第六章 光外差检测系统第一次课

1、第六章第六章 光外差检测系统光外差检测系统光电检测系统的功能分类(知识补充) 测量检查型: 几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、距离。 运动量：速度、加速度、振动 表面形状：光洁度、庇病、伤痕 工作过程：湿度、流量、压力、物位、PH值、浓度等 机械量：重量、压力、应变、压强 电学量：电流、电压、电场、磁场 光学量：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱 控制跟踪型 跟踪控制：激光制导，红外制导 数值控制：自动定位，图形加工形成，数值控制 图象分析型 图形检测 图形分析光的基本性质光的基本性质 牛顿牛顿微粒说微粒说 根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释根据光直线传播现象，对反

2、射和折射做了解释 不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振 波动理论波动理论 惠更斯、杨氏和费涅耳等惠更斯、杨氏和费涅耳等 解释光的干涉和衍射现象解释光的干涉和衍射现象 麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波光的基本性质光的基本性质 光量子说光量子说 1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论射的量子论 1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念提出光量子的概念 光子的能量与光的频率成正比光子的能量与光的频率成正比 光具有波粒二象性光具有波

3、粒二象性辐射度的基本物理量 辐射能Qe ：一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位：焦耳J 辐射通量e：单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率。单位：瓦 辐射强度e：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：W/Sr 辐射度的基本物理量 辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位：W/m2 辐射出射度e ：扩展辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：W/m2 辐射亮度e ：辐射表面定向发射的辐射强度。单位：W/m2Sr 光谱辐射通量e（）：辐射通量的光谱密度，即单位波长间隔内的辐射通量。 基本辐射度量的名称、符号和定

4、义方程名称符号定义方程单位符号辐射能Q,焦耳J辐射能密度焦耳立方米Jm-3辐射通量，辐射功率瓦特W辐射强度瓦特球面度Wsr-1辐射亮度 瓦特球面度平方米Wm-2 sr-1辐射出射度瓦特平方米Wm-2辐射照度瓦特平方米Wm-2dvdQw/PwdtdQ /ddI/cos/2dAddLcos/dAdIdAdM/dAdE/光度量的最基本单位 发光强度Iv：发出波长为555nm的单色辐射，在给定方向上的发光强度规定为1cd。单位：坎德拉（Candela）cd，它是国际单位制中七个基本单位之一。 光通量v：光强度为1cd的均匀点光源在1sr内发出的光通量。单位：流明lm。 光照度Ev：单位面积所接受的入射

5、光的量 ，单位：勒克斯lx，相当于 1平方米面积上接受到1个流明的光通量。 晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内北窗附近照度约为2000lx晴天室内中央照度约为200lx晴天室内角落照度约为20lx阴天室外50500lx阴天室内550lx月光（满月）2500lx日光灯5000lx电视机荧光屏100lx阅读书刊时所需的照度5060lx在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx晴朗月夜照度约为0.2lx黑夜0.001lx第六章 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1

6、0-20W。 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（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1.术就可实现接近量子噪声限的检测。放大器探测器sf信号光束Lsff 光束本振Lf光外差检测原理示意图分光镜可变光阑光频混直接检测系统中，检测器检测的光功率为平均光功率Pcp：2cos2122202AttdAPcp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

7、换后，输出信号包含差频信号，故又称相干检测。6.1 光外差检测原理转镜反射镜可变光阑线栅偏振器光电检测器放大器输出激光器2COsfLfLsff 分光镜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： sssstAtfc

8、os LLLLtAtfcos LLLssstAtAtfcoscos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： _22_22_2_2coscoscoscossLsLLssLsLLsLLLsssLsptAAtAAtAtAtftftfti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(L-s)/2=C/2低于光检测器的上限截止频率时，检测器就有频率为C/2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C为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电

9、流为： sLsLLsCtAAticos中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为： sLsLLLsLCCtRAARtitVcos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：LLsLCCRPPheRVP2_22当L-s=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频电流为： sLLsCAAticos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 6.2.1 光外差检测可获得全部信息光外差检测可获得全部信息 sLsLLsCtAAticos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

10、测转换增益光外差检测转换增益G高高光外差检测中频输出有效信号功率为：LLsCRPPheP22在直接检测中，检测器输出电功率为：LsRPheP220两种方法得到的信号功率比G为：sLCPPPPG20可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。6.2.4 6.2.4 信噪比损失小信噪比损失小6.2.3 6.2.3 良好的滤波性能良好的滤波性能光外差检测中，取信号处理器通频带为光外差检测中，取信号处理器通频带为f=ff=fL L-f-fs s，则只有此频带内，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。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

11、需滤光片，其效果也远优于直接检测系统。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例：目标沿光束方向运动速度=0-15m/s=0-15m/s，对于，对于COCO2 2激光信号，激光信号， 多普勒频率多普勒频率f fs s为：为：cffLs21通频带通频带ff1 1取为：取为：MHzcccffffLLLs3221而直接检测加光谱滤光片时，设滤光片带宽为而直接检测加光谱滤光片时，设滤光片带宽为1nm1nm，所对应的带宽，所对应的带宽，即通频带即通频带ff2 2=3000MHz=3000MHz。可见，外差检测对背景光有强抑制作用。可见，外差检测对背景光有强抑制作

12、用。 另：速度越快，多普勒频率越大，通频带越宽。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，外差检测器的差检测器的输出信输出信噪噪比等于输出信噪比比等于输出信噪比，输出信噪比没有损失。，输出信噪比没有损失。6.2.5 6.2.5 最小可检测功率最小可检测功率内增益型光电检测器件内增益型光电检测器件当本征功率当本征功率P PL L足够大时，本征散粒噪声远超过所有其它噪声，则上式变为：足够大时，本征散粒噪声远超过所有其它噪声，则上式变为：内部增益为内部增益为M M的光外差检测器输出有效信

13、号功率为：的光外差检测器输出有效信号功率为：LLsCRPPMheP22检测系统中检测器本身的检测系统中检测器本身的散粒噪声和热噪声散粒噪声和热噪声是影响最大可难以是影响最大可难以消除的。则外差检测输出的散粒噪声和热噪声表示为：消除的。则外差检测输出的散粒噪声和热噪声表示为：fkTfRIPPPheeMPLdLBsn422功率信噪比为：功率信噪比为：fkTfRIPPPheeMRPPMheSNRLdLBsLLsp222fhPSNRsp这就是光外差检测系统中所能达到的最大信噪比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极限，一般称为光外差检测的量子检测极限量子检测极限或或量子

14、噪声限量子噪声限。引入引入最小可检测功率（等效噪声功率）最小可检测功率（等效噪声功率）NEP表示，在表示，在量子检测量子检测极限下，光外差检测的极限下，光外差检测的NEP值为：值为：fhNEPPs最小在光电直接检测系统的量子极限为：在光电直接检测系统的量子极限为：fhNEP2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，利用差检测，利用足够的本振光足够的本振光是容易实现的。是容易实现的。总之，总之，检测灵敏度高检测灵敏度高是光

15、外差检测的突出优点。是光外差检测的突出优点。6.2.5 6.2.5 最小可检测功率最小可检测功率内增益型光电检测器件内增益型光电检测器件时的信号功率即1SNR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，增益，增大本振光功率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，应合理选择本振光功率，以便得到振光功率，以便得到最佳信噪比和较大的中频转换增益

16、最佳信噪比和较大的中频转换增益。fhPSNRsp6.2.6 6.2.6 光外差检测系统对检测器性能的要求光外差检测系统对检测器性能的要求外差检测系统对检测器要求一般比直接检测对检测器的要外差检测系统对检测器要求一般比直接检测对检测器的要求高得多，主要如下：求高得多，主要如下：响应频带宽响应频带宽。主要是因为采用多普勒频移特性进行目标检。主要是因为采用多普勒频移特性进行目标检测时，频移的变化范围宽，要求检测器的响应范围要宽，甚至测时，频移的变化范围宽，要求检测器的响应范围要宽，甚至达上千兆达上千兆HzHz。均匀性好均匀性好。外差检测中检测器即为混频器，在检测器光敏。外差检测中检测器即为混频器，在检测器光敏面上信号光束和本振荡光束发生相干产生差频信号，为达到在面上信号光束和本振荡