第六章 光外差检测系统2.ppt

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1、第六章 光外差检测系统1 1光外差检测的基本原理利用光波的振幅、频率、利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光相位携带信息，而不是光强。强。两束相干光入射到探测器两束相干光入射到探测器表面进行混频，形成相干表面进行混频，形成相干光场光场,又称相干检测。只有又称相干检测。只有激光才能进行相干检测。激光才能进行相干检测。输出信号中包含输出信号中包含 的的差频信号差频信号,因此称光外差检因此称光外差检测测输出的中频功率正比于信输出的中频功率正比于信号光和本振光功率的乘积。号光和本振光功率的乘积。2 2光外差检测的特性光探测器的输出包含有信号光的全部信息：振幅、光探测器的输出包含有信号光的全部信息

2、：振幅、频率和相位等；频率和相位等；转换效率高，转换效率高，检测灵敏度高（比直接检测高检测灵敏度高（比直接检测高数量级），数量级），对微弱信号的探测有利（尽管信号对微弱信号的探测有利（尽管信号光功率小，但是本振光功率大）光功率小，但是本振光功率大）良好的滤波性能良好的滤波性能信噪比损失小信噪比损失小检测灵敏度高检测灵敏度高检测距离远检测距离远对探测器的要求比直接检测高对探测器的要求比直接检测高3 3光外差检测的空间和频率条件空间条件空间条件空间条件空间条件：:两束光的夹角，两束光的夹角，l=dl=d：检测：检测器光敏面线度器光敏面线度波长越短或口径越大，要求相波长越短或口径越大，要求相位差角位

3、差角越小，越难满足要求越小，越难满足要求频率条件频率条件频率条件频率条件：要求信号光和本振光具有高度要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳定性。的单色性和频率稳定性。如何获得单频光和稳频光？如何获得单频光和稳频光？信号光与本振光并非平行而成一夹角4 4光外差检测系统光光外差检测与直接检测系统相比，具有如下优点：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

4、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5.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6.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6.用。而在长波长（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7.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。5 5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

5、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。6.1 光外差检测原理6 6外差检测实验装置图如图，光源经过稳频的二氧化碳激光器，由分束镜把入射光分成两路：一路经反射作为本振光波，频率为fL，另一路经偏心轮反射，经聚焦到可变光阑上作为信号光束。偏心轮转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的回波产生多普勒频移，其频率为fs。可变光阑用来限制两光束射向光电检测器的空间方向，线栅偏振镜用来使两束光变为偏振方向相同的相干光，然后两束光垂直投射到检测器上。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：7 7那么，入射到检

6、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、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。8 8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

7、为零差探测。9 96.2 光外差检测特性6.2.1 6.2.1 光外差检测可获得全部信息光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。6.2.2 光外差检测转换增益光外差检测转换增益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。10106.2.4 6.2.4 信噪比损失小信噪比损失小6.2.3 6.2.3 良好的滤波性能良好的滤波性能光外差检测中，取信号处理器通频带为光外差检测中，取信号处理器通频带为f=f=f fL

8、L-f-fs s，则只有此频带内，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滤掉。的杂光可进入系统，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统。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。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10.6um 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：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1nm1nm，所对应的带宽

9、，所对应的带宽，即通频带即通频带f f2 2=3000MHz=3000MHz。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。另：速度越快，多普勒频率越大，通频带越宽。另：速度越快，多普勒频率越大，通频带越宽。当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，外当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，外差检测器的差检测器的输入信输入信噪噪比等于输出信噪比比等于输出信噪比，输出信噪比没有损失。，输出信噪比没有损失。11116.2.5 6.2.5 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当本征功率当本征功率P PL L足够大

10、时，本征散粒噪声远超过所有其它噪声，则上式变为：足够大时，本征散粒噪声远超过所有其它噪声，则上式变为：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粒噪声和热噪声散粒噪声和热噪声是影响最大，难以是影响最大，难以消除的。则外差检测输出的散粒噪声和热噪声表示为：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：这就是光外差检测系统中所能达到的最大信噪比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极限，一般称为光外差检测的量子检测极限量子检测极限或或量子噪声

11、限量子噪声限。1212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）NEP表示，在表示，在量子检测量子检测极限下，光外差检测的极限下，光外差检测的NEP值为：值为：在光电直接检测系统的量子极限为：在光电直接检测系统的量子极限为：这里面需要说明的是：直接检测量子限是在理想光检测器的这里面需要说明的是：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。而对于光外理想条件下得到，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，总之，检测灵敏度高检测灵敏度高是光外差检测的突出优点。是光外

12、差检测的突出优点。6.2.5 6.2.5 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，从而获得高的转换为克服由信号光引起的噪声以外的所有其他噪声，从而获得高的转换增益，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噪声，本振功是有利的。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。因此，应合理选择本率越大，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，以便得到振光功率，以便得到最佳信噪比和较大的中频转换增益最佳信噪比和较大的中频转换增益。13136.2.

13、6 6.2.6 光外差检测系统对检测器性能的要求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，甚至测时，频移的变化范围宽，要求检测器的响应范围要宽，甚至达上千兆达上千兆HzHz。2.2.均匀性好均匀性好。外差检测中检测器即为混频器，在检测器光敏。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

14、干产生差频信号，为达到在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整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。特别是跟踪系统的四象限列阵检测器。光敏面上都是一致。特别是跟踪系统的四象限列阵检测器。3.3.工作温度高工作温度高。在实验室工作时，工作温度无严格要求。如。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。(P140(P140 表表6-2)6-2)1414

15、6.3 影响光外差检测灵敏度的因素在本节内容中，只考虑光外差检测的空间条件和频率条件在本节内容中，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改善方法。其它因素可参阅书籍。对灵敏度的影响及改善方法。其它因素可参阅书籍。6.3.1 6.3.1 光外差检测的空间条件（空间调准）光外差检测的空间条件（空间调准）光外差检测原理示意图 信号光和本振光的信号光和本振光的波前波前在光检测器光在光检测器光敏面上保持敏面上保持相同的相位关系相同的相位关系，才得式：，才得式：实质上，由于光的波长比光检测器面积实质上，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元上产小很多，混频作用是在一个个

16、小面积元上产生的，即总的中频电流是每个小微分面元所生的，即总的中频电流是每个小微分面元所产生的微分电流之和，显然要使中频电流达到最大，这些微分中产生的微分电流之和，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的相位关系。即要求信号光和本振光的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波前是重合重合的。即是说必须保持信号光和本振光在的。即是说必须保持信号光和本振光在空间空间上的上的角准直角准直。下面就考虑一下信号光与本振光皆为平面波时，波前不重合下面就考虑一下信号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。时对光外差检测的影响。1515 设信号光束和本振光束之间

17、夹角为设信号光束和本振光束之间夹角为，且信号光束的波阵面，且信号光束的波阵面平行于光敏面时，如图。平行于光敏面时，如图。6.3.1 6.3.1 光外差检测的空间条件（空间调准）光外差检测的空间条件（空间调准）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处有不同的波前，即不同的处有不同的波前，即不同的相位差相位差 。相位差等于光程差和波。相位差等于光程差和波数之积。即：数之积。即：式中，式中，并认为折射率，并认为折射率n=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点的响应电流为点的响

18、应电流为1616则整个光敏面总响应电流为则整个光敏面总响应电流为6.3.1 6.3.1 光外差检测的空间条件（空间调准）光外差检测的空间条件（空间调准）从式中可知，当从式中可知，当 时，时，即即 时，中频电流时，中频电流i最大。最大。即可得外差检测的即可得外差检测的空间相位条件空间相位条件为：为：即：即：显然：波长愈短或口径愈大，要求相位差角显然：波长愈短或口径愈大，要求相位差角愈小，愈难满足外差愈小，愈难满足外差检测的要求。检测的要求。说明红外光比可见光更易实现光外差检测。说明红外光比可见光更易实现光外差检测。例：本振光波长为例：本振光波长为1微米，检测器光敏面长度为微米，检测器光敏面长度为

19、1mm，则，则0.32mrad（0.018度）。度）。实验证实，稳频的实验证实，稳频的CO2激光器做外差检测实验，当激光器做外差检测实验，当2.6mrad时，时，才能看到清晰的差频信号。才能看到清晰的差频信号。这个角度也被称为失配角。这个角度也被称为失配角。1717光外差检测原理示意图如图，要形成强的差频信号，如图，要形成强的差频信号，必须使信号光束和本振光束必须使信号光束和本振光束在空间准直得很好。在空间准直得很好。背景杂散光来自各个方向，背景杂散光来自各个方向，绝大部分的背景光不与本振绝大部分的背景光不与本振光准直，即不产生明显的差光准直，即不产生明显的差频信号。频信号。因此外差检测在空间

20、上能很好地抑制背景噪声。具有很好因此外差检测在空间上能很好地抑制背景噪声。具有很好的的空间滤波性能空间滤波性能。但是严格的空间条件也使调准两光束比但是严格的空间条件也使调准两光束比较困难。较困难。问：问：“如果两光束是平行的，但与光检测器呈一定角度时，如果两光束是平行的，但与光检测器呈一定角度时，对中频电流有没有影响对中频电流有没有影响”？1818解决方法解决方法；如图结构称为如图结构称为聚焦光束聚焦光束外差结构外差结构，即用聚焦透，即用聚焦透镜降低空间准直要求。镜降低空间准直要求。这种结构本质上相当于这种结构本质上相当于把不同传播方向的信号把不同传播方向的信号光束集中在一起。光束集中在一起。

21、理论分析证明，如果用聚焦透镜聚焦到衍理论分析证明，如果用聚焦透镜聚焦到衍射限，这时的失配角可由系统的视场角射限，这时的失配角可由系统的视场角r来决定。来决定。经过推导，失配角经过推导，失配角r与透镜，光敏面参数有如下关系：与透镜，光敏面参数有如下关系：例：波长为例：波长为1um，ll为为0.1mm（检测器直径），由上知失配角（检测器直径），由上知失配角0.32mrad，如，如采用会聚透镜，孔径采用会聚透镜，孔径Dr=10cm(在光外差检测系统中，作为接收天线的会聚透镜，在光外差检测系统中，作为接收天线的会聚透镜，这个孔具有代表性）。取焦距这个孔具有代表性）。取焦距f=100cm，可求得视场角，

22、可求得视场角r=1mrad。19196.3.2 6.3.2 光外差检测的频率条件光外差检测的频率条件为获得灵敏度高的光外差检测，要求信号光和本振光具有高为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度的单色性和频率稳定性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，必须选用获得单色性好的激光输出，必须选用单纵模运转的激光器单纵模运转的激光器作作为光外差检测光源。为光外差检测光源。信

23、号光和本振光存在着信号光和本振光存在着频率漂移频率漂移，使光外差检测系统的性能，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。2020三频光外差检测在红外和可见光波段，光外差探测是探测微弱光信号唯实用的有效方法。但光外差探测虽然提高了探测灵敏度但在技术上比较复杂。此外。为了适应中频频率的变化，系统的带宽必须增大。为了克服这一决点，采用三频光外差探测技术是一种可行的方

24、法。2121三频光外差探测原理图22221、激光光源：He-Ne气体激光器，频宽达103Hz，相干长度可达300km(相干长度如何定义)2、干涉系统：迈克尔逊干涉原理，位移-测量臂；3、光电显微镜：给出起始位置。实现对对测长度或位移的精密瞄准，使干涉仪的干涉信号处理部分和被测量之间实现同步。4、干涉信号处理部分：光电控制、信号放大、判向、细分及可逆计数和显示记录等。6.4 光外差检测系统举例6.4.1 6.4.1 激光干涉测长仪激光干涉测长仪如图，主要有几部分组成：测量光束2和参考光束1相互叠加干涉形成干涉信号。其明暗变化次数直接对应于测量镜的位移，可表示为：23231、激光器；2、透镜；3、

25、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、光电检测器；14、透镜；15、光阑；16、光电检测器光阑3形成一种空间滤波器，减小光源中杂散光的影响。到达角锥反射棱镜10的作为干涉仪的参考臂。而角锥反射棱镜8作为测量臂。光学元件7称为位相板，使通过光路的部分光束产生附加位相移动，使光电检测器13和16接收到的干涉信号在位相上相差/2。光路中，采用角锥棱镜代替了平面反射镜作为反射器，一方面避免了反射光束反馈回激光器对激光器带来不利影响；另一方面由于角锥棱镜具有“出射光束与入射光束的平行不受棱镜绕轴转动的影响

26、”的特点。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2424干涉测长的光路布局和光学倍数干涉测长的光路布局和光学倍数一个角锥棱镜结构一个角锥棱镜结构双程干涉仪双程干涉仪立方分光棱镜立方分光棱镜光学倍频布局光学倍频布局2525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辨向原理：正向移动时，辨向原理：正向移动时，四路信号依次相差四路信号依次相差9090度，度，顺序为顺序为13241324若反向移动，若反向移动，接收信号依然相差接收信号依然相差9090度，度，但顺序为但顺序为14231423，由后面的，由后面的逻辑电路可以判断，进行逻辑电路可以判断，进行辨向处理。辨向

27、处理。同时，由于一个周期的干涉信号变成同时，由于一个周期的干涉信号变成四个脉冲信号，计数脉冲被细分，每四个脉冲信号，计数脉冲被细分，每个计数脉冲代表个计数脉冲代表1/41/4条纹的变化，则所条纹的变化，则所测位移长度为：测位移长度为：2626激光测速的激光测速的激光测速的激光测速的原理原理原理原理是：是测量通过激光束的示踪粒子的多是：是测量通过激光束的示踪粒子的多是：是测量通过激光束的示踪粒子的多是：是测量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普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速普勒信号，再根据速度与

28、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。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。激光测速的最主要的激光测速的最主要的激光测速的最主要的激光测速的最主要的优点优点优点优点是对流动没有任何扰动，测量是对流动没有任何扰动，测量是对流动没有任何扰动，测量是对流动没有任何扰动，测量的精度高，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是的精度高，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是的精度高，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是的精度高，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没

29、有关系，是目前世界线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。上速度测量精度最高的仪器。上速度测量精度最高的仪器。上速度测量精度最高的仪器。6.4.2 6.4.2 激光多普勒测速激光多普勒测速Laser Doppler Velocimeter多普勒测速原理基本光路原理图2727光源：稳频后的单模激光光源测速原理：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

30、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2828测速原理：测速原理：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，？2929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，包络与光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。包络的形成是因为光斑中光强的分布强分布及粒子大小有关。包络的形成是因

31、为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。络的频率。速度信号的获取（频谱分析法、频率跟踪法）速度信号的获取（频谱分析法、频率跟踪法）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VLL的差频频率的差频频率f0经经过中频放大器放大，输出信过中频放大器放大，输出信号到频率鉴别器。鉴频器输号到频率鉴别器。鉴频器输出特性如图，信号频率偏离出特性如图，信号频率偏离f0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：非接触测量，精度高，用于血流速测量。特点：非接触测量，精度高，用于血流速测量。3030实际实际实际实际LDVLDV的结构简图的结构简图的结构简图的结构简图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3131激光多普勒测速的特点动态响应快空间分辨率高流速测量范围宽测量精度高3232激光多普勒测速的应用管道内水流流层研究；流速分布亚音速或超音速气流旋流的测量大气远距离测量；风速测量可燃气体火焰的流体力学研究；水洞、风洞和海流测量3333本章结束习题：P155，T2、3、4、53434