第09章-直接探测和相干探测

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：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,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0,振动针孔,1.振动针孔调制器的工作特性（定位特性）,R0,振动针孔,1.振动针孔调制器的工作特性（定位特性）,R0,振动针孔,2.转轴表面跳动时针孔光通量的波形图：,R,Uc,t,t,t,t,R=0零频、2、4、,R0零频、（同相）、2、,3.鉴相器输出U0,R=0零频、2、4、U0=0,R0,4.鉴相器输出波形,Uo,t,0,Uo,t,0,T,T=2/,Uo,t,0,T,T=2/,R=0,R0,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，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：,10141015Hz,sG107108,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？,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,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，,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150MHz，激光稳频精度为108时，测长精度0.1m,3.二维干涉图测量,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)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=kULr,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：,t,I,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：,t,I,3)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,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,NXP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/20）,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,本