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1、第十章 相干探测10-1相干探测原理相干探测原理当偏振方向相同、传播方向平行且重合的两束光垂直当偏振方向相同、传播方向平行且重合的两束光垂直入射到光混频器上时，假设一束是频率为入射到光混频器上时，假设一束是频率为 的本的本振光，另一束是频率为振光，另一束是频率为 的信号光，光混频器可的信号光，光混频器可在频率在频率 、和频和频 、差频、差频 处产生输出。但实际情况下，光频处产生输出。但实际情况下，光频 、和和 极高，其远远超出相干探测系统的相应频率范围。极高，其远远超出相干探测系统的相应频率范围。因此在光混频器的输出中只须考虑频率较低的差频因此在光混频器的输出中只须考虑频率较低的差频项，亦即中
2、频信号项，亦即中频信号 。这个中频信号包含了信。这个中频信号包含了信号光所携带的全部信息。下图为相干探测的原理图号光所携带的全部信息。下图为相干探测的原理图第一页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测第二页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测 由于两个光电场矢量彼此平行，为简化，由于两个光电场矢量彼此平行，为简化，用两个光电场的标量来替代矢量。假定信用两个光电场的标量来替代矢量。假定信号光电场号光电场Es(t)和本振光电场和本振光电场EL(t)分别为分别为 式中，式中，As和和AL分别是信号光电场和本征光分别是信号光电场和本征光电场的振幅，电场的振幅，s s和和L L
3、分别是信号光和本振分别是信号光和本振光的角频率光的角频率S S和和L L分别是信号光和本振光分别是信号光和本振光的初相位的初相位第三页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测 于是在光混频器光敏面上总的光电场为于是在光混频器光敏面上总的光电场为 由于光混频器的输出与入射的光强或光电由于光混频器的输出与入射的光强或光电场的平方成正比，所以光混频器输出的光场的平方成正比，所以光混频器输出的光电流为电流为 将上式展开写成等式并展开，则有将上式展开写成等式并展开，则有第四页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测 如果用平均信号光功率和平均本振光功率如果用平均信号光功率和平均本振光
4、功率表示，则上式可表示为表示，则上式可表示为如果把信号的测量限制在差频的通带范围内，如果把信号的测量限制在差频的通带范围内，则可得到通过以则可得到通过以IFIF为中心频率的带同滤波为中心频率的带同滤波器顺势中频电流为器顺势中频电流为中频滤波器的输出端，瞬时中频电压为中频滤波器的输出端，瞬时中频电压为第五页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测 在中频滤波器输出端出的有效中频功率就在中频滤波器输出端出的有效中频功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平均值，是瞬时中频功率在中频周期内的平均值，即即有效中频功率与信号光平均光功率和本振光有效中频功率与信号光平均光功率和本振光信号平均光功率乘积
5、有关。信号平均光功率乘积有关。第六页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测信号信息载在频率为信号信息载在频率为s s的光波振幅上，信的光波振幅上，信息信号的调制频率为息信号的调制频率为，则调幅波振幅由，则调幅波振幅由各次谐波的合成波构成。调幅光波表示为各次谐波的合成波构成。调幅光波表示为第七页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测第八页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测当调幅信号光与平面本振光相干后，其瞬当调幅信号光与平面本振光相干后，其瞬时中频电流为时中频电流为第九页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测第十页，编辑于星期六：十六点 三十二
6、分。第十章 相干探测10-2相干探测的特点相干探测的特点一、转换增益高一、转换增益高相干探测时，光电探测器经单位电阻输出的相干探测时，光电探测器经单位电阻输出的信号功率为信号功率为直接探测时，光电探测器经单位输出的功率直接探测时，光电探测器经单位输出的功率信号为信号为在同样信号光功率条件下这两种探测方法得在同样信号光功率条件下这两种探测方法得到的信号功率比到的信号功率比G为为第十一页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测 G为转换增益。相干探测中本地振荡功率为转换增益。相干探测中本地振荡功率PL远远大于接受到的信号光功率大于接受到的信号光功率Ps，高几十个数量，高几十个数量级是很容
7、易达到的，所以级是很容易达到的，所以G可以高达可以高达 ，可见相干探测的转换增益是非常高的。，可见相干探测的转换增益是非常高的。二、可获得全部信息二、可获得全部信息 相干探测中，我们能把频率调制和相位调制的相干探测中，我们能把频率调制和相位调制的信号光像幅度调制或强度调制一样进行解调信号光像幅度调制或强度调制一样进行解调第十二页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测三、良好的滤波性能三、良好的滤波性能 相干探测系统对背景光的滤波性能比直接相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测系统要高探测系统要高 相干系统中不加光谱滤光片其效果比加滤相干系统中不加光谱滤光片其效果比加滤光片的直接探
8、测系统好得多光片的直接探测系统好得多例如，目标沿光束方向的运动速度例如，目标沿光束方向的运动速度v=0-15m/s对于对于10.6m的的CO2激光，激光，经目目标反反射后回波的多普勒射后回波的多普勒频率率fs为第十三页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测则信号光束与本地振荡光束的差频为则信号光束与本地振荡光束的差频为带入带入L L和和v v的数值，得的数值，得若取放大器通带宽度若取放大器通带宽度ff相相等于最大频移值，等于最大频移值，则差频放大器带宽则差频放大器带宽ff相相=3MHz=3MHz第十四页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测如果直接探测加光谱滤光片，滤光
9、片带宽若为如果直接探测加光谱滤光片，滤光片带宽若为1.0mm，所对应的带宽，所对应的带宽ff滤滤为为上述两种情况带宽之比上述两种情况带宽之比可见，相干探测对背景光谱有很好的抑制作用可见，相干探测对背景光谱有很好的抑制作用第十五页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测四、有利于微弱光信号的探测四、有利于微弱光信号的探测在相干探测中，信号光信号功率非常小，但只要本在相干探测中，信号光信号功率非常小，但只要本振光功率足够大，仍能得到可观的中频输出。这就振光功率足够大，仍能得到可观的中频输出。这就是相干探测对微弱光信号的探测特别有利的原因是相干探测对微弱光信号的探测特别有利的原因另一方面，
10、从理论上讲，相干探测可能达到更低的另一方面，从理论上讲，相干探测可能达到更低的探测极限，可以从极限信噪比来说明这个问题探测极限，可以从极限信噪比来说明这个问题第十六页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测 假定光谱混频器具有内部增益假定光谱混频器具有内部增益G，光混频器，光混频器的中频输出功率为的中频输出功率为 在带宽为在带宽为ffIFIF的带通滤波器输出端，电噪声的带通滤波器输出端，电噪声功率为功率为 根据信噪比的定义，中频滤波器输出端的根据信噪比的定义，中频滤波器输出端的信号噪声比为信号噪声比为第十七页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测 当本振光功率足够大时，分
11、母中有本振光当本振光功率足够大时，分母中有本振光引起的散粒噪声远远大于所有其他噪声，引起的散粒噪声远远大于所有其他噪声，则上式变为则上式变为 对于热噪声为主要噪声源的系统来说，要对于热噪声为主要噪声源的系统来说，要实现量子噪声限探测，必须满足实现量子噪声限探测，必须满足 由此得到由此得到第十八页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测10-3 相干探测的空间条件和频率条件相干探测的空间条件和频率条件一。相干探测的空间条件一。相干探测的空间条件 由于光辐射的波长比光混频器的实际尺寸由于光辐射的波长比光混频器的实际尺寸得多，实际上光混频是在一个个小面积元得多，实际上光混频是在一个个小面积
12、元上发生的，及总的中频电流等于光混频器上发生的，及总的中频电流等于光混频器表面上每一微分面积元所产生的微分中频表面上每一微分面积元所产生的微分中频电流值和。很显然，只有当这些微分中频电流值和。很显然，只有当这些微分中频电流保持恒定的相位关系时，总的中频电电流保持恒定的相位关系时，总的中频电流才会达到最大值。流才会达到最大值。第十九页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测 这就要求信号光和本这就要求信号光和本振光的波前必须重合，振光的波前必须重合，也就是说，必须保持也就是说，必须保持信号光和本振光在空信号光和本振光在空间上的角准直。间上的角准直。第二十页，编辑于星期六：十六点 三十二
13、分。第十章 相干探测二、相干探测的频率条件二、相干探测的频率条件 为了获得高灵敏度的相干探测，还要求信为了获得高灵敏度的相干探测，还要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳号光和本振光具有高度的单色性和频率稳定度。从物理光学的观点来看，相干探测定度。从物理光学的观点来看，相干探测是两束光波迭加后产生干涉的结果。显然，是两束光波迭加后产生干涉的结果。显然，这种干涉取决于信号光束和本振光束的单这种干涉取决于信号光束和本振光束的单色性。所谓光的单色性是指这种光只包含色性。所谓光的单色性是指这种光只包含一种频率或光谱线极窄的光。一种频率或光谱线极窄的光。第二十一页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测10-4 相干探测系统举例相干探测系统举例 相干探测系统在通信、雷达、精密计量等相干探测系统在通信、雷达、精密计量等方面应用较为普遍。方面应用较为普遍。第二十二页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测一、光外差通讯一、光外差通讯第二十三页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测二、调频二、调频连续波激光雷达连续波激光雷达第二十四页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测第二十五页，编辑于星期六：十六点 三十二分。第十章 相干探测三、双频激光测长三、双频激光测长第二十六页，编辑于星期六：十六点 三十二分。