即不同的相位差.ppt

第六章光电间接检测系统 山东科技大学 主讲：刘维慧 （一）光电直接检测系统 （二）光外差检测系统 主要内容： 6.1 光外差检测原理 6.2 光外差检测特性 6.3 影响光外差检测灵敏度的因素 6.4 光外差检测系统举例 （二） 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，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（υ≥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。 光外差检测原理示意图 直接检测系统中，检测器检测的光功率为平均光功率Pcp： 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 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： Ν 那么，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： 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(ωL-ωs)/2π=ωC/2π低于光检测器的上限截止频率时，检测器就有频率为ωC/2π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ωC为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为： 中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为： 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： 当ωL-ωs=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频电流为： 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 光外差检测可获得全部信息 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G高 光外差检测中频输出有效信号功率为： 在直接检测中，检测器输出电功率为： 两种方法得到的信号功率比G为： 可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。 6.2.4 信噪比损失小 6.2.3 良好的滤波性能 光外差检测中，取信号处理器通频带为Δf=fL-fs，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。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：目标沿光束方向运动速度υ=0-15m/s，对于CO2激光信号， 多普勒频率fs为： 通频带Δf1取为： 而直接检测加光谱滤光片时，设滤光片带宽为1nm，所对应的带宽，即通频带Δf2=3000MHz。 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。 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，外差检测器的输出信噪比等于输入信噪比，输出信噪比没有损失。 6.6.5 最小可检测功率—内增益型光电检测器件 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： 内部增益为M的光外差检测器输出有效信号功率为： 检测系统中检测器本身的散粒噪声和热噪声是影响最大但难以消除的。则外差检测输出的散粒噪声和热噪声表示为： 功率信噪比为： 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量子检测极限或量子噪声限。 引入最小可检测功率（等效噪声功率）NEP表示，在量子检测极限下，光外差检测的NEP值为： 在光电直接检测系统的量子极限为： 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。 6.2.5 最小可检测功率—内增益型光电检测器件 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，应合理选择本振