光電檢測技術與應用-7光電檢測系統(tǒng)

1、光電檢測系統(tǒng)光電檢測系統(tǒng)主講：張廣遠光電檢測系統(tǒng)光電檢測系統(tǒng)主要內(nèi)容：光電直接檢測系統(tǒng)光外差檢測系統(tǒng)典型的光電檢測系統(tǒng)典型的光電檢測系統(tǒng) 直接檢測系統(tǒng)（光強調(diào)直接檢測系統(tǒng)（光強調(diào)制）制） 莫爾條紋測長儀莫爾條紋測長儀 激光測距儀激光測距儀 激光準直激光準直 環(huán)境污染檢測系統(tǒng)環(huán)境污染檢測系統(tǒng) 光外差檢測系統(tǒng)光外差檢測系統(tǒng) 激光干涉測長儀（相位調(diào)激光干涉測長儀（相位調(diào)制）制） 多普勒測速（頻率調(diào)制）多普勒測速（頻率調(diào)制） 光外差通信光外差通信光電檢測系統(tǒng)分類光電檢測系統(tǒng)分類 主動系統(tǒng)主動系統(tǒng)/被動系統(tǒng)被動系統(tǒng)(按信息光源分按信息光源分) 紅外系統(tǒng)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)可見光系統(tǒng)(按光源波長分按光源波

2、長分) 點探測點探測/面探測系統(tǒng)面探測系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分按接受系統(tǒng)分) 模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號處理方按調(diào)制和信號處理方式分式分) 直接檢測系統(tǒng)直接檢測系統(tǒng)/光外差檢測系統(tǒng)光外差檢測系統(tǒng)(按光波按光波對信號的攜帶方式分對信號的攜帶方式分)光外差檢測直接檢測光電檢測系統(tǒng)相干檢測，光源：相干光源原理：利用光的振幅、頻率、相位攜帶信息， 檢測時需要用光波相干原理。調(diào)制方法：光振幅調(diào)制、相位調(diào)制，頻率調(diào)制測量精度（靈敏度）更高，作用距離更遠。非相干檢測，光源：非相干或相干光源原理：利用光強度攜帶信息，將光強度轉換為 電信號，解調(diào)電路檢出信息。調(diào)制方法：光強度調(diào)制、偏振調(diào)制直接檢

3、測是一種簡單實用的方法。1 光電直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理光電直接檢測系統(tǒng)是將待光信號直接入射到光檢測器光敏面上，光檢測器響應光輻射強度（幅度）并輸出相應的電流和電壓。檢測系統(tǒng)經(jīng)光學天線或直接由檢測器接收光信號，前端還可經(jīng)過頻率濾波和空間濾波等處理。強度調(diào)制直接檢測模型光源強度調(diào)制器光學天線光學通道接收天線及光電檢測器光電信號處理器信號發(fā)射機背景噪聲場接收機電路噪聲回收的信息假定入射光信號電場為： tAtEscos光場平均光功率為： 22_2AtEPss表示 _2tEs tEs2的時間平均值；光檢測器輸出電流為： 2_22AhetEhePIsss稱為光電變換比例常數(shù)he1 光電直接檢測系統(tǒng)的基

4、本工作原理光檢測器的平方律特性：光電流正比于光電場振幅的平方，電輸出功率正比于入射光功率的平方。若光檢測器負載電阻RL，則光檢測器輸出電功率為：LsLsoRPheRIP222如果入射光是調(diào)幅波，即 ttdAtEscos1其中d(t)為調(diào)制信號，可推導出光檢測器的輸出電流為: tdAAis2221式中第一項為直流項，若光檢測器輸出端有隔直電容，則輸出光電流只包含第二項，稱為包絡檢測。1 光電直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理2 光電直接檢測系統(tǒng)的基本特性2.1 直接檢測系統(tǒng)的信噪比衡量模擬系統(tǒng)好壞及靈敏度光檢測器輸出的總功率包括信號電功率和噪聲功率，可表示為：22nsLnooPPRhePP考慮到信號和噪

5、聲的獨立性，有：22sLoPRheP222nnsLnoPPPRheP由信噪比定義，輸出功率信噪比為：nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222說明輸出信噪比是輸入信噪比的平方，可見，直接檢測系統(tǒng)不適用于輸入信噪比小于1或微弱光信號的檢測。輸出信噪比是輸入信噪比的一半。即經(jīng)過光電轉換，信噪比損失了3dB。實際應用中可以接受?？梢姡苯訖z測方法不能改善輸入信噪比，適宜不是很微弱的光信號檢測。但這種方法簡單，易于實現(xiàn)，可靠性高，成本低，得到廣泛應用。(1)若1nsPP，則有：2nspPPSNR(2) 若1nsPP，則有

6、：nspPPSNR21在數(shù)字式光電系統(tǒng)中，噪聲對系統(tǒng)的影響常使用“誤碼率”來衡量。誤碼率仍然與信噪比有關。信噪比高，誤碼率低。由噪聲的概率分布規(guī)律考慮“概率問題”來衡量?？紤]直接檢測系統(tǒng)中存在的所有噪聲，則輸出噪聲總功率為：LNTNDNBNSnoRiiiiP_2_2_2_2_2_2_2,NDNBNSiii和分別為信號光、背景光和暗電流引起的散粒噪聲。_2NTi為負載電阻和放大器的熱噪聲之和。5-12_2_2_2_222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR輸出信噪比為：5-13_2_2_2_222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR 當熱噪聲是直接檢測系統(tǒng) 的主要噪聲

7、源時，直接檢測系統(tǒng)受熱噪聲限制，信噪比為：LspRfkTPheSNR422熱 當散粒噪聲遠大于熱噪聲時，直接檢測系統(tǒng)受散粒噪聲限 制，信噪比為：_2_2_222NDNBNSsp散iiiPheSNR 當背景噪聲是直接檢測系統(tǒng)的主要噪聲源時，直接檢測系統(tǒng) 受背景噪聲限制，信噪比為：BsBspPfhPPhefePheSNR22222背假定光波長=0.7m，檢測器的量子效率=1，測量帶寬f=1，由上式得到系統(tǒng)在量子極限下的最小可檢測功率為WP18min10 當入射信號光波所引起的噪聲為直接檢測系統(tǒng)的主要噪聲源時，直接檢測系統(tǒng)受信號噪聲限制，這時信噪比為：fhPSNRsp2信該式為直流檢測在理論上的極限

8、信噪比，稱為直接檢測系統(tǒng)的量子極限，又稱量子限靈敏度。若用等效噪聲功率NEP值表示，在量子極限下，直接檢測系統(tǒng)理論上可測量的最小功率為：fhNEP2量在實際直接檢測系統(tǒng)中，很難達到量子極限檢測。實際系統(tǒng)總會有背景噪聲、檢測器和放大器的熱噪聲。背景限信噪比可以在激光檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)，是因為激光光譜窄，加濾光片很容易消除背景光，實現(xiàn)背景限信噪比。系統(tǒng)趨近于量子極限意味著信噪比的改善，可行方法是在光電檢測過程中利用光檢測器的內(nèi)增益獲得光電倍增，如光電倍增管。當倍增很大時，熱噪聲可忽略，同時加致冷、屏蔽等措施減小暗電流及背景噪聲，光電倍增管可達到散粒噪聲限。在特殊條件下可趨近于量子限。但倍增管也會帶入噪

9、聲，增益過程中使噪聲增加。在直接檢測中，光電倍增管、雪崩管的檢測能力較高，采用有內(nèi)部高增益的檢測器可使直接檢測系統(tǒng)趨近于檢測極限。對于光電導器件，主要噪聲為產(chǎn)生復合噪聲（極限散粒噪聲），光電導器件極限信噪比低，噪聲等效功率NEP較大。直接檢測系統(tǒng)視場角Du fd檢測器物鏡視場角表示系統(tǒng)能檢測到的空間范圍，是檢測系統(tǒng)的性能指標之一。對于檢測系統(tǒng)，被測物看作是在無窮遠處，且物方與像方介質(zhì)相同。當檢測器位于焦平面上時，其半視場角為：或視場角立體角為：2fAd從觀察角度講，希望視場角愈大愈好，即大檢測器面積或減小光學系統(tǒng)的焦距，但對檢測器會帶來不利影響： 增加檢測器面積意味著增大系統(tǒng)噪聲。因為對大多數(shù)

10、檢測器，噪聲功率和面積的平方根成正比。 減小焦距使系統(tǒng)的相對孔徑加大，引入系統(tǒng)背景輻射噪聲，使系統(tǒng)靈敏方式下降。因此在系統(tǒng)設計時，在檢測到信號的基礎上盡可能減小系統(tǒng)視場角。fd25-19I 0I0O1頻帶寬度f是光電檢測系統(tǒng)的重要指標之一。檢測系統(tǒng)要求f應保存原有信號的調(diào)制信息，并使系統(tǒng)達到最大輸出功率信噪比。系統(tǒng)按傳遞信號能力，可有以下幾種方法確定系統(tǒng)頻帶寬度。以脈沖激光波形為例.對于輸入信號為矩形波時，通過不同帶通濾波器的波形的分析，可知，要使系統(tǒng)可以復現(xiàn)輸入信號波形，要求系統(tǒng)帶寬f：在輸入信號為調(diào)幅波時，一般情況下取頻帶寬度為其包絡（邊頻）頻率的2倍。如果是調(diào)頻波，則要求濾波器加寬頻帶寬

11、度，保證有足夠的邊頻分量通過系統(tǒng)。04f等效矩形帶寬：頻譜曲線下降3dB的帶寬包含90%能量的帶寬0106. 00262. 0f0389. 0f光電檢測系統(tǒng)的靈敏度在不同的用途時，靈敏度的表達形式不同，在對地測距、搜索和跟蹤等系統(tǒng)中，通常用“檢測距離”來評價系統(tǒng)的靈敏度。對于其他系統(tǒng)的靈敏度亦可用距離方程推演出來。直接檢測系統(tǒng)分為被動檢測和主動檢測系統(tǒng)，其距離方程不同。下面分別進行推導。光源強度調(diào)制器光學天線光學通道接收天線及光電檢測器光電信號處理器信號發(fā)射機背景噪聲場接收機電路噪聲回收的信息3.1 被動檢測系統(tǒng)的距離方程被動檢測過程示意圖大氣傳播eEeP接收光學系統(tǒng)信號處理接收機接收信息光電

12、檢測LsV被測目標eI光譜輻射強度L傳播距離大氣光譜透過率1VR光譜響應度00A入射孔徑面積光譜透過率設被測目標的光譜輻射強度為eI經(jīng)大氣傳播后到達接收光學系統(tǒng)表面的光譜輻射照度 為：eE21LIEee的距離為目標到光電檢測系統(tǒng)內(nèi)的大氣光譜透過率；為被測距離LL1入射到檢測器上的光譜功率 為：eP002100ALIAEPeee透過率為接收光學系統(tǒng)的光譜孔徑面積為接收光學系統(tǒng)的入射10A根據(jù)目標輻射強度最大的波段范圍及所選取檢測器光譜響應范圍共同決定選取的12的輻射波段，可得到檢測器的輸出信號電壓為：21210120dRILAdRPVVeVes為檢測器的光譜響應度VR3.1 被動檢測系統(tǒng)的距離方

13、程210120dRILAVVes 都是波長的復雜函數(shù)，難有確切的解析表達式。通常作如下簡化處理：VeR、I和01式中 取1為被測距離L在光譜響應范圍內(nèi)的平均透過率1。 光學系統(tǒng)的透過率0對光譜響應范圍內(nèi)平均值。 把檢測器的光譜響應帶看成是一個矩形帶寬。即在響應范圍內(nèi)為 常數(shù)RV，在其它區(qū)域為零。根據(jù)物體的溫度T查表，可計算出在考查波段范圍內(nèi)的黑體輻射強度， 再乘以物體的平均比輻射率，可得到物體在光譜響應范圍內(nèi)的輻射強度Ie。將上述值代入1式，可得：令檢測器的方均根噪聲電壓為Vn，則它的輸出信噪比為：210120dRILVAVVVenns13.1 被動檢測系統(tǒng)的距離方程VennsRILVAVV0

14、120210120dRILVAVVVenns即：21010nsVVnVeVRIAL2又因為：fADVRdnV*將上式代入2，可得：21*010fADIALdVVens5-26式中Ad為檢測器面積；f為系統(tǒng)的帶寬；D*為檢測器的歸一化檢測度；AoIe=P0是入射到接收光學系統(tǒng)的平均功率?？紤]到系統(tǒng)的調(diào)制特性，入射到探測器上的有效功率為： dSP210S()為調(diào)制信號的功率譜為清楚地看出系統(tǒng)各部件對檢測距離的影響，把調(diào)制特性考慮為對入射功率的利用系數(shù)km，則上式改寫為： 21212121*001nsmdeVVfkADAIL5-27第一個括號是目標輻射特性及大氣透過率對檢測距離的影響；第二個括號和第

15、三個括號表示光學系統(tǒng)及檢測器件特性對作用距離的影響；第四個括號是信息處理系統(tǒng)對作用距離的影響。大氣傳播 Lk傳播距離衰減系數(shù)2LSLL后光斑面積經(jīng)距離 eE eIrSa反射系數(shù)反射面積 P dP接收光學系統(tǒng)信號處理接收機回收信息0立體角接收口徑 D 02透過率光電檢測強度調(diào)制器發(fā)射光學系統(tǒng)光源信號發(fā)射機 sPmk 01 TP反射目標LsV3.2 主動檢測距離方程主動檢測過程示意圖 主動檢測系統(tǒng)的光源主要為激光光源。令其發(fā)射功率為Ps()；發(fā)射束發(fā)散立體角為；發(fā)射光學系統(tǒng)透過率為01()，經(jīng)調(diào)制的光能利用率為km，則發(fā)射機發(fā)射的功率PT()為： mskP01TP 激光在大氣中傳播時，能量若為按指

16、數(shù)規(guī)律衰減，令衰減系數(shù)為k()，經(jīng)傳播距離L后光斑面積為SL=L2，光斑SL的輻射照度Ee為： LkTLkLTeLPeSP2eE 設在距光源L處有一目標，其反射面積為Sa。普通情況下把反射體看作是朗伯反射，即在半球內(nèi)均勻反射，其反射系數(shù)為r。在此條件下，單位立體角的反射光輻射強度Ie() 為： LkaLeaerSLPErS2e1I3.2 主動檢測距離方程假定接收機和發(fā)射機在一處，反射光經(jīng)大氣傳輸?shù)浇邮掌鞯倪^程仍遵守指數(shù)規(guī)律衰減，衰減系數(shù)仍為k()，則接收功率為： LkaTerSLDP2420e4IP式中，D0為光學系統(tǒng)接收口徑；=D02/4L2為接收系統(tǒng)的立體角。如果接收光學系統(tǒng)的透過率為02

17、()，則檢測器上接收到的總功率為： LkamseLDkSkP242002d4PP式中: rk0201檢測器上的輸出電壓為： VLkamsVReLDkSkPR2420ds4PV式中：RV()為檢測器相對光譜響應度，將式RV()代入上式得距離L為： VLkamsVReLDkSkPR2420ds4PV 412*204LLkdnsamsefAVVDDkSkP如果目標反射面積Sa等于光斑照射面積L2，則上式可化為： 212*204LLkdnsmsefAVVDkDkP可知，影響檢測距離的因素很多，發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)的大氣特性以及目標反射特性都將影響檢測距離。 在前面計算距離時，在被動檢測系統(tǒng)中，由于光譜范

18、圍寬，大氣衰減作用以透過率表示，而在主動檢測系統(tǒng)中，絕大多數(shù)系統(tǒng)是以激光做光源，激光光譜較窄，用衰減系數(shù)表示，其物理意義是等價的。fADVRdnV*莫爾條紋測長儀計量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。光敏元件可以是光敏二極管，也可以是光電池。透射式光柵一般是用光學玻璃或不銹鋼做基體，在其上均勻地刻劃出間距、寬度相等的條紋，形成連續(xù)的透光區(qū)和不透光區(qū)。在檢測技術中常用的是計量光柵。計量光柵主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象，常用于位移測量，有很高的分辨力，可優(yōu)于0.1m。 黑白光柵 計量光柵由標尺光柵（主光柵）和指示光柵組成，標尺光柵和指示光柵的刻線寬度和

19、間距完全一樣。將指示光柵與標尺光柵疊合在一起，兩者之間保持很小的間隙（0.05mm或0.1mm）。在長光柵中標尺光柵固定不動，而指示光柵安裝在運動部件上，所以兩者之間可以形成相對運動。 在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊和在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角，光柵節(jié)距為P。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。這種亮帶和暗帶形成明暗相間的條紋稱為莫爾條紋.莫爾條紋是周期性函數(shù)。 莫爾條紋光柵原理 構成： 主光柵-標尺光柵，定光柵指示光柵-動光柵橫向莫爾條紋特征當指示光柵沿x軸（例如水平方向）自左向右

20、移動時，莫爾條紋的亮帶和暗帶將順序自下而上不斷地掠過光敏元件（在演示中就是我們的眼睛）。光敏元件“觀察”到莫爾條紋的光強變化近似于正弦波變化。光柵移動一個柵距P，光強變化一個周期。由于光柵的刻線非常細微，很難分辨到底移動了多少個柵距，而利用莫爾條紋具有放大作用，當光柵移動了一個節(jié)距時P，莫爾條紋移動了一個寬度B。且滿足關系式： sinPB莫爾條紋有如下特征： 1）平均效應：莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線不均勻引起的誤差。 2）對應關系：當指示光柵沿與柵線垂直的方向作相對移動時，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動（兩者的運動方向相互垂直

21、）；指示光柵反向移動，莫爾條紋亦反向移動。在圖中，當指示光柵向右移動時，莫爾條紋向上運動。 3）放大作用：莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距，它隨著指示光柵與主光柵刻線夾角而改變。越小，B越大，相當于把微小的柵距P擴大了 倍。由此可見，計量光柵起到光學放大器的作用。sin/ 1莫爾條紋的應用莫爾條紋測長儀分長光柵和圓光柵兩種，光刻密度相同，通常為25，50，100，250條/mm。被廣泛地應用于： 光柵數(shù)顯表光柵傳感器在位置控制中的應用軸環(huán)式數(shù)顯表1.機械測長和數(shù)控機床中。 代表性產(chǎn)品： 德國Heidenhain（海德漢）：封閉式：量程3000mm，分辨力0.1 m開放式：量程1440mm，分辨

22、力0.01m開放式：量程270mm 分辨力1nm英國Renishaw（雷尼紹）： 量程：任意分辨力： 0.1 m 0.01 m中國長春光機所： 量 程：1000mm 分辨力：0.01 m5 光外差檢測的基本原理 利用光波的振幅、頻率、相位攜帶信息，而不是光強。 兩束相干光入射到探測器表面進行混頻，形成相干光場,又稱相干檢測。只有激光才能進行相干檢測。 輸出信號中包含 的差頻信號,因此稱光外差檢測 輸出的中頻功率正比于信號光和本振光功率的乘積。Lsff LLscRPPSP22 光探測器的輸出包含有信號光的全部信息：振幅、頻率和相位等； 轉換效率高，檢測靈敏度高（比直接檢測高數(shù)量級），對微弱信號的

23、探測有利（盡管信號光功率小，但是本振光功率大） 良好的濾波性能 信噪比損失小 檢測靈敏度高 檢測距離遠 對探測器的要求比直接檢測高5 光外差檢測的特性光外差檢測的空間和頻率條件 空間條件空間條件：:兩束光的夾角，l=d：檢測器光敏面線度波長越短或口徑越大，要求相位差角越小，越難滿足要求 頻率條件頻率條件：要求信號光和本振光具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定性。如何獲得單頻光和穩(wěn)頻光？lLsin信號光與本振光并非平行而成一夾角光外差檢測系統(tǒng)光外差檢測與直接檢測系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)點：測量精度高7-8個數(shù)量級；靈敏度達到量子噪聲極限，其NEP值可達10-20W?？捎糜诠庾佑嫈?shù)。激光受大氣湍流效應影響嚴重，

24、破壞了激光的相干性，所在外差檢測在大氣中應用受限，在外層空間已經(jīng)達到實用階段。外差檢測在高頻（1016Hz）光波時不如直接檢測有用。而在長波長（近紅外和中紅外波段），光外差檢測技術就可實現(xiàn)接近量子噪聲限的檢測。放大器探測器sf信號光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測原理示意圖分光鏡可變光闌光頻混直接檢測系統(tǒng)中，檢測器檢測的光功率為平均光功率Pcp：2cos2122202AttdAPcp顯然光波直接檢測只能測量其振幅值。光外差檢測原理如圖，兩束平行的相干光，經(jīng)分光鏡和可變光闌入射到檢測器表面進行混頻，形成相干光場，經(jīng)檢測器變換后，輸出信號包含差頻信號，故又稱相干檢測。6.1 光外差檢測原理轉鏡反

25、射鏡可變光闌線柵偏振器光電檢測器放大器輸出激光器2COsfLfLsff 分光鏡外差檢測實驗裝置圖如圖，光源經(jīng)過穩(wěn)頻的二氧化碳激光器，由分束鏡把入射光分成兩路：一路經(jīng)反射作為本振光波，頻率為fL，另一路經(jīng)偏心輪反射，經(jīng)聚焦到可變光闌上作為信號光束。偏心輪轉動相當于目標沿光波方向并有一運動速度，光的回波產(chǎn)生多普勒頻移，其頻率為fs?？勺児怅@用來限制兩光束射向光電檢測器的空間方向，線柵偏振鏡用來使兩束光變?yōu)槠穹较蛳嗤南喔晒?，然后兩束光垂直投射到檢測器上。首先設入射到檢測器上的信號光場和本機振蕩光場分別為： sssstAtfcos LLLLtAtfcos LLLssstAtAtfcoscos那么，

26、入射到檢測器上的總光場為：光檢測器的響應與光電場的平方成正比，所以光檢測器的光電流為： _22_22_2_2coscoscoscossLsLLssLsLLsLLLsssLsptAAtAAtAtAtftftfti式中第一、二項為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1/2。第三項為和頻項，頻率太高，光混頻器不響應，可略去，第四項為差頻項，頻率低得多，當差頻信號(L-s)/2=C/2低于光檢測器的上限截止頻率時，檢測器就有頻率為C/2的光電流輸出。如果把信號的測量限制在差頻的通常范圍內(nèi)，則可以得到通過以C為中心頻率的帶通濾波器的瞬時中頻電流為： sLsLLsCtAAticos中頻濾波器輸出端，瞬時中頻信號電壓

27、為： sLsLLLsLCCtRAARtitVcos中頻輸出有效信號功率就是瞬時中頻功率在中頻周期內(nèi)的平均值，即：LLsLCCRPPheRVP2_22當L-s=0，即信號光頻率等于本振光頻率時，則瞬時中頻電流為： sLLsCAAticos這是外差探測的一種特殊形式，稱為零差探測。6.2 光外差檢測特性6.2.1 6.2.1 光外差檢測可獲得全部信息光外差檢測可獲得全部信息 sLsLLsCtAAticos外差檢測不僅可檢測振幅和強度調(diào)制的光信號，還可檢測頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號。在直接檢測系統(tǒng)是不可能的。6.2.2 光外差檢測轉換增益光外差檢測轉換增益G高高光外差檢測中頻輸出有效信號功率為：LL

28、sCRPPheP22在直接檢測中，檢測器輸出電功率為：LsRPheP220兩種方法得到的信號功率比G為：sLCPPPPG20可知，在微弱光信號下，外差檢測更有用。6.2.4 6.2.4 信噪比損失小信噪比損失小6.2.3 6.2.3 良好的濾波性能良好的濾波性能光外差檢測中，取信號處理器通頻帶為光外差檢測中，取信號處理器通頻帶為f=ff=fL L-f-fs s，則只有此頻帶內(nèi)，則只有此頻帶內(nèi)的雜光可進入系統(tǒng)，對系統(tǒng)造成影響，而其它的雜光噪聲被濾掉。的雜光可進入系統(tǒng)，對系統(tǒng)造成影響，而其它的雜光噪聲被濾掉。因此外差檢測系統(tǒng)不需濾光片，其效果也遠優(yōu)于直接檢測系統(tǒng)。因此外差檢測系統(tǒng)不需濾光片，其效果

29、也遠優(yōu)于直接檢測系統(tǒng)。例：目標沿光束方向運動速度例：目標沿光束方向運動速度=0-15m/s=0-15m/s，對于，對于10.6um COCO2 2激光信號激光信號 多普勒頻率多普勒頻率f fs s為：為：cffLs21通頻帶通頻帶f f1 1取為：取為：MHzcccffffLLLs3221而直接檢測加光譜濾光片時，設濾光片帶寬為而直接檢測加光譜濾光片時，設濾光片帶寬為1nm1nm，所對應的帶寬，所對應的帶寬，即通頻帶即通頻帶f f2 2=3000MHz=3000MHz?？梢?，外差檢測對背景光有強抑制作用?？梢?，外差檢測對背景光有強抑制作用。 另：速度越快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。另：速度越

30、快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。當不考慮檢測器本身噪聲影響，只包含輸入背景噪聲的情況下，外當不考慮檢測器本身噪聲影響，只包含輸入背景噪聲的情況下，外差檢測器的差檢測器的輸入信輸入信噪噪比等于輸出信噪比比等于輸出信噪比，輸出信噪比沒有損失。，輸出信噪比沒有損失。6.2.5 6.2.5 最小可檢測功率最小可檢測功率內(nèi)增益型光電檢測器件內(nèi)增益型光電檢測器件當本征功率當本征功率P PL L足夠大時，本征散粒噪聲遠超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋鹤銐虼髸r，本征散粒噪聲遠超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋簝?nèi)部增益為內(nèi)部增益為M M的光外差檢測器輸出有效信號功率為：的光外差檢測器輸出有效信號功率為：LLsCRPP

31、MheP22檢測系統(tǒng)中檢測器本身的檢測系統(tǒng)中檢測器本身的散粒噪聲和熱噪聲散粒噪聲和熱噪聲是影響最大，難以是影響最大，難以消除的。則外差檢測輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為：消除的。則外差檢測輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為：fkTfRIPPPheeMPLdLBsn422功率信噪比為：功率信噪比為：fkTfRIPPPheeMRPPMheSNRLdLBsLLsp222fhPSNRsp這就是光外差檢測系統(tǒng)中所能達到的最大信噪比這就是光外差檢測系統(tǒng)中所能達到的最大信噪比極限，一般稱為光外差檢測的極限，一般稱為光外差檢測的量子檢測極限量子檢測極限或或量子噪聲限量子噪聲限。引入引入最小可檢測功率（等效噪聲功率）最

32、小可檢測功率（等效噪聲功率）NEP表示，在表示，在量子檢測量子檢測極限下，光外差檢測的極限下，光外差檢測的NEP值為：值為：fhNEPPs最小在光電直接檢測系統(tǒng)的量子極限為：在光電直接檢測系統(tǒng)的量子極限為：fhNEP2這里面需要說明的是：直接檢測量子限是在理想光檢測器的這里面需要說明的是：直接檢測量子限是在理想光檢測器的理想條件下得到，實際中無法實現(xiàn)量子極限的。而對于光外理想條件下得到，實際中無法實現(xiàn)量子極限的。而對于光外差檢測，利用差檢測，利用足夠的本振光足夠的本振光是容易實現(xiàn)的。是容易實現(xiàn)的?？傊?，總之，檢測靈敏度高檢測靈敏度高是光外差檢測的突出優(yōu)點。是光外差檢測的突出優(yōu)點。6.2.5 6

33、.2.5 最小可檢測功率最小可檢測功率內(nèi)增益型光電檢測器件內(nèi)增益型光電檢測器件時的信號功率即1SNR為克服由信號光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的轉換為克服由信號光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的轉換增益，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聲，本振功是有利的。但本振光本身也引起散粒噪聲，本振功率越大，噪聲也越大，使檢測系統(tǒng)信噪比反而降低。因此，應合理選擇本率越大，噪聲也越大，使檢測系統(tǒng)信噪比反而降低。因此，應合理選擇本振光功率，以便得到振光功率，以便得到最佳信噪比和較大的中頻轉換增益最佳信噪比和較大的中頻轉換增益。fhPSNRsp6.2.6

34、 6.2.6 光外差檢測系統(tǒng)對檢測器性能的要求光外差檢測系統(tǒng)對檢測器性能的要求外差檢測系統(tǒng)對檢測器要求一般比直接檢測對檢測器的要外差檢測系統(tǒng)對檢測器要求一般比直接檢測對檢測器的要求高得多，主要如下：求高得多，主要如下：響應頻帶寬響應頻帶寬。主要是因為采用多普勒頻移特性進行目標檢。主要是因為采用多普勒頻移特性進行目標檢測時，頻移的變化范圍寬，要求檢測器的響應范圍要寬，甚至測時，頻移的變化范圍寬，要求檢測器的響應范圍要寬，甚至達上千兆達上千兆HzHz。均勻性好均勻性好。外差檢測中檢測器即為混頻器，在檢測器光敏。外差檢測中檢測器即為混頻器，在檢測器光敏面上信號光束和本振蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號，為

35、達到在面上信號光束和本振蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號，為達到在光敏面不同區(qū)域相同的外差效果，要求檢測器的光電性能在整光敏面不同區(qū)域相同的外差效果，要求檢測器的光電性能在整光敏面上都是一致。特別是跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測器。光敏面上都是一致。特別是跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測器。1.1. 工作溫度高工作溫度高。在實驗室工作時，工作溫度無嚴格要求。如。在實驗室工作時，工作溫度無嚴格要求。如果在室外或空間應用時，要求選工作溫度高的檢測器。如果在室外或空間應用時，要求選工作溫度高的檢測器。如HgCdTeHgCdTe紅外檢測器件。紅外檢測器件。(P140 (P140 表表6-2)6-2)6.3 影響光外差檢測

36、靈敏度的因素6.3.1 6.3.1 光外差檢測的空間條件（空間調(diào)準）光外差檢測的空間條件（空間調(diào)準）放大器探測器sf信號光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測原理示意圖分光鏡可變光闌光頻混 sLsLLsCtAAticos 信號光和本振光的信號光和本振光的波前波前在光檢測器光在光檢測器光敏面上保持敏面上保持相同的相位關系相同的相位關系，才得式：，才得式： 實質(zhì)上，由于光的波長比光檢測器面積實質(zhì)上，由于光的波長比光檢測器面積小很多，混頻作用是在一個個小面積元上產(chǎn)小很多，混頻作用是在一個個小面積元上產(chǎn)生的，即總的中頻電流是每個小微分面元所生的，即總的中頻電流是每個小微分面元所產(chǎn)生的微分電流之和，顯然要

37、使中頻電流達到最大，這些微分中產(chǎn)生的微分電流之和，顯然要使中頻電流達到最大，這些微分中頻電流要保持恒定的相位關系。即要求信號光和本振光的頻電流要保持恒定的相位關系。即要求信號光和本振光的波前是波前是重合重合的。即是說必須保持信號光和本振光在的。即是說必須保持信號光和本振光在空間空間上的上的角準直角準直。 下面就考慮一下信號光與本振光皆為平面波時，波前不重合下面就考慮一下信號光與本振光皆為平面波時，波前不重合時對光外差檢測的影響。時對光外差檢測的影響。 設信號光束和本振光束之間夾角為設信號光束和本振光束之間夾角為，且信號光束的波陣面，且信號光束的波陣面平行于光敏面時，如圖。平行于光敏面時，如圖。

38、xz信號本振檢測器l設信號光束和本振光束的光場為：設信號光束和本振光束的光場為： LLsstjLLtjsseAtfeAtf,那么本振光束到達光敏面時，在不那么本振光束到達光敏面時，在不同點同點x處有不同的波前，即不同的處有不同的波前，即不同的相位差相位差 。相位差等于光程差和。相位差等于光程差和波數(shù)之積。即：波數(shù)之積。即：xxLsin2式中，式中，sin2L，并認為折射率，并認為折射率n=1。于是本振光波可表示為：于是本振光波可表示為： xtjAtfLLLLexp則檢測器上則檢測器上x點的響應電流為點的響應電流為dxxtAAdiLscLscos則整個光敏面總響應電流為則整個光敏面總響應電流為2

39、2sincoscosllLscLsALscLstAAdxxtAAid12sin2ll從式中可知，當從式中可知，當 時，時，即即 時，中頻電流時，中頻電流i最大。最大。22sinll即可得外差檢測的即可得外差檢測的空間相位條件空間相位條件為：為：lLsin即：即：lLarcsin顯然：波長愈短或口徑愈大，要求相位差角顯然：波長愈短或口徑愈大，要求相位差角愈小，愈難滿足外愈小，愈難滿足外差檢測的要求。差檢測的要求。說明紅外光比可見光更易實現(xiàn)光外差檢測。說明紅外光比可見光更易實現(xiàn)光外差檢測。例：本振光波長為例：本振光波長為1微米，檢測器光敏面長度為微米，檢測器光敏面長度為1mm，則，則0.32mra

40、d（0.018度）。度）。實驗證實，穩(wěn)頻的實驗證實，穩(wěn)頻的CO2激光器做外差檢測實驗，當激光器做外差檢測實驗，當2.6mrad時時，才能看到清晰的差頻信號。，才能看到清晰的差頻信號。這個角度也被稱為失配角。這個角度也被稱為失配角。放大器探測器sf信號光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測原理示意圖分光鏡可變光闌光頻混如圖，要形成強的差頻信號如圖，要形成強的差頻信號，必須使信號光束和本振光，必須使信號光束和本振光束在空間準直得很好。束在空間準直得很好。背景雜散光來自各個方向，背景雜散光來自各個方向，絕大部分的背景光不與本振絕大部分的背景光不與本振光準直，即不產(chǎn)生明顯的差光準直，即不產(chǎn)生明顯的差頻信

41、號。頻信號。因此外差檢測在空間上能很好地抑制背景噪聲。具有很好因此外差檢測在空間上能很好地抑制背景噪聲。具有很好的的空間濾波性能空間濾波性能。但是嚴格的空間條件也使調(diào)準兩光束比但是嚴格的空間條件也使調(diào)準兩光束比較困難。較困難。問：問：“如果兩光束是平行的，但與光檢測器呈一定角度時，如果兩光束是平行的，但與光檢測器呈一定角度時，對中頻電流有沒有影響對中頻電流有沒有影響”？dD斑直徑衍射限光pD敏面直徑探測器光本振光束rD直徑會聚透鏡信號光束r解決方法解決方法；如圖結構稱為如圖結構稱為聚焦光束聚焦光束外差結構外差結構，即用聚焦透，即用聚焦透鏡降低空間準直要求。鏡降低空間準直要求。這種結構本質(zhì)上相當

42、于這種結構本質(zhì)上相當于把不同傳播方向的信號把不同傳播方向的信號光束集中在一起。光束集中在一起。 理論分析證明，如果用聚焦透鏡聚焦到衍理論分析證明，如果用聚焦透鏡聚焦到衍射限，這時的失配角可由系統(tǒng)的視場角射限，這時的失配角可由系統(tǒng)的視場角r來決定。來決定。經(jīng)過推導，失配角經(jīng)過推導，失配角r與透鏡，光敏面參數(shù)有如下關系：與透鏡，光敏面參數(shù)有如下關系：rdpDDD44. 2例：波長為例：波長為1um，l為為0.1mm（檢測器直徑），由上知失配角（檢測器直徑），由上知失配角0.32mrad，如，如采用會聚透鏡，孔徑采用會聚透鏡，孔徑Dr=10cm(在光外差檢測系統(tǒng)中，作為接收天線的會聚透在光外差檢測系

43、統(tǒng)中，作為接收天線的會聚透鏡，這個孔具有代表性）。取焦距鏡，這個孔具有代表性）。取焦距f=100cm，可求得視場角，可求得視場角r=1mrad。6.3.2 6.3.2 光外差檢測的頻率條件光外差檢測的頻率條件為獲得靈敏度高的光外差檢測，要求信號光和本振光具有高為獲得靈敏度高的光外差檢測，要求信號光和本振光具有高度的度的單色性和頻率穩(wěn)定性單色性和頻率穩(wěn)定性。光外差檢測的物理光學的本質(zhì)是光外差檢測的物理光學的本質(zhì)是兩束光波疊加后產(chǎn)生干涉的兩束光波疊加后產(chǎn)生干涉的結果結果。這種干涉取決于信號光和本振光束的單色性。因此為。這種干涉取決于信號光和本振光束的單色性。因此為獲得單色性好的激光輸出，必須選用獲

44、得單色性好的激光輸出，必須選用單縱模運轉的激光器單縱模運轉的激光器作作為光外差檢測光源。為光外差檢測光源。信號光和本振光存在著信號光和本振光存在著頻率漂移頻率漂移，使光外差檢測系統(tǒng)的性能，使光外差檢測系統(tǒng)的性能變壞。是因為頻率差太大可能超過中頻濾波帶寬，中頻信號變壞。是因為頻率差太大可能超過中頻濾波帶寬，中頻信號不能正常放大。因此在光外差檢測中，需要采用專門措施穩(wěn)不能正常放大。因此在光外差檢測中，需要采用專門措施穩(wěn)定信號光和本振光的頻率。定信號光和本振光的頻率。1、激光光源：He-Ne氣體激光器，頻寬達103Hz，相干長度可達300km(相干長度如何定義)2、干涉系統(tǒng)：邁克爾遜干涉原理，位移-

45、測量臂；3、光電顯微鏡：給出起始位置。實現(xiàn)對對測長度或位移的精密瞄準，使干涉儀的干涉信號處理部分和被測量之間實現(xiàn)同步。4、干涉信號處理部分：光電控制、信號放大、判向、細分及可逆計數(shù)和顯示記錄等。6.4 6.4 光外差檢測系統(tǒng)舉例光外差檢測系統(tǒng)舉例6.4.1 6.4.1 激光干涉測長儀激光干涉測長儀如圖，主要有幾部分組成：激光器NeHe光電計數(shù)器顯示記錄裝置邁克爾遜干涉儀可移動平臺待測物體光電顯微鏡光束光束激光束BS測量光束2和參考光束1相互疊加干涉形成干涉信號。其明暗變化次數(shù)直接對應于測量鏡的位移，可表示為：2 NLL2M1M光束光束激光器器數(shù)計逆可234567891011121314151611、激光器；2、透鏡；3、小孔光闌；4、透鏡；5、反射鏡；6、反射棱鏡；7、位相板；8、角錐反射棱鏡；9、分束鏡；10、角錐反射棱鏡；11、透鏡；12、光闌；13、光電檢測器；14、透鏡；15、光闌；16、光電檢測器光闌3形成一種空間濾波器，減小光源中雜散光的影響。到達角錐反射棱鏡10的作為干涉儀的參考臂。而角錐反射棱鏡8作為測量臂。光學元件7稱為位相板，使通過光路的部分光束產(chǎn)生附加位相移動，使光電檢測器13