第六章 光外差检测系统2

1、第一、六章光外差检测系统、第二、光外差检测的基本原理使用光波的振幅、频率、相位而不是光强度来携带信息。 两束相干光入射到探针表面进行混合，形成相干光场，也称为相干检测。 只有激光才能进行相干检查。 由于输出信号包含差频信号，据说光外差检测输出的中频功率与信号光和本机振荡光功率的乘积成比例。 3、光外差检测的特性、光检测器的输出中包含信号光的全部信息：振幅、频率、相位等转换效率高，检测灵敏度高(比直接检测高的级别)，有利于微弱信号的检测(尽管信号光功率小，本机振荡功率大) 良好的滤波性能信噪比损失小检测灵敏度高的检测距离比直接检测高，4、光外差检测的空间和频率条件、空间条件：两光的夹角。 如何得

2、到单频光和稳定频光？ 信号光和本机振荡光不平行的夹角、5、光外差检测系统、光外差检测与直接检测系统相比，具有测定精度高78位数的优点的灵敏度达到量子噪声的界限，其NEP值达到10-20W。 可用于光子计数。 激光受大气湍流效应的影响很大，破坏了激光的相干性，外差检测在大气中的应用受到限制，在外层空间已达到实用阶段。 外差检测在高频(1016Hz )光波的情况下比直接检测有用。 另一方面，在长波长(近红外和中红外的波段)中，光外差检测技术能够实现接近量子噪声极限的检测。 6、显然，在直接检测系统中，检测器检测的光功率是平均光功率Pcp :光波直接检测只能测量其振幅值。 另外，光外差的检测原理如图

3、所示，两个平行的相干光经由分束器和可变光圈入射到光检测器的表面而混合，形成相干光场，经由光检测器变换后，输出信号包含差拍信号，因此也称为相干检测。 6.1光外差检测原理，7，如图所示，光源经过频率稳定的二氧化碳激光器，由分束器将入射光分为2束：一条路径反射成为本振光波，频率为fL，另一条路径由偏心轮反射，聚光成为信号光束偏心轮的旋转相当于目标沿光波方向具有运动速度，光的回波产生多普勒频移，其频率为fs。 可变光圈用于限制到光电检测器的两个光束的空间方向，线栅偏振器用于使两个光的偏振方向相同，然后将两个光垂直投射到光电检测器上。 首先，设入射到检测器的信号光场和本机振荡光场分别为： 8，则入射到

4、检测器的总光场为：由于光检测器的响应与光电场的平方成比例，所以光检测器的光电流为：式中的第1、2项是馀弦函数的平方的平均值，等于1/的第3项是和频率项，频率高第四项是差频项，频率相当低，当差频信号(L-s)/2=C/2低于光检测器的上限截止频率时，检测器有频率为C/2的光电流输出。 如果将信号的测量限制在差拍频率的通常范围内，则通过以c为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为中频输出有效信号功率或瞬时中频功率的中频周期内的平均值，即L-s=0，即成为信号光的10、 6.2光外差检测特性、6.2.1光外差检测能够得到所有信息，外差检测不仅能够检测振幅和强度调制的

5、光信号，还能够检测频率调制和相位调制的光信号。 用直接检测系统是不可能的6.2.2光外差检测变换增益g高，光外差检测中频输出有效信号功率为：在直接检测中，检测器输出功率为：由两种方法得到的信号功率比g为：可知在微弱光信号中外差检测更有用。 假定，11，6.2.3信噪比的损耗较小，在6.2.3良好滤波性能，光外差检验中，信号处理器的通带为f=fL-fs，则只有这个频带内的噪声光能够进入系统，会影响该系统，并且去除其它的噪声因此，外差检测系统不需要过滤器，其效果也远远优于直接检测系统。 例如，目标光束方向的移动速度=0-15m/s，相对于10.6um CO2激光信号的多普勒频率fs，通带f1为：在

6、检测直接分光滤波器的情况下，滤波器带宽为1nm，对应的带宽，即通带f2=3000 此外，速度越快，多普勒频率越大，通带越宽。 考虑到检测器本身噪声的影响，在仅包含输入背景噪声的情况下，外差检测器的输入信噪比与输出信噪比相等，输出信噪比不损失。 12，6.2.5最小可检测功率内增益型光电检测器件在本征功率PL足够大时，本征散粒噪声远远超过其他所有噪声时，内部增益m的光外差检测器输出有效信号功率：在检测系统中，检测器自身的散粒噪声和热噪声影响最大很难去除外差检测输出的散粒噪声和热噪声，功率信噪比是其在光外差检测系统中能够实现的最大信噪比界限，通常被称作光外差检测的量化检测界限或量化噪声界限。 引入

7、了最小可检测功率(等效噪声功率)的NEP是在量化检测极限中，光外差检测的NEP值是光电直接检测系统的量化极限，这里需要说明的是，直接检测量化极限可以在理想光检测器的理想条件下得到，实际上无法实现量化极限另一方面，关于光外差检测，容易利用充分的局部光。 也就是说，检测灵敏度高是光外差检测的显着优点。 6.2.5最小可检测功率内增益光电检测器件有利于增加本地光功率以便克服除了由信号光引起的噪声之外的所有噪声。 但是，本机振荡光本身也引起散粒噪声，本机振荡功率越大则噪声也越大，使检测系统的噪声比反而降低。 因此，为了获得最佳信噪比和较大的中频变换增益，有必要合理选择本机振荡光功率。14，6.2.6光

8、外差检测系统对检测器的性能有要求，外差检测系统对检测器的要求远高于对直接检测器的要求，主要是响应带宽。 主要是因为在使用多路径频移特性进行目标检测的情况下，频移的变化范围宽，检测器的响应范围宽，而且要求达到千兆Hz。 均匀性好。 在外差检测中，检测器是混频器，为了在检测器的受光面上信号光束和本振荡光束发生干涉而产生差拍信号，在受光面的不同区域中实现相同的外差效果，要求检测器的光电性能在全部受光面上一致。 特别是跟踪系统的四象限阵列探测器。 工作温度很高。 在实验室工作时，对工作温度没有严格的要求。 在室外或空间使用时，需要选择工作温度高的检测器。 例如，HgCdTe红外线检测装置。 (P140

9、表6-2 )、15、6.3影响光外差检测灵敏度的因素在本节中，仅考虑光外差检测的空间条件和频率条件对灵敏度的影响和改善方法。 其他因素请参照书。 6.3.1光外差检测的空间条件(空间对准)、信号光与本机振荡光的波阵面在光检测器的受光面上保持相同的相位关系，式：16、取信号光束与本机振荡光束之间的角度，在信号光束的波阵面与受光面平行时，如图所示。6.3.1光外差检测的空间条件(空间对准)设信号光束和本机振荡光束的光场为：时，本机振荡光束到达受光面时，在不同点x处有不同的波面，即有不同的相位差。 相位差等于光路差和频率的乘积。 即，本地振荡光波在检测器上的x点的响应电流为17，受光面整体的总响应电

10、流为6.3.1光外差检测的空间条件(空间对准)，由式可知，得到时即中频电流I最大的外差检测另外，明确了口径越大，相位差角越小，难以满足外差检测的要求。 说明红外光比可见光容易进行光外差检测。 例如，如果本地振荡光的波长为1微米，检测器的受光面的长度为1mm，则为0.32mrad(0.018度)。 实验证实，稳频CO2激光器进行外差检测实验，2.6mrad可见清晰的差拍信号。 这个角度也称为配角。 18、如图所示，为了形成强差拍信号，信号光束和本地振荡光束必须在空间上准直。 背景杂散光来自各个方向，大部分背景光与本机振荡光不平行，即，不产生明显的差频信号。 因此，外差检测能够良好地抑制空间上的背

11、景噪声。 具有良好的空间过滤性能。 但是，严格的空间条件也使两光束难以合并。 问：“两光束平行，与光电探测器成一定角度时，对中频电流没有影响吗？ 、19、解决方法、导出，对于配角r和透镜、受光面残奥计，例如采用波长1um、0.1mm (检测器直径)、上知配角0.32mrad、聚光透镜时，设定开口Dr=10cm (在光外差检测系统中，焦点距离f=100cm，则为像素20、6.3.2光外差检测的频率条件，为了得到灵敏度高的光外差检测，信号光和本机振荡光要求高的单色性和频率稳定性。 光外差检测的物理光学的本质是两个光波叠加干涉的结果。 这种干涉取决于信号光和本机振荡光束的单色性。 因此，为了得到单色

12、性优异的激光输出，需要选择单纵模运转的激光作为光外差检测光源。 信号光和本机振荡光有频率漂移，会使光外差检测系统的性能恶化。 这是因为，频率差过大时，有可能超过中频滤波器带宽，中频信号不能正常放大。 因此，在光外差检测中，需要用于使信号光和本地振荡光的频率稳定的特别措施。21、三频光外差检测、在红外和可见光波段，光外差检测是检测微弱光信号的唯一实用有效方法。 但是，光外差检测虽然检测灵敏度提高，但技术上复杂。 再见。 为了应对中频的变化，需要增加系统的带宽。 为了克服这一点，可以采用三频光外差检测技术并且是一种方法。22、三频光外差检测原理图、23、1、激光光源： He-Ne气体激光器、带宽1

13、03Hz、相干长度为300km (相干长度定义如何) 2、干涉系统：迈克尔逊干涉原理、位移- 3 .光电显微镜： 实现对测长和位移的精密目标，实现干涉修正的干涉信号处理部和被测量的同步。 4 .干扰信号处理部：光电控制、信号放大、判定、细分以及可逆计数和显示记录等。 6.4光外差检测系统的例子，6.4.1激光干涉测长器，如图所示，主要由几个部分构成：测量光束2和参照光束1相互叠加干涉而形成干涉信号。 其明暗变化的次数与测量反射镜的位移直接对应，24、1、激光可表示为2、透镜3、小孔光圈4、透镜5、反射镜6、反射棱镜7相位板； 8、直角棱镜9、分束器10、直角棱镜11、透镜12、光圈13、光检测

14、器14、透镜15、光圈16、光检测器和光圈3形成空间滤波器，以减少在光源中的杂散光的影响。作为到达角锥棱镜10的干涉校正的参考臂。 角锥棱镜8成为测量臂。 光学元件7被称为相位基板，其使通过光路的子光束产生附加的相移，使光电检测器13和16接收的干涉信号在相位上不同/2。 在光路中，作为反射器，代替平面镜而采用直角棱镜，另一方面，避免反射光束对激光器的遮挡对激光器产生不良影响，另一方面，直角棱镜是否具有出射光束和入射光束的平行不受棱镜绕轴的旋转的影响的特征实用的激光干涉测长器的简化光路、25、干涉测长的光路布局和光学倍数、一个角锥干涉订立方光谱棱镜光学倍频布局、26、干涉信号的方向判别和校正原

15、理同时，由于一个周期的干涉信号成为4个脉冲信号，所以校正数脉冲被细分，校正数脉冲根据4条纹变化，测得的位移长度是、27度，激光速度原理是对穿过激光束的示踪粒子的多普勒信号进行测量，并根据速度与多普勒频率的关系获得粒子速度。 测定了粒子的速度，也就是流动的速度。 激光速度最主要的优点是对流动没有任何扰动，测量精度高，速度范围宽，而且多普勒频率与速度呈线性关系，与这一点的温度、压力无关，是目前世界上测速精度最高的仪器。 6.4.2激光多普勒速度，Laser Doppler Velocimeter，基本光路原理图，28，光源：稳频后的单模式激光光源，速度原理：激光束的光强分布为高斯分布，透镜L1后焦点附近的高斯光束腰的波阵面为平面干涉条纹的节距是、条纹模型、29、速度原理：干涉条纹的空间频率(每单位长度的条纹明暗对数)，散射粒子在平行干涉条纹的平面内移动时，散射的光波强度跟随干涉场是什么？ 什么？30、输出波形分析：由光电倍增管接收的输出信号为包络波形，包络与光强度分布和粒子尺寸有关。 包络线的形成是因为光斑中的光强分布为高斯型。 包络线的宽度不包含速度信息，反映速度信息的是包