NEW 第六章光外差检测系统

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第六章 光外差检测系统
光外差检测与直接检测系统相比,具有如下优点:
1.
2.
3.
4.
测量精度高7-8个数量级;
灵敏度达到量子噪声极限,其NEP值可达10-20 W。
可用于光子计数。
激光受大气湍流效应影响严重,破坏了激光的相干性,所
以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。
5. 外差检测在高频(υ≥1016Hz)光波时不如直接检测有
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。
6.1 光外差检测原理
直接检测系统中,检测器检测的光功率为平均光功率Pcp:
2
1 2 2
A
2
Pcp 
A
cos
td t  

2 0
2
显然光波直接检测只能测量其振幅值。
分光镜 可变光阑
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。
信号光束f s
fs  fL
探测器
混
fL
本振
频
光
放大器
光束
光外差检测原理示意图
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。
CO2激光器
分光镜
线栅偏振器
fs  fL
fs
fL
转镜
ν
输出
可变光阑
光电检测器 放大器
反射镜
外差检测实验装置图
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:
f s t   As cosst  s 
f L t   AL cosLt  L 
那么,入射到检测器上的总光场为:
f t   As cosst  s   AL cosLt  L 
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:
_______
2
__________ ___
i p t  f t    f s t  f L t 2
__________ ____
__________ _____

 2
2
2
  As cos s t  s  AL cos2  L t  L 


__________ __________ ______
__________ __________ ____
As AL cos L s t   L  s  As AL cos L s t   L  s 
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(ωL-ωs)/2π=ωC/2π低
于光检测器的上限截止频率时,检测器就有频率为ωC/2π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ωC为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为:
iC t As AL cosL s t  L s 
中频滤波器输出端,瞬时中频信号电压为:
VC t iC t RL As AL RL cosL s t L s 
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:
____
2
VC2
e



PC 
 2
 Ps PL RL
RL
 h 
当ωL-ωs=0,即信号光频率等于本振光频率时,则瞬时中频
电流为:
iC t As AL cos L s 
这是外差探测的一种特殊形式,称为零差探测。
6.2 光外差检测特性
6.2.1 光外差检测可获得全部信息
iC t As AL cosL s t  L s 
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G高
 e 
PC  2
 Ps PL RL
光外差检测中频输出有效信号功率为:
 h 
2
e  2
在直接检测中,检测器输出电功率为: P0  
 Ps RL
 h 
两种方法得到的信号功率比G为:
PC
2 PL
G

P0
Ps
可知,在微弱光信号下,外差检测更有用。
2
6.2.3 良好的滤波性能
光外差检测中,取信号处理器通频带为Δf=fL-fs,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。
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υ=0-15m/s,对于CO2激光信号,
多普勒频率fs为: f s  f L 1 

2 

c 
2
c 2

f

f

f

f

 3MHz
1
s
L
L
通频带Δf1取为:
c L c
而直接检测加光谱滤光片时,设滤光片带宽为1nm,所对应的带宽,
即通频带Δf2=3000MHz。
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。
6.2.4 信噪比损失小
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
差检测器的输出信噪比等于输入信噪比,输出信噪比没有损失。
6.2.5 最小可检测功率—内增益型光电检测器件
内部增益为M的光外差检测器输出有效信号功率为:
 e

PC  2
M  Ps PL RL
 h

2
检测系统中检测器本身的散粒噪声和热噪声是影响最大可难以
消除的。则外差检测输出的散粒噪声和热噪声表示为:
 e
Ps  PB  PL   I d  fRL  4kTf
Pn  2M 2e
 h

 e

M  Ps PL RL

 h


 e
Ps  PB  PL   I d  fRL  2kTf
M 2e
 h

2
功率信噪比为:
SNR p
当本征功率PL足够大时,本征散粒噪声远超过所有其它噪声,则上式变为:
SNR p
Ps

hf
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量子检测极限或
量子噪声限。
6.2.5 最小可检测功率—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
增益,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
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,以便得到最佳信噪比和较大的中频转换增益。
引入最小可检测功率(等效噪声功率)NEP表示,在量子检测
极限下,光外差检测的NEP值为:
Ps
即SNR  1时的信号功率
Ps 最小  NEP 
在光电直接检测系统的量子极限为:
hf
SNRp 
hf

NEP 
2hf

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
差检测,利用足够的本振光是容易实现的。
总之,检测灵敏度高是光外差检测的突出优点。
6.2.6 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
求高得多,主要如下:
1. 响应频带宽。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
达上千兆Hz。
2. 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。特别是跟踪系统的四象限列阵检测器。
3. 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
HgCdTe红外检测器件。
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
对灵敏度的影响及改善方法。其它因素可参阅书籍。
6.3.1 光外差检测的空间条件(空间调准)
信号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,才得式:
iC t As AL cosL s t  L s 
分光镜 可变光阑
信号光束f s
fs  fL
探测器
混
fL
本振
频
光
放大器
光束
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
光外差检测原理示意图
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
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。即是说必须保持信号光和本振光在空间上的角准直。
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
时对光外差检测的影响。
6.3.1 光外差检测的空间条件(空间调准)
设信号光束和本振光束之间夹角为θ,且信号光束的波阵面
平行于光敏面时,如图。
z
本振
设信号光束和本振光束的光场为:
信号
f s t   As e j st s  , f L t   AL e j Lt  L 

那么本振光束到达光敏面时,在不
同点x处有不同的波前,即不同的
x
检测器
相位差  。相位差等于光程差和
l
2

波数之积。即:
 
x sin   x
L
式中,  2 sin  ,并认为折射率n=1。
L
于是本振光波可表示为:f L t   AL exp jLt  L  x
则检测器上x点的响应电流为 di  As AL cosct  s  L   xdx
6.3.1 光外差检测的空间条件(空间调准)

则整个光敏面总响应电流为
2
L
sin 

sin 2l 
i   As AL cosct   s   L   xdx  As AL cosct  s   L  l 
Ad
2 

l
从式中可知,当
sin 
l
2 1
2
时,即sin  l  l 时,中频电流i最大。
2 2
即可得外差检测的空间相位条件为: sin  
L
即:   arcsin
l
L
l
这个角度也被称为失配角。
显然:波长愈短或口径愈大,要求相位差角θ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光外差检测。
例:本振光波长为1微米,检测器光敏面长度为1mm,则
θ<<0.32mrad(0.018度)。
实验证实,稳频的CO2激光器做外差检测实验,当θ<2.6mrad时,
才能看到清晰的差频信号。
分光镜
如图,要形成强的差频信号,
必须使信号光束和本振光束
在空间准直得很好。
背景杂散光来自各个方向,
绝大部分的背景光不与本振
光准直,即不产生明显的差
频信号。
信号光束f s
可变光阑
fs  fL
探测器
混
fL
本振
频
光
放大器
光束
光外差检测原理示意图
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也使调准两光束比
较困难。
解决方法;
会聚透镜
衍射限光
直径Dr
斑直径Dd
如图结构称为聚焦光束
信号光束
r
外差结构,即用聚焦透
探测器光
镜降低空间准直要求。
敏面直径D
这种结构本质上相当于
本振光束
把不同传播方向的信号
光束集中在一起。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θr来决定。
p
经过推导,失配角θr与透镜,光敏面参数有如下关系:
Dp
r=2.44
Dd Dr
例:波长为1um,l为0.1mm(检测器直径),由上知失配角θ<<0.32mrad,如
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,这个孔具有代表性)。取焦距f=100cm,可求得视场角θr=1mrad。
6.3.2 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
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两束光波叠加后产生干涉的
结果。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
为光外差检测光源。
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
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。
6.4 光外差检测系统举例
迈克尔逊干涉仪
6.4.1 激光干涉测长仪
可移动平台
光束1
如图,主要有几部分组成:
BS
He  Ne
1、激光光源:
激光器
He-Ne气体激光器,频宽达103Hz,
相干长度可达300km。
2、干涉系统:迈克尔逊干涉原理,
位移---测量臂;
激光束
光束2
光电计数器
待测物体
光电显微镜
显示记录装置
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。
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:

LN
2
M1
实用的激光干涉测长仪的简化光路
12
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。
13
10
11
9
光束2
M2
8
可
逆
计
数
器
16
15
光束2
14
7
6
L
光学元件7称为位相板, 激光器
5
使通过光路的部分光束
2
3
1
4
产生附加位相移动,使
1、激光器;2、透镜;3、小孔光阑;4、透镜;5、反射镜;6、
光电检测器13和16接收 反射棱镜;7、位相板;8、角锥反射棱镜;9、分束镜;10、
到的干涉信号在位相上 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
相差π/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”的特点。
干涉信号的方向判别与计数原理
sin 
光电接收
干
微分
可
微分
电
长
逆
子
度
计
计
显
微分
1 数
算
微分
2 器
示
器
前置放大
波形变换
倒相
涉
条
纹
光电接收
移相
系统
前置放大
波形变换
倒相
cos 
辨向原理:正向移动时,
四路信号依次相差90度,
1
顺序为1324若反向移动, sin 
接收信号依然相差90度,
但顺序为1423,由后面的
逻辑电路可以判断,进行
辨向处理。
2  sin
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
个计数脉冲代表1/4条纹的变化,则
所测位移长度为:
正向
3 cos 
反向
LN

8
3
机
4
 cos 
4
6.4.2 激光多普勒测速
Laser Doppler Velocimeter
•
激光测速的原理是: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
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优点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
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。
粒子流动
基本光路原理图
光电倍增管
光源
放大屏
分束镜 透镜L1
聚焦透镜L2
多普勒测速原理
信号电源
光源:稳频后的单模激光光源
z
条纹模型
z
y
y
x
y
x
f
i
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
光源
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
波面

i
B
A
B1
 B
2
A2
A1

干涉条纹
等光程平面
观察者
i


1
2 sin  2

2
波面
B
A
测速原理:
i
干涉条纹
B1
 B
2
A2
A1

光源
i
i


等光程平面
1

2 sin  2
观察者

干涉条纹的空间频率(单位长度内条纹明暗对数)为:
1 2 sin  2
f  
i

i
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υ,运动方向与条纹垂线的夹角
为β(如图),则颗粒散射的光强频率为:
2


2
f s  f  v  cos   v sin
cos 


2
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
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信息,反映速度信息的是包
络的频率。
速度信号的获取
频率跟踪法获得瞬时流速
外差信号VLL的差频频率f0
经过中频放大器放大,输出
信号到频率鉴别器。鉴频器
输出特性如图,信号频率偏
离f0时,压控振荡器跟踪信
号频率的瞬时变化。
f0  f L  f s
Vs
混频器
VLL
中频
频率鉴别器
放大器
VL
积分器
压控振荡器
V
 f
f0
O
特点:非接触测量,精度高,用于血流速测量。
f
f
实际LDV的结构简图
V
激光电源
声光调制器
电源
计算机
信号处理器
放大器
光电倍增
管电源

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