第09章_直接探测和相干探测.ppt

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 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 1014 1015Hz 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 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 DrirectDetection 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 1010Hz 光场的频率1014 1015Hz 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P 40 m相对移动的速度V 1cm s半导体激光器 波长 890nm 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 模拟信号系统 3 5 精度高时10 100 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 10 9要求信噪比 20dB 2 直接探测系统的信噪比 9 1 1直接探测的基本原理 提高系统信噪比的基本途径 光学方法 如场镜 光锥 浸没透镜 应用光学 电学方法 如滤波 低噪声放大 弱信号检测 第十章 热力学方法 制冷降低探测器噪声 9 1 1直接探测的基本原理 光学方法 如场镜 光锥 浸没透镜 例 红外探测系统 信号光电流 背景光电流和器件暗电流 热噪声 散粒噪声 2 直接探测系统的信噪比 2 直接探测的信噪比极限 以光电二极管为例 最理想情况 只有信号光电流引起的散粒噪声 忽略吗 直接探测的量子极限 2 直接探测的信噪比极限 2 直接探测系统的信噪比 直接探测的量子极限 量子极限的另一种表达是 直接探测的噪声等效功率 例 为1 f为1Hz 2h 已很接近单个光子的能量h 实际上 几乎不可能 2 直接探测的信噪比极限 2 直接探测系统的信噪比 物理学中 量子 的定义 直接探测噪声等效功率 例 为1 f为1Hz 可探测 2hv 频率为v的电磁波的能量是一份一份的 一份最小的能量hv称为量子 量子极限 2 直接探测系统的信噪比 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 DrirectDetection 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 9 1 2 直接探测系统的视场和作用距离 视场 d Ad f2 光电探测器的视场角 光电探测器 9 1 2 直接探测系统的视场和作用距离 作用距离 主动探测系统框图 被动探测系统框图 9 1 3直接探测的应用举例 激光制导 飞行物自动跟踪激光稳频 机器人视觉 几何量 长度 位移 表面形状参量 工件粗糙度 伤痕 光学参量 吸收 反射 电磁量 电流 电场 磁场 应用于测量 应用于控制 特点 信息加载 辐通量 光强 几何量 长度 位移 表面形状参量 工件粗糙度 伤痕 光学参量 吸收 反射 电磁量 电流 电场 磁场 辐通量 幅度 频率 相位 9 1 3直接探测的应用举例 例1 光电磁场测量 磁场 光通量 幅度 磁场 振动方向旋转角度 光通量幅度 9 1 3直接探测的应用举例 例2 光栅莫尔条纹测位移 t 精度已可达 0 1 m m 位移 光通量 频率 9 1 3直接探测的应用举例 测 幅度 与 频率 方法 测量精度的比较 现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法 例3 光电测距 光电光波测距 发射光波 接收光波 距离 光通量 相位 9 1 3直接探测的应用举例 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 CoherentDetection 又称为光外差探测 1 相干探测的物理过程 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 APD 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 平方律探测器光混频输出Ihs为 1014 1015Hz 1010Hz 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 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 相干探测拍频信号输出 虚拟波形演示 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 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 频率搬移 1014 1015Hz 1010Hz 光学混频器 1 相干探测的物理过程 光电系统 相干探测 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 104 1010Hz s r 无线电 外差接收 高频载波 本机振荡 混频 中频信号 解调 音频图像信息 光外差探测 1 相干探测的物理过程 2 调制信号的探测 相干探测 拍频信号的调制 2 相干探测的基本特性 9 2 1相干探测的基本原理 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 稳定性和可靠性高 相干探测优点 探测能力强 直接探测 光的强度 as2 振幅 相位 频率 2 相干探测的基本特性 光波的 相干探测优点 转换增益高 r sG 107 108 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 P282 2 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 s 0 63 m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的角准直 例 d 1mm s 0 6328 m 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 s 0 6328 m 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 104 1010Hz 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 P283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 CoherentDetection 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 1 激光干涉测量 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l 1 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1 5