直接探测和相干探测-PPT精选课件

1、课程主要内容四大部分：理论基础光电信号变换与处理光辐射源光电探测器光电系统分析设计测距计时器放大、滤波、比较主波回波光学信号变换光电信号变换激光脉冲测距原理示意图电学信号变换光电信号变换与处理光学信号变换 光电信号变换与处理光电信号变换电学信号变换教材第八章教材第九章教材第十章人眼和探测器可以响应平均光功率平方律器件光电信号变换 光电探测器光信号电信号光电信号变换 光电探测器光信号电信号光的频率：10141015Hz 探测器响应频率1010Hz 光电信号变换 光电探测器光信号电信号响应平均光功率 直接探测响应光的频率 相干探测光电信号变换 光电探测器光信号电信号入射光与探测器相互作用的物理过程

2、 第09章 直接探测和相干探测 直接探测 （平均光功率） 相干探测 （光的波动参数） 探测方法的改进光电信号变换9.1 直接探测9.1.1直接探测的基本原理9.1.3直接探测的应用举例Drirect Detection ，又称为非相干探测装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测平均光功率（光强）9.1.2* 直接探测系统的视场和作用距离1.直接探测基本物理过程： 9.1.1直接探测的基本原理光 波： 光功率： 1.直接探测基本物理过程： 9.1.1直接探测的基本原理平方律器件：光波： 光功率： 1.直接探测基本物理过程： 9.1.1直接探测的基本原理平方律器件：光波： 光场包络的频率10

3、10Hz 光场的频率10141015Hz 1.直接探测基本物理过程： 光电探测器响应光场包络平方律器件：9.1.1直接探测的基本原理9.1.1直接探测的基本原理设光栅的栅距P40m相对移动的速度V =1cm/s半导体激光器,波长 =890nmHz。例1 比较光场频率和光强度信号的变化频率光强度信号的变化频率f = ？光场频率 v =? 2.直接探测系统的信噪比1)信噪比定义：电信号功率和电噪声功率之比 9.1.1直接探测的基本原理2.直接探测系统的信噪比9.1.1直接探测的基本原理1) 信噪比定义：电流（电压）信噪比： 功率信噪比： 2.直接探测系统的信噪比9.1.1直接探测的基本原理模拟信号

4、系统：35， 精度高时10100信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标 数字脉冲系统：例如，光通信误码率 0 (t)t例4. 像分析器与目标的空间定位2) 扫描调制式像分析器 x像振动 x 0 x0振动针孔Rt1.振动针孔调制器的工作特性 （定位特性）RR0振动针孔Rt1.振动针孔调制器的工作特性 （定位特性）RR0振动针孔Rt1.振动针孔调制器的工作特性 （定位特性）RR0振动针孔Rt2.转轴表面跳动时针孔 光通量的波形图：RUcttttR=0 零频、2、4 、R0 零频、（同相）、2 、3.鉴相器输出U0R=0 零频、2、4 、 U0= 0 R0 零频、（反相）、2 、 U0 0

5、零频、（同相）、2 、 Uo 04.鉴相器输出波形Uot0Uot0TT=2/Uot0TT=2/R=0R0第九章 直接探测和相干探测 直接探测 （平均光功率） 相干探测 （光的波动参数） 探测方法的改进光电信号变换第09章 直接探测和相干探测直接探测：（非相干探测） 相干探测： （光学外差探测） 装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测光功率（光强）。 装置复杂，光源必须为相干光源，间接探测光波的振幅、频率和相位等参数。9.2 相干探测9.2.1 相干探测的基本原理9.2.2 相干探测的条件9.2.3 相干探测的应用举例Coherent Detection 又称为光外差探测 1. 相干探测

6、的物理过程原理框图 信号光s （本地、异地）参考光r双频光波：9.2.1 相干探测的基本原理1. 相干探测的物理过程原理框图 9.2.1 相干探测的基本原理波前匹配条件：空间条件频率条件偏振条件1. 相干探测的物理过程原理框图 9.2.1 相干探测的基本原理采用平方律探测器：（只响应平均功率）高灵敏度、高频响应、量子效率PMT，PIN-PD，A_PD 光学混频器：1.相干探测的物理过程1)相干探测的输出信号信号光参考光和 角 差 角 积 1.相干探测的物理过程1)相干探测的输出信号信号光参考光平方律探测器光混频输出Ihs为： 10141015Hz1010Hz1.相干探测的物理过程1)相干探测的

7、输出信号探测器、放大器滤波器（中频输出） 1.相干探测的物理过程1)相干探测的输出信号探测器、放大器滤波器（中频输出） 相干探测拍频信号输出 （虚拟波形演示） 相干探测拍频信号输出 （虚拟波形演示） 相干探测拍频信号输出 （虚拟波形演示） 启动虚拟仪器LabVIEW8.6仿真信号相干探测拍频信号输出 （虚拟波形演示） 启动虚拟仪器LabVIEW8.6仿真信号1.相干探测的物理过程1)相干探测的输出信号探测器、放大器滤波器（中频输出） 相干探测拍频信号输出虚拟波形动态演示 信 息 1. 相干探测的物理过程1)相干探测的输出信号特例：单频双光束干涉（频差为0）讨论：相干探测的实质1.平方律探测器2

8、.频率搬移10141015Hzs G107108 外差探测直接探测2. 相干探测的基本特性相干探测优点：信噪比高相干探测： 直接探测： 仅考虑信号光引起的散粒噪声限制 相干探测信噪比高？ P2172. 相干探测的基本特性信号光电流、背景光电流和器件暗电流热噪声 散粒噪声仅考虑信号光电流引起的散粒噪声：直接探测的信噪比：2. 相干探测的基本特性外差探测： 直接探测： 仅考虑信号光引起的散粒噪声限制，即 外差探测与直接探测更容易满足条件相干探测信噪比高？2. 相干探测的基本特性相干探测优点：（与直接探测对比）探测能力强转换增益高信噪比高滤波性好（空间滤波和光谱滤波）稳定性和可靠性高 9.2.2 相

9、干探测的条件1相干探测空间条件2相干探测频率条件3相干探测偏振条件满足波前匹配条件： 1相干探测空间条件信号光和本振光在空间上的角准直失配角： 9.2.2 相干探测的条件例：光电探测器的尺寸d为lmm，当s0.63m时 1相干探测空间条件为什么需要角准直？ 探测器接收面上沿x方向各点的相位差不同： 9.2.2 相干探测的条件为什么需要角准直？ 探测器接收面上沿x方向各点的相位不同信号光和本振光的波前在光混频器表面上没有相同的位相关系 导致混频输出电流信号减小为什么需要角准直？ 探测器表面各点相位相同时：探测器表面各点相位不同时：输出信号最大值输出信号减小1相干探测空间条件信号光和本振光在空间上

10、的角准直： 例：d=1mm，s0.6328m失配角： 可以证明： 9.2.2 相干探测的条件1相干探测空间条件信号光和本振光在空间上的角准直： 例：d=1mm，s0.6328m失配角： 可以证明： 空间准直： 条件苛刻 空间滤波9.2.2 相干探测的条件2相干探测频率条件混频器选通放大器观察仪器高频示波器频谱分析仪 外差接收v，1041010Hz信号光和本振光的频率漂移？ 采用高单色性和频率稳定度的激光源 两束光取自同一激光器，由频偏取得本振光 专门措施： 9.2.2相干探测的条件3相干探测偏振条件平方律探测器光混频输出Ihs为： “代数和” ？信号光与本振光的偏振方向一致 加检偏器获得偏振方

11、向一致 9.2.2相干探测的条件9.2.2 相干探测的条件1相干探测空间条件2相干探测频率条件3相干探测偏振条件P214 满足波前匹配条件： 相干探测与直接探测相比？9.2 相干探测9.2.1 相干探测的基本原理9.2.2 相干探测的条件9.2.3 相干探测的应用举例Coherent Detection 又称为光外差探测 9.2.3 相干探测的应用举例相位调制频率调制干涉测量相干通信精密测长、测距、测速、测振动、测力、测应变、光谱分析， 外层空间特别是卫星之间通信、光纤通中波分复用 接收解调， 9.2.3 相干探测的应用举例2.激光多普勒测速3.CO2激光外差通信1.激光干涉测量 1.激光干涉

12、测量 1)单频激光测长 信号光参考光单频1) 单频激光测长 信号光参考光单频位移l1.激光干涉测量 1) 单频激光测长 例：取n=1, 测量镜位移时观察到探测器的输出为：l = ?1.激光干涉测量 1) 单频激光测长 信号光参考光 位移l局限性： 不能判别移动方向1.激光干涉测量 1)单频激光测长 光电探测器4,5相位差为/2参考光信号光判别移动方向：“参照物”1.激光干涉测量 1)单频激光测长 判别移动方向：“参照物”1.激光干涉测量 正反移动方向波形 1) 单频激光测长 信号光参考光缺点：空气的折射率n与当时的环境温度、 湿度 及气压等因素有关，影响测量精度2. 双频激光测长 1.激光干涉

13、测量 2) 双频激光测长 双频激光干涉仪双频激光检偏器 滤波片 信号光 参考光 1.激光干涉测量 2) 双频激光测长 双频激光干涉仪光学差频信号 1.激光干涉测量 2) 双频激光测长 光学差频信号: 积分器波数: 位移测量公式：位移与空气的折射率n无关！1.激光干涉测量 2) 双频激光测长 双频激光干涉仪频差为150MHz，激光稳频精度为108时，测长精度0.1m3. 二维干涉图测量 1.激光干涉测量 3)波前调制相位与二维干涉图分析表面形状分布 二维光强分布 亮条纹扩束1.激光干涉测量 3)波前调制相位与二维干涉图分析 物面凹凸 不平程度 相位分布基本思路：亮条纹 二维 干涉图样1.激光干涉

14、测量 表面形状分布 二维光强分布 亮条纹动态检测：精度 /100 静态检测：精度 /20 二次相位调制 3)波前调制相位与二维干涉图分析1.激光干涉测量 一次相位调制二次相位调制3)波前相位调制与二维干涉图分析1.激光干涉测量 使参考光相位人为地随时间调制 二次相位调制 信号光相位受到被测物理量的调制称为 一次相位调制二次相位调制的定义3)波前相位调制与二维干涉图分析1.激光干涉测量 静止干涉图样亮条纹光学相位分布，计算机界面上是一幅静止的画面 静态检测光学相位分布变换为时序电信号相位动态检测一次相位调制：二次相位调制：（照相机）（摄像机）3)波前相位调制与二维干涉图分析1.激光干涉测量 3)

15、二维干涉图测量二次相位调制的实现途径 二次相位调制 移动参考镜压电陶瓷：伸长（缩短）量 l = kU Lr 参考镜例：阶梯波扫描干涉法3)二维干涉图测量阶梯波扫描时的干涉图：干涉图样：时序信号：tI3)二维干涉图测量阶梯波扫描时的干涉图：干涉图样：时序信号：tI3)二维干涉图测量例 阶梯波扫描干涉法 物面凹凸 不平程度 相位分布3)二维干涉图测量基本思路：亮条纹 二维 干涉图样只分析一维的情况干涉面上任一点x的光强度： 将上式看作是r的余弦函数 I(x, r)as2(x)+ar2+2as(x)arcoss(x）cosr +2as(x)arsins(x）sinr 求解s表达式（1）3)二维干涉图

16、测量每次改变1/n周期采样p个周期令r在2周期内每次改变1/n周期，共采样p个周期，即 求解s表达式（2）3)二维干涉图测量每次光电测量数值 求解s表达式（3）3)二维干涉图测量 求解s表达式（4）3)二维干涉图测量9-73，9-78式物理意义i.干涉面上任意一点x的光强分布都可以展开为参考光相位r的时序调制，即可将干涉空间图转换为时序信号：ii.被测光信息的相位s(x)可由下式计算得出，并由此确定面形的凹凸程度：3)二维干涉图测量如何得到相位分布： 光强空间分布10241024CCD面阵光强取样N X P次测量数据平均计算机曲线拟合相位分布3)二维干涉图测量干涉图样亮条纹静态检测（精度 /2

17、0 ）动态检测（精度 /100 ）一次相位调制：二次相位调制：二次相位调制技术为干涉测量开辟了实时、数字式和高分辨率的新途径！ 1.激光干涉测量 3)波前相位调制与二维干涉图分析动态检测（精度 /100 ）二次相位调制： 1.激光干涉测量 激光陀螺：基片0.08nm膜片0. 8nm双频平面干涉法3)波前相位调制与二维干涉图分析 1.激光干涉测量 一种改进的泰曼-格林干涉仪 双频平面外差干涉测量系统单频平面干涉 /100双频平面干涉 /10003)波前相位调制与二维干涉图分析9.2.3 相干探测的应用举例2.激光多普勒测速*3.CO2激光外差通信1.激光干涉测量 9.2.3 相干探测应用举例3.

18、 CO2激光外差通信光通信光纤通信大气光通信半导体激光器强度调制直接探测CO2激光器光波频率或相位调制相干探测9.2.3 相干探测的应用举例CO2激光外差通信频率或者相位调制 相干探测 外层空间星际通信9.2.3 相干探测的应用举例光纤通信强度调制 直接探测 应用 相干探测9.2.3 相干探测的应用举例相干探测可用于光纤通信中波分复用 接收解调发送端接收端12n强度调制强度调制强度调制复用相干接收相干接收相干接收12n光纤9.2.3 相干探测的应用举例中国科学院研究生院博士学位论文光纤水听器关键技术研究倪 明 光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光纤

19、相干检测，将水声信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的监测。它既可用于海洋、陆地石油天然气勘探，也可用于海洋、陆地地震波检测以及海洋环境检测，它又是现代海军反潜作战及水下兵器试验的先进检测手段。9.2.3 相干探测的应用举例Michelson干涉光纤水听器 光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。9.3 探测方法的改进*9.3.1 平衡探测灵敏度提高一倍9.3 探测方法的改进*9