10-光电外差探测技术与系统介绍

第10章光电外差探测技术与系统2016/6/2210.1光外差检测原理10.2光外差检测特性10.3光外差检测使用的光源10.4光外差探测典型系统光外差检测原理直接检测直流量处理及细分困难直流漂移误差光外差检测交流量处理及细分容易克服直流漂移误差光外差检测原理外差检测激光通信干涉测长测角激光雷达测速光外差检测原理光外差检测是将包含有被测信息的相干光调制波和作为基准的本机振荡光波在满足波前匹配的条件下，在光电探测器上进行光学混频（相乘）。由于光电探测器的响应远远低于光波频率，其输出是频率为两光波的差频电信号。振幅频率相位相干检测光外差检测原理灵敏度高输出信噪比高精度高探测目标的作用距离远Vs.非相干检测的直接检测法光外差检测原理两束光在空间任意点P的电分量其中，aM和aL分别表示两光束的振幅，ϕM和ϕL分别表示两光束在P点的相位。则两光束相叠加所得到的光强为：光外差检测原理三角变换光外差检测原理光强的直流部分光频量级（1014Hz）光频量级（1014Hz）交流部分信号振幅为aMaL，频率νM−νL为两束相干光的频率差，也叫拍频光外差检测原理现有的光探测器都无法达到光频的响应速度（通常在1010Hz以下），故光谱分量不对探测器产生影响。故探测器获取的光强信号：该信号为附有直流偏置的余弦交流量，通过带通滤波器后滤去直流量，输出电压为：β可以视为与探测器光电转换和滤波电路响应有关的比例常数光外差检测原理参考信号测量信号如果被测参量能够对这些参量进行调制而使得测量信号携带有待测量信息，则通过检测其相应的变化就可获得被测量的大小参考光频率等于测量光频率时，则所获得的干涉信号频率为零，这是外差检测的一种特殊形式，称为零差检测（Homodynedetection），也是光学干涉仪最常见的形式。2016/6/2210.1光外差检测原理10.2光外差检测特性10.3光外差检测使用的光源10.4光外差探测典型系统光外差检测特性特性可获得相位和频率信息微弱信号探测能力强良好的滤波性能和高信噪比最小可检测功率影响光外差检测灵敏度的因素可获得相位和频率信息外差检测中，由于通过混频将信号带宽从光频“搬移”到了光探测器可以响应的频段，不仅可以获取被测光的振幅信息，还能获取频率和相位信息。因此，在固定的参考信号下，外差检测不但能够处理振幅和强度调制的光信号，还可以处理频率调制的光信号，增加了检测方案的灵活性。微弱信号探测能力强光外差检测输出的有效信号电功率Ph直接光电检测输出的有效信号电功率Pd信号功率比G微弱信号探测能力强本机振荡光功率PL比测量光功率PM大几个数量级是容易达到的，所以外差检测相对于直接测量的增益可以高达107∼108，非常适合用于检测微弱光信号。而在测量光较强的时候，外差检测的优势并不突出。良好的滤波性能和高信噪比光外差检测中通过混频将信号带宽从光频“搬移”到了光探测器可以响应的带宽，有效信号带宽是测量光与本振光的频率之差，较光频低5∼10个数量级电滤波器可以具有非常狭窄的带宽，如锁相放大器可以将带宽控制到1Hz以下，测量光以外的其它波长的光由于无法相干或频差太大而被有效滤除若系统噪声功率谱集中在某个谱段（如低频段），在外差检测中可以方便地通过改变测量光与本振光的频差来避开噪声较高的谱段最小可检测功率内部增益为M的光外差探测器的输出有效信号功率可以表示为外差检测中输出的散粒噪声和热噪声功率表示为散粒噪声热噪声外差检测的功率信噪比表示为：最小可检测功率当本振信号功率PL足够大时外差检测的量子检测极限或量子噪声限。若用等效噪声功率NEP(NoiseEquivalentPower)值表示，在量子检测极限下，光外差检测的等效噪声功率为光外差检测的灵敏度，是光外差检测的理论极限影响光外差检测灵敏度的因素测量光和本振光的偏振态频率稳定度噪声测量光波前和本振光波前的空间调准及场匹配光源的模态传输通道的干扰以及电子噪声光外差检测的空间条件光外差检测的空间条件如果测量光与本振光的传播方向有一个夹角，则在垂直于任何一个光束的截面上，两束光在各个面元上的波相差将导致各面元上的干涉相位是不一致的，用探测器获取到的是这些不同相的干涉信号的平均值，这种情况下就会造成外差信号的对比度降低，从而影响探测的灵敏度。光外差检测的空间条件光外差检测的空间条件入射测量光EM和本振光EL分别表示为：由于信号光是斜入射的，那么在光敏面上不同的位置处的波前是不相同的，即可以认为在光敏面不同位置处的信号光相位是不同的，其相对于x=0处的附加相位Δϕ可以表示为光外差检测的空间条件探测器光敏面x位置处的响应电流为其中α为光电变换比例常数。整个光敏面总响应电流为积分得到β值小即表示测量光与本振光之间的夹角θ要足够小，而l小表明检测器的光敏面要足够小尽量小偏振态对光外差检测灵敏度的影响从干涉的角度出发，只有当两光束具有同一个方向的振动分量时，他们才会发生干涉，若两个偏振光的振动方向是垂直（正交）的，就无法获得干涉信号。在进行外差检测时，偏振光经过光学系统的各种元件（如角锥棱镜、分光镜等）的反射和折射后，其偏振态往往会发生不同的变化，因而导致信号对比度和灵敏度降低。这时需要使用波片、偏振片等器件调整光束的偏振态，以求得到最好的信号灵敏度。光外差检测的频率条件为了获得高灵敏度的光外差检测，还要求测量光和本振光具有高度的单色性和频率稳定度。光源的单色性越好意味着光源的相干长度越长，越容易获得有效干涉信号测量光和本振光的频率漂移必须被限制在一定范围内，否则如果测量光和本振光的频率相对漂移很大，两者频率之差就有可能很大，导致后续滤波器、前置放大和中频放大电路无法正常工作2016/6/2210.1光外差检测原理10.2光外差检测特性10.3光外差检测使用的光源10.4光外差探测典型系统光外差检测使用的光源光学多普勒效应基于塞曼效应的He-Ne激光器双纵模He-Ne激光器声光调制器产生频移光学机械移频光学多普勒效应当光源和探测器之间存在相对运动时，光探测器接收到的光束的频率不再是光源发出的频率。以v表示光源S对观察者P的相对速度，以α表示光源运动方向和光传播方向之间的夹角，按多普勒效应原理，在运动速度远小于光速时，观察者在P点接收到光波的频率f可表示为:利用上述多普勒效应构建的外差测量系统可以有效地测量风速、血液等液体的流速、远距离目标的移动速度。基于塞曼效应的He-Ne激光器塞曼效应Zeemaneffect--当原子被置于弱磁场中时，其能级发生分裂，因而其辐射和吸收谱线也产生相应分裂，一条谱线被几条谱线替代根据He-Ne激光器光辐射方向和外磁场方向的关系，可以构成纵向塞曼激光器和横向塞曼激光器。当所加磁场和光辐射方向一致时，称为纵向塞曼激光器。当所加磁场垂直于光辐射方向时，称为横向塞曼激光器。基于塞曼效应的双频激光器的频差通常取决于所加磁场的大小。纵向塞曼辐射的左、右旋圆偏振光，由于介质的频率牵引效应，产生δ的频差：双纵模He-Ne激光器激光器谐振腔的选频作用可以得到模间隔ΔνL=c/2nL的一系列纵模，选择并控制腔长可以得到较大功率的双纵模。例如选用250mm长的He-Ne激光器，可以得到频差约600MHz的双频激光，以二者光强相等为条件稳频，二频率对称于中心频率，幅值和中心幅值相差不大，可应用于外差检测。这种方式获得的差频信号往往频差较大，不利于光电检测及信号处理。声光调制器产生频移换能器把频率为Ω的超声波转换为介质中应力的周期性变化，因而形成介质折射率的周期性变化。这样可把介质看成连续移动的三维全息光栅，光栅的栅距等于声波的波长，当光波入射于声光栅时，即发生衍射。零级衍射光相对于入射光是没有频移的，而其它各级衍射光将相对于入射光有一定的频移，频移值为施加的超声波频率与衍射级次的乘积。利用这一特点可以使用声光调制器产生两个频率相差不大的光束。利用声光调制器产生频移光学机械移频激光通过匀速旋转的圆光栅或者（垂直于激光入射方向匀速运动的光栅）可以实现频移，频移值为旋转波片也可以实现低频差移频，如线偏振光通过以Ω频率旋转的λ/2波片，就可以得到同轴传播的，频差为4Ω的左、右旋转偏振光。由于频差受机械转速的限制，只能应用在一些特殊的场合。2016/6/2210.1光外差检测原理10.2光外差检测特性10.3光外差检测使用的光源10.4光外差探测典型系统光外差探测典型系统外差干涉测长系统外差干涉测角系统光纤陀螺测角系统相干光通信多普勒测速系统外差干涉测长系统双频激光干涉仪(惠普公司)外差干涉测长系统双频激光器输出频率分别为ν1和ν2两束光，两光束的振幅为a1和a2，初始相位ϕ1和ϕ2位。探测器的响应信号为：该测量系统实际上由两个干涉仪组成，干涉分别发生在两个偏振片上，并分别被探测器Dr和探测器Ds接收。其中Dr探测到的是参考信号，其初始位相固定；而Ds探测到的是测量信号，若角形反射器2不动，此信号与参考信号频率相同(ν1−ν2)，初始位相固定，则计数器1、2所计得的干涉条纹数相同，相减后输出为零。若角形反射器发生移动了Δx，则探测器Ds所探测到的信号的位相部分发生变化：外差干涉测长系统计数器1比计数器2多计了2naΔx/λ个条纹。若折射率和波长已知，通过所计得的条纹数可以精确推算出角形反射器2的位移。也可以认为角形反射器的移动导致了频率的改变，即光学多普勒频移式中Δν=2naΔx/(λt)可以看作角形反射器的移动带来的频移，这样计数器1、2所计信号的频率不一样，同一时间内所计到的条纹数也就不同了，其差值表示了角形反射器的位移。在考虑干涉仪的光路设置时，应系统地考虑到干涉信号的质量，稳定性以及测量精度和对结构的要求等方面，图表示其它几种激光干涉测长的光路布局。外差干涉测角系统双频干涉仪测角原理外差干涉测角系统对比上节所述双频测长干涉仪，可以看出测角干涉仪仅仅作了部分变化若刚体2仅仅沿着图示方向平动（即刚体2没有发生角度变化），两个角形反射器的位移相同，则干涉仪两臂光程差没有发生改变，则计数器1、2所计得的条纹数相同，相减后为零。否则，若刚体在运动过程中发生微小角度偏转θ，则导致两个角形反射器的位移不同，设其差值为Δx；相应地，测量干涉仪的初始位相发生变化，变化量与刚体2的角度偏转量θ有关，反映在两个计数器所计条纹数的差值ΔN上。光纤陀螺测角系统Sagac效应的解释。（a）当环路静止时（b）当环路转动时光纤陀螺测角系统定量地分析，设环路的半径为R，则环路的圆周速度为ωR。顺时针方向传播的光的波前速度与环路速度之和是c-ωR,而反时针传播的光的波前速度与环路速度之和c+ωR。两束光从起点到达终点所需的时间之差是：上述推导虽然以圆环为例，且转动轴为圆环中心。但可以推导，上式适用于任何形状的环路以及任何位置的转动轴。光纤陀螺测角系统从光源发出的光经过分光镜后分为两束，一束沿顺时针传播，另一路沿反时针传播，最后还在分光镜处会合产生干涉，信号由探测器获取.若整个干涉仪没有绕着垂直于环路的轴旋转，Δt为零，则探测器所获取的干涉条纹一直不变。相反，若干涉仪有转动，Δt不为零，这就意味着两束光到达探测器的时间有了差别，干涉仪的两路光程差发生了变化Δp，导致干涉相位产生了移动(亦可认为相位不变，产生了频移)，其值为：典型Sagnac干涉仪上式中相位Δϕ变化可以通过探测器以及后续处理给出，环路面积A也可以测出，已知光速c以及波长λ，则可以求出干涉仪的旋转速度。相干光通信相干光通信的基本工作原理是，在发送端，将信号以调幅、调相或调频的方式调制到光载波上。当信号光传输到达接收端时，首先与一本振光信号进行相干混合，然后由接收机信号完成解调，复原被传递的信息。零差PSK空间光通信系统框图光外差通信光外差通信基本上都是采用CO2激光器做光源。因为CO2激光器的发射波长为10.6,这一波长恰好位于大气窗口之内，衰减系数较小；另外CO2激光波长容易实现外差接收。如图所示为CO2激光外差通信原理框图。它由光发射系统及接收系统两大部分组成。–CO2激光发射系统由光学发射天线、CO2激光器及稳频回路组成。–光学发射天