第10章相干探测

1、.第十章第十章 相干探测相干探测光电信号检测光电信号检测.第十章第十章 相干探测相干探测 相干探测相干探测又称为又称为光外差探测光外差探测。其探测原理与微波及无线电。其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似，但由于光波比微波的波长短外差探测原理相似，但由于光波比微波的波长短10103 310104 4倍，倍，因而其探测精度比微波高因而其探测精度比微波高10103 310104 4 倍。倍。 相干探测与直接探测比较，其测量精度高相干探测与直接探测比较，其测量精度高10107 710108 8倍，它的倍，它的灵敏度达到了量子噪声限，可探测单个光子，进行光子计灵敏度达到了量子噪声限，可探测单个光子，

2、进行光子计数。数。 相干探测方式探测目标或相干通信的相干探测方式探测目标或相干通信的作用距离作用距离比直接探测比直接探测远得多。远得多。 相干探测要求相干性极好的光源才能进行测量。而相干光相干探测要求相干性极好的光源才能进行测量。而相干光源源激光，受大气湍流效应影响严重，会破坏激光的相激光，受大气湍流效应影响严重，会破坏激光的相干性。因而目前远距离相干探测在大气中应用受到限制，干性。因而目前远距离相干探测在大气中应用受到限制，但在外层空间特别是卫星之间通信联系已达到实用阶段。但在外层空间特别是卫星之间通信联系已达到实用阶段。.10101 1 相干探测原理相干探测原理当偏振方向相同、传播方向平行

3、且重合的两束光垂当偏振方向相同、传播方向平行且重合的两束光垂直入射到光混频器上时，一束是频率为直入射到光混频器上时，一束是频率为L的本振光，的本振光，另一束是频率为另一束是频率为S的信号光，光混频器可在频率的信号光，光混频器可在频率L、S的和频的和频( (L + +S) )、差频、差频( (L - -S) )处产生输出。处产生输出。但在实际情况下，光频但在实际情况下，光频L、S 的和频的和频( (L+ +S) )极高，其远远超出相干探测系统的频率响应范围。极高，其远远超出相干探测系统的频率响应范围。因此在光混频器的输出中只须考虑频率较低的差因此在光混频器的输出中只须考虑频率较低的差频项，亦即中

4、频信号频项，亦即中频信号iIF。这个中频这个中频( (差额差额) )信号包含了信号光所携带的全部信号包含了信号光所携带的全部信息。信息。. 设信号光为：设信号光为： 参考（本振）光为：参考（本振）光为： 合成：合成： 光混频器输出光电流：光混频器输出光电流：)cos()(SSSStAtE)cos()(LLLLtAtE)cos()cos()(LLLSSSttAtAtE22)()()(tEtEtEiLstP.展开得：展开得：PS：平均信号光功率；：平均信号光功率；PL：平均本振光功率：平均本振光功率)cos()cos()(cos)(cos)cos()cos()(222222SLSLLSSLSLLS

5、LLLSSSLLLssstPtAAtAAtAtAhetAtAhetEhei)()cos()()cos(SLSLSLSLSLSLLSptPPtPPPPhei. 隔掉直流、截止高频、保留中频隔掉直流、截止高频、保留中频 相干探测可解调相干探测可解调强度调制强度调制、频率调制频率调制、位相调制位相调制的的光信号光信号LIFIFRiVLLSLIFIFRPPheRVP222)()(cosSLSLsLIFtPPhei. 相干探测将光波振幅上所载的调制信号（频率为相干探测将光波振幅上所载的调制信号（频率为S ）完全无畸变地转移到频率为）完全无畸变地转移到频率为LSL S 的的电流上。电流上。10)()cos

6、(2nnSnSntAm100)()cos(2)cos(nnSnSnsStAmtA)(tES10)()coscos(2nnSLnSLntAmhe)()cos(0SLSLLIFtAAhei10)()coscos(2nnSLnSLntAmhe.10102 2 相干探测的特点相干探测的特点一、转换增益高一、转换增益高 相干探测时，光电探测器经负载电阻输出的信号功率为相干探测时，光电探测器经负载电阻输出的信号功率为 直接探测时，光电探测器经负载电阻输出的信号功率为直接探测时，光电探测器经负载电阻输出的信号功率为 在同样信号光功率在同样信号光功率PS条件下，这两种探测方法所得到的信号条件下，这两种探测方法

7、所得到的信号功率比功率比G为为SLPIFPPSPG2871010,GPPSLLsLppRPheRIS222LLSIFRPPheP22. 在直接探测中，光探测器输出的光电流随信号光的振幅或在直接探测中，光探测器输出的光电流随信号光的振幅或强度的变化而变化，光探测器对信号光的频率或相位变化强度的变化而变化，光探测器对信号光的频率或相位变化不响应。不响应。 在相干探测中，光电探测器输出的中频光电流的振幅、频在相干探测中，光电探测器输出的中频光电流的振幅、频率和相位都随信号光的振幅、频率和相位的变化而变化。率和相位都随信号光的振幅、频率和相位的变化而变化。这使我们能把频率调制和相位调制的信号光像幅度调

8、制或这使我们能把频率调制和相位调制的信号光像幅度调制或强度调制一样进行解调。强度调制一样进行解调。)()(cos2SLSLsLIFtPPhei.三、良好的滤波性能三、良好的滤波性能 在直接探测过程中，光探测器除接收信号光以外，杂散背在直接探测过程中，光探测器除接收信号光以外，杂散背景光也不可避免地同时入射到光探测器上。为了抑制杂散景光也不可避免地同时入射到光探测器上。为了抑制杂散背景光的干扰，提高信号噪声比，一般都要在光探测器的背景光的干扰，提高信号噪声比，一般都要在光探测器的前面加上孔径光阑和窄带滤光片。前面加上孔径光阑和窄带滤光片。 相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测系统要高。相干探

9、测系统对背景光的滤波性能比直接探测系统要高。因为相干接收时要求信号光和本地振荡光空间方向严格调因为相干接收时要求信号光和本地振荡光空间方向严格调准。而背景光入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求，准。而背景光入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求，于是就不能得到输出。所以相干探测自身有很好的空间滤于是就不能得到输出。所以相干探测自身有很好的空间滤波性能，无需像直接探测那样在系统中加孔径光阑和滤光波性能，无需像直接探测那样在系统中加孔径光阑和滤光片。片。.四、有利于微弱光信号的探测四、有利于微弱光信号的探测 在直接探测中光探测器输出的光电流正比于信号光的平均在直接探测中光探测器输出的光电流正比于

10、信号光的平均光功率，即光探测器输出的电功率正比于信号光平均光功光功率，即光探测器输出的电功率正比于信号光平均光功率的平方。率的平方。 在相干探测中光混频器输出的中频信号功率正比于信号光在相干探测中光混频器输出的中频信号功率正比于信号光和本振光平均光功率的乘积。通常，入射到光探测器上的和本振光平均光功率的乘积。通常，入射到光探测器上的信号光功率是非常小的信号光功率是非常小的( (尤其在远距离上应用，例如光雷尤其在远距离上应用，例如光雷达、遥感、空间光通信等应用达、遥感、空间光通信等应用) )，因而，在直接探测中光，因而，在直接探测中光探测器输出的电信号也是极其微弱的。在相干探测过程中，探测器输出

11、的电信号也是极其微弱的。在相干探测过程中，尽管信号光功率非常小，但只要本振光功率足够大，仍能尽管信号光功率非常小，但只要本振光功率足够大，仍能得到可观的中频输出。相干探测对微弱光信号的探测特别得到可观的中频输出。相干探测对微弱光信号的探测特别有利。有利。LsLppRPheRIS222LLSIFRPPheP22.10103 3 相干探测的空间条件和频率条件相干探测的空间条件和频率条件一、相干探测的空间条件一、相干探测的空间条件 为简化分析，假设信号光和本振光均为平面波，夹角为为简化分析，假设信号光和本振光均为平面波，夹角为，探测器为正方形（边长为探测器为正方形（边长为d），有：），有：2csin

12、)cos()(2dtAAdhetiSLSLLSIFSsin2. ，iIF(t) iIF(t)最大最大 实际中实际中 可使可使 则则 数值例：数值例：d=1mm 02ddSsin14,m63. 0 S12csind12d00 3611,m6 .10S.二、相干探测的频率条件二、相干探测的频率条件 相干探测是两束光波迭加后产生干涉的结果。这种干涉取相干探测是两束光波迭加后产生干涉的结果。这种干涉取决于信号光束和本振光束的决于信号光束和本振光束的单色性单色性。要求激光光源具有良。要求激光光源具有良好的单色性（单纵模运转的激光器）好的单色性（单纵模运转的激光器） 。 信号光和本振光的信号光和本振光的频率频率漂移会导致相干探测系统的性能变漂移会导致相干探测系统的性能变差。如果信号光和本振光的频率相对漂移很大，两者频率差。如果信号光和本振光的频率相对漂移很大，两者频率之差就有可能大大超过中频滤波器带宽，因此，光混频器之差就有可能大大超过中频滤波器带宽，因此，光混频器之后的前置放大和中频放大电路对中频信号不能正常地放之后的