第六章 光外差檢測系統(tǒng)第一次課

1、第六章第六章 光外差檢測系統(tǒng)光外差檢測系統(tǒng)光電檢測系統(tǒng)的功能分類(知識(shí)補(bǔ)充) 測量檢查型: 幾何量:長度、角度、形狀、位置、形變、面積、體積、距離。 運(yùn)動(dòng)量：速度、加速度、振動(dòng) 表面形狀：光潔度、庇病、傷痕 工作過程：濕度、流量、壓力、物位、PH值、濃度等 機(jī)械量：重量、壓力、應(yīng)變、壓強(qiáng) 電學(xué)量：電流、電壓、電場、磁場 光學(xué)量：吸收、反射、透射、光度、色度、波長、光譜 控制跟蹤型 跟蹤控制：激光制導(dǎo)，紅外制導(dǎo) 數(shù)值控制：自動(dòng)定位，圖形加工形成，數(shù)值控制 圖象分析型 圖形檢測 圖形分析光的基本性質(zhì)光的基本性質(zhì) 牛頓牛頓微粒說微粒說 根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對(duì)反射和折射做了解釋根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對(duì)反

2、射和折射做了解釋 不能解釋較為復(fù)雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振不能解釋較為復(fù)雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振 波動(dòng)理論波動(dòng)理論 惠更斯、楊氏和費(fèi)涅耳等惠更斯、楊氏和費(fèi)涅耳等 解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象 麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波光的基本性質(zhì)光的基本性質(zhì) 光量子說光量子說 1900年普朗克在研究黑體輻射時(shí)，提出輻年普朗克在研究黑體輻射時(shí)，提出輻射的量子論射的量子論 1905年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時(shí)年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時(shí)提出光量子的概念提出光量子的概念 光子的能量與光的頻率成正比光子的能量與光的頻率成正比 光具有波粒二象性光具有波

3、粒二象性輻射度的基本物理量 輻射能Qe ：一種以電磁波的形式發(fā)射、傳播或接受的能量。單位：焦耳J 輻射通量e：單位時(shí)間內(nèi)通過一定面積發(fā)射、傳播或接受的能量，又稱輻射功率Pe，是輻射能的時(shí)間變化率。單位：瓦 輻射強(qiáng)度e：點(diǎn)輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量。單位：W/Sr 輻射度的基本物理量 輻射照度Ee：投射在單位面積上的輻射通量。單位：W/m2 輻射出射度e ：擴(kuò)展輻射源單位面積所輻射的通量（也稱輻射本領(lǐng)）。單位：W/m2 輻射亮度e ：輻射表面定向發(fā)射的輻射強(qiáng)度。單位：W/m2Sr 光譜輻射通量e（）：輻射通量的光譜密度，即單位波長間隔內(nèi)的輻射通量。 基本輻射度量的名稱、符號(hào)和定

4、義方程名稱符號(hào)定義方程單位符號(hào)輻射能Q,焦耳J輻射能密度焦耳立方米Jm-3輻射通量，輻射功率瓦特W輻射強(qiáng)度瓦特球面度Wsr-1輻射亮度 瓦特球面度平方米Wm-2 sr-1輻射出射度瓦特平方米Wm-2輻射照度瓦特平方米Wm-2dvdQw/PwdtdQ /ddI/cos/2dAddLcos/dAdIdAdM/dAdE/光度量的最基本單位 發(fā)光強(qiáng)度Iv：發(fā)出波長為555nm的單色輻射，在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度規(guī)定為1cd。單位：坎德拉（Candela）cd，它是國際單位制中七個(gè)基本單位之一。 光通量v：光強(qiáng)度為1cd的均勻點(diǎn)光源在1sr內(nèi)發(fā)出的光通量。單位：流明lm。 光照度Ev：單位面積所接受的入射

5、光的量 ，單位：勒克斯lx，相當(dāng)于 1平方米面積上接受到1個(gè)流明的光通量。 晴天陽光直射地面照度約為100000lx晴天背陰處照度約為10000lx晴天室內(nèi)北窗附近照度約為2000lx晴天室內(nèi)中央照度約為200lx晴天室內(nèi)角落照度約為20lx陰天室外50500lx陰天室內(nèi)550lx月光（滿月）2500lx日光燈5000lx電視機(jī)熒光屏100lx閱讀書刊時(shí)所需的照度5060lx在40W白熾燈下1m遠(yuǎn)處的照度約為30lx晴朗月夜照度約為0.2lx黑夜0.001lx第六章 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(diǎn)：1.測量精度高7-8個(gè)數(shù)量級(jí)；2.靈敏度達(dá)到量子噪聲極限，其NEP值可

6、達(dá)10-20W。3.可用于光子計(jì)數(shù)。4.激光受大氣湍流效應(yīng)影響嚴(yán)重，破壞了激光的相干性，所在外差檢測在大氣中應(yīng)用受限，在外層空間已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段。5.外差檢測在高頻（1016Hz）光波時(shí)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(shù)就可實(shí)現(xiàn)接近量子噪聲限的檢測。放大器探測器sf信號(hào)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(jìn)行混頻，形成相干光場，經(jīng)檢測器變

7、換后，輸出信號(hào)包含差頻信號(hào)，故又稱相干檢測。6.1 光外差檢測原理轉(zhuǎn)鏡反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(shí)驗(yàn)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(hào)光束。偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于目標(biāo)沿光波方向并有一運(yùn)動(dòng)速度，光的回波產(chǎn)生多普勒頻移，其頻率為fs。可變光闌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南喔晒猓缓髢墒獯怪蓖渡涞綑z測器上。首先設(shè)入射到檢測器上的信號(hào)光場和本機(jī)振蕩光場分別為： sssstAtfc

8、os LLLLtAtfcos LLLssstAtAtfcoscos那么，入射到檢測器上的總光場為：光檢測器的響應(yīng)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(xiàng)為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1/2。第三項(xiàng)為和頻項(xiàng)，頻率太高，光混頻器不響應(yīng)，可略去，第四項(xiàng)為差頻項(xiàng)，頻率低得多，當(dāng)差頻信號(hào)(L-s)/2=C/2低于光檢測器的上限截止頻率時(shí)，檢測器就有頻率為C/2的光電流輸出。如果把信號(hào)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(shí)中頻電

9、流為： sLsLLsCtAAticos中頻濾波器輸出端，瞬時(shí)中頻信號(hào)電壓為： sLsLLLsLCCtRAARtitVcos中頻輸出有效信號(hào)功率就是瞬時(shí)中頻功率在中頻周期內(nèi)的平均值，即：LLsLCCRPPheRVP2_22當(dāng)L-s=0，即信號(hào)光頻率等于本振光頻率時(shí)，則瞬時(shí)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(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可檢測頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)。在直接檢測系統(tǒng)是不可能的。6.2.2 光外差檢

10、測轉(zhuǎn)換增益光外差檢測轉(zhuǎn)換增益G高高光外差檢測中頻輸出有效信號(hào)功率為：LLsCRPPheP22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(hào)功率比G為：sLCPPPPG20可知，在微弱光信號(hào)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(hào)處理器通頻帶為光外差檢測中，取信號(hào)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(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)造成影響，而其它的雜光噪聲被濾掉。的雜光可進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)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

11、需濾光片，其效果也遠(yuǎn)優(yōu)于直接檢測系統(tǒng)。因此外差檢測系統(tǒng)不需濾光片，其效果也遠(yuǎn)優(yōu)于直接檢測系統(tǒng)。例：目標(biāo)沿光束方向運(yùn)動(dòng)速度例：目標(biāo)沿光束方向運(yùn)動(dòng)速度=0-15m/s=0-15m/s，對(duì)于，對(duì)于COCO2 2激光信號(hào)，激光信號(hào)， 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(shí)，設(shè)濾光片帶寬為而直接檢測加光譜濾光片時(shí)，設(shè)濾光片帶寬為1nm1nm，所對(duì)應(yīng)的帶寬，所對(duì)應(yīng)的帶寬，即通頻帶即通頻帶f f2 2=3000MHz=3000MHz。可見，外差檢測對(duì)背景光有強(qiáng)抑制作用?？梢?，外差檢測對(duì)背景光有強(qiáng)抑

12、制作用。 另：速度越快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。另：速度越快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。當(dāng)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(dāng)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出信輸出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(dāng)本征功率當(dāng)本征功率P PL L足夠大時(shí)，本征散粒噪聲遠(yuǎn)超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋鹤銐虼髸r(shí)，本征散粒噪聲遠(yuǎn)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

13、效信號(hào)功率為：的光外差檢測器輸出有效信號(hào)功率為：LLsCRPPMheP22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可難以是影響最大可難以消除的。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(dá)到的最大信噪比這就是光外差檢測系統(tǒng)中所能達(dá)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

14、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(shí)際中無法實(shí)現(xiàn)量子極限的。而對(duì)于光外理想條件下得到，實(shí)際中無法實(shí)現(xiàn)量子極限的。而對(duì)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(shí)現(xiàn)的。是容易實(shí)現(xiàn)的?？傊傊?，檢測靈敏度高檢測靈敏度高

15、是光外差檢測的突出優(yōu)點(diǎn)。是光外差檢測的突出優(yōu)點(diǎn)。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時(shí)的信號(hào)功率即1SNR為克服由信號(hào)光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的轉(zhuǎn)換為克服由信號(hào)光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)換

16、增益最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益。fhPSNRsp6.2.6 6.2.6 光外差檢測系統(tǒng)對(duì)檢測器性能的要求光外差檢測系統(tǒng)對(duì)檢測器性能的要求外差檢測系統(tǒng)對(duì)檢測器要求一般比直接檢測對(duì)檢測器的要外差檢測系統(tǒng)對(duì)檢測器要求一般比直接檢測對(duì)檢測器的要求高得多，主要如下：求高得多，主要如下：1.1. 響應(yīng)頻帶寬響應(yīng)頻帶寬。主要是因?yàn)椴捎枚嗥绽疹l移特性進(jìn)行目標(biāo)檢。主要是因?yàn)椴捎枚嗥绽疹l移特性進(jìn)行目標(biāo)檢測時(shí)，頻移的變化范圍寬，要求檢測器的響應(yīng)范圍要寬，甚至測時(shí)，頻移的變化范圍寬，要求檢測器的響應(yīng)范圍要寬，甚至達(dá)上千兆達(dá)上千兆HzHz。2.2. 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(hào)光束和本振蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號(hào)，為達(dá)到在面上信號(hào)光束和本振