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1、第六章第六章光外差检测系统光外差检测系统本章主讲：刘维慧本章主讲：刘维慧光电检测技术光电检测技术制作团队制作团队6.1 6.1 光外差检测原理光外差检测原理6.2 6.2 光外差检测的特性光外差检测的特性6.3 6.3 影响光外差灵敏度的因素影响光外差灵敏度的因素6.4 6.4 光外差检测系统举例光外差检测系统举例主要内容主要内容相干检测，相干检测，光源：光源：相干光源相干光源原理：原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息，利用光的振幅、频率、相位携带信息，检测检测时需要用光波相干原理。时需要用光波相干原理。调制方法：调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制光振幅调制、相位调制，频率调制测量精度
2、（灵敏度）更高，作用距离更远。测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。非相干检测非相干检测光源：光源：非相干或相干光源非相干或相干光源原理：原理：利用光强度携带信息，将利用光强度携带信息，将光强光强度度转换转换为电信号为电信号，解调电路检出信息。，解调电路检出信息。调制方法：调制方法：光强度调制、偏振调制光强度调制、偏振调制直接检测是一种简单实用的方法。直接检测是一种简单实用的方法。光光光光外外外外差差差差检检检检测测测测直直直直接接接接检检检检测测测测光光光光电电电电检检检检测测测测系系系系统统统统6.1 6.1 光外差检测原理光外差检测原理一一、光光外差检测系统外差检测系统光外差检测与直接检
3、测系统相比，具有如下优点：光外差检测与直接检测系统相比，具有如下优点：1.测量精度高测量精度高7-87-8个数量级；个数量级；2.灵敏度达到量子噪声极限，其灵敏度达到量子噪声极限，其NEPNEP值可达值可达1010-20-20W W。3.可用于光子计数。可用于光子计数。4.激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的相干性，所激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的相干性，所在外差检测在大气中应用受限，在外层空间已经达到实用在外差检测在大气中应用受限，在外层空间已经达到实用阶段。阶段。5.外差检测在高频（外差检测在高频（10101616HzHz）光波时不如直接检测有）光波时不如直接检测有用。而在长
4、波长（近红外和中红外波段），光外差检测技用。而在长波长（近红外和中红外波段），光外差检测技术就可实现接近量子噪声限的检测。术就可实现接近量子噪声限的检测。光外差检测原理示意图直接检测系统中，检测器检测的光功率为平均光功率Pcp：显然光波直接检测只能测量其振幅值。光外差检测原理如图，两束平行的相干光，经分光镜和可变光阑入射到检测器表面进行混频，形成相干光场，经检测器变换后，输出信号包含差频信号，故又称相干检测。二、光外差检测原理外差检测实验装置图首先设入射到检测器上的信号光场和本机振荡光场分别为：那么，入射到检测器上的总光场为：光检测器的响应与光电场的平方成正比，所以光检测器的光电流为：式中第一
5、、二项为余弦函数平方的平均值，等于1/2。第三项为和频项，频率太高，光混频器不响应，可略去;第四项为差频项，频率低得多，当差频信号(L-s)/2=C/2低于光检测器的上限截止频率时，检测器就有频率为C/2的光电流输出。如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以得到通过以C为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平均值，即：当L-s=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频电流为：这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。Thanks for your patience6.2 6.2 光外差检测的特性
6、光外差检测的特性一、光一、光外差检测可获得全部信息外差检测可获得全部信息外差检测不仅可检测振幅和强度调制的光信号，还可检测频率调制及相位调制的光信号。在直接检测系统是不可能的。二、光二、光外差检测转换增益外差检测转换增益G G高高光外差检测中频输出有效信号功率为：在直接检测中，检测器输出电功率为：两种方法得到的信号功率比G为：可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。三、三、良好的滤波性能良好的滤波性能 光光外差检测中，取信号处理器通频带为外差检测中，取信号处理器通频带为f=ff=fL L-f-fs s，则只有此，则只有此频带内的杂光可进入系统，对系统造成影响，而其它的杂光噪声被频带内的杂光可进入
7、系统，对系统造成影响，而其它的杂光噪声被滤掉。因此外差检测系统不需滤光片，其效果也远优于直接检测系滤掉。因此外差检测系统不需滤光片，其效果也远优于直接检测系统。统。例：目标沿光束方向运动速度例：目标沿光束方向运动速度=0-15m/s=0-15m/s，对于，对于COCO2 2激光信号，激光信号，多普勒频率多普勒频率f fs s为：为：通频带通频带f f1 1取为：取为：可见，外差检测对背景光有强抑制作用可见，外差检测对背景光有强抑制作用。速度速度越快，多普勒频率越大，通频带越宽。越快，多普勒频率越大，通频带越宽。而直接检测加光谱滤光片时，设滤光片带宽为而直接检测加光谱滤光片时，设滤光片带宽为1n
8、m1nm，所对应的带宽，即通频带所对应的带宽，即通频带f f2 2=3000MHz=3000MHz。四、信噪比四、信噪比损失小损失小 当当不考虑检测器本身噪声影响，只包含输入背景噪不考虑检测器本身噪声影响，只包含输入背景噪声的情况下声的情况下，外差检测器的输出信噪比等于输入信噪比，输出信噪比没外差检测器的输出信噪比等于输入信噪比，输出信噪比没有损失。有损失。输入的信噪比输入的信噪比:五五、最小可检测功率最小可检测功率内增益型光电检测器件内增益型光电检测器件内部增益为内部增益为M M的光外差检测器输出有效信号功率为：的光外差检测器输出有效信号功率为：检测系统中检测器本身的检测系统中检测器本身的散
9、粒噪声和热噪声散粒噪声和热噪声是影响最大但难是影响最大但难以消除的。则外差检测输出的散粒噪声和热噪声表示为：以消除的。则外差检测输出的散粒噪声和热噪声表示为：功率信噪比为：功率信噪比为：当本征功率当本征功率P PL L足够大时，本征散粒噪声远超过所有其它足够大时，本征散粒噪声远超过所有其它噪声，则上式变为：噪声，则上式变为：这就是光外差检测系统中所能达到的最大信噪比极限，这就是光外差检测系统中所能达到的最大信噪比极限，一般称为光外差检测的一般称为光外差检测的量子检测极限量子检测极限或量子噪声限。或量子噪声限。为克服由信号光引起的噪声以外的所有其他噪声，从而获得高为克服由信号光引起的噪声以外的所
10、有其他噪声，从而获得高的转换增益，的转换增益，增大本振光功率增大本振光功率是有利的。但本振光本身也引起散粒是有利的。但本振光本身也引起散粒噪声，本振功率越大，噪声也越大，使检测系统信噪比反而降低。噪声，本振功率越大，噪声也越大，使检测系统信噪比反而降低。因此，应合理选择本振光功率，以便得到因此，应合理选择本振光功率，以便得到最佳信噪比和较大的中频最佳信噪比和较大的中频转换增益转换增益。引入引入最小可检测功率（等效噪声功率）最小可检测功率（等效噪声功率）NEPNEP表示，表示，在量子检测极限下，光外差检测的在量子检测极限下，光外差检测的NEPNEP值为：值为：在光电直接检测系统的量子极限为：在光
11、电直接检测系统的量子极限为：这里面需要说明的是：这里面需要说明的是：直接检测量子限是在理想光检测器直接检测量子限是在理想光检测器的理想条件下得到，实际中无法实现量子极限的。而对于的理想条件下得到，实际中无法实现量子极限的。而对于光外差检测，利用光外差检测，利用足够的本振光足够的本振光是容易实现的。是容易实现的。总之，检测灵敏度高是光外差检测的突出优点。总之，检测灵敏度高是光外差检测的突出优点。六、光六、光外差检测系统对检测器性能的要求外差检测系统对检测器性能的要求外差检测系统对检测器要求一般比直接检测对检测器的要外差检测系统对检测器要求一般比直接检测对检测器的要求高得多，主要如下：求高得多，主
12、要如下：1.1.响应频带宽响应频带宽。主要是因为采用多普勒频移特性进行目标检。主要是因为采用多普勒频移特性进行目标检测时，频移的变化范围宽，要求检测器的响应范围要宽，甚测时，频移的变化范围宽，要求检测器的响应范围要宽，甚至达上千兆至达上千兆HzHz。2.2.均匀性好。外差检测中检测器即为混频器，在检测器光敏均匀性好。外差检测中检测器即为混频器，在检测器光敏面上信号光束和本振荡光束发生相干产生差频信号，为达到面上信号光束和本振荡光束发生相干产生差频信号，为达到在光敏面不同区域相同的外差效果，要求检测器的光电性能在光敏面不同区域相同的外差效果，要求检测器的光电性能在整光敏面上都是一致。在整光敏面上
13、都是一致。3.3.工作温度高。在实验室工作时，工作温度无严格要求。如工作温度高。在实验室工作时，工作温度无严格要求。如果在室外或空间应用时，要求选工作温度高的检测器。如果在室外或空间应用时，要求选工作温度高的检测器。如HgCdTeHgCdTe红外检测器件。红外检测器件。Thanks for your patience七、影响七、影响光外差检测灵敏度的因素光外差检测灵敏度的因素只只考虑光外差检测的空间条件和频率条件对灵敏度的影响及考虑光外差检测的空间条件和频率条件对灵敏度的影响及改善方法改善方法。影响因素：本振场的频率稳定度影响因素：本振场的频率稳定度 噪声噪声 信号光波和本振光波的空间调准及信
14、号光波和本振光波的空间调准及场匹配场匹配 光源的多模光源的多模 传输通道的干扰传输通道的干扰 电子噪声电子噪声1 1、光、光外差检测的空间条件（空间调准）外差检测的空间条件（空间调准）信号信号光和本振光的波前在光检光和本振光的波前在光检测器光敏面上保持相同的相位关系，测器光敏面上保持相同的相位关系，才得式：才得式：显然显然要使中频电流达到最大，这些微分中频电流要保持恒定要使中频电流达到最大，这些微分中频电流要保持恒定的相位关系。即要求信号光和本振光的波前是重合的。即是说必的相位关系。即要求信号光和本振光的波前是重合的。即是说必须保持信号光和本振光在空间上的角准直须保持信号光和本振光在空间上的角
15、准直。实质上，由于光的波长比光检测器面实质上，由于光的波长比光检测器面积小很多，混频作用是在一个个小面积积小很多，混频作用是在一个个小面积元上产生的，即总的中频电流是每个小元上产生的，即总的中频电流是每个小微分面元所产生的微分电流之微分面元所产生的微分电流之和和,信号信号光与本振光皆为平面波时，波前不重合时对光外差检光与本振光皆为平面波时，波前不重合时对光外差检测的影响。测的影响。设设信号光束和本振光束之间夹角为信号光束和本振光束之间夹角为，且信号光束，且信号光束的波阵面平行于光敏面时，如图。的波阵面平行于光敏面时，如图。设信号光束和本振光束的光场为：设信号光束和本振光束的光场为：那么本振光束
16、到达光敏面时，在不那么本振光束到达光敏面时，在不同点同点x x处有不同的波前，即不同的相处有不同的波前，即不同的相位差位差 。相位差等于光程差和。相位差等于光程差和波数之积。即：波数之积。即：式中，式中，并并认为折射率认为折射率n=1n=1。于是本振光波可表示为：于是本振光波可表示为：则检测器上则检测器上x x点的响应电流为点的响应电流为则整个光敏面总响应电流为则整个光敏面总响应电流为从式中可知，当从式中可知，当 时，时，即即 时时，中频电，中频电流流i i最大。最大。即可得外差检测的空间相位条件为：即可得外差检测的空间相位条件为：即：即：这个角度也被称为失配角。这个角度也被称为失配角。结论结
17、论：波长愈短或口径愈大，要求相位差角波长愈短或口径愈大，要求相位差角愈小，愈愈小，愈难满足外差检测的要求。说明红外光比可见光更易实现难满足外差检测的要求。说明红外光比可见光更易实现光外差检测。光外差检测。例：本振光波长为例：本振光波长为1 1微米，检测器光敏面长度为微米，检测器光敏面长度为1mm1mm，则，则0.32mrad0.32mrad（0.0180.018度）。度）。实验证实，稳频的实验证实，稳频的COCO2 2激光器做外差检测实验，当激光器做外差检测实验，当2.6mrad2.6mrad时，才能看到清晰的差频信号。时，才能看到清晰的差频信号。要要形成强的差频信号，必形成强的差频信号，必须
18、使信号光束和本振光束在空须使信号光束和本振光束在空间准直得很好。间准直得很好。背景杂散光来自各个方向，绝背景杂散光来自各个方向，绝大部分的背景光不与本振光准大部分的背景光不与本振光准直，即不产生明显的差频信号。直，即不产生明显的差频信号。因此外差检测在空间上能很好地抑制背景噪声。因此外差检测在空间上能很好地抑制背景噪声。具有很好的空间滤波性能。但是严格的空间条件具有很好的空间滤波性能。但是严格的空间条件也使调准两光束比较困难。也使调准两光束比较困难。问：问：“如果两光束是平行的，与光检测器呈一定角如果两光束是平行的，与光检测器呈一定角度时，对中频电流有没有影响度时，对中频电流有没有影响”？会聚
19、透镜Dr衍射光斑Dd探测器光敏面Dp本振光束信号光束二、光二、光外差检测的频率条件外差检测的频率条件 为为获得灵敏度高的光外差检测，要求信号光和本振光获得灵敏度高的光外差检测，要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳定性。具有高度的单色性和频率稳定性。光外差检测的物理光学的本质是光外差检测的物理光学的本质是两束光波叠加后产生干涉的两束光波叠加后产生干涉的结果结果。这种干涉取决于信号光和本振光束的单色性。因此为。这种干涉取决于信号光和本振光束的单色性。因此为获得单色性好的激光输出，必须选用单纵模运转的激光器作获得单色性好的激光输出，必须选用单纵模运转的激光器作为光外差检测光源。为光外差检测光源
20、。信号光和本振光存在着频率漂移，使光外差检测系统的性能信号光和本振光存在着频率漂移，使光外差检测系统的性能变坏。是因为频率差太大可能超过中频滤波带宽，中频信号变坏。是因为频率差太大可能超过中频滤波带宽，中频信号不能正常放大。因此在光外差检测中，需要采用专门措施稳不能正常放大。因此在光外差检测中，需要采用专门措施稳定信号光和本振光的频率。定信号光和本振光的频率。Thanks for your patience6.4 6.4 光外差系统举例光外差系统举例一、一、激光干涉测长仪激光干涉测长仪M1M21、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；
21、9、分束镜；10、角锥反射棱镜；11、透镜；12、光阑；13、光电检测器；14、透镜；15、光阑；16、光电检测器实用的激光干涉测长仪的简化光路实用的激光干涉测长仪的简化光路干涉信号的方向判别与计数原理干涉信号的方向判别与计数原理同时，由于一个周期的干涉同时，由于一个周期的干涉信号变成四个脉冲信号，计信号变成四个脉冲信号，计数脉冲被细分，每个计数脉数脉冲被细分，每个计数脉冲代表冲代表1/41/4条纹的变化，则条纹的变化，则所测位移长度为：所测位移长度为：激光测速的激光测速的原理：测量原理：测量通过激光束的示踪粒子的多普通过激光束的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速勒信
22、号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度。二、激光二、激光多普勒测速多普勒测速Laser Doppler VelocimeterLaser Doppler Velocimeter测速原理：测速原理：激光光束的光强分布为高斯分布，在透镜L1后的焦点附近高斯光束束腰的波前为平面波，两光束在焦点附近空间范围内相交得到平行的干涉条纹；而在远离焦点的空间范围相交干涉条纹为弧形。干涉条纹间距为fxzyzyyx条纹模型条纹模型干涉条纹的空间频率（单位长度内条纹明暗对数）为：当散射粒子在平行干涉条纹的平面内运动时，散射的光波强度随干
23、涉场及流速面变化，若颗粒运动速度为，运动方向与条纹垂线的夹角为（如图），则颗粒散射的光强频率为：如果粒子运动方向与干涉场垂直时，？如果粒子运动方向与干涉场垂直时，？输出波形分析：输出波形分析：在光电倍增管上接收到的输出信号是一种包络波形，在光电倍增管上接收到的输出信号是一种包络波形，包络与光强分布及粒子大小有关。包络的形成是因为包络与光强分布及粒子大小有关。包络的形成是因为光斑中光强的分布为高斯型。包络的幅度不包括速度光斑中光强的分布为高斯型。包络的幅度不包括速度信息，反映速度信息的是包络的频率。信息，反映速度信息的是包络的频率。速度信号的获取速度信号的获取频率跟踪法频率跟踪法获得瞬时流速获得瞬时流速外差信号外差信号V VLLLL的差频频率的差频频率f f0 0经过中频经过中频放大器放大，输出信号到频率鉴别放大器放大，输出信号到频率鉴别器。鉴频器输出特性如图，信号频器。鉴频器输出特性如图，信号频率偏离率偏离f f0 0时，压控振荡器跟踪信号时，压控振荡器跟踪信号频率的瞬时变化频率的瞬时变化。特点特点：非接触测量，精度高，用于血流速测量。：非接触测量，精度高，用于血流速测量。V激光电源 声光调制器电源计算机光电倍增管电源信号处理器放大器实际实际LDVLDV的结构简图的结构简图