第09章-直接探测和相干探测分解.ppt

1、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,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,人眼和探测器 可以响应平均光功率,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：10141015Hz,探测器响应频率1010Hz,光电信号变换,光电 探测器,光信号,电信号,响应平均光功率,直接探测,响应光的频率 ,相干探测,光电信号变换,

2、光电 探测器,光信号,电信号,入射光与探测器相互作用的物理过程,第09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,9.1 直接探测,9.1.1直接探测的基本原理,9.1.3直接探测的应用举例,Drirect Detection ，又称为非相干探测,装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测平均光功率（光强）,9.1.2* 直接探测系统的视场和作用距离,1.直接探测基本物理过程：,9.1.1直接探测的基本原理,光 波：,光功率：,1.直接探测基本物理过程：,9.1.1直接探测的基本原理,平方律器件：,光波：,光功率：,1.直接探

3、测基本物理过程：,9.1.1直接探测的基本原理,平方律器件：,光波：,光场包络的 频率1010Hz,光场的频率 10141015Hz,1.直接探测基本物理过程：,光电探测器响应光场包络,平方律器件：,9.1.1直接探测的基本原理,2.直接探测系统的信噪比,1)信噪比定义：,电信号功率和电噪声功率之比,9.1.1直接探测的基本原理,2.直接探测系统的信噪比,9.1.1直接探测的基本原理,1) 信噪比定义：,电流（电压）信噪比：,功率信噪比：,2.直接探测系统的信噪比,9.1.1直接探测的基本原理,模拟信号系统：35， 精度高时10100,信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标,数字脉冲系

4、统：例如，光通信误码率10-9 要求信噪比20dB,2.直接探测系统的信噪比,9.1.1直接探测的基本原理,提高系统信噪比的基本途径：,光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜 应用光学,电学方法，如滤波、低噪声放大、弱信 号检测第十章,热力学方法，制冷降低探测器噪声,9.1.1直接探测的基本原理,光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜,例：红外探测系统,信号光电流、背景光电流和器件暗电流,热噪声,散粒噪声,2.直接探测系统的信噪比,2) 直接探测的信噪比极限：,以光电二极管为例,最理想情况，只有信号光电流引起的散粒噪声（忽略吗？）,直接探测的量子极限,2) 直接探测的信噪比极限：,2.直接探测系统的信噪比

5、,直接探测的量子极限,量子极限的另一种表达是：,直接探测的噪声等效功率,例：为1，f为1Hz，2h，已很接近单个光子的能量h。 实际上，几乎不可能？,2)直接探测的信噪比极限：,2.直接探测系统的信噪比,物理学中“量子”的定义：,直接探测噪声等效功率,例：为1，f 为 1Hz， 可探测 2hv,频率为v的电磁波的能量是一份一份的，一份最小的能量hv称为量子。,量子极限：,2.直接探测系统的信噪比,9.1 直接探测,9.1.1直接探测的基本原理,9.1.3直接探测的应用举例,Drirect Detection ，又称为非相干探测,装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测平均光功率（光强）,

6、9.1.2* 直接探测系统的视场和作用距离,9.1.2* 直接探测系统的视场和作用距离,视场,dAd / f 2,光电探测器的视场角:,光电探测器,9.1.2* 直接探测系统的视场和作用距离,作用距离：,主动探测系统框图,被动探测系统框图,9.1.3直接探测的应用举例,激光制导、飞行物自动跟踪 激光稳频、机器人视觉 ,几何量（长度、位移） 表面形状参量（工件粗糙度、伤痕） 光学参量（吸收、反射） 电磁量（电流、电场、磁场） ,应用于测量：,应用于控制：,特点：信息加载辐通量（光强）,几何量（长度、位移） 表面形状参量（工件粗糙度、伤痕） 光学参量（吸收、反射） 电磁量（电流、电场、磁场） ,辐

7、通量（幅度、频率、相位）,9.1.3直接探测的应用举例,例1. 光电磁场测量,磁场光通量（幅度）,磁场,振动方向旋转角度,光通量幅度,9.1.3直接探测的应用举例,例2. 光栅莫尔条纹测位移,t,精度已可达0.1m/m,位移光通量（频率）,9.1.3直接探测的应用举例,光通量的频率测量,光电转速表,光栅位移传感器,测“幅度”与“频率”方法，测量精度的比较：,现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法！,例3. 光电测距,光电光波测距,发射光波,接收光波,距离光通量（相位）,9.1.3直接探测的应用举例,习题9-8 讨论,如图是一个测量低速转轴表面跳动的光电检测装置示意图。试画出图中振动针孔调制器的

8、工作特性，说明该检查装置的工作原理。,工作原理：,Uc,Ui,Uo,R,转速,+ R,-R,+ R,-R,1.振动针孔调制器的工作特性 （定位特性）,R0,振动针孔,1.振动针孔调制器的工作特性 （定位特性）,R0,振动针孔,1.振动针孔调制器的工作特性 （定位特性）,R0,振动针孔,1.振动针孔调制器的工作特性 （定位特性）,R0,振动针孔,1.振动针孔调制器的工作特性 （定位特性）,R0,振动针孔,1.振动针孔调制器的工作特性 （定位特性）,R0,振动针孔,2.转轴表面跳动时针孔 光通量的波形图：,R,Uc,t,t,t,t,R=0 零频、2、4 、,R0 零频、（反相）、2 、,R0 零频

9、、（同相）、2 、,3.鉴相器输出U0,R=0 零频、2、4 、 U0= 0,R0 零频、（反相）、2 、 U0 0,R0 零频、（同相）、2 、 Uo 0,4.鉴相器输出波形,Uo,t,0,Uo,t,0,T,T=2/,Uo,t,0,T,T=2/,R=0,R0,R0,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,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。,

10、9.2 相干探测,9.2.1 相干探测的基本原理,9.2.2 相干探测的条件,9.2.3 相干探测的应用举例,Coherent Detection,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：,9.2.1 相干探测的基本原理,1. 相干探测的物理过程,原理框图,9.2.1 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,9.2.1 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，PIN-PD，A_PD,光学混频器：,1.相干探测的物理过程

11、,1)相干探测的输出信号,信号光,参考光,和 角,差 角,积,1.相干探测的物理过程,1)相干探测的输出信号,信号光,参考光,平方律探测器光混频输出Ihs为：,10141015Hz,1010Hz,1.相干探测的物理过程,1)相干探测的输出信号,探测器、放大器滤波器（中频输出）,信 息,1. 相干探测的物理过程,1)相干探测的输出信号,特例：单频双光束干涉（频差为0）,讨论：相干探测的实质,1.平方律探测器,2.频率搬移,10141015Hz,1010Hz,光学混频器,1. 相干探测的物理过程,光电系统相干探测,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，1041010

12、Hz,s,r,无线电外差接收,高频载波,本机振荡,混频,中频信号,解调,音频 图像信息,光外差探测,1. 相干探测的物理过程,2)调制信号的探测,相干探测_拍频信号的调制,2. 相干探测的基本特性,9.2.1 相干探测的基本原理,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,稳定性和可靠性高,相干探测优点：,探测能力强,直接探测光的强度：as2,振幅,相位,频率,2. 相干探测的基本特性,光波的,相干探测优点：,转换增益高,rs G107108,外差探测,直接探测,2. 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

13、粒噪声限制,相干探测信噪比高？,2. 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：,2. 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,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,9.2.2 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

14、的角准直,失配角：,9.2.2 相干探测的条件,例：光电探测器的尺寸d为lmm，当s0.63m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：,9.2.2 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：,例：d=1mm， s0.6328m,失配角：,可以证明：,9.2.2 相干探测的条件,1相

15、干探测空间条件,信号光和本振光在空间上的角准直：,例：d=1mm， s0.6328m,失配角：,可以证明：,空间准直： 条件苛刻 空间滤波,9.2.2 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：,9.2.2相干探测的条件,3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,9.2.2相干探测的条件,9.2.2 相干探测的条件,1

16、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：,相干探测与直接探测相比？,9.2 相干探测,9.2.1 相干探测的基本原理,9.2.2 相干探测的条件,9.2.3 相干探测的应用举例,Coherent Detection,又称为光外差探测,9.2.3 相干探测的应用举例,相位调制,频率调制,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， ,9.2.3 相干探测的应用举例,2.激光多普勒测速,3.CO2激光外差通信,1.激光干涉测量,1.激光干涉测量,1)单频激光测长,信号光,

17、参考光,单频,1) 单频激光测长,信号光,参考光,单频,位移l,1.激光干涉测量,1) 单频激光测长,例：取n=1, 测量镜位移时观察到探测器的输出为：,l = ?,1.激光干涉测量,1) 单频激光测长,信号光,参考光,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,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

18、.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,光学差频信号,1.激光干涉测量,2) 双频激光测长,光学差频信号:,积分器波数:,位移测量公式：,位移与空气的折射率n无关！,1.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0.1m,3. 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,基本思路：

19、,亮条纹,二维 干涉图样,1.激光干涉测量,表面形状分布,二维光强分布,亮条纹,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,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,3)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

20、）,（摄像机）,3)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,移动参考镜,压电陶瓷：伸长（缩短）量 l = kU Lr,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：,t,I,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：,t,I,3)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,3)二维干涉图测量,基本思路：,亮条纹,二维 干涉图样,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,I(x, r)as2(x)+ar2+2as(x)arcoss(x）cosr