光外差探测系统PPT讲稿.ppt

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1、光外差探测系统光外差探测系统第1页，共48页，编辑于2022年，星期四6.1 光外差探测原理光外差探测原理 光波光波f（t）写成）写成:平均光功率平均光功率Pcp为为:第2页，共48页，编辑于2022年，星期四外差探测原理外差探测原理fS为为信号光波，信号光波，fL为为本机振本机振荡荡（本振）光波（本振）光波 第3页，共48页，编辑于2022年，星期四外差探测的实验装置外差探测的实验装置第4页，共48页，编辑于2022年，星期四信号光场为信号光场为:本机振荡光场为本机振荡光场为:干涉光场为：干涉光场为：第5页，共48页，编辑于2022年，星期四光探测器的光电流为：光探测器的光电流为：光电变换比

2、例常数；：光电变换比例常数；：量子效率：量子效率；：光子能量；：光子能量；称为差频称为差频 第6页，共48页，编辑于2022年，星期四当差频低于光探测器的截止频率时，光探当差频低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为测器就有频率为c c/2 2的光电流输出。的光电流输出。带通滤波器的瞬时中频电流为：带通滤波器的瞬时中频电流为：瞬时中频信号电压为：瞬时中频信号电压为：中频输出有效信号功率：中频输出有效信号功率：其中其中第7页，共48页，编辑于2022年，星期四当当1=2时时称为零差探测。称为零差探测。检测时，检测的是差频信号，它包含了信检测时，检测的是差频信号，它包含了信号的振幅和相位。当使

3、用具有稳定频率和号的振幅和相位。当使用具有稳定频率和相位差的光源（相干光源）时，即可得到相位差的光源（相干光源）时，即可得到稳定的差频输出。稳定的差频输出。第8页，共48页，编辑于2022年，星期四l l光外差检测原理光外差检测原理l l光外差检测特性光外差检测特性l l影响光外差检测灵敏度的因素影响光外差检测灵敏度的因素l l光外差检测系统举例光外差检测系统举例第9页，共48页，编辑于2022年，星期四1、转换增益、转换增益转换增益定义为：转换增益定义为：6.2 光外差探测特性光外差探测特性 光外差检测中频输出有效信号功率为光外差检测中频输出有效信号功率为 直接检测探测器输出的电功率为直接检

4、测探测器输出的电功率为 所以有：所以有：第10页，共48页，编辑于2022年，星期四2、光谱滤波性能、光谱滤波性能取差频信号宽度为信息处理器的通频带取差频信号宽度为信息处理器的通频带 外差检测系统相当于一个低通滤波器，可外差检测系统相当于一个低通滤波器，可以有效的抑制噪声。以有效的抑制噪声。例如，目例如，目标标沿光束方向的运沿光束方向的运动动速度速度v015ms，对对于于10.6m的的CO2激光，激光，经经目目标标反射后回波的反射后回波的多卜勒多卜勒频频率率fS为为 第11页，共48页，编辑于2022年，星期四频差为：频差为：若直接探若直接探测测加光加光谱滤谱滤光片，光片，滤滤光片光片带宽带宽

5、若若为为10，所，所对应对应的的带宽带宽f2为为第12页，共48页，编辑于2022年，星期四带宽之比为：带宽之比为：3、外差检测信噪比、外差检测信噪比设存在背景光波设存在背景光波fB(t)，其功率为，其功率为PB。则。则探测器的探测器的输出电流为：输出电流为：输出信噪比为输出信噪比为第13页，共48页，编辑于2022年，星期四4、最小可探测功率、最小可探测功率内部增益为内部增益为G的光外差探测器的输出有的光外差探测器的输出有效信号功率为效信号功率为:光光导导探探测测器器G01000；对对于光伏探于光伏探测测器器G1；对对于光于光电电倍增管倍增管G在在106以上。以上。噪声噪声:第14页，共48

6、页，编辑于2022年，星期四功率信噪比为功率信噪比为:当本征功率当本征功率PL足足够够大大时时 光外差探测的量子探测极限或量子噪声限。光外差探测的量子探测极限或量子噪声限。第15页，共48页，编辑于2022年，星期四当热噪声是主要噪声源时，量子噪声限探当热噪声是主要噪声源时，量子噪声限探测的条件为：测的条件为：即即最小可探测功率最小可探测功率 当当=1，f=1时时 单光子计数单光子计数第16页，共48页，编辑于2022年，星期四5、光外差探测系统对探测器性能的要求、光外差探测系统对探测器性能的要求系统性能主要取决于探测器的性能。系统性能主要取决于探测器的性能。1响应频带宽响应频带宽被测两动态范

7、围宽，使得要求探测器的响应被测两动态范围宽，使得要求探测器的响应范围也相当宽。范围也相当宽。2均匀性好均匀性好探测器的光电性能在整个光敏面上都能保持探测器的光电性能在整个光敏面上都能保持一致。一致。3工作温度高工作温度高实用性考虑。实用性考虑。第17页，共48页，编辑于2022年，星期四l l光外差检测原理光外差检测原理l l光外差检测特性光外差检测特性l l影响光外差检测灵敏度的因素影响光外差检测灵敏度的因素l l光外差检测系统举例光外差检测系统举例第18页，共48页，编辑于2022年，星期四1、空间相位条件（空间调准）、空间相位条件（空间调准）由于信号光束与本振光束方向不严格一致导由于信号

8、光束与本振光束方向不严格一致导致。致。6.3 影响光外差检测灵敏度的因素影响光外差检测灵敏度的因素第19页，共48页，编辑于2022年，星期四信号光束：信号光束：本振光束：本振光束：本振光束随本振光束随x分布的相位差：分布的相位差：其中其中 且射率且射率n=1 第20页，共48页，编辑于2022年，星期四本振光波：本振光波：x点的响应电流为：点的响应电流为：光敏面总响应电流为：光敏面总响应电流为：Ad为探测器的面积，为探测器的面积，l为为x方向的长度。方向的长度。第21页，共48页，编辑于2022年，星期四当当时，中频电流时，中频电流i最大最大 即即 外差探测的空间相位条件：外差探测的空间相位

9、条件：或或 又又或或 有：有：第22页，共48页，编辑于2022年，星期四要形成强的差频信号，对信号光束和本振要形成强的差频信号，对信号光束和本振光束的空间准直要求很严格。如此以来，光束的空间准直要求很严格。如此以来，使得背景光噪声被滤掉。使得背景光噪声被滤掉。外差探测在具有外差探测在具有很好的空间滤波性能很好的空间滤波性能。同时，也增加了系。同时，也增加了系统测量的难度。统测量的难度。解决办法：采用聚焦透镜降低空间准直要解决办法：采用聚焦透镜降低空间准直要求。求。第23页，共48页，编辑于2022年，星期四本质上相当于把不同传播方向的信号光本质上相当于把不同传播方向的信号光束集中在一起。失配

10、角可由系统的视场束集中在一起。失配角可由系统的视场角来决定。角来决定。f是透是透镜镜的焦距，的焦距，Dp是探是探测测器光敏面直径器光敏面直径 有效孔径有效孔径为为Deff为为：第24页，共48页，编辑于2022年，星期四衍射衍射线线光斑直径光斑直径Dd为为：故故解得：解得：第25页，共48页，编辑于2022年，星期四2、多模外差接收、多模外差接收实际光源是多模激光，将使光外差探测的信实际光源是多模激光，将使光外差探测的信噪比下降。噪比下降。1）只考虑本振光为多模）只考虑本振光为多模假设假设信号光波信号光波为单为单模，其光波模，其光波场场函数函数为为fs(t)=Ascost；本振光波本振光波场为

11、场为多模，多模，设设共有个共有个ML模，且各模模，且各模的振幅相等的振幅相等为为AL,能量（功率）均匀地分布在能量（功率）均匀地分布在ML个模内。个模内。对信号场有贡献的只有第对信号场有贡献的只有第j个模个模而所有模对噪声都有贡献而所有模对噪声都有贡献因此，信噪比因此，信噪比为单为单模外差信噪比的模外差信噪比的1/ML倍。倍。第26页，共48页，编辑于2022年，星期四2）信号光和本振光通为多模）信号光和本振光通为多模信号光有信号光有MS个模；本振光有个模；本振光有ML个模个模且能量均分。且能量均分。若若ML MS在在ML MS,时时，本振模，本振模带带来的噪声大，信噪比下降。来的噪声大，信噪

12、比下降。第27页，共48页，编辑于2022年，星期四当当ML=MS时时，SNRp最大最大3、大气湍流、大气湍流对对外差探外差探测测的影响的影响大气湍流是一种随机大气湍流是一种随机现现象，即反映在空象，即反映在空间变间变量上，量上，又反映在又反映在时间变时间变量上。表量上。表现为现为空空间间各点的光波相位各点的光波相位随机随机变变化，因而使相干面化，因而使相干面积积大大减小，破坏空大大减小，破坏空间间相相位条件，使外差接收功率降低，信噪比下降。位条件，使外差接收功率降低，信噪比下降。第28页，共48页，编辑于2022年，星期四4、频率条件、频率条件频率条件主要表现为单色性。频率条件主要表现为单色

13、性。光外差探测是两束光波迭加后产生干涉的结光外差探测是两束光波迭加后产生干涉的结果。光的单色性就越好，干涉信号越强。果。光的单色性就越好，干涉信号越强。若信号光和本振光的频率相对漂移很大，两若信号光和本振光的频率相对漂移很大，两者频率之差就有可能大大超过中频滤波器带者频率之差就有可能大大超过中频滤波器带宽，则光混频器之后的前置放大和中频放大宽，则光混频器之后的前置放大和中频放大电路对中频信号不能正常地加以放大。电路对中频信号不能正常地加以放大。需采用频措施。需采用频措施。F-P腔稳频、锁模稳频、饱和吸收稳频等腔稳频、锁模稳频、饱和吸收稳频等第29页，共48页，编辑于2022年，星期四1、干涉测

14、量技术、干涉测量技术应用光的干涉效应进行测量的方法称为干涉应用光的干涉效应进行测量的方法称为干涉测量技术。测量技术。干涉测量系统主要由光源、干涉系统、信号干涉测量系统主要由光源、干涉系统、信号接收系统和信号处理系统组成。接收系统和信号处理系统组成。优点：测量精度高（以波长为单位）优点：测量精度高（以波长为单位）6.4 光外差探测系统举例光外差探测系统举例第30页，共48页，编辑于2022年，星期四干涉测量基本原理：改变干涉仪中传输干涉测量基本原理：改变干涉仪中传输光的光程而引起对光的相位调制，从而光的光程而引起对光的相位调制，从而表现为光强的调制。测量干涉条纹的变表现为光强的调制。测量干涉条纹

15、的变化即可得到被测参量的信息。化即可得到被测参量的信息。干涉条纹是由于干涉场上光程差相同的干涉条纹是由于干涉场上光程差相同的场点的轨迹形成。场点的轨迹形成。可进行长度、角度、平面度、折射率、可进行长度、角度、平面度、折射率、气体或液体含量、光学元件面形、光学气体或液体含量、光学元件面形、光学系统像差、光学材料内部缺陷等几何量系统像差、光学材料内部缺陷等几何量和物理量的测量。和物理量的测量。第31页，共48页，编辑于2022年，星期四1）激光干涉测长的基本原理激光干涉测长的基本原理系统组成：系统组成：(a)激光光源激光光源(b)干涉系统干涉系统(c)光电显微镜光电显微镜(d)干涉信号处理部分干涉

16、信号处理部分位移位移 第32页，共48页，编辑于2022年，星期四2）激光干涉测长仪的光路设置）激光干涉测长仪的光路设置1.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9分束镜10.角锥反射棱镜 11.透镜 12.光阑 13.光电探测器 14.透镜 15.光阑 16.光电探测器第33页，共48页，编辑于2022年，星期四干涉光路的设置干涉光路的设置第34页，共48页，编辑于2022年，星期四3）干涉信号的方向判别与计数）干涉信号的方向判别与计数误差原因：外界干扰因素的影响，使测量误差原因：外界干扰因素的影响，使测量镜在正向移动过程中产生一些偶然

17、的反向镜在正向移动过程中产生一些偶然的反向移动。单纯计数，测量结果是正反移动的移动。单纯计数，测量结果是正反移动的总和。总和。解决方法：判别计数。当测量镜正向移动解决方法：判别计数。当测量镜正向移动时所产生的脉冲为加脉冲；反之为减脉冲时所产生的脉冲为加脉冲；反之为减脉冲。第35页，共48页，编辑于2022年，星期四判向计数：判向计数：正向移动：正向移动：第36页，共48页，编辑于2022年，星期四正向：正向：1324同理可得同理可得反向：反向：1423位移长度为：位移长度为：第37页，共48页，编辑于2022年，星期四2、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

18、CO2激光器做激光器做光源，光光源，光发发射系射系统统及接收系及接收系统统两大部分两大部分组组成。成。发射系统：发射系统：第38页，共48页，编辑于2022年，星期四稳频原理稳频原理:发射波长增加，光通量亦增，输出电压发射波长增加，光通量亦增，输出电压增大，压电陶瓷使腔长缩短，发射频率增大，压电陶瓷使腔长缩短，发射频率提高，波长减短；反之，则波长加长提高，波长减短；反之，则波长加长 滤光片的滤光曲线滤光片的滤光曲线 第39页，共48页，编辑于2022年，星期四接收系统接收系统:第40页，共48页，编辑于2022年，星期四3、多卜勒测速、多卜勒测速1）多卜勒测速原理）多卜勒测速原理 He-Ne激

19、光器是经稳频后的单模激光，焦点激光器是经稳频后的单模激光，焦点处光强分布为高斯分布。处光强分布为高斯分布。第41页，共48页，编辑于2022年，星期四焦点处干涉场条纹分布：焦点处干涉场条纹分布：干涉条纹间距为：干涉条纹间距为：第42页，共48页，编辑于2022年，星期四干涉条纹的空间频率为：干涉条纹的空间频率为：当散射粒子以速度当散射粒子以速度v，与条纹，与条纹垂线夹角为垂线夹角为 方向通过时，则方向通过时，则颗粒散射的光强频率为：颗粒散射的光强频率为：第43页，共48页，编辑于2022年，星期四2）输出波形分析）输出波形分析一个粒子流过，且粒子直径比一个粒子流过，且粒子直径比干涉条纹宽度小很

20、多时干涉条纹宽度小很多时 若粒子直径比干涉条纹宽度大时若粒子直径比干涉条纹宽度大时 一个粒子的随机信号一个粒子的随机信号 10个粒子的随机信号个粒子的随机信号 第44页，共48页，编辑于2022年，星期四3)速度信号的获取速度信号的获取两种测流速方法：一频谱分析法、频率跟踪两种测流速方法：一频谱分析法、频率跟踪法。法。频谱分析法频谱分析法 第45页，共48页，编辑于2022年，星期四光电倍增管输出信号经滤波后为：光电倍增管输出信号经滤波后为：本地振荡器产生的振荡信号为：本地振荡器产生的振荡信号为：外差振荡信号：外差振荡信号：差频信号分量为：差频信号分量为：第46页，共48页，编辑于2022年，

21、星期四对对中中频频放大器放大器,当差当差频频信号的信号的频频率率fL-fs等等于于f0时时，中，中频频放大器有放大器有较较大的差大的差频频信号信号输输出。出。改改变变fL进进行行扫扫描，当描，当扫扫描描电压为电压为适当适当频频率率时时，使，使fL-fsf0，中，中频频放大器放大器输输出一个出一个较较大的信号。从曲大的信号。从曲线线中可得到使差中可得到使差频频等于等于中中频频f。的。的fL值值，fL和和f0都是已知都是已知,就可求出就可求出信号信号频频率率fS。频谱分析法只能测得流速的平均速度。频谱分析法只能测得流速的平均速度。第47页，共48页，编辑于2022年，星期四频率跟踪法：频率跟踪法：混混频频器器差差频频中中频频放大放大鉴频鉴频器器误误差差电压电压压压控振控振荡荡器改器改变变fL第48页，共48页，编辑于2022年，星期四