相干光电检测系统.pptx

会计学相干检测就是利用光的相干性对光载波所携带的信息进行检测和处理，它只有采用相干性好的激光器作为光源才能实现。所以从理论上讲，相干检测能准确检测到光波振幅、频率和相位所携带的信息。但由于光波的频率很高，迄今为止的任何光电探测器都还不能直接感受光波本身的振幅、相位、频率及偏振的变化，而只能探测光的强度（注）。因此，光的这些特征参量最终都须转换为光强的变化进行探测。而这种转换就必须通过干涉测量技术。1光学干涉和干涉测量以双光束干涉为例，设两相干平面波的振动E1(x,y)和E2(x,y)分别为：①当两束频率相同的光（即单频光）相干时，有，
即，此时，

干涉条纹不随时间变化，呈稳定的空间分布。随着相位差的变化，干涉条纹强度的变化表现为有偏置的正弦分布。可以看出，干涉条纹的强度信息和被测量的相关参数相对应，对干涉条纹进行计数或对条纹形状进行分析处理，可以得到相应的被测信息。②当两束光的频率不同，干涉条纹将以的角频率随时
间波动，形成光学拍频信号，也叫外差干涉信号。如果两
束光的频率相差较大，超过光电检测器件的频响范围，将
观察不到干涉条纹。在两束光的频率相差不大(较小)
的情况下，采用光电检测器件可以探测到干涉条纹信号，
并且可以通过电信号处理直接测量拍频信号的频差及相位
等参数，从而能以极高的灵敏度测量出相干光束本本身的
特征参量，形成外差检测技术。实际上，干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，而相位差又取决于光传输介质的折射率n对光的传播距离ds的线积分，即

对于均匀介质，上式可简化为：
对上式中的变量L和n作全微分可得到相位变化量2干涉测量技术中的调制和解调二基本干涉系统及应用1、典型的双光束干涉系统3、光纤干涉仪三同频率相干信号的相位调制与检测方法1相位调制与检测的原理2干涉条纹的检测方法①干涉条纹光强检测法单频光相干时，合成信号的瞬时光强为：②干涉条纹比较法条纹比较法波长测量
原理图
1－半透半反镜
2，3－圆锥角反射镜③干涉条纹跟踪法如下图所示，表示了利用这种原理（干涉条纹跟踪法）测量微小位移的干涉测量装置。这种方法能避免干涉测量的非线性影响，并且不需要精确的相位测量装置。但是跟踪系统的固有惯性限制了测量的快速性，因此只能测量10kHz以下的位移变化。第五章相干检测方法与系统四、光外差检测方法与系统1、光外差检测原理设信号光、本振光电场分别为：光电探测器输出的光电流为：当L=S时，瞬时中频电流为：2、光外差检测特性②光外差检测转换增益高③良好的滤波性能为了形成外差信号，要求信号光与本振光空间方向严格对准，
而背景光入射方向是杂乱的，偏振方向不确定，不能满足空间
调准要求，不能形成有效的外差信号，因此，外差检测能够滤除
背景光，有较强的空间滤波能力。④信噪比损失小⑤最小可检测功率因此，功率信噪比为：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。⑥光外差检测系统对检测器性能的要求第五章相干检测方法与系统3、光外差检测条件①光外差检测的空间条件式中，是信号光波矢在x方向的分量。由上图可知，，所以有,式中c为光速。于是信号光电场可重写为：光探测器输出的瞬时光电流为：因为Vx=c/sinθ,所以瞬时中频电流的大小与失配角θ有关。因子

时，瞬时中频电流达到最大值，即要求，也就是失配角θ＝0。
但是实际中θ角很难调整到零。为了得到尽可能大的中频输出，总是希望因子

尽可能接近于1，要满足这一条件，只有，因此显然，失配角与信号光波波长成正比，与光混频器的尺寸成反比，即波长越长，光电探测器尺寸越小，则所容许的失配角就越大。
由此可见，光外差探测的空间准直要求十分苛刻。波长越短，空间准直要求也越苛刻。所以在红外波段光外差探测比可见光波段有利得多。

外差检测在空间上能很好的抑制背景噪声，具有很好的空间滤波性能，但外差检测要求严格的空间条件也带来了不便，即调准两个光束很困难。

举例:λL=10.6μm，检测器光敏面0.2cm，求θ多大？可见：要形成强的差频信号，对信号光束和本振光束的空间准直要求很严格。如此以来，使得背景光噪声被滤掉。外差探测具有很好的空间滤波性能。同时，也增加了系统测量的难度。
解决办法：采用聚焦透镜降低空间准直要求。（本质上是把不同传播方向的信号光集中在一起）本质上相当于把不同传播方向的信号光束集中在一起。失配角可由系统的视场角θr来决定。图中，本振光束被发散，以便使本振光束均匀的覆盖光检测器的光敏面。系统的视场角θr为：故②光外差检测的频率条件③大气湍流对外差探测的影响五光电直接检测系统举例干涉测量基本原理：改变干涉仪