第十二章. 相干探测

由于两个光电场矢量彼此平行，为简化，用两个光电场的标量来替代矢量。假定信号光电场Es(t)和本振光电场EL(t)分别为式中，As和AL分别是信号光电场和本征光电场的振幅，ωs和ωL分别是信号光和本振光的角频率ΦS和ΦL分别是信号光和本振光的初相位于是在光混频器光敏面上总的光电场为由于光混频器的输出与入射的光强或光电场的平方成正比，所以光混频器输出的光电流为将上式展开写成等式并展开，则有如果用平均信号光功率和平均本振光功率表示，则上式可表示为如果把信号的测量限制在差频的通带范围内，则可得到通过以ωIF为中心频率的带同滤波器顺势中频电流为中频滤波器的输出端，瞬时中频电压为在中频滤波器输出端出的有效中频功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平均值，即有效中频功率与信号光平均光功率和本振光信号平均光功率乘积有关。信号信息载在频率为ωs的光波振幅上，信息信号的调制频率为Ω，则调幅波振幅由各次谐波的合成波构成。调幅光波表示为当调幅信号光与平面本振光相干后，其瞬时中频电流为§10-2相干探测的特点一、转换增益高相干探测时，光电探测器经单位电阻输出的信号功率为直接探测时，光电探测器经单位输出的功率信号为在同样信号光功率条件下这两种探测方法得到的信号功率比G为G为转换增益。相干探测中本地振荡功率PL远大于接受到的信号光功率Ps，高几十个数量级是很容易达到的，所以G可以高达，可见相干探测的转换增益是非常高的。二、可获得全部信息相干探测中，我们能把频率调制和相位调制的信号光像幅度调制或强度调制一样进行解调7810~10三、良好的滤波性能相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测系统要高相干系统中不加光谱滤光片其效果比加滤光片的直接探测系统好得多例如，目标沿光束方向的运动速度v=0-15m/s对于10.6μm的CO2激光，经目标反射后回波的多普勒频率fs为则信号光束与本地振荡光束的差频为带入λL和v的数值，得若取放大器通带宽度Δf相等于最大频移值，则差频放大器带宽Δf相=3MHz如果直接探测加光谱滤光片，滤光片带宽若为1.0mm，所对应的带宽Δf滤为上述两种情况带宽之比可见，相干探测对背景光谱有很好的抑制作用四、有利于微弱光信号的探测在相干探测中，信号光信号功率非常小，但只要本振光功率足够大，仍能得到可观的中频输出。这就是相干探测对微弱光信号的探测特别有利的原因另一方面，从理论上讲，相干探测可能达到更低的探测极限，可以从极限信噪比来说明这个问题假定光谱混频器具有内部增益G，光混频器的中频输出功率为在带宽为ΔfIF的带通滤波器输出端，电噪声功率为根据信噪比的定义，中频滤波器输出端的信号噪声比为当本振光功率足够大时，分母中有本振光引起的散粒噪声远远大于所有其他噪声，则上式变为对于热噪声为主要噪声源的系统来说，要实现量子噪声限探测，必须满足由此得到§10-3相干探测的空间条件和频率条件一。相干探测的空间条件由于光辐射的波长比光混频器的实际尺寸得多，实际上光混频是在一个个小面积元上发生的，及总的中频电流等于光混频器表面上每一微分面积元所产生的微分中频电流值和。很显然，只有当这些微分中频电流保持恒定的相位关系时，总的中频电流才会达到最大值。这就要求信号光和本振光的波前必须重合，也就是说，必须保持信号光和本振光在空间上的角准直。二、相干探测的频率条件为了获得高灵敏度的相干探测，还要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳定度。从物理光学的观点来看，相干探测是两束光波迭加后产生干涉的结果。显然，这种干涉取决于信号光束和本振光束的单色性。所谓光的单色性是指这种光只包含一种频率或光谱线极窄的光。§10-4相干探测系统举例相干探测系统在通信、雷达、精密计量等方面应用较为普遍。一、光外差通讯二、调频—连续波激光雷达