第八章外差相干探测系统

1、上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统第八章第八章 外差外差(相干相干)探测系统探测系统上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统8-1 8-1 光频外差探测的基本原理光频外差探测的基本原理8-2 8-2 光频外差探测的特点光频外差探测的特点 8-2 8-2 光频外差探测的信噪比分析光频外差探测的信噪比分析 8-3 8-3 光频外差探测的空间相位条件光频外差探测的空间相位条件上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统8-1 光频外差探测的原理光频外差探测的原理v 光频外差探测的基本原理和无线电波外差探测的基本原光频外差探测的基本原理和无线电波外差探测的基本原理是完全一样的

2、。又称相干探测。理是完全一样的。又称相干探测。v 但光波探测精度比无线电波高但光波探测精度比无线电波高103104数量级；光频外差数量级；光频外差探测比直接探测测量精度高探测比直接探测测量精度高107108数量级。可探测单个数量级。可探测单个光子进行光子计数。同时相干探测目标或相干通信作用光子进行光子计数。同时相干探测目标或相干通信作用距离比直接探测远的多。距离比直接探测远的多。v 相干探测在激光通信、雷达、测长、测速、测振、光谱相干探测在激光通信、雷达、测长、测速、测振、光谱学等方面应用广泛但对光源相关性要求较高（受大气湍学等方面应用广泛但对光源相关性要求较高（受大气湍流影响严重，破坏相干性

3、）。目前在外层空间特别时卫流影响严重，破坏相干性）。目前在外层空间特别时卫星间通信联系已经达到实用阶段。星间通信联系已经达到实用阶段。上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统直接检测接收机框图直接检测接收机框图 外差检测接收机框图外差检测接收机框图 上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统外差原理图外差原理图 相干光通信系统相干光通信系统上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统光频外差探测的实验装置，即光频外差多普勒测速的原光频外差探测的实验装置，即光频外差多普勒测速的原理装置。理装置。 转镜fsfL分光镜可变光阑线栅偏振器光电探测器放大器fs fL输出CO2激光器光频

4、外差多普勒测速装置光频外差多普勒测速装置 8.1.1 光频外差探测的实验装置光频外差探测的实验装置光混频器光混频器上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统8.1.2 光外差原理光外差原理2( )( )sLia E tE tE由实验装置知，光外差必须有两束满足相干条件的光束。由实验装置知，光外差必须有两束满足相干条件的光束。E假定同方向到达且同偏振方向的信号光束和本机振荡光束假定同方向到达且同偏振方向的信号光束和本机振荡光束的电场分别为的电场分别为 Es(t)=As cos(st+s) EL(t)=AL cos(Lt+L) E 由光电探测器的平方律特性，其输出光电流为由光电探测器的平方律

5、特性，其输出光电流为 上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统2222cos ()cos ()coscossssLLLsLsLsLsLsLsLiAtAtAAtAAt 信号光频率，信号光频率，均值为均值为1/2本振光频率，本振光频率，均值为均值为1/2差频频率低于光差频频率低于光混频器截止频率混频器截止频率时有光电流输出时有光电流输出和频频率太高，光混频和频频率太高，光混频器不响应，故均值为零器不响应，故均值为零eh v功率的时变项，功率的时变项，相当于探测器相当于探测器的频率响应非的频率响应非光谱响应光谱响应上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统E从数学运算和相应物理过程考虑

6、，用平均信号光功率从数学运算和相应物理过程考虑，用平均信号光功率Ps和平均本振光功率和平均本振光功率PL表示表示：cos22sLsLIFLsPPiPPtcosIFsLIFLsiA AtE光电流经过有限带宽的中频放大器，直流项被滤出，光电流经过有限带宽的中频放大器，直流项被滤出，最后只剩下中频交流分量：最后只剩下中频交流分量：IFLs中频光电流振幅中频光电流振幅中频光电流频率中频光电流频率中频光电流相位中频光电流相位 中频光电流振幅、频率和相位都随信号光的振幅、频率和中频光电流振幅、频率和相位都随信号光的振幅、频率和 相位成比例变化；相位成比例变化；因此，振幅调制、频率调制、相位调制因此，振幅调

7、制、频率调制、相位调制 的光波所携带的信息，通过光频外差探测均可实现解调。的光波所携带的信息，通过光频外差探测均可实现解调。上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统E中频滤波器输出端，瞬时中频电压为：中频滤波器输出端，瞬时中频电压为：cosIFsLLIFLsVA A Rt222IFIFsLLLVePP PRRhvE中频滤波器输出的有效中频功率为：中频滤波器输出的有效中频功率为： 负载电阻负载电阻有效中频功率与信号光功率和本振光信号平均功率乘有效中频功率与信号光功率和本振光信号平均功率乘积有关。积有关。 上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统 调幅信号的相干探测调幅信号的相干探

8、测v 若调制频率为若调制频率为的的信息信号加载在频率为信息信号加载在频率为s的光波振幅的光波振幅上，调幅光波可表示为：上，调幅光波可表示为： 01001011coscos()cos()cos2cos2snnssnnsssnsnnnsnsnnE tAtm AAttm At 第第n次谐波分量的次谐波分量的圆频率和初始相位圆频率和初始相位调幅波振调幅波振幅平均值幅平均值调幅系数调幅系数上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统v 若调幅信号光若调幅信号光Es(t)与本振光与本振光EL(t) 相干后，瞬时中频电流为：相干后，瞬时中频电流为：00101cos()cos2cos2IFLLsLsnLL

9、snLsnnnLLsnLsnniA Atm AAtm AAtE光电探测器转换的信号电源正比于瞬时中频电流。光波光电探测器转换的信号电源正比于瞬时中频电流。光波振幅上所携带的调制信号完全无畸变地转移到频率为振幅上所携带的调制信号完全无畸变地转移到频率为Ls=Ls的电流上去。的电流上去。LsE调频、调相方式的相干探测与之类似，但直接探测则无调频、调相方式的相干探测与之类似，但直接探测则无法达到。法达到。上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统 调幅信号光和相干探测后瞬时中频电信号频谱调幅信号光和相干探测后瞬时中频电信号频谱0s02s 02s 0ss0Ls02Ls 02Ls 0LsLs调幅信

10、号光波的频谱调幅信号光波的频谱相干探测瞬时中频电信号频谱相干探测瞬时中频电信号频谱上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统外差接收机原理框图外差接收机原理框图 上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统外差原理的频谱与波形图外差原理的频谱与波形图 上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统 零差探测零差探测cosIFsLsLiA AsLE若信号光与本振光频率相同：若信号光与本振光频率相同： ，则相干探，则相干探测的差频测的差频Ls0，即，即零差探测。零差探测。E对对调幅信号调幅信号来说，零差探测所得光电流信号是光波调来说，零差探测所得光电流信号是光波调制信号的原形。制信号的

11、原形。E但零差探测时，本振光振幅的慢变化会直接引到信号但零差探测时，本振光振幅的慢变化会直接引到信号频谱中造成信号畸变。因此，零差工作时对本振光的频谱中造成信号畸变。因此，零差工作时对本振光的振幅稳定性有较高要求。振幅稳定性有较高要求。E需注意：外差探测时，要实现某一信息解调，保证本需注意：外差探测时，要实现某一信息解调，保证本振光束的频率和位相的高度稳定。振光束的频率和位相的高度稳定。上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统2222ssLLPAPA8-2 光频外差探测的特点光频外差探测的特点 高的转换增益高的转换增益 信号光功率，本振光功率与相应电场振幅的关系为：信号光功率，本振光功

12、率与相应电场振幅的关系为： 中频电流输出对应的电功率为：中频电流输出对应的电功率为：2IFIFLPi R光电探测器光电探测器的负载电阻的负载电阻上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统 经推导经推导2224cos()2IFsLIFLsLsLLPPPtRPP R对中频周期求平均对中频周期求平均E在直接探测中，探测器输出的电功率为：在直接探测中，探测器输出的电功率为： 222LsLsLPi RP Rv 从物理过程的观点出发，直接探测是光功率包络变换的检从物理过程的观点出发，直接探测是光功率包络变换的检 波过程，而外差探测的光电转换过程不是检波过程，而是波过程，而外差探测的光电转换过程不是检

13、波过程，而是 一种一种“转换转换”过程；过程；上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统v 光频外差探测光频外差探测，就是把以，就是把以s为载频的为载频的光频信息光频信息转换到以转换到以IF 为载频的为载频的中频电流中频电流上。这一上。这一“转换转换”是本振光的作用，它是本振光的作用，它使外差探测具有一种天然的使外差探测具有一种天然的转换增益转换增益。 v 在同样信号光功率在同样信号光功率Ps 条件下，相干探测和直接探测方法得条件下，相干探测和直接探测方法得 到的信号功率比，即到的信号功率比，即转换增益转换增益为：为：2IFLLsPPGPP 通常通常 PLPs ，故转换增益，故转换增益G

14、1，可达到，可达到107108数量级，可数量级，可 见相干探测的转换增益是非常高的。见相干探测的转换增益是非常高的。上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统PL= 0.5 mW 时Ps与G的关系 光频外差探测具有天然的探测微弱信号的能力光频外差探测具有天然的探测微弱信号的能力此时，外差探测的灵敏度此时，外差探测的灵敏度比直接探测高比直接探测高107108量级量级上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统v 在直接探测中，光探测器输出的光电流随信号光的振在直接探测中，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幅或强度的变化而变化，光探测器对信号光

15、的频率或相位变化不响应。相位变化不响应。 可获得全部信息可获得全部信息v 在相干探测中，光探测器输出的中频光电流振幅、频在相干探测中，光探测器输出的中频光电流振幅、频率和相位都随信号光的振幅率和相位都随信号光的振幅 aAsAL、频率、频率(L-s)和相和相位位(L-s)的变化而变化，因此可以把频率调制和相位的变化而变化，因此可以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。调制的信号光像幅度调制或强度调制一样进行解调。上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统在直接探测中在直接探测中，为了抑制杂散背景光的干扰，都是在探测，为了抑制杂散背景光的干扰，都是在探测器前加置孔径光

16、阑或窄带滤光片。例如，滤光片的带宽为器前加置孔径光阑或窄带滤光片。例如，滤光片的带宽为1nm( (这已经是十分优良的滤光片了这已经是十分优良的滤光片了) )，即，即=1nm。它所。它所相应的频带宽度相应的频带宽度( (以以=10.6m估计估计) )为：为：923 10CfHz 良好的滤波性能良好的滤波性能上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统在外差探测中在外差探测中，要求信号光和本振光空间方向严格调准，要求信号光和本振光空间方向严格调准，而背景入射杂乱无法满足空间调准要求，于是不能得到而背景入射杂乱无法满足空间调准要求，于是不能得到输出。因此，相干探测系统自身良好的输出。因此，相干探

17、测系统自身良好的空间滤波性能空间滤波性能不不需孔径光阑。需孔径光阑。2sLIFsLfffE因此，只有与本振光混频后相干信号落在此频带内所对因此，只有与本振光混频后相干信号落在此频带内所对应的杂散光才可以进入系统，其它杂光所形成的噪声均应的杂散光才可以进入系统，其它杂光所形成的噪声均被放大器滤掉，不需直接探测中的滤光片。被放大器滤掉，不需直接探测中的滤光片。其次，相干探测系统也具有良好的其次，相干探测系统也具有良好的光谱滤波性能光谱滤波性能。如果。如果取差频宽度取差频宽度(L-s)/2作为探测器后面放大器的通频带作为探测器后面放大器的通频带f， 即即 上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测

18、系统假设目标沿光束方向的运动速度假设目标沿光束方向的运动速度 v=15m/s，对于，对于L=10.6um的本振频率的本振频率fL的的CO2激光，经目标反射后回波激光，经目标反射后回波的多普勒频率的多普勒频率 fs：6223 10sLIFLLvvffffHzc E若取若取放大器通频带宽放大器通频带宽fIF等于最大频移值等于最大频移值，则差频放大器，则差频放大器带宽为带宽为fIF3MHz。则信号光与本振光的差频为则信号光与本振光的差频为 21sLvffc上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统采用直接探测加光谱滤光片，滤光片带宽若为采用直接探测加光谱滤光片，滤光片带宽若为1.0nm ，所，

19、所对应的带宽对应的带宽f滤滤为为：2192121223 10ccfffHz 滤E因此，相干探测对背景光有很好的抑制作用。因此，相干探测对背景光有很好的抑制作用。两种情况下带宽之比为两种情况下带宽之比为 310ff滤IF上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统 良好的空间和偏振鉴别能力良好的空间和偏振鉴别能力v 信号光和本振光必须沿同一方向射向光电探测器，而信号光和本振光必须沿同一方向射向光电探测器，而且要保持相同的偏振方向。这就意味着光频外差探测且要保持相同的偏振方向。这就意味着光频外差探测装置本身就具备了对光方向的高度鉴别探测能力和对装置本身就具备了对光方向的高度鉴别探测能力和对光偏

20、振方向的鉴别探测能力。光偏振方向的鉴别探测能力。上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统 有利于微弱光信号的探测有利于微弱光信号的探测v 直接探测中光探测器输出的光电流正比于信号光的平均直接探测中光探测器输出的光电流正比于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。功率的平方。 v 相干探测中光混频器输出的中频信号功率正比于信号光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。和本振光平均光功率的乘积。v 一般情况下，入射到探测器上的信号光功率非常小（尤一般情况下，入射到探测器上的信号

21、光功率非常小（尤其在远距离应用中），因此直接探测中探测器输出的电其在远距离应用中），因此直接探测中探测器输出的电信号也是及其微弱的。而在相干探测中，只要本振光功信号也是及其微弱的。而在相干探测中，只要本振光功率足够大仍能得到可观的中频输出，即：率足够大仍能得到可观的中频输出，即：相干探测更有相干探测更有利于微弱光信号的探测。利于微弱光信号的探测。上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统v 即光外差探测的量子探测极限或量子噪声限。即光外差探测的量子探测极限或量子噪声限。v 中频滤波器输出端的信噪比为：中频滤波器输出端的信噪比为：2222sLLIFIFPIFsLBDLIFMP PRPSNN

22、M efPPPIRkTf光混频器光混频器内部增益内部增益v 本振光功率本振光功率PL足够大，则分母中由本振光引起的散粒噪声足够大，则分母中由本振光引起的散粒噪声远远大于所有其它噪声，则上式变为：远远大于所有其它噪声，则上式变为：sIFIFPSNhvf光外差探测系光外差探测系统所能达到的统所能达到的最大信噪比最大信噪比上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统信号噪声极限信号噪声极限v 信号噪声极限是直接探测方式最理想的工作状态，其它噪信号噪声极限是直接探测方式最理想的工作状态，其它噪声均不考虑，只存在光信号所引起的散粒噪声。即直接探声均不考虑，只存在光信号所引起的散粒噪声。即直接探测系统

23、受信号噪声限制，则信噪比为：测系统受信号噪声限制，则信噪比为：2222ossonssPPnhvfi上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统2hvfNEP量E 若若=1.06m ，=50%，T=300K，f =1HZ；E 则估算：则估算：NEP7.2 10-22W，而，而h =18.7 10-22J，E 这表明已接近单光子接收灵敏度，理想工作状态。这表明已接近单光子接收灵敏度，理想工作状态。v 噪声等效功率噪声等效功率NEP，即量子极限下直接探测系统理论上可即量子极限下直接探测系统理论上可 探测的最小功率：探测的最小功率： E 若探测器量子效率若探测器量子效率=1，测量带宽，测量带宽f

24、=1Hz，系统在量子极，系统在量子极限下最小可探测功率为限下最小可探测功率为2hv，接近单光子能量。接近单光子能量。 上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统v 滤波器带宽相同时，相干探测是直接探测量子噪声限信噪滤波器带宽相同时，相干探测是直接探测量子噪声限信噪比的比的2倍。倍。v 但应特别指出：直接探测极限信噪比是理想光探测器在理但应特别指出：直接探测极限信噪比是理想光探测器在理想条件下（探测器无噪声）能达到的最大值。而相干探测想条件下（探测器无噪声）能达到的最大值。而相干探测公式则是在本振光足够强的情况下（并非理想探测器）导公式则是在本振光足够强的情况下（并非理想探测器）导出的。两

25、者有本质区别。出的。两者有本质区别。上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统v 相干探测的噪声等效功率相干探测的噪声等效功率NEP值值：IFhvfNEPv 也是相干探测的灵敏度，即光相干探测的理论极限。也是相干探测的灵敏度，即光相干探测的理论极限。E 若光混频器量子效率若光混频器量子效率=1，测量带宽，测量带宽f =1Hz，则相干探，则相干探测灵敏度的极限是一个光子。因此，相干探测能探测微弱测灵敏度的极限是一个光子。因此，相干探测能探测微弱光信号。光信号。 E实践表明，外差探测的本振光功率实践表明，外差探测的本振光功率PL通常为通常为mW量级，量级，最小可探测信号光功率可达最小可探测信

26、号光功率可达10-1910-20W，而直接检测最小，而直接检测最小可检测信号功率通常不小于可检测信号功率通常不小于10-20W，灵敏度约差，灵敏度约差78个数量个数量级，灵敏度高是相干探测的突出优点。级，灵敏度高是相干探测的突出优点。 上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统8-3 8-3 光频外差探测的信噪比分析光频外差探测的信噪比分析ei=si+ni+sL 8.3.1 8.3.1 不计本振噪声不计本振噪声v 假定理想情况下本振光束是纯正弦形式，不引入噪声。假定理想情况下本振光束是纯正弦形式，不引入噪声。v 令输入端信号场、噪声场以及本振场分别用符号令输入端信号场、噪声场以及本振场分

27、别用符号si、ni和和sL表示，则入射到光电探测器面上的总输入场可以写为表示，则入射到光电探测器面上的总输入场可以写为上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统根据探测器的平方律特性，输出信号则为 222()2()oooiiiLiiLesnesnssnsoissnn2()ooLiisnssn略去略去sini 、ni2，并用中频放大器并用中频放大器滤去滤去si2 、sL2上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统8.2.2 8.2.2 计入本振噪声计入本振噪声 ioLissnnn 现在假定本振光场现在假定本振光场 L=sL+nL 式中式中, sL为本振光场分量，为本振光场分量，nL为

28、本振噪声分量，而且为本振噪声分量，而且nL nL k112oioiLssknnn匹配好的探测器可大匹配好的探测器可大大减小本振噪声，是大减小本振噪声，是输出信噪比接近无本输出信噪比接近无本征噪声的理想情况征噪声的理想情况上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统8-4 8-4 光频外差探测的空间相位条件光频外差探测的空间相位条件 iIF=EsEL cosIFt(sL)v 考察光外差的基本关系式：考察光外差的基本关系式： 不难发现，不难发现， 该式成立的条件是该式成立的条件是信号光波和本振光波信号光波和本振光波的波前在整个探测器灵敏面上必须保持相同的相位的波前在整个探测器灵敏面上必须保持相

29、同的相位关系。关系。 上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统 为了简化分析，假定不平行为了简化分析，假定不平行( (失配角失配角) )的两光束有一束的两光束有一束垂直于探测器表面，分析模型的坐标关系如下图：垂直于探测器表面，分析模型的坐标关系如下图：8.4.1 8.4.1 信号光束和本振光束不平行信号光束和本振光束不平行yxzxdyOOKsxKLKsyKsqq上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统 由上图所示的坐标关系，可以写出边长为由上图所示的坐标关系，可以写出边长为d d的探测器表的探测器表面上的信号和本振光波电场分别为面上的信号和本振光波电场分别为 入射到光混频器上的

30、总电场为入射到光混频器上的总电场为 cos2 sincosLLLLsssssEtAtEtAtxq 积分后光混频器输出的瞬时中频电流为积分后光混频器输出的瞬时中频电流为 tsLE tEtEt 瞬时中频电流与瞬时中频电流与失配角失配角有关；当有关；当0 0瞬时中频电流最大。瞬时中频电流最大。2sin2cos2IFsLsLsLdid A Atd1上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统 为了得到尽可能大的中频输出，要求为了得到尽可能大的中频输出，要求12d 失配角失配角与信号光波长与信号光波长s 成正比，与混频器尺寸成正比，与混频器尺寸d d 成反比；即：成反比；即：光波长越长，混频器尺寸越

31、小，所容许的失配角就越大。光波长越长，混频器尺寸越小，所容许的失配角就越大。sin212ddsinsdq0.631smdmm；10.61smdmm；41q1136qv 因此，相干探测的空间准直要求严格；且波长越短，空间准直因此，相干探测的空间准直要求严格；且波长越短，空间准直越苛刻。同时，红外相干探测比可见光相干探测有利。越苛刻。同时，红外相干探测比可见光相干探测有利。使相干探测有良好的空间滤波功能使相干探测有良好的空间滤波功能上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统 不能完全准直时存在失配角不能完全准直时存在失配角，若，若2d 则混频器各点相干探测信号叠加结果使得总输出信号为零。则混

32、频器各点相干探测信号叠加结果使得总输出信号为零。2sinsdq0IFiv 因此，相干探测中频电流还与我们选择的光混频器尺寸因此，相干探测中频电流还与我们选择的光混频器尺寸大小有关。大小有关。22d 则混频器各点相干探测信号叠加结果中频输出电流最强。则混频器各点相干探测信号叠加结果中频输出电流最强。2sinsdq 若若上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统8.4.2 8.4.2 两光束平行但不垂直于光敏面两光束平行但不垂直于光敏面xDlyKsinqOKcosqqKsKLq 总的中频电流为总的中频电流为11sin2cos2IFsLsLsLdiA Atd12d0IFiv 因此，相干探测需要

33、对信因此，相干探测需要对信号光和本振光调平行。号光和本振光调平行。上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统n 从上面讨论中可以看出，要使信号光波和本振光波在光混频面上有效的空间相干，必须使两束光尽量平行，因为这个要求是比较严格的，所以给光外差的实现带来一定困难，严重妨碍了它的实际应用。接近这一问题的方法只有是：爱里斑原理法。 8.4.3 8.4.3 降低空间相干条件的方法降低空间相干条件的方法上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统 先来看一下光学透镜天线在接收系统中的作用：先来看一下光学透镜天线在接收系统中的作用：fvf透镜面积Ar探测器ADdl面积2f 2Ar光学透镜天线光

34、学透镜天线上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统 当光波正入射时，由物理光学可知，经过面积为当光波正入射时，由物理光学可知，经过面积为Ar的透的透镜之后，在焦平面处的探测器上形成衍射光斑。衍射光镜之后，在焦平面处的探测器上形成衍射光斑。衍射光斑中最大峰值处所包含的面积斑中最大峰值处所包含的面积2f2/Ar称为称为爱里斑面积爱里斑面积。这。这个面积决定了接收系统的衍射极限视场，若用立体角个面积决定了接收系统的衍射极限视场，若用立体角dl表示，表示， 则有则有 22211drrfAfA 若用平面角表示，若用平面角表示， 则有：则有：1dDq式中式中Dr是是透镜的直径尺寸。透镜的直径尺寸。

35、 上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统爱里斑原理示意图爱里斑原理示意图: : L1本振光束反射镜孔径 Dr焦距 f小孔光阑合束板探测器Dd透镜s1信号光束 用透镜将信号光聚焦用透镜将信号光聚焦到光混频器表面。光到光混频器表面。光混频器的有效面积就混频器的有效面积就是爱里斑的面积。是爱里斑的面积。 同时使本振光也照射同时使本振光也照射到爱里斑上，即可发到爱里斑上，即可发生光混频。生光混频。 随着随着Dr/f 比的增加，比的增加，对失配角的要求越来对失配角的要求越来越宽。越宽。上页上页下页下页后退后退外差探测系统外差探测系统 8.4.4 8.4.4 相干探测的频率条件相干探测的频率条件为获得高灵敏度的相干探测，要求信号光和本振光具为获得高灵敏度