光电检测直接外差探测.ppt

直接检测与外差检测 光电检测方法 直接探测与外差探测系统 直接检测 光电探测器的基本功能是把入射到探测器上的光功率转换为相应的光电流 光电流是光电探测器对入射光功率的响应，如果传递的信息表现为光功率的变化，利用光电探测器的直接光电转换功能就能实现信息的直接解调 光电探测器的平方律特性 假定入射光的电场为 是等幅正弦变化 光电探测器的光电转换定律 若探测器的负载电阻为RL，那么光电探测器的输出功率 信噪比 设入射光电探测器的信号功率为si，噪声功率为ni，光电探测器的输出电功率为so，输出噪声功率为no，则总的输入功率为si＋ni，总的输出功率为so＋no 由光电探测器的平方律特性 信号和噪声的独立性，有 根据信噪比的定义，输出信噪比为 直接探测——提高输入信噪比的光学方法 光谱滤波：基于目标辐射的波长与背景辐射波长之间的差别，利用光谱滤波法消除背景辐射的干扰 减小探测器的面积 场镜：在调制盘及探测器之间插入一个透镜，它能把视场边缘的光线折向光轴，使得焦平面上每一点发出的光线都充满探测器； 光锥：起到减小探测器面积的作用。 外差检测 该方法将包含有被测信息的相干光调制波和作为基准的本机振荡光波，在满足波前匹配条件下在光电探测器上进行混频。探测器输出的是频率为两光波光频差的拍频信号 该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位。通过检测拍频信号最终调制出被传送的信号 利用光的干涉原理 基本原理 设入射到探测器上的信号光场为： 本机振荡光场为： 入射到探测器上的总光场为： ； :　量子效率； 　:光子能量； 　: 差频。 式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1／2。 第三项（和频项）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频项）相对光频而言，频率要低得多。 当差频 低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为 的光电流输出。 混频后的频谱 外差检测与直接检测的性能比较 探测能力强：光波的振幅、相位及频率的变化都会引起光电探测器的输出，因此外差探测不仅能够检测出振幅和强度调制的光波信号，而且可以检测出相位和频率调制的光信号 转换增益高：外差探测时经过光电接收器输出的电流幅值为 同样信号光功率下，光外差探测和直接探测得到的信号功率比为 G为转换增益 相干探测中本征光的功率P0远大于接收到的信号光功率PS,通常是高几个数量级，因此G可高达107~108数量级 滤波性能好 形成外差信号，要求信号光和本征信号空间严格对准，而背景光入射方向是杂乱无章的，偏振方向也不确定，不能满足外差空间调准要求，不能形成有效的外差信号，因此该方法可以滤掉背景光 同时通过检测通道的通频带刚好覆盖有用的外差信号的频谱范围，这样杂散光形成的拍频信号也可以被滤掉 差频信号是由具有恒定频率（近于单频）和恒定相位的相干光混频得到的，只有激光才能实现外差探测。 信噪比损失小 检测灵敏度高 例如：量子效率为１， Δf为１Hz，则外差检测的 灵敏度极限为１个光子 系统对探测器性能的要求 光外差检测对探测器的要求比直接检测高 响应频带宽 均匀性好 工作温度高 外差检测的条件---相位条件 假设信号光和本征光是平面波，两者之间夹角；并假定光探测器的光敏平面是边长为d的正方形，假定本征光垂直入射 入射到光混频器表面的总光场为 则光混频器输出的瞬时光电流为 由于 因此瞬时中频电流的大小与失配角 有关 即失配角θ与信号光波长λs成正比，与光混频器的尺寸d成反比 波长越长，光电探测器的尺寸越小，则容许的失配角就越大；波长越短，空间准直要求也越苛刻 光外差探测的偏振条件 要求信号光与本征光的偏振方向一致，这样两束光才能按照光束叠加规律进行合成 通常光电器件前放置偏振片 外差检测的频率条件 两者具有高度的单色性和频率稳定度 如果信号光和本征光的频率相对漂移很大，两者频率之差就可能大大超过中频滤波器的带宽 通常两束光取自同一激光器，通过频率偏移取得本征光，信号光通过调制得到 外差法的调频方法 为了形成外差检测的光频差，采用频率调制方法 运动参量调频： 固定频移 直接调频法 运动参量的频率调制 对运动参量进行检测时，被测运动参量直接对参考光波的频率进行调制，形成与参考光有一定频差的信号光，这种频率调制方法称为参量调频法 光学多普勒效应和运动差频 利用多普勒效应------运动物体能改变入射到其上的光波的频率，即频率为f0的单色光入射到速度为v的运动物体上，被物体散射的光波频率fs会产生