光外差探測(cè)系統(tǒng)

1、第六章 光外差探測(cè)系統(tǒng),6.1 光外差探測(cè)原理,光波f（t）寫成,平均光功率Pcp為,外差探測(cè)原理,fS為信號(hào)光波，fL為本機(jī)振蕩（本振）光波,外差探測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置,信號(hào)光場(chǎng)為,本機(jī)振蕩光場(chǎng)為,干涉光場(chǎng)為,光探測(cè)器的光電流為,光電變換比例常數(shù),量子效率,光子能量,稱為差頻,當(dāng)差頻低于光探測(cè)器的截止頻率時(shí)，光探測(cè)器就有頻率為c/2的光電流輸出。 帶通濾波器的瞬時(shí)中頻電流為,瞬時(shí)中頻信號(hào)電壓為,中頻輸出有效信號(hào)功率,其中,當(dāng)1= 2時(shí),稱為零差探測(cè),檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)的是差頻信號(hào)，它包含了信號(hào)的振幅和相位。當(dāng)使用具有穩(wěn)定頻率和相位差的光源（相干光源）時(shí)，即可得到穩(wěn)定的差頻輸出,光外差檢測(cè)原理 光外差檢測(cè)特

2、性 影響光外差檢測(cè)靈敏度的因素 光外差檢測(cè)系統(tǒng)舉例,1、轉(zhuǎn)換增益 轉(zhuǎn)換增益定義為,6.2 光外差探測(cè)特性,光外差檢測(cè)中頻輸出有效信號(hào)功率為,直接檢測(cè)探測(cè)器輸出的電功率為,所以有,2、光譜濾波性能 取差頻信號(hào)寬度為信息處理器的通頻帶,外差檢測(cè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，可以有效的抑制噪聲,例如，目標(biāo)沿光束方向的運(yùn)動(dòng)速度v015ms，對(duì)于10.6m的CO2激光，經(jīng)目標(biāo)反射后回波的多卜勒頻率fS為,頻差為,若直接探測(cè)加光譜濾光片，濾光片帶寬若為10,所對(duì)應(yīng)的帶寬f2為,帶寬之比為,3、外差檢測(cè)信噪比 設(shè)存在背景光波fB(t)，其功率為PB。則探測(cè)器的輸出電流為,輸出信噪比為,4、最小可探測(cè)功率 內(nèi)部增

3、益為G的光外差探測(cè)器的輸出有效信號(hào)功率為,光導(dǎo)探測(cè)器G01000；對(duì)于光伏探測(cè)器G1；對(duì)于光電倍增管G在106以上,噪聲,功率信噪比為,當(dāng)本征功率PL足夠大時(shí),光外差探測(cè)的量子探測(cè)極限或量子噪聲限,當(dāng)熱噪聲是主要噪聲源時(shí)，量子噪聲限探測(cè)的條件為,即,最小可探測(cè)功率,當(dāng)=1，f=1時(shí),單光子計(jì)數(shù),5、光外差探測(cè)系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器性能的要求 系統(tǒng)性能主要取決于探測(cè)器的性能。 1響應(yīng)頻帶寬 被測(cè)兩動(dòng)態(tài)范圍寬，使得要求探測(cè)器的響應(yīng)范圍也相當(dāng)寬。 2均勻性好 探測(cè)器的光電性能在整個(gè)光敏面上都能保持一致。 3工作溫度高 實(shí)用性考慮,光外差檢測(cè)原理 光外差檢測(cè)特性 影響光外差檢測(cè)靈敏度的因素 光外差檢測(cè)系統(tǒng)舉例,

4、1、空間相位條件（空間調(diào)準(zhǔn)） 由于信號(hào)光束與本振光束方向不嚴(yán)格一致導(dǎo)致,6.3 影響光外差檢測(cè)靈敏度的因素,信號(hào)光束,本振光束,本振光束隨x分布的相位差,其中,且射率n=1,本振光波,x點(diǎn)的響應(yīng)電流為,光敏面總響應(yīng)電流為,Ad為探測(cè)器的面積，l為x方向的長度,當(dāng),時(shí)，中頻電流i最大,即,外差探測(cè)的空間相位條件,或,又,或,有,要形成強(qiáng)的差頻信號(hào)，對(duì)信號(hào)光束和本振光束的空間準(zhǔn)直要求很嚴(yán)格。如此以來，使得背景光噪聲被濾掉。外差探測(cè)在具有很好的空間濾波性能。同時(shí)，也增加了系統(tǒng)測(cè)量的難度。 解決辦法：采用聚焦透鏡降低空間準(zhǔn)直要求,本質(zhì)上相當(dāng)于把不同傳播方向的信號(hào)光束集中在一起。失配角可由系統(tǒng)的視場(chǎng)角來

5、決定,f是透鏡的焦距，Dp是探測(cè)器光敏面直徑,有效孔徑為Deff為,衍射線光斑直徑Dd為,故,解得,2、多模外差接收 實(shí)際光源是多模激光，將使光外差探測(cè)的信噪比下降。 1）只考慮本振光為多模 假設(shè)信號(hào)光波為單模，其光波場(chǎng)函數(shù)為fs(t)=Ascost； 本振光波場(chǎng)為多模，設(shè)共有個(gè)ML模，且各模的振幅相等為AL, 能量（功率）均勻地分布在ML個(gè)模內(nèi)。 對(duì)信號(hào)場(chǎng)有貢獻(xiàn)的只有第j個(gè)模 而所有模對(duì)噪聲都有貢獻(xiàn) 因此，信噪比為單模外差信噪比的1/ML倍,2）信號(hào)光和本振光通為多模 信號(hào)光有MS個(gè)模；本振光有ML個(gè)模 且能量均分。 若ML MS 在ML MS,時(shí)，本振模帶來的噪聲大，信噪比下降,當(dāng)ML =

6、MS時(shí)，SNRp最大,3、大氣湍流對(duì)外差探測(cè)的影響 大氣湍流是一種隨機(jī)現(xiàn)象，即反映在空間變量上，又反映在時(shí)間變量上。表現(xiàn)為空間各點(diǎn)的光波相位隨機(jī)變化，因而使相干面積大大減小，破壞空間相位條件，使外差接收功率降低，信噪比下降,4、頻率條件 頻率條件主要表現(xiàn)為單色性。 光外差探測(cè)是兩束光波迭加后產(chǎn)生干涉的結(jié)果。光的單色性就越好，干涉信號(hào)越強(qiáng)。 若信號(hào)光和本振光的頻率相對(duì)漂移很大，兩者頻率之差就有可能大大超過中頻濾波器帶寬，則光混頻器之后的前置放大和中頻放大電路對(duì)中頻信號(hào)不能正常地加以放大。 需采用頻措施。 F-P腔穩(wěn)頻、鎖模穩(wěn)頻、飽和吸收穩(wěn)頻等,1、干涉測(cè)量技術(shù) 應(yīng)用光的干涉效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的方法稱為

7、干涉測(cè)量技術(shù)。 干涉測(cè)量系統(tǒng)主要由光源、干涉系統(tǒng)、信號(hào)接收系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)組成。 優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高（以波長為單位,6.4 光外差探測(cè)系統(tǒng)舉例,干涉測(cè)量基本原理：改變干涉儀中傳輸光的光程而引起對(duì)光的相位調(diào)制，從而表現(xiàn)為光強(qiáng)的調(diào)制。測(cè)量干涉條紋的變化即可得到被測(cè)參量的信息。 干涉條紋是由于干涉場(chǎng)上光程差相同的場(chǎng)點(diǎn)的軌跡形成。 可進(jìn)行長度、角度、平面度、折射率、氣體或液體含量、光學(xué)元件面形、光學(xué)系統(tǒng)像差、光學(xué)材料內(nèi)部缺陷等幾何量和物理量的測(cè)量,1） 激光干涉測(cè)長的基本原理 系統(tǒng)組成： (a)激光光源 (b)干涉系統(tǒng) (c)光電顯微鏡 (d)干涉信號(hào)處理部分,位移,2）激光干涉測(cè)長儀的光路設(shè)置,1.

8、激光器 2.透鏡 3.小孔光闌 4.透鏡 5.反射鏡 6.反射棱鏡 7.位相板8.角錐反射棱鏡9分束鏡10.角錐反射棱鏡 11.透鏡 12. 光闌 13.光電探測(cè)器 14. 透鏡 15.光闌 16.光電探測(cè)器,干涉光路的設(shè)置,3）干涉信號(hào)的方向判別與計(jì)數(shù) 誤差原因：外界干擾因素的影響，使測(cè)量鏡在正向移動(dòng)過程中產(chǎn)生一些偶然的反向移動(dòng)。單純計(jì)數(shù)，測(cè)量結(jié)果是正反移動(dòng)的總和。 解決方法：判別計(jì)數(shù)。當(dāng)測(cè)量鏡正向移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的脈沖為加脈沖；反之為減脈沖,判向計(jì)數(shù),正向移動(dòng),正向：1324 同理可得 反向：1423,位移長度為,2、光外差通信 光外差通信基本上都是采用CO2激光器做光源，光發(fā)射系統(tǒng)及接收系統(tǒng)

9、兩大部分組成。 發(fā)射系統(tǒng),穩(wěn)頻原理: 發(fā)射波長增加，光通量亦增，輸出電壓增大，壓電陶瓷使腔長縮短，發(fā)射頻率提高，波長減短；反之，則波長加長,濾光片的濾光曲線,接收系統(tǒng),3、多卜勒測(cè)速 1）多卜勒測(cè)速原理,He-Ne激光器是經(jīng)穩(wěn)頻后的單模激光，焦點(diǎn)處光強(qiáng)分布為高斯分布,焦點(diǎn)處干涉場(chǎng)條紋分布,干涉條紋間距為,干涉條紋的空間頻率為,當(dāng)散射粒子以速度v，與條紋垂線夾角為方向通過時(shí)，則顆粒散射的光強(qiáng)頻率為,2）輸出波形分析,一個(gè)粒子流過，且粒子直徑比干涉條紋寬度小很多時(shí),若粒子直徑比干涉條紋寬度大時(shí),一個(gè)粒子的隨機(jī)信號(hào),10個(gè)粒子的隨機(jī)信號(hào),3) 速度信號(hào)的獲取 兩種測(cè)流速方法：一頻譜分析法、頻率跟蹤法,頻譜分析法,光電倍增管輸出信號(hào)經(jīng)濾波后為,本地振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)為,外差振蕩信號(hào),差頻信號(hào)分量為,對(duì)中頻放大器, 當(dāng)差頻信號(hào)的頻率fL-fs等于f0時(shí)，中頻放大器有較