光外差探測(cè)系統(tǒng)

1、光波光波f（t）寫成）寫成: tAtfcos平均光功率平均光功率Pcp為為: 202222cos21AttdAPcp外差探測(cè)原理外差探測(cè)原理fS為信號(hào)光波，為信號(hào)光波，fL為本機(jī)振蕩（本振）光波為本機(jī)振蕩（本振）光波 外差探測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置外差探測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置信號(hào)光場(chǎng)為信號(hào)光場(chǎng)為: SSSStAtfcos本機(jī)振蕩光場(chǎng)為本機(jī)振蕩光場(chǎng)為: LLLLtAtfcos干涉光場(chǎng)為：干涉光場(chǎng)為： LLLSSStAtAtfcoscos光探測(cè)器的光電流為：光探測(cè)器的光電流為： 22tftftftiLSp SLSLLSLSSLLSLLLSSSLSptAAtAAtAtAtftftfticoscoscoscos222222

2、he/：光電變換比例常數(shù)；：光電變換比例常數(shù)； ：量子效率：量子效率 ；h：光子能量；：光子能量； SLC稱為差頻稱為差頻 當(dāng)差頻低于光探測(cè)器的截止頻率時(shí)，光探當(dāng)差頻低于光探測(cè)器的截止頻率時(shí)，光探測(cè)器就有頻率為測(cè)器就有頻率為c c/ /2 2的光電流輸出。的光電流輸出。 帶通濾波器的瞬時(shí)中頻電流為：帶通濾波器的瞬時(shí)中頻電流為： SLSLLSCtAAticos瞬時(shí)中頻信號(hào)電壓為：瞬時(shí)中頻信號(hào)電壓為： SLSLLLSCRAAVcos中頻輸出有效信號(hào)功率：中頻輸出有效信號(hào)功率： LLSLCCRPPheRVP2222/2SSAP 2/2LLAP 其中其中當(dāng)當(dāng)1= 2時(shí)時(shí) SLLSCAAticos稱為零

3、差探測(cè)。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?？傻玫椒€(wěn)定的差頻輸出。1、轉(zhuǎn)換增益、轉(zhuǎn)換增益轉(zhuǎn)換增益定義為：轉(zhuǎn)換增益定義為：0PPGC光外差檢測(cè)中頻輸出有效信號(hào)功率為光外差檢測(cè)中頻輸出有效信號(hào)功率為 LLSCRPPheP22直接檢測(cè)探測(cè)器輸出的電功率為直接檢測(cè)探測(cè)器輸出的電功率為 LSRPheP220所以有：所以有：SLCPPPPG202、光譜濾波性能、光譜濾波性能取差頻信號(hào)寬度為信息處理器的通頻

4、帶取差頻信號(hào)寬度為信息處理器的通頻帶 SLSLff2f/ )(外差檢測(cè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，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?？梢杂行У囊种圃肼暋＠?，目標(biāo)沿光束方向的運(yùn)動(dòng)速度例如，目標(biāo)沿光束方向的運(yùn)動(dòng)速度v015ms，對(duì)于，對(duì)于10.6m的的CO2激光，經(jīng)目標(biāo)反激光，經(jīng)目標(biāo)反射后回波的多卜勒頻率射后回波的多卜勒頻率fS為為 cv21ffLS頻差為：頻差為：LLLLS1v2cv2ccv2ffffHzvL661036 .10101522A若直接探測(cè)加光譜濾光片，濾光片帶寬若直接探測(cè)加光譜濾光片，濾光片帶寬若為若為10，所對(duì)應(yīng)的帶寬，所對(duì)應(yīng)的帶寬f2為為AHzccccfff

5、924182212121212210310106 .10103帶寬之比為：帶寬之比為：3691210103103ff3、外差檢測(cè)信噪比、外差檢測(cè)信噪比設(shè)存在背景光波設(shè)存在背景光波fB(t)，其功率為，其功率為PB。則。則探測(cè)器探測(cè)器的輸出電流為：的輸出電流為：LBSCPPPI2輸出信噪比為輸出信噪比為BSBSLBLSnSAAPPPPPPII224、最小可探測(cè)功率、最小可探測(cè)功率內(nèi)部增益為內(nèi)部增益為G的光外差探測(cè)器的輸出有的光外差探測(cè)器的輸出有效信號(hào)功率為效信號(hào)功率為:LLSCRPPGheP22光導(dǎo)探測(cè)器光導(dǎo)探測(cè)器G01000；對(duì)于光伏探測(cè)器；對(duì)于光伏探測(cè)器G1；對(duì)于光電倍增管；對(duì)于光電倍增管G

6、在在106以上。以上。 噪聲噪聲: fKTfRIPPPheeMPLdLBSn422功率信噪比為功率信噪比為:fKTfRIPPPheeMRPPMheSNRLdLBSLLSP222當(dāng)本征功率當(dāng)本征功率PL足夠大時(shí)足夠大時(shí) fhPSNRSP光外差探測(cè)的量子探測(cè)極限或量子噪聲限。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：探測(cè)的條件為：fKTfPhReLL22即即LLReKThP22最小可探測(cè)功率最小可探測(cè)功率 fhvNEP當(dāng)當(dāng)=1，f=1時(shí)時(shí) hvNEP 單光子計(jì)數(shù)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、光外差探測(cè)

7、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。系統(tǒng)性能主要取決于探測(cè)器的性能。1響應(yīng)頻帶寬響應(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)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。范圍也相當(dāng)寬。2均勻性好均勻性好探測(cè)器的光電性能在整個(gè)光敏面上都能保持探測(cè)器的光電性能在整個(gè)光敏面上都能保持一致。一致。 3工作溫度高工作溫度高實(shí)用性考慮。實(shí)用性考慮。1、空間相位條件（空間調(diào)準(zhǔn)）、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)由于信號(hào)光束與本振光束方向不嚴(yán)格一致導(dǎo)致。致。信號(hào)光束：信號(hào)光束： SStjSSeAtf本振光束：本振光束： LLtjLLeAtf本振光束隨本

8、振光束隨x分布的相位差：分布的相位差：xxLsin2sin2L其中其中 且射率且射率n=1 本振光波：本振光波： xtjAtfLLLLexpx點(diǎn)的響應(yīng)電流為：點(diǎn)的響應(yīng)電流為：dxxtAAdiLSCLScos光敏面總響應(yīng)電流為：光敏面總響應(yīng)電流為： dALSCLSdxdyxtAAicos22sincoslltAALSCLSAd為探測(cè)器的面積，為探測(cè)器的面積，l為為x方向的長(zhǎng)度。方向的長(zhǎng)度。 當(dāng)當(dāng)122sinll時(shí)，中頻電流時(shí)，中頻電流i最大最大 即即 22sinll外差探測(cè)的空間相位條件：外差探測(cè)的空間相位條件：002l12l或或 sin2L又又lLsinlLarcsin或或 有：有： 要形成強(qiáng)

9、的差頻信號(hào)，對(duì)信號(hào)光束和本要形成強(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。如此以振光束的空間準(zhǔn)直要求很嚴(yán)格。如此以來(lái)，使得背景光噪聲被濾掉。來(lái)，使得背景光噪聲被濾掉。外差探測(cè)外差探測(cè)在具有很好的空間濾波性能在具有很好的空間濾波性能。同時(shí)，也。同時(shí)，也增加了系統(tǒng)測(cè)量的難度。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)直解決辦法：采用聚焦透鏡降低空間準(zhǔn)直要求。要求。本質(zhì)上相當(dāng)于把不同傳播方向的信號(hào)光本質(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)束集中在一起。失配角可由系統(tǒng)的視場(chǎng)角來(lái)決定。角來(lái)決定。fDprf是透鏡的焦距，是透鏡的焦距，Dp是探測(cè)器光敏面

10、直徑是探測(cè)器光敏面直徑 有效孔徑為有效孔徑為Deff為：為：rpddffDDDD衍射線光斑直徑衍射線光斑直徑Dd為為：rdDf442D.442fDDfDDDDDrdprpdrdff.故故rdpdffrDDD442D442.解得：解得：2、多模外差接收、多模外差接收實(shí)際光源是多模激光，將使光外差探測(cè)的信實(shí)際光源是多模激光，將使光外差探測(cè)的信噪比下降。噪比下降。1）只考慮本振光為多模）只考慮本振光為多模假設(shè)假設(shè)信號(hào)光波為單模，其光波場(chǎng)函數(shù)為信號(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)本振光波場(chǎng)為多模，設(shè)共有個(gè)ML模，且各模模，且各模的振幅相等為的振幅相等為A

11、L, 能量（功率）均勻地分布在能量（功率）均勻地分布在ML個(gè)模內(nèi)。個(gè)模內(nèi)。對(duì)信號(hào)場(chǎng)有貢獻(xiàn)的只有第對(duì)信號(hào)場(chǎng)有貢獻(xiàn)的只有第j個(gè)模個(gè)模而所有模對(duì)噪聲都有貢獻(xiàn)而所有模對(duì)噪聲都有貢獻(xiàn)因此，信噪比因此，信噪比為單模外差信噪比的為單模外差信噪比的1/ML倍。倍。 2）信號(hào)光和本振光通為多模）信號(hào)光和本振光通為多模信號(hào)光有信號(hào)光有MS個(gè)模；本振光有個(gè)模；本振光有ML個(gè)模個(gè)模且能量均分。且能量均分。若若ML MS在在ML MS,時(shí)，本振模帶來(lái)的噪聲大，信噪比下降。時(shí)，本振模帶來(lái)的噪聲大，信噪比下降。fkPMMkPSNRbSLsp)21 (/fkPMMkPSNRbLSsp)21 (當(dāng)當(dāng)ML =MS時(shí)，時(shí)，SNRp

12、最大最大fkPkPsSNRbp)21 (3、大氣湍流對(duì)外差探測(cè)的影響、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，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，信破壞空間相位條件，使外差接收功率降低，信噪比下降。噪比下降。4、頻率條件、頻率條件頻率條件主要表現(xiàn)為單色性。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)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

13、性就越好，干涉信號(hào)越強(qiáng)。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(guò)中頻濾波器帶者頻率之差就有可能大大超過(guò)中頻濾波器帶寬，則光混頻器之后的前置放大和中頻放大寬，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。電路對(duì)中頻信號(hào)不能正常地加以放大。需采用頻措施。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)、干涉測(cè)量技術(shù)應(yīng)用光的干涉效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的方法稱為干涉應(yīng)用光的干涉效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的方法稱為干涉測(cè)量技術(shù)。測(cè)量技術(shù)。干涉測(cè)量系統(tǒng)主要由光

14、源、干涉系統(tǒng)、信號(hào)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。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(zhǎng)為單位）優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高（以波長(zhǎng)為單位） 干涉測(cè)量基本原理：改變干涉儀中傳輸干涉測(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?；纯傻玫奖粶y(cè)參量的信息。干涉條紋是由于干涉場(chǎng)上光程差相同的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。場(chǎng)點(diǎn)的軌跡形成?？蛇M(jìn)行長(zhǎng)度、角度、平面度、折射率、可進(jìn)行長(zhǎng)度、角度、平面度、折射率

15、、氣體或液體含量、光學(xué)元件面形、光學(xué)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。和物理量的測(cè)量。 1） 激光干涉測(cè)長(zhǎng)的基本原理激光干涉測(cè)長(zhǎng)的基本原理系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成：(a)激光光源激光光源(b)干涉系統(tǒng)干涉系統(tǒng)(c)光電顯微鏡光電顯微鏡(d)干涉信號(hào)處理部分干涉信號(hào)處理部分位移位移 2 NL2）激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀的光路設(shè)置）激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀的光路設(shè)置1.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.

16、透鏡 15.光闌 16.光電探測(cè)器干涉光路的設(shè)置干涉光路的設(shè)置3）干涉信號(hào)的方向判別與計(jì)數(shù)）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)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(guò)程中產(chǎn)生一些偶然的量鏡在正向移動(dòng)過(guò)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。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；反之為減動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的脈沖為加脈沖；反之為減脈沖脈沖 。判向計(jì)數(shù)：判向計(jì)數(shù)：正向移動(dòng)：正向移動(dòng)：正向：正向：1324同理可得同理可得反向：反向：1423位移長(zhǎng)度為：

17、位移長(zhǎng)度為： 8 NL2、光外差通信、光外差通信 光外差通信基本上都是采用光外差通信基本上都是采用CO2激光器做激光器做光源，光發(fā)射系統(tǒng)及接收系統(tǒng)兩大部分組光源，光發(fā)射系統(tǒng)及接收系統(tǒng)兩大部分組成。成。發(fā)射系統(tǒng)：發(fā)射系統(tǒng)：穩(wěn)頻原理穩(wěn)頻原理:發(fā)射波長(zhǎng)增加，光通量亦增，輸出電壓發(fā)射波長(zhǎng)增加，光通量亦增，輸出電壓增大，壓電陶瓷使腔長(zhǎng)縮短，發(fā)射頻率增大，壓電陶瓷使腔長(zhǎng)縮短，發(fā)射頻率提高，波長(zhǎng)減短；反之，則波長(zhǎng)加長(zhǎng)提高，波長(zhǎng)減短；反之，則波長(zhǎng)加長(zhǎng) 濾光片的濾光曲線濾光片的濾光曲線 接收系統(tǒng)接收系統(tǒng):3、多卜勒測(cè)速、多卜勒測(cè)速1）多卜勒測(cè)速原理）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，焦激光器

18、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。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：焦點(diǎn)處干涉場(chǎng)條紋分布：干涉條紋間距為：干涉條紋間距為： 212isin干涉條紋的空間頻率為：干涉條紋的空間頻率為：22i1fsin當(dāng)散射粒子以速度當(dāng)散射粒子以速度v，與條，與條紋垂線夾角為紋垂線夾角為 方向通過(guò)時(shí)，方向通過(guò)時(shí)，則顆粒散射的光強(qiáng)頻率為：則顆粒散射的光強(qiáng)頻率為：cos2sin2cosvfvfS2）輸出波形分析）輸出波形分析一個(gè)粒子流過(guò)，且粒子直徑一個(gè)粒子流過(guò)，且粒子直徑比干涉條紋寬度小很多時(shí)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)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)一個(gè)粒子的隨機(jī)