第八章-外差(相干)探测系统课件

第八章外差(相干)探测系统§8-1光频外差探测的基本原理§8-2光频外差探测的信噪比分析§8-3光频外差探测的空间相位条件第八章外差(相干)探测系统§8-1光频外差探测的基§8-1光频外差探测的基本原理

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。无线电波：相干性好光波：激光相干性好

光频外差探测----相干探测§8-1光频外差探测的基本原理

在说明光频外差探测的基本原理之前，先看一个具体的实验装置，即光频外差多普勒测速的原理装置，如图8.1-1所示。图8.1-1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在说明光频外差探测的基本原理之8.1.2光外差原理由上述实验装置可知，光外差必须有两束满足相干条件的光束。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εs(t)=Es

cos(ωst+φs)(8.1-1)εL(t)=ELcos(ωLt+φL)(8.1-2)由光电探测器的平方律特性，其输出光电流为(8.1-3)8.1.2光外差原理(8.1-3)(8.1-4)(8.1-4)从数学运算和相应物理过程考虑：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：(8.1-6)(8.1-5)

一个振幅调制、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。从数学运算和相应物理过程考虑：(8.零拍探测若(8.1-7)零拍探测(8.1-7)

8.1.3基本特性

1.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(8.1-8)(8.1-9)8.1.3基本特性(8.1-8)(8.1-而中频电流输出对应的电功率为(8.1-10)式中RL是光电探测器的负载电阻。把式(8.1-6)代入式(8.1-10)，并利用式(8.1-8)和(8.1-9)，有(8.1-11)这里的横线是对中频周期求平均。而中频电流输出对应的电功率为(8.1-10)在直接探测中，探测器输出的电功率(8.1-12)在两种情况下，都假定负载电阻为RL。在直接探测中，探测器输出的电功率(8.1-12)在光频外差探测，就是把以为载频的光频信息转换到以为载频的中频电流上。

转换增益：通常PL>>Ps,故转换增益G>>1：光频外差探测，就是把以表8.1-1PL=0.5mW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表8.1-1PL=0.5mW时Ps与G的关系光2.良好的滤波性能在直接探测中，为了抑制杂散背景光的干扰，都是在探测器前加置窄带滤光片。例如，滤光片的带宽为1nm(这已经是十分优良的滤光片了)，即Δλ=1nm。它所相应的频带宽度(以λ=10.6μm估计)(8.1-15)2.良好的滤波性能(8.1-在外差探测中，情况发生了根本变化。如果取差频宽度作为信息处理器的通频带Δf，即(8.1-16)

外差探测具有更窄的接收带宽，即对背景光有良好的滤波性能。在外差探测中，情况发生了根本变化。

3.良好的空间和偏振鉴别能力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振方向的鉴别探测能力。3.良好的空间和偏振鉴别能力§8-2光频外差探测的信噪比分析8.2.1不计本振噪声假定本振光束是纯正弦形式，不引入噪声。这当然是一种理想情况。令输入端信号场、噪声场以及本振场分别用符号si、ni和r表示，则入射到光电探测器面上的总输入场可以写为ei=si+ni+r(8.2-1)§8-2光频外差探测的信噪比分析8.2.1不根据探测器的平方律特性，输出信号则为(8.2-2)so+no=2αr(si+ni)(8.2-3)(8.2-4)根据探测器的平方律特性，输出信号则为(8.2-2)8.2.2计入本振噪声现在假定本振光场r=ro+rn

(8.2-5)

式中,ro为本振光场的纯正分量，rn为本振噪声分量，而且rn<<ro。这样，输出变为so+no=α(si+ni+ro+rn)2(8.2-6)

so+no=2α(siro+rorn+roni)(8.2-7)由此可得输出信噪比(8.2-8)8.2.2计入本振噪声(8.2-8)图8.2-1光学平衡混频器图8.2-1光学平衡混频器8.2.3光电探测器的外差探测极限灵敏度在外差探测情况下，光电探测器的噪声功率(8.2-14)式中,第一项是散粒噪声，第二项为热噪声。本振功率的引入将使本振散粒噪声大大超过热噪声及其它散粒噪声，所以式(8.2-14)可近似为Pn=2M2·e·α·PL·ΔfIF·RL(8.2-15)8.2.3光电探测器的外差探测极限灵敏度(8.2-14由式(8.1-11)可知外差探测中频电功率输出为PIF=2α2Ps·PL·M2·RL(8.2-16)由式(8.2-15)和(8.2-16)可求得输出功率信噪比为(8.2-17)直接(8.2-19)(8.2-18)由式(8.1-11)可知外差探测中频电功率输出为(8.2§8-3光频外差探测的空间相位条件考察光外差的基本关系式iIF=αEsELcos［ωIFt+(φs-φL)］(8.1-6)就不难发现，该式成立的条件是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关系。§8-3光频外差探测的空间相位条件光外差探测只有在下列条件下才可能得到满足：(1)信号光波和本振光波必须具有相同的模式结构，这意味着所用的激光器应该单频基模运转。(2)信号光和本振光束在光混频面上必须相互重合，为了提供最大的信噪比，它们的光斑直径最好相等。(3)信号光波和本振光波的能流矢量必须尽可能地保持同一方向，这意味着两光束必须保持空间上的角准直。光外差探测只有在下列条件下才可能得到满(4)在角准直，即传播方向一致的情况下，两光束的波前面还必须曲率匹配，即或者都是平面，或者是有相同曲率的曲面。(5)在上述条件都得到满足时，有效的光混频还要求两光波必须同偏振，因为在光混频面上它们是矢量相加的。(4)在角准直，即传播方向一致的情8.3.1信号光束和本振光束不平行为了简化分析，假定不平行的两光束有一束垂直于探测器表面，分析模型的坐标如图8.3-1所示。由图8.3-1所示的坐标关系，可以写出探测器表面上的信号和本振光波电场分别为es(r,t)=Escos(ωst-Ks·r)(8.3-1)eL(r,t)=ELcos(ωLt-KL·r)(8.3-2)式中假定光波在z方向均匀，且r=xi+yj(8.3-3)8.3.1信号光束和本振光束不平行图8.3–1坐标关系图8.3–1注意到在探测器面上x=0，则有es=Escosωst(8.3-4)eL=ELcos(ωLt+KLsinθ·y)(8.3-5)

在(0,y)点上的中频电流iIF(0,y,t)=α·EsELcos(ωIFt+KL·y·sinθ)=α·Es·ELcos(ωIFt+KL·y·θ)(8.3-6)注意到在探测器面上x=0，则有总的中频电流利用三角函数的和差化积公式，有(8.3-7)总的中频电流利用三角函数的和差化积公式，有(8.38.3.2两光束平行但不垂直于光敏面信号光和本振光相互平行但不垂直于探测器光敏面的情况如图8.3-2所示。两个光场可写为es(r,t)=Esωs(ωst-Ksxcosθ+Ksy

sinθ)(8.3-11)eL(r,t)=ELcos(ωLt-KLxcosθ+KLy

sinθ)(8.3-12)在探测器面上es(0,y,t)=Escos(ωst+Ksy

sinθ)(8.3-13)eL(0,y,t)=ELcos(ωLt+KLy

sinθ)(8.3-14)8.3.2两光束平行但不垂直于光敏面图8.3-2两束光平行但不垂直于探测器图8.3-2两束光平行但不垂直于探测器考虑到sinθ≈θ，y点产生的中频电流iIF(0，y，t)可以写为iIF(0,y,t)=αEsELcos(ωIFt+ΔKIFysinθ)(8.3-15)式中(8.3-16)这里c是光速。

考虑到sinθ≈θ，y点产生的中频总的中频电流为(8.3-17)总的中频电流为(8.3-17)从式(8.3-17)可见，当(8.3-18)时，iIF(t)=0。于是(8.3-19)从式(8.3-17)可见，当(8.3-18)8.3.3降低空间相干条件的方法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，必须使两束光的空间角满足式(8.3-9)的要求。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。这个要求能否放宽一些？这里介绍一种有效可行的方法——爱里斑原理法。8.3.3降低空间相干条件的方法在介绍这一原理之前，我们先来看一下光学透镜天线在接收系统中的作用。图8.3-3中，当光波正入射时，由物理光学可知，经过面积为Ar的透镜之后，在焦平面处的探测器上形成衍射光斑。衍射光斑中最大包峰所包含的面积λ2f2/Ar称为爱里斑面积。这个面积决定了接收系统的衍射极限视场，若用立体角Ωdl表示，则有(8.3-20)在介绍这一原理之前，我们先来看一下光图8.3–3光学透镜天线图8.3–3光学透镜天线若用平面角表示，则有(8.3-21)式中Dr是透镜的直径尺寸。若用平面角表示，则有(8.3-21)式中Dr是透镜当光波偏离轴线而斜入射时，相应的衍射光斑将在探测器面上产生相应的位移。如果衍射光斑偏移出光混频面，则不能产生响应，由此而定义出探测系统的视场。若用符号Ωfv表示，则(8.3-22)若用平面角表示，则有(8.3-23)当光波偏离轴线而斜入射时，相应的衍图8.3-4爱里斑原理示意图图8.