第六章光外差檢測系統(tǒng)第一次課

第六章光外差檢測系統(tǒng)光電檢測系統(tǒng)的功能分類(知識補(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。運動量：速度、加速度、振動表面形狀：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)牛頓——微粒說根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對反射和折射做了解釋不能解釋較為復(fù)雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振波動理論惠更斯、楊氏和費涅耳等解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波光的基本性質(zhì)光量子說1900年普朗克在研究黑體輻射時，提出輻射的量子論1905年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時提出光量子的概念光子的能量與光的頻率成正比光具有波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Φe：單位時間內(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，是輻射能的時間變化率。單位：瓦［Ｗ］輻射強(qiáng)度Ｉe：點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Ｍe

：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Ｌe

：輻射表面定向發(fā)射的輻射強(qiáng)度。單位：［W/m2．Sr］光譜輻射通量Φe（λ）：輻射通量的光譜密度，即單位波長間隔內(nèi)的輻射通量?；据椛涠攘康拿Q、符號和定義方程名稱符號定義方程單位符號輻射能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Ｉ瓦特／球面度Wsr-1輻射亮度Ｌ

瓦特／球面度平方米Wm-2sr-1輻射出射度Ｍ瓦特／平方米Wm-2輻射照度Ｅ瓦特／平方米Wm-2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基本單位之一。光通量Φv：光強(qiáng)度為1cd的均勻點光源在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50—500lx陰天室內(nèi)5—50lx月光（滿月）2500lx日光燈5000lx電視機(jī)熒光屏100lx閱讀書刊時所需的照度50~60lx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：測量精度高7-8個數(shù)量級；靈敏度達(dá)到量子噪聲極限，其NEP值可達(dá)10-20W。可用于光子計數(shù)。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)到實用階段。外差檢測在高頻（υ≥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(shù)就可實現(xiàn)接近量子噪聲限的檢測。光外差檢測原理示意圖直接檢測系統(tǒng)中，檢測器檢測的光功率為平均光功率Pcp：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(zhuǎn)動相當(dāng)于目標(biāo)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光場和本機(jī)振蕩光場分別為：ν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：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(yīng)，可略去，第四項為差頻項，頻率低得多，當(dāng)差頻信號(ωL-ωs)/2π=ωC/2π低于光檢測器的上限截止頻率時，檢測器就有頻率為ωC/2π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ωC為中心頻率的帶通濾波器的瞬時中頻電流為：中頻濾波器輸出端，瞬時中頻信號電壓為：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：當(dāng)ωL-ωs=0，即信號光頻率等于本振光頻率時，則瞬時中頻電流為：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光外差檢測可獲得全部信息外差檢測不僅可檢測振幅和強(qiáng)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(zhuǎn)換增益G高光外差檢測中頻輸出有效信號功率為：在直接檢測中，檢測器輸出電功率為：兩種方法得到的信號功率比G為：可知，在微弱光信號下，外差檢測更有用。6.2.4信噪比損失小6.2.3良好的濾波性能光外差檢測中，取信號處理器通頻帶為Δf=fL-fs，則只有此頻帶內(nèi)的雜光可進(jìn)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(yuǎn)優(yōu)于直接檢測系統(tǒng)。例：目標(biāo)沿光束方向運動速度υ=0-15m/s，對于CO2激光信號，多普勒頻率fs為：通頻帶Δf1取為：而直接檢測加光譜濾光片時，設(shè)濾光片帶寬為1nm，所對應(yīng)的帶寬，即通頻帶Δf2=3000MHz?？梢?，外差檢測對背景光有強(qiáng)抑制作用。

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，外差檢測器的輸出信噪比等于輸出信噪比，輸出信噪比沒有損失。6.2.5最小可檢測功率—內(nèi)增益型光電檢測器件當(dāng)本征功率PL足夠大時，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M的光外差檢測器輸出有效信號功率為：檢測系統(tǒng)中檢測器本身的散粒噪聲和熱噪聲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：功率信噪比為：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量子檢測極限或量子噪聲限。引入最小可檢測功率（等效噪聲功率）NEP表示，在量子檢測極限下，光外差檢測的NEP值為：在光電直接檢測系統(tǒng)的量子極限為：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。而對于光外差檢測，利用足夠的本振光是容易實現(xiàn)的?？傊?，檢測靈敏度高是光外差檢測的突出優(yōu)點。6.2.5最小可檢測功率—內(nèi)增益型光電檢測器件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(zhuǎn)換增益，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)合理選擇本振光功率，以便得到最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益。6.2.6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求高得多，主要如下：響應(yīng)頻帶寬。主要是因為采用多普勒頻移特性進(jìn)行目標(biāo)檢測時，頻移的變化范圍寬，要求檢測器的響應(yīng)范圍