光電探測(cè)與信號(hào)處理課件C9 直接探測(cè)與相干探測(cè)

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C9直接探測(cè)與相干探測(cè)光－電信號(hào)變換

光電探測(cè)器光信號(hào)電信號(hào)響應(yīng)平均光功率

直接探測(cè)響應(yīng)光的頻率···

相干探測(cè)

直接探測(cè)（平均光功率）

相干探測(cè)（光的波動(dòng)參數(shù)）

探測(cè)方法的改進(jìn)光－電信號(hào)變換直接探測(cè)和相干探測(cè)1.直接探測(cè)的基本原理2.直接探測(cè)的應(yīng)用舉例直接探測(cè)－－DrirectDetection，又稱(chēng)為非相干探測(cè)裝置簡(jiǎn)單，光源為相干光源或非相干光源，只能探測(cè)平均光功率（光強(qiáng)）一、直接探測(cè)(1)直接探測(cè)基本物理過(guò)程：平方律器件：光波：光功率：人眼和探測(cè)器可以響應(yīng)平均光功率1.直接探測(cè)的基本原理(2)直接探測(cè)系統(tǒng)的信噪比1)信噪比定義：－－電信號(hào)功率和電噪聲功率之比提高系統(tǒng)信噪比的基本途徑：－－光學(xué)方法，如場(chǎng)鏡、光錐、浸沒(méi)透鏡·····

－－－－－《應(yīng)用光學(xué)》－－電學(xué)方法，如濾波、低噪聲放大、弱信號(hào)檢測(cè)·······－－－－－熱力學(xué)方法，制冷降低探測(cè)器噪聲

信噪比是衡量光電探測(cè)系統(tǒng)質(zhì)量好壞的一個(gè)重要指標(biāo)信號(hào)光電流、背景光電流和器件暗電流熱噪聲散粒噪聲2)直接探測(cè)的信噪比極限：以光電二極管為例最理想情況，只有信號(hào)光電流引起的散粒噪聲－－直接探測(cè)的量子極限－直接探測(cè)的量子極限量子極限的另一種表達(dá)是：－直接探測(cè)的噪聲等效功率例：η為1，Δf為1Hz，～2hν，已很接近單個(gè)光子的能量hν。E=

J=3.14×10-19J=1.96eV.

以632.8nm的氦氖激光為例計(jì)算光子能量2.直接探測(cè)的應(yīng)用舉例激光制導(dǎo)、飛行物自動(dòng)跟蹤激光穩(wěn)頻、機(jī)器人視覺(jué)·········幾何量（長(zhǎng)度、位移····）表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕···）光學(xué)參量（吸收、反射···）電磁量（電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)···）··············應(yīng)用于測(cè)量：應(yīng)用于控制：特點(diǎn)：信息加載－－輻通量（光強(qiáng)）幾何量（長(zhǎng)度、位移····）表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕···）光學(xué)參量（吸收、反射···）電磁量（電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)···）··············輻通量（幅度、頻率、相位···）例1.光電磁場(chǎng)測(cè)量磁場(chǎng)－－光通量（幅度）磁場(chǎng)振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)角度光通量幅度例2.光柵莫爾條紋測(cè)位移t精度可達(dá)±0.1μm/m位移－－光通量（頻率）t光電轉(zhuǎn)速表光柵位移傳感器光通量的頻率測(cè)量測(cè)“幅度”與“頻率”方法，測(cè)量精度的比較：基準(zhǔn)精度測(cè)量精度基準(zhǔn)穩(wěn)定方法幅度10-3～10-410-2～10-3模擬量穩(wěn)定電路頻率10-6～10-810-5～10-7晶振，數(shù)字鎖相環(huán)現(xiàn)代光電測(cè)量中常優(yōu)先考慮采用頻率測(cè)量法！

例3.光電測(cè)距發(fā)射光波接收光波距離－－光通量（相位）直接探測(cè)：（非相干探測(cè)）

相干探測(cè)：（光學(xué)外差探測(cè)）裝置簡(jiǎn)單，光源為相干光源或非相干光源，只能探測(cè)光功率（光強(qiáng)）。

裝置復(fù)雜，零差探測(cè)時(shí)光源必須為相干光源，間接探測(cè)光波的振幅、頻率和相位等參數(shù)。二、相干探測(cè)與干涉的區(qū)別？1.相干探測(cè)的基本原理2.相干探測(cè)的條件3.相干探測(cè)的應(yīng)用舉例－－CoherentDetection－－又稱(chēng)為光外差探測(cè)

相干探測(cè)(1)相干探測(cè)的物理過(guò)程原理圖信號(hào)光ωs（異地）參考光ωr（本地）雙頻（不同光波長(zhǎng)）光波：1.相干探測(cè)的基本原理一般情況：在同一方向上傳播、振動(dòng)方向相同、振幅不同、頻率差相差很小的兩束單色光帶通濾波1)合成的光強(qiáng)得到信號(hào)輸出信號(hào)光參考光平方律探測(cè)器光混頻電流信號(hào)為：

經(jīng)帶通濾波選頻平均光電流為幅值的有效值注意參考光ar的作用！

21相速度群速度22頻譜分析類(lèi)似DSB調(diào)制拍頻等于兩光頻差包絡(luò)頻率等于兩光頻差的1/223參考：雙邊帶調(diào)制（DSB）探測(cè)器－－濾波器（中頻輸出）≤1010Hz說(shuō)明：Δω≠0，外差探測(cè)；Δω=0，零差探測(cè)。在采用零差探測(cè)時(shí)，Δω=0，可用同一光源分光，形成信號(hào)光和參考光（本振光）。即25特例：?jiǎn)晤l雙光束干涉（頻差為0）－零差探測(cè)例：1.55μm和1.5501μm雙光束要求頻差極小！混頻器選通放大器觀察儀器高頻示波器頻譜分析儀

外差接收△v，104～1010Hzνsνr無(wú)線(xiàn)電－－外差接收高頻載波本機(jī)振蕩混頻中頻信號(hào)解調(diào)

音頻圖像信息－－光外差探測(cè)光電系統(tǒng)－－相干探測(cè)2)調(diào)制信號(hào)的探測(cè)相干探測(cè)_拍頻信號(hào)的調(diào)制(2)相干探測(cè)的基本特性相干探測(cè)優(yōu)點(diǎn)：（與直接探測(cè)對(duì)比）探測(cè)能力強(qiáng)轉(zhuǎn)換增益高信噪比高濾波性好穩(wěn)定性和可靠性高相干探測(cè)優(yōu)點(diǎn)之一：探測(cè)能力強(qiáng)，可還原信號(hào)光信息直接探測(cè)－－光的強(qiáng)度：as2振幅相位頻率信號(hào)光波的不僅能探測(cè)幅度，還能探測(cè)相位與頻率調(diào)制的信光號(hào)。只要知道參考光的全部信息，就可以恢復(fù)信號(hào)光波的全部信息相干探測(cè)優(yōu)點(diǎn)之二：轉(zhuǎn)換增益高，適合微弱信號(hào)的探測(cè)Φr>>ΦsG~107－108

注意：功率為幅值有效值的平方外差探測(cè)直接探測(cè)相干探測(cè)與直接探測(cè)功率比為：信號(hào)光電流、背景光電流和器件暗電流熱噪聲散粒噪聲僅考慮信號(hào)光電流引起的散粒噪聲：直接探測(cè)的信噪比：相干探測(cè)優(yōu)點(diǎn)之三：信噪比高外差探測(cè)：僅考慮強(qiáng)的本地光引起的散粒噪聲限制，即外差探測(cè)的量子探測(cè)極限相干探測(cè)：直接探測(cè)：僅考慮信號(hào)光引起的散粒噪聲限制相干探測(cè)信噪比高，最小可探測(cè)功率更小(1)相干探測(cè)空間條件(2)相干探測(cè)頻率條件(3)相干探測(cè)偏振條件滿(mǎn)足波前匹配條件：2.相干探測(cè)的條件為什么需要角準(zhǔn)直？探測(cè)器表面各點(diǎn)相位相同時(shí)：探測(cè)器表面各點(diǎn)相位不同時(shí)：輸出電流信號(hào)－－最大輸出電流信號(hào)－－減?。盘?hào)光和本振光在空間上的角準(zhǔn)直（共軸）(1)相干探測(cè)空間條件為什么需要角準(zhǔn)直？探測(cè)器接收面上沿x方向各點(diǎn)的相位不同信號(hào)光和本振光的波前在光混頻器表面上沒(méi)有相同的位相關(guān)系

導(dǎo)致混頻輸出電流信號(hào)減小例：d=1mm，λs＝0.6328μm失配角：例：d=1mm，λs＝10.6μm失配角：定義：中頻輸出比最大值小10%時(shí)的主光線(xiàn)夾角為失配角對(duì)長(zhǎng)波探測(cè)有利空間濾波混頻器選通放大器觀察儀器高頻示波器頻譜分析儀

外差接收△v，104～1010Hz信號(hào)光和本振光的頻率漂移？？？采用高單色性和頻率穩(wěn)定度的激光源兩束光取自同一激光器，由頻偏取得本振光穩(wěn)頻措施：(2)相干探測(cè)頻率條件平方律探測(cè)器光混頻輸出Ihs為：

“代數(shù)和”？信號(hào)光與本振光的偏振方向一致加檢偏器－－獲得偏振方向一致(3)相干探測(cè)偏振條件3.相干探測(cè)的應(yīng)用舉例－－相位調(diào)制（光程差檢測(cè)）－－頻率調(diào)制干涉測(cè)量相干通信精密測(cè)長(zhǎng)、測(cè)距、測(cè)速、測(cè)振動(dòng)、測(cè)力、測(cè)應(yīng)變、光譜分析，······外層空間特別是衛(wèi)星之間通信、光纖通中波分復(fù)用接收解調(diào)，······(2)激光多普勒測(cè)速(3)CO2激光外差通信(1)激光干涉測(cè)量1)單頻激光測(cè)長(zhǎng)

信號(hào)光參考光單頻(1)激光干涉測(cè)量位移ln=11)單頻激光測(cè)長(zhǎng)

例：取n=1,測(cè)量鏡連續(xù)位移時(shí)觀察到探測(cè)器的輸出為：l=?局限性：－－單數(shù)光或單探測(cè)器不能判別移動(dòng)方向1)單頻激光測(cè)長(zhǎng)

光電探測(cè)器4,5相位差參考光信號(hào)光判別移動(dòng)方向：－－“參照物”45激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀的光路設(shè)置1.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.光電探測(cè)器14.透鏡15.光闌16.光電探測(cè)器463）干涉信號(hào)的方向判別與計(jì)數(shù)誤差原因：外界干擾因素的影響，使測(cè)量鏡在正向移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生一些偶然的反向移動(dòng)。單純計(jì)數(shù)，測(cè)量結(jié)果是正反移動(dòng)的總和。解決方法：判別計(jì)數(shù)。當(dāng)測(cè)量鏡正向移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的脈沖為加脈沖；反之為減脈沖。移相＋/2B路A路A1路A2路B1路B2路47判向計(jì)數(shù)：A路B路A1路A2路B1路B2路A1路A2路B1路B2路48正向移動(dòng)：反向移動(dòng)：正向：1324反向：1423位移長(zhǎng)度為：判別移動(dòng)方向：－－“參照物”正反移動(dòng)方向波形

信號(hào)光參考光缺點(diǎn)：空氣的折射率n與當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度、濕度

及氣壓等因素有關(guān)，影響測(cè)量精度2.雙頻激光測(cè)長(zhǎng)

2)雙頻激光測(cè)長(zhǎng)

雙頻激光干涉儀－雙頻激光－檢偏器－濾波片－信號(hào)光－參考光2)雙頻激光測(cè)長(zhǎng)

雙頻（調(diào)制）激光干涉儀光學(xué)差頻信號(hào)雙頻激光測(cè)長(zhǎng)

光學(xué)差頻信號(hào):積分器波數(shù):位移測(cè)量公式：－－位移與空氣的折射率n無(wú)關(guān)?。?！雙頻激光測(cè)長(zhǎng)

雙頻激光干涉儀頻差為1～50MHz，激光穩(wěn)頻精度為10－8時(shí)，測(cè)長(zhǎng)精度0.1μm表面形狀分布二維光強(qiáng)分布亮條紋擴(kuò)束壓電陶瓷：伸長(zhǎng)（縮短）量Δl=kU

－ΔLr

3)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析

物面凹凸不平程度

相位分布基本思路：亮條紋

二維干涉圖樣3)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析表面形狀分布二維光強(qiáng)分布亮條紋動(dòng)態(tài)檢測(cè)：精度λ/100

靜態(tài)檢測(cè)：精度λ/20

二次相位調(diào)制

二次相位調(diào)制的實(shí)現(xiàn)途徑

二次相位調(diào)制

移動(dòng)參考鏡參考鏡干涉圖樣：時(shí)序信號(hào)：tI階梯波掃描時(shí)的干涉圖：i.干涉面上任意一點(diǎn)x的光強(qiáng)分布都可以展開(kāi)為參考光相位φr的時(shí)序調(diào)制，即可將干涉空間圖轉(zhuǎn)換為時(shí)序信號(hào)：ii.被測(cè)光信息的相位φs(x)可由下式計(jì)算得出，并由此確定面形的凹凸程度：一種改進(jìn)的泰曼-格林干涉儀雙頻平面外差干涉測(cè)量系統(tǒng)單頻平面干涉λ/100雙頻平面干涉λ/10003)波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析3.CO2激光外差通信光通信光纖通信大氣光通信半導(dǎo)體激光器強(qiáng)度調(diào)制直接探測(cè)CO2激光器光波頻率或相位調(diào)制相干探測(cè)CO2激光外差通信頻率或者相位調(diào)制相干探測(cè)－－外層空間星際通信光纖通信強(qiáng)度調(diào)制

直接探測(cè)應(yīng)用·······

相干探測(cè)相干探測(cè)可用于光纖通信中波分復(fù)用接收解調(diào)···發(fā)送端接收端λ1λ2···λn強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制···復(fù)用相干接收···