为：外差探测中，中频输出有效信号功率为：222IFIFSLLLVPP P RR(b) 直接探测中，探测器输出的电功率为直接探测中，探测器输出的电功率为: : 2220SPLLPI RP R从物理过程的观点看，直接探测是光功率包络变换的检波过程，从物理过程的观点看，直接探测是光功率包络变换的检波过程，而光频外差检测的光电转换

32、过程不是检波，而是一种转换过程，而光频外差检测的光电转换过程不是检波，而是一种转换过程，即把以即把以 为载频的光频信息转换到以为载频的光频信息转换到以 为载频的中频电流上。为载频的中频电流上。 同样光功率下，两种方法所得信号光功率比为同样光功率下，两种方法所得信号光功率比为: : 02IFLSPPGPP结论结论2 2：光外差检测具有天然的检测微弱信号的能力！光外差检测具有天然的检测微弱信号的能力！ sIF 良好的滤波性能良好的滤波性能在光外差检测中，取差频宽度作为信号处理器的通频带在光外差检测中，取差频宽度作为信号处理器的通频带f ，则只有此频带内的杂光可进入系统，对系统造成影响，而其它则只有

33、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。因此外差检测系统不需滤光片，其效果也的杂光噪声被滤掉。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。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V=15m/s，对于，对于10.6um CO2激光激光信号，多普勒频率信号，多普勒频率fS为：为：通频带通频带f1取为：取为：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1nm，所对应的带，所对应的带宽，即通频带为：宽，即通频带为：上述两种情况的带宽之比为：上述两种情况的带宽之比为：21SLVffc1223SLLV

34、cVffffMHzcc932163 10103 10ffHz18219221224211223 10103 1010.6 10ccccfffHz 2sLSLfff 为了形成外差信号，要求信号光与本振光空间方向严格对准，为了形成外差信号，要求信号光与本振光空间方向严格对准，而背景光入射方向是杂乱的，偏振方向不确定，不能满足空间而背景光入射方向是杂乱的，偏振方向不确定，不能满足空间调准要求，不能形成有效的外差信号，因此，外差检测能够滤除调准要求，不能形成有效的外差信号，因此，外差检测能够滤除背景光，有较强的空间滤波能力。背景光，有较强的空间滤波能力。结论结论3：外差检测对背景光有强抑制作用，具有良

35、好的滤波性能！外差检测对背景光有强抑制作用，具有良好的滤波性能！ 信噪比损失小信噪比损失小 当不考虑检测器本身噪声影响，只考虑输入背景噪当不考虑检测器本身噪声影响，只考虑输入背景噪声的情况下，设信号光波为声的情况下，设信号光波为ES(t)，背景光波为，背景光波为EB (t)，根，根据前面讨论的瞬时中频电流表达式：据前面讨论的瞬时中频电流表达式：可得到检测器的输出电流为：可得到检测器的输出电流为：外差检测器的输出信噪比为外差检测器的输出信噪比为:22SLSSSnBBBLP PIPAIPAP P cosIFSLLSLSItA At2IFSBLIPPP结论结论4：外差检测器的输出信噪比等于输入信噪比

36、，输出信噪比没有损失！外差检测器的输出信噪比等于输入信噪比，输出信噪比没有损失！ 最小可检测功率最小可检测功率内部增益为内部增益为MM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：2222CSLLSLLePMP P RMP P Rh外差检测系统遇到的噪声与直接检测系统遇到的噪声基本相同，其中，外界外差检测系统遇到的噪声与直接检测系统遇到的噪声基本相同，其中，外界输入检测器的噪声及检测器本身的噪声通常都比较小，可消除。输入检测器的噪声及检测器本身的噪声通常都比较小，可消除。但检测系统中的但检测系统中的散粒噪声散粒噪声和和热噪声热噪声影响最大，难以消除。外差检测输出的散影响最

37、大，难以消除。外差检测输出的散粒噪声和热噪声表示为：粒噪声和热噪声表示为：224nSBLdLePM ePPPIfRkT fhMM是检测器的内增益，对于光导检测器是检测器的内增益，对于光导检测器M11000M11000； 对于光伏检测器对于光伏检测器M1M1； 对于光电倍增管对于光电倍增管M10M106 6 以上。以上。PB为背景辐射功率，为背景辐射功率，Id为检测器的暗电流，为检测器的暗电流，f f为外差检测的中频带宽。为外差检测的中频带宽。可见：可见： 外差检测系统中的噪声分别为由信号光、本振光和背景辐射所引外差检测系统中的噪声分别为由信号光、本振光和背景辐射所引起的散粒噪声起的散粒噪声，由

38、检测器暗电流所引起的散粒噪声以及由检测器和电路产，由检测器暗电流所引起的散粒噪声以及由检测器和电路产生的热噪声。生的热噪声。因此，功率信噪比为：因此，功率信噪比为：222SLLpSLBdLeMP P RhSNReM ePPPIfRkT fh当本征功率当本征功率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：足够大时，本征散粒噪声远超过所有其它噪声，则上式变为：22SLLSpLLeMP P RPhSNRehfM ePfRh这就是光外差检测系统中所这就是光外差检测系统中所能达到的最大信噪比极限，能达到的最大信噪比极限，一般称为光外差检测的一般称为光外差检测的量子量子检测极限检测极限或或量

39、子噪声限量子噪声限。2222CSLLSLLePMP P RMP P Rh224nSBLdLePM ePPPIfRkT fh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，转换增益，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。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，应合理选择本振光功率，以便得到因此，应合理选择本振光功率，以便得到最佳信噪比最佳信噪比和较大的和较大的中中频转换增益。频转换增益。(

40、a)引入引入最小可检测功率（等效噪声功率）最小可检测功率（等效噪声功率）NEP表示，在量子检表示，在量子检测极限下，光外差检测的测极限下，光外差检测的NEP值为：值为： SNR时的信号光功率时的信号光功率:SpPSNRhfshfPNEP(b) 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：2hfNEP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，实际中是无法实现量子极限的。而对于光外差检测，条件下得到，实际中是无法实现量子极限的。而对于光外差检测，利用利用足够的本振光足够的本振光是容易实现的。是容易

41、实现的。结论结论5 5：检测灵敏度高是光外差检测的突出优点：检测灵敏度高是光外差检测的突出优点。 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：要求高得多，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测时，频移主要是因为采用多普勒频移特性进行目标检测时，频移的范围宽，要求检测器的响应范围要宽，甚至达上千兆的范围宽，要求检测器的响应范围要宽，甚至达上千兆Hz。均匀性好。均匀性好。 外差检测中检测器即为混频器，在检测器光敏面上信号外

42、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，为达到在光敏面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个光不同区域相同的外差效果，要求检测器的光电性能在整个光敏面上都是一致。特别是用于跟踪系统的四象限列阵检测器。敏面上都是一致。特别是用于跟踪系统的四象限列阵检测器。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。如果在室外或在实验室工作时，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。如空间应用时，要求选工作温度高的检测器。如HgCdTe红外检红外检测器件。测器

43、件。主要内容：主要内容： 3 3 、光外差检测条件、光外差检测条件光外差检测只有在下列条件下才可能得到满足：光外差检测只有在下列条件下才可能得到满足：信号光波和本征光波信号光波和本征光波必须具有相同的模式结构，必须具有相同的模式结构，这意味着所这意味着所 用激光器应该单频基模运转。用激光器应该单频基模运转。信号光束和本振光束在光混频面上信号光束和本振光束在光混频面上光斑必须相互重合光斑必须相互重合，为了，为了 提供最大信噪比，它们的光斑直径最好相等，因为不重合的提供最大信噪比，它们的光斑直径最好相等，因为不重合的 部分对中频信号无贡献，只贡献噪声。部分对中频信号无贡献，只贡献噪声。信号光波和本

44、振光波的信号光波和本振光波的能流矢量必须尽可能保持同一方向能流矢量必须尽可能保持同一方向， 这意味着两束光必须保持空间上的角准直。这意味着两束光必须保持空间上的角准直。在角准直，即传播方向一致的情况下，两束光的在角准直，即传播方向一致的情况下，两束光的波前面还必波前面还必 须曲率匹配，须曲率匹配，即或者是平面，或者有相同曲率的曲面。即或者是平面，或者有相同曲率的曲面。在上述条件都得到满足时，有效的光混频还要求在上述条件都得到满足时，有效的光混频还要求两光波必须两光波必须 同偏振，同偏振，因为在光混频面上它们是矢量相加。因为在光混频面上它们是矢量相加。 光外差检测的空间条件光外差检测的空间条件

45、普遍情况下，由于信号光与本振光波前有一失配角普遍情况下，由于信号光与本振光波前有一失配角，故信号光，故信号光斜入射到光探测器表面，同一波前到达探测器光敏面的时间不斜入射到光探测器表面，同一波前到达探测器光敏面的时间不同，可等效于在同，可等效于在x方向以速度方向以速度Vx 行进，所以在光探测器光敏面不行进，所以在光探测器光敏面不同点处形成波前相差，故可将信号光电场写为：同点处形成波前相差，故可将信号光电场写为： cosSSSSSXEtAtxV式中，式中， 是信号光波矢在是信号光波矢在x方向的分量。由上图可方向的分量。由上图可知，知， ，所以有，所以有 ,式中式中c为光速。为光速。于是信号光电场可

46、重写为：于是信号光电场可重写为： cosSSSSSXEtAtxVSxxKVsinSxKKsincsinxcV 2 sincosSSSSSEtAtx入射到光电探测器光敏面的总电场为入射到光电探测器光敏面的总电场为 ： SLE tEtEt光探测器输出的瞬时光电流为光探测器输出的瞬时光电流为：2222222222222222 sincoscos2 sincoscos2 sincos2 sincosddpSssLLLsddddSssLLLsddSLLSLSSSLLSLSSMIAtxAtdxdydMAtxAtdA AtxA Atx dxdy于是经中频滤波器后输出的瞬时中频电流为：于是经中频滤波器后输出的

47、瞬时中频电流为： /2/22/2/22 sincosddIFSLLSLSsddMIA Atxdxdyd 因为因为Vx = c/sin,所以瞬时中频电流的大小与失配角所以瞬时中频电流的大小与失配角有关。因子有关。因子时，瞬时中频电流达到最大值，即要求时，瞬时中频电流达到最大值，即要求 ，也就是，也就是失配角失配角0。但是实际中但是实际中角很难调整到零。为了得到尽可能大的中频输出，角很难调整到零。为了得到尽可能大的中频输出，总是希望因子总是希望因子 尽可能接近于尽可能接近于1，要满足这一条件，只有，要满足这一条件，只有 ，因此，因此sin212sxSxdVdV20SxdV21SxdV=sinsd=

48、2sin2cos2sxIFSLLSLSSxdVMIA AtddV对上式积分得到对上式积分得到：sin22sxSxdVdV 显然，显然，失配角与信号光波波长成正比，与光混频器失配角与信号光波波长成正比，与光混频器的尺寸成反比，即波长越长，光电探测器尺寸越小，则的尺寸成反比，即波长越长，光电探测器尺寸越小，则所容许的失配角就越大所容许的失配角就越大。 由此可见，光外差探测的空间准直要求十分苛刻。由此可见，光外差探测的空间准直要求十分苛刻。波长越短，空间准直要求也越苛刻。所以在红外波段光波长越短，空间准直要求也越苛刻。所以在红外波段光外差探测比可见光波段有利得多外差探测比可见光波段有利得多 。 外差

49、检测在空间上能很好的抑制背景噪声，具有很外差检测在空间上能很好的抑制背景噪声，具有很好的空间滤波性能，但外差检测要求严格的空间条件也好的空间滤波性能，但外差检测要求严格的空间条件也带来了不便，即调准两个光束很困难。带来了不便，即调准两个光束很困难。举例举例: L=10.6m，检测器光敏面，检测器光敏面0.2cm，求，求多大？多大？arcsinsd= 可见：要形成强的差频信号，对信号光束和本振可见：要形成强的差频信号，对信号光束和本振光束的空间准直要求很严格。如此以来，使得背景光光束的空间准直要求很严格。如此以来，使得背景光噪声被滤掉。外差探测具有很好的空间滤波性能。同噪声被滤掉。外差探测具有很

50、好的空间滤波性能。同时，也增加了系统测量的难度。时，也增加了系统测量的难度。解决办法：采用聚焦透镜降低空间准直要求。（解决办法：采用聚焦透镜降低空间准直要求。（本质本质上是把不同传播方向的信号光集中在一起上是把不同传播方向的信号光集中在一起）本质上相当于把不同传播方向的信号光束集中在一本质上相当于把不同传播方向的信号光束集中在一起。失配角可由系统的视场角起。失配角可由系统的视场角r r 来决定。图中，来决定。图中，本振光束被发散，以便使本振光束均匀的覆盖光检本振光束被发散，以便使本振光束均匀的覆盖光检测器的光敏面。系统的视场角测器的光敏面。系统的视场角r r 为：为：f是透镜的焦距，是透镜的焦

51、距，Dp 是探测器光敏面直径是探测器光敏面直径 prDf故故2.44pddreffrrpDDD DDDDff解得：解得：2.442.44preffdrDDD D而有效孔径而有效孔径Deff为：为：deffrpDDDD可通过增大透镜孔径可通过增大透镜孔径Dr来增大有效孔径来增大有效孔径Deff ，但，但 透镜孔径透镜孔径Dr与衍射光斑直径与衍射光斑直径Dd有关，衍射光斑直径为：有关，衍射光斑直径为：2.44drfDD举例举例: L=10.6m，检测器光敏面，检测器光敏面 Dp = 0.2cm，所采用会聚透镜的，所采用会聚透镜的通光孔径通光孔径Dr=10cm，f = 50cm，求，求r 多大？多大

52、？prDf 光外差检测的频率条件光外差检测的频率条件 光外差检测除了要求信号光和本振光必须保持空间准直以光外差检测除了要求信号光和本振光必须保持空间准直以外，还要求两者具有高度的外，还要求两者具有高度的单色性单色性和和频率稳定度频率稳定度。 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。的光。 由于原子激发态总有一定的能级宽度及其它原因，光由于原子激发态总有一定的能级宽度及其它原因，光谱线总有一定的宽度谱线总有一定的宽度 。 信号光和本振光的频率漂移如不能限制在一定范围内，则信号光和本振光的频率漂移如不能限制在一定范围内，则光外差检测

53、系统的性能就会变坏。因为，如果信号光频率和本光外差检测系统的性能就会变坏。因为，如果信号光频率和本振光频率相对漂移很大，两者频率之差就有可能大大超过中频振光频率相对漂移很大，两者频率之差就有可能大大超过中频带宽，导致光探测器之后的前置放大、中频放大电路对中频信带宽，导致光探测器之后的前置放大、中频放大电路对中频信号不能正常放大。所以，需要采取专门措施稳定信号光和本振号不能正常放大。所以，需要采取专门措施稳定信号光和本振光的频率和相位。光的频率和相位。F-P腔稳频、锁模稳频、饱和吸收稳频等腔稳频、锁模稳频、饱和吸收稳频等 大气湍流对外差探测的影响大气湍流对外差探测的影响大气湍流是一种随机现象，既

54、反映在空间变量上，又反大气湍流是一种随机现象，既反映在空间变量上，又反映在时间变量上。表现为空间各点的光波相位随机变化，因映在时间变量上。表现为空间各点的光波相位随机变化，因而使相干面积大大减小，破坏空间相位条件，使外差接收功而使相干面积大大减小，破坏空间相位条件，使外差接收功率降低，信噪比下降。率降低，信噪比下降。 应用光的干涉效应进行测量的方法称为干涉测量应用光的干涉效应进行测量的方法称为干涉测量技术。干涉测量系统主要由技术。干涉测量系统主要由光源、干涉系统、信号接光源、干涉系统、信号接收系统收系统和和信号处理系统信号处理系统组成。组成。 根据测量对象和测量要求的不同而各有不同的组根据测量

55、对象和测量要求的不同而各有不同的组合，并由此形成了各种结构形式的干涉仪。合，并由此形成了各种结构形式的干涉仪。优点：测量精度高（以波长为单位）优点：测量精度高（以波长为单位） 。 干涉测量基本原理：改变干涉仪中传输光的光程干涉测量基本原理：改变干涉仪中传输光的光程而引起对光的相位调制，从而表现为对光强的调制。而引起对光的相位调制，从而表现为对光强的调制。测量干涉条纹的变化即可得到被测参量的信息。测量干涉条纹的变化即可得到被测参量的信息。 干涉条纹是由干涉场上光程差相同的场点的轨迹干涉条纹是由干涉场上光程差相同的场点的轨迹形成。形成。 可进行可进行长度、角度、平面度、折射率、气体或液长度、角度、

56、平面度、折射率、气体或液体含量、光学元件面形、光学系统像差、光学材料内体含量、光学元件面形、光学系统像差、光学材料内部缺陷部缺陷等几何量和物理量的测量。等几何量和物理量的测量。 激光干涉测长的基本原理激光干涉测长的基本原理系统组成：系统组成：(a)激光光源激光光源He-Ne气体激光器，频宽达气体激光器，频宽达103Hz，相干长度可达相干长度可达300km(b)干涉系统干涉系统迈克尔逊干涉原理，位移迈克尔逊干涉原理，位移-测量臂；测量臂；(c)光电显微镜光电显微镜给出起始位置，实现对被测长度或位移给出起始位置，实现对被测长度或位移的精密瞄准，使干涉仪的干涉信号处理的精密瞄准，使干涉仪的干涉信号处

57、理部分和被测量之间实现同步。部分和被测量之间实现同步。(d)干涉信号处理部分干涉信号处理部分光电控制、信号放大、判向、细分及可光电控制、信号放大、判向、细分及可逆计数和显示记录等。逆计数和显示记录等。测量光束测量光束2和参考光束和参考光束1相互叠加干涉形相互叠加干涉形成干涉信号。其明暗变化次数直接对应成干涉信号。其明暗变化次数直接对应于测量镜的位移，可表示为：于测量镜的位移，可表示为：2LN 激光干涉测长的光路设置激光干涉测长的光路设置1.激光器激光器 2.透镜透镜 3.小孔光阑小孔光阑 4.透镜透镜 5.反射镜反射镜 6.反射棱镜反射棱镜 7.位相板位相板 8.角锥反射棱镜角锥反射棱镜 9.

58、分束镜分束镜 10.角锥反射棱镜角锥反射棱镜 11.透镜透镜 12. 光阑光阑 13.光电探测器光电探测器 14. 透镜透镜 15.光阑光阑 16.光电探测器光电探测器干涉光路的设置：干涉光路的设置： 干涉信号的方向判别与计数干涉信号的方向判别与计数误差原因：外界干扰因素的影响，使测量镜在正向误差原因：外界干扰因素的影响，使测量镜在正向移动过程中产生一些偶然的反向移动。单纯计数，移动过程中产生一些偶然的反向移动。单纯计数，测量结果是正反移动的总和。测量结果是正反移动的总和。解决方法：判别计数。当测量镜正向移动时所产生解决方法：判别计数。当测量镜正向移动时所产生的脉冲为加脉冲；反之为减脉冲的脉冲

59、为加脉冲；反之为减脉冲 。 在干涉系统中通过移相方法，得到两路相互差在干涉系统中通过移相方法，得到两路相互差/2/2的干涉条纹光强的干涉条纹光强信号，这两路干涉信号经过两个光电探测器接收后，得到与干涉信号相信号，这两路干涉信号经过两个光电探测器接收后，得到与干涉信号相对应的两路相差对应的两路相差/2/2的电信号：正弦信号和余弦信号。这两路信号经放的电信号：正弦信号和余弦信号。这两路信号经放大、整形、倒相变成四路方波信号，再经过微分电路，得到四个相位依大、整形、倒相变成四路方波信号，再经过微分电路，得到四个相位依次相差次相差/2/2的脉冲。的脉冲。 将脉冲按测量镜的正向移动时相位的排列次序为将脉

60、冲按测量镜的正向移动时相位的排列次序为1 1、3 3、2 2、4 4，反向，反向位移时相位的排列次序为位移时相位的排列次序为1 1、4 4、2 2、3 3，在后面的脉冲电路上根据脉冲，在后面的脉冲电路上根据脉冲1 1后面是后面是3 3或是或是4 4可判别是正向脉冲还是反向脉冲，实现判向目的。可判别是正向脉冲还是反向脉冲，实现判向目的。判向计数：判向计数：正向移动：正向移动：正向：正向：1324同理可得同理可得反向：反向：1423位移长度为：位移长度为： 8LN 光外差通信基本上都是采用光外差通信基本上都是采用CO2激光器做光源，因为其发射激光器做光源，因为其发射波长波长10.6m处于大气窗口之