光外差探測(cè)系統(tǒng)

光外差探測(cè)系統(tǒng)第一頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日6.1光外差探測(cè)原理光波f（t）寫(xiě)成:平均光功率Pcp為:第二頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日外差探測(cè)原理fS為信號(hào)光波，fL為本機(jī)振蕩（本振）光波

第三頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日外差探測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置第四頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日信號(hào)光場(chǎng)為:本機(jī)振蕩光場(chǎng)為:干涉光場(chǎng)為：第五頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日光探測(cè)器的光電流為：：光電變換比例常數(shù)；：量子效率；：光子能量；稱為差頻第六頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日當(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ωc/2π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：其中第七頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)ω1=ω2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。第八頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日光外差檢測(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)舉例第九頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日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：第十頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日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v＝0～15m／s，對(duì)于10.6μm的CO2激光，經(jīng)目標(biāo)反射后回波的多卜勒頻率fS為

第十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日頻差為：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Δf2為第十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日帶寬之比為：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：輸出信噪比為第十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日4、最小可探測(cè)功率內(nèi)部增益為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G＝0～1000；對(duì)于光伏探測(cè)器G＝1；對(duì)于光電倍增管G在106以上。

噪聲:第十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日功率信噪比為: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。第十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日當(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)η=1，Δf=1時(shí)

單光子計(jì)數(shù)第十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日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。第十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日光外差檢測(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)舉例第十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日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)靈敏度的因素第十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日信號(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

第二十頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日本振光波：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(zhǎng)度。第二十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日當(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：第二十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日要形成強(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?chē)?yán)格。如此以來(lái)，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。第二十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日本質(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(lái)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：第二十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日衍射線光斑直徑Dd為：故解得：第二十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日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)=Ascosωt；

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。

第二十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日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,若ML>MS在ML<MS,時(shí)，信號(hào)模沒(méi)有完全利用，信噪比下降；在ML>MS,時(shí)，本振模帶來(lái)的噪聲大，信噪比下降。第二十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)ML=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。第二十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日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(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)頻等第二十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日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(zhǎng)為單位）6.4光外差探測(cè)系統(tǒng)舉例第三十頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日干涉測(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?？蛇M(jìn)行長(zhǎng)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。第三十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日1）激光干涉測(cè)長(zhǎng)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)處理部分位移第三十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日2）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.透鏡15.光闌16.光電探測(cè)器第三十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日干涉光路的設(shè)置第三十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日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(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。第三十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日判向計(jì)數(shù)：正向移動(dòng)：第三十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日正向：1324同理可得反向：1423位移長(zhǎng)度為：第三十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日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)兩大部分組成。發(fā)射系統(tǒng)：第三十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日穩(wěn)頻原理: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)射頻率提高，波長(zhǎng)減短；反之，則波長(zhǎng)加長(zhǎng)濾光片的濾光曲線第三十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日接收系統(tǒng):第四十頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日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。第四十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日焦點(diǎn)處干涉場(chǎng)條紋分布：干涉條紋間距為：第四十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日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(guò)時(shí)，則顆粒散射的光強(qiáng)頻率為：第四十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日2）輸出波形分析一個(gè)粒子流過(guò)，且粒子直徑比干涉條紋寬度小很多時(shí)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)第四十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日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。頻譜分析法第四十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日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：第四十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)中頻放大器,

當(dāng)差頻信號(hào)的頻率fL-fs等于f0時(shí)，中頻放大器有較大的差頻信號(hào)輸出。改變fL進(jìn)行