直接探测和相干探测

光电科学与工程学院COLLEGEOFOPTOELECTRICSCIENCEANDENGINEERING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光电科学与工程学院COLLEGEOFOPTOELECTRICSCIENCEANDENGINEERING35214D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电科学与工程学院COLLEGEOFOPTOELECTRICSCIENCEANDENGINEERING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00COS2EEVT人眼和探测器可以响应平均光功率20E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10141015HZ00COS2EEVT探测器响应频率0TT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X0X0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）RR0零频、（同相）、2、3鉴相器输出U0R0零频、2、4、U00R0零频、（同相）、2、UO0KUUUUTSINUTUCIC00MC4鉴相器输出波形UOT0UOT0TT2/UOT0TT2/R0R0光电科学与工程学院COLLEGEOFOPTOELECTRICSCIENCEANDENGINEERING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光电科学与工程学院COLLEGEOFOPTOELECTRICSCIENCEANDENGINEERING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。光电科学与工程学院COLLEGEOFOPTOELECTRICSCIENCEANDENGINEERING92相干探测921相干探测的基本原理922相干探测的条件923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921相干探测的基本原理1相干探测的物理过程原理框图921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921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，PINPD，A_PD光学混频器222HSSRSRSR2222SRSSSRRRRSSRSRRSSRSR|2COS22COS2222COS2COSISETETSETETETETSAAATATAATAAT1相干探测的物理过程1相干探测的输出信号SSSSSINETATRRRRSINETAT信号光参考光2COS121SINCOSCOS21SINSINSINSINCOSCOSCOSSINSINCOSCOSCOS2和角差角积222HSSRSRSR2222SRSSSRRRRSSRSRRSSRSR|2COS22COS2222COS2COSISETETSETETETETSAAATATAATAAT1相干探测的物理过程1相干探测的输出信号SSSSSINETATRRRRSINETAT信号光参考光222HSSRSRSR2222SRSSSRRRRSSRSRRSSRSR|2COS22COS2222COS2COSISETETSETETETETSAAATATAATAAT平方律探测器光混频输出IHS为10141015HZSG107108外差探测直接探测HSMRSRS2ISAASHSSRCOSISAAT22HSMSRR222DSSS44ISGIS2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FNEP2HDSD2HSNRF相干探测信噪比高P217SHHSNRFFNEPHH2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SD2HSNRF2NT2ND2NB2NSIIII，22SDSD2222NDNSNBNDNT/PEHVSNRPIIII2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SD2HSNRFSHHSNRF2NT2ND2NB2NSIIII，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）稳定性和可靠性高光电科学与工程学院COLLEGEOFOPTOELECTRICSCIENCEANDENGINEERING922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41失配角922相干探测的条件例光电探测器的尺寸D为LMM，当S063M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SSSSS2SINSINETATX922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SSIND例D1MM，S06328M41失配角可以证明922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SSIND例D1MM，S06328M41失配角可以证明空间准直条件苛刻空间滤波922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922相干探测的条件222HSSRSRSR2222SRSSSRRRRSSRSRRSSRSR|2COS22COS2222COS2COSISETETSETETETETSAAATATAATAAT3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922相干探测的条件922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光电科学与工程学院COLLEGEOFOPTOELECTRICSCIENCEANDENGINEERING92相干探测921相干探测的基本原理922相干探测的条件923相干探测的应用举例COHERENTDETECTION又称为光外差探测923相干探测的应用举例HSSRCOSISAAT相位调制频率调制SSRS00VVVV，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，923相干探测的应用举例2激光多普勒测速3CO2激光外差通信1激光干涉测量HSSRCOSISAAT1激光干涉测量1单频激光测长HSSRCOSISAAT信号光参考光单频HSRSCOSISAA2/2NL1单频激光测长信号光参考光单频HSRSCOSISAA2/2NL2NM位移L1激光干涉测量1单频激光测长例取N1,测量镜位移时观察到探测器的输出为HSRSCOSISAA2/2NL2NML1激光干涉测量1单频激光测长信号光参考光2/2NL2NM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2/2NL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2V光学差频信号1激光干涉测量2双频激光测长2V光学差频信号积分器波数位移测量公式2LN位移与空气的折射率N无关02DTLNVT1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01M3二维干涉图测量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SR基本思路亮条纹二维干涉图样,YXS1激光干涉测量表面形状分布二维光强分布亮条纹SR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SR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SR3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）RS3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SR移动参考镜压电陶瓷伸长（缩短）量LKULR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SR3二维干涉图测量基本思路亮条纹二维干涉图样,YXS011,COSSINRRRIXUXUXMX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IX,RAS2XAR22ASXARCOSSX）COSR2ASXARSINSX）SINR求解S表达式（1）3二维干涉图测量22SRSRRS2COSIXAXAXAAX011,COSSINRRRIXUXUXMX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RJ21,2,3,JJNPN求解S表达式（2）3二维干涉图测量220SR11,NPRJJUXIXAXANP011,COSSINRRRIXUXUXMX1SS12,COS2COSNPRJRJRJUXIXAXAXNP1SS12,SIN2SINNPRJRJRJMXIXAXAXNP每次光电测量数值求解S表达式（3）3二维干涉图测量1SS12,COS2COSNPRJRJRJUXIXAXAXNP1SS12,SIN2SINNPRJRJRJMXIXAXAXNP求解S表达式（4）3二维干涉图测量S11ARCTAN/XMXUX973，978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SX可由下式计算得出，并由此确定面形的凹凸程度011,COSSINRRRIXUXUXMX3二维干涉图测量S11/XARCTGMXUX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RS1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008NM膜片08NM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光电科学与工程学院COLLEGEOFOPTOELECTRICSCIENCEANDENGINEERING923相干探测的应用举例2激光多普勒测速3CO2激光外差通信1激光干涉测量HSSRCOSISAAT光电科学与工程学院COLLEGEOFOPTOELECTRICSCIENCEANDENGINEERING923相干探测应用举例3CO2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923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923相干探测的应用举例光纤通信驱动电路放大器判别电路INGAASP激光器PINRL光纤C输入输出强度调制直接探测应用相干探测光电科学与工程学院COLLEGEOFOPTOELECTRICSCIENCEANDENGINEERING923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923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。923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