光外差探测系统

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,*,第六章 光外差探测系统,6.1 光外差探测原理,光波f（t）写成,:,平均光功率P,cp,为:,外差探测原理,f,S,为信号光波，f,L,为本机振荡（本振）光波,外差探测的实验装置,信号光场为:,本机振荡光场为:,干涉光场为：,光探测器的光电流为：,：光电变换比例常数；,：量子效率；,：光子能量；,称为差频,当差频低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为,c,/,2,的光电流输出。,带通滤波器的瞬时中频电流为：,瞬时中频信号电压为：,中频输出有效信号功率：,其中,当,1,=,2,时,称为零差探测。,检测时，检测的是差频信号，它包含了信号的振幅和相位。当使用具有稳定频率和相位差的光源（相干光源）时，即可得到稳定的差频输出。,光外差检测原理,光外差检测特性,影响光外差检测灵敏度的因素,光外差检测系统举例,1、转换增益,转换增益定义为：,6.2 光外差探测特性,光外差检测中频输出有效信号功率为,直接检测探测器输出的电功率为,所以有：,2、光谱滤波性能,取差频信号宽度为信息处理器的通频带,外差检测系统相当于一个低通滤波器，可以有效的抑制噪声。,例如，目标沿光束方向的运动速度v015ms，对于10.6m的CO,2,激光，经目标反射后回波的多卜勒频率f,S,为,频差为：,若直接探测加光谱滤光片，滤光片带宽若为10,，所对应的带宽,f,2,为,带宽之比为：,3、外差检测信噪比,设存在背景光波,f,B,(t),，其功率为,P,B,。则,探测器的输出电流为：,输出信噪比为,4、最小可探测功率,内部增益为,G,的光外差探测器的输出有效信号功率为:,光导探测器G01000；对于光伏探测器G1；对于光电倍增管G在10,6,以上。,噪声:,功率信噪比为:,当本征功率P,L,足够大时,光外差探测的量子探测极限或量子噪声限。,当热噪声是主要噪声源时，量子噪声限探测的条件为：,即,最小可探测功率,当,=1，f=1时,单光子计数,5、光外差探测系统对探测器性能的要求,系统性能主要取决于探测器的性能。,1响应频带宽,被测两动态范围宽，使得要求探测器的响应范围也相当宽。,2均匀性好,探测器的光电性能在整个光敏面上都能保持一致。,3工作温度高,实用性考虑。,光外差检测原理,光外差检测特性,影响光外差检测灵敏度的因素,光外差检测系统举例,1、空间相位条件（空间调准）,由于信号光束与本振光束方向不严格一致导致。,6.3 影响光外差检测灵敏度的因素,信号光束：,本振光束：,本振光束随,x,分布的相位差：,其中,且射率,n=1,本振光波：,x,点的响应电流为：,光敏面总响应电流为：,A,d,为探测器的面积，,l,为,x,方向的长度。,当,时，中频电流,i,最大,即,外差探测的空间相位条件：,或,又,或,有：,要形成强的差频信号，对信号光束和本振光束的空间准直要求很严格。如此以来，使得背景光噪声被滤掉。,外差探测在具有很好的空间滤波性能,。同时，也增加了系统测量的难度。,解决办法：采用聚焦透镜降低空间准直要求。,本质上相当于把不同传播方向的信号光束集中在一起。失配角可由系统的视场角来决定。,f是透镜的焦距，D,p,是探测器光敏面直径,有效孔径为D,eff,为：,衍射线光斑直径D,d,为,：,故,解得：,2、多模外差接收,实际光源是多模激光，将使光外差探测的信噪比下降。,1）只考虑本振光为多模,假设,信号光波为单模，其光波场函数为f,s,(t)=A,s,cost；,本振光波场为多模，设共有个M,L,模，且各模的振幅相等为A,L,能量（功率）均匀地分布在M,L,个模内。,对信号场有贡献的只有第,j,个模,而所有模对噪声都有贡献,因此，信噪比,为单模外差信噪比的1/M,L,倍。,2）信号光和本振光通为多模,信号光有,M,S,个模；本振光有M,L,个模,且能量均分。,若M,L,M,S,在M,L,M,S,时，本振模带来的噪声大，信噪比下降。,当,M,L,=M,S,时，SNR,p,最大,3、大气湍流对外差探测的影响,大气湍流是一种随机现象，即反映在空间变量上，又反映在时间变量上。表现为空间各点的光波相位随机变化，因而使相干面积大大减小，破坏空间相位条件，使外差接收功率降低，信噪比下降。,4、频率条件,频率条件主要表现为单色性。,光外差探测是两束光波迭加后产生干涉的结果。光的单色性就越好，干涉信号越强。,若信号光和本振光的频率相对漂移很大，两者频率之差就有可能大大超过中频滤波器带宽，则光混频器之后的前置放大和中频放大电路对中频信号不能正常地加以放大。,需采用频措施。,F-P腔稳频、锁模稳频、饱和吸收稳频等,1、干涉测量技术,应用光的干涉效应进行测量的方法称为干涉测量技术。,干涉测量系统主要由光源、干涉系统、信号接收系统和信号处理系统组成。,优点：测量精度高（以波长为单位）,6.4 光外差探测系统举例,干涉测量基本原理：改变干涉仪中传输光的光程而引起对光的相位调制，从而表现为光强的调制。测量干涉条纹的变化即可得到被测参量的信息。,干涉条纹是由于干涉场上光程差相同的场点的轨迹形成。,可进行长度、角度、平面度、折射率、气体或液体含量、光学元件面形、光学系统像差、光学材料内部缺陷等几何量和物理量的测量。,1）激光干涉测长的基本原理,系统组成：,(a)激光光源,(b)干涉系统,(c)光电显微镜,(d)干涉信号处理部分,位移,2）激光干涉测长仪的光路设置,1.激光器 2.透镜 3.小孔光阑 4.透镜 5.反射镜 6.反射棱镜 7.位相板8.角锥反射棱镜9分束镜10.角锥反射棱镜 11.透镜 12.光阑 13.光电探测器 14.透镜 15.光阑 16.光电探测器,干涉光路的设置,3）干涉信号的方向判别与计数,误差原因：外界干扰因素的影响，使测量镜在正向移动过程中产生一些偶然的反向移动。单纯计数，测量结果是正反移动的总和。,解决方法：判别计数。当测量镜正向移动时所产生的脉冲为加脉冲；反之为减脉冲。,判向计数：,正向移动：,正向：1,324,同理可得,反向：1423,位移长度为：,2、光外差通信,光外差通信基本上都是采用CO,2,激光器做光源，光发射系统及接收系统两大部分组成。,发射系统：,稳频原理:,发射波长增加，光通量亦增，输出电压增大，压电陶瓷使腔长缩短，发射频率提高，波长减短；反之，则波长加长,滤光片的滤光曲线,接收系统:,3、多卜勒测速,1）多卜勒测速原理,He-Ne激光器是经稳频后的单模激光，焦点处光强分布为高斯分布。,焦点处干涉场条纹分布：,干涉条纹间距为：,干涉条纹的空间频率为：,当散射粒子以速度v，与条纹垂线夹角为,方向通过时，则颗粒散射的光强频率为：,2）输出波形分析,一个粒子流过，且粒子直径比干涉条纹宽度小很多时,若粒子直径比干涉条纹宽度大时,一个粒子的随机信号,10个粒子的随机信号,3)速度信号的获取,两种测流速方法：一频谱分析法、频率跟踪法。,频谱分析法,光电倍增管输出信号经滤波后为：,本地振荡器产生的振荡信号为：,外差振荡信号：,差频信号分量为：,对,中频放大器,当差频信号的频率f,L,-fs等于f,0,时，中频放大器有较大的差频信号输出。,改变f,L,进行扫描，当扫描电压为适当频率时，使f,L,-fsf,0,，中频放大器输出一个较大的信号。从曲线中可得到使差频等于中频f。的f,L,值，f,L,和f,0,都是已知,就可求出信号频率f,S,。,频谱分析法只能测得流速的平均速度。,频率跟踪法：,混频器,差频,中频放大,鉴频器,误差电压,压控振荡器改变,f,L,