外差(相干)探测系统 2013.4.26
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基于光子脉冲的外差探测高精度测距系统
基于光子脉冲的外差探测高精度测距系统谢丁龙【摘要】设计了光子脉冲外差探测系统的系统结构,利用光子脉冲外差原理与光子探测统计理论,建立了基于光子脉冲外差探测系统的测距精度理论模型.根据方波近似条件和光子脉冲外差探测系统的典型参数,研究了噪声和温度参数对测距精度的影响.仿真实验表明,该系统可以实现高精度的测距.【期刊名称】《光通信技术》【年(卷),期】2014(038)005【总页数】3页(P31-33)【关键词】光子脉冲;外差探测;高精度测距【作者】谢丁龙【作者单位】河南大学,河南开封475004【正文语种】中文【中图分类】TN2490 引言近年来，为探测远程非合作目标的微弱光子回波，同时为实现目标的距离和速度的同步探测，研究人员将光子计数技术与外差探测技术相结合的光子脉冲外差探测系统进行研究。
国内外对光子脉冲外差探测技术的研究正处于快速发展时期，对于系统探测性能的理论建模与实验研究还不够完备，到目前为止，仅有少量文献研究了直接探测脉冲激光雷达的测距精度，关于光子脉冲外差探测系统测距精度的研究尚未有过文献报道。
光子脉冲外差探测测距技术是将高频的光波信号通过转换，变成相对容易测试的中低频的包络信号，从而实现频率的测量。
首先将频率不同的本振光与信号光相干叠加，然后用探测器对两者之间的差频频率进行外差探测，通过提高本振光的强度来提高外差探测的灵敏度，并以此提高对微弱信号的探测灵敏度。
这种测量技术比直接探测方法的数量级高很多，分辨率高，抗干扰和噪声滤除能力强，并具有实时性、可回溯性的特点，被广泛使用于纳米级别分辨率、高精度定位测量以及大动态的位移监测环境[1]。
在光子脉冲外差探测中，本机振荡光功率（PL）比信号光功率大几个数量级，光子脉冲外差转换增益可以高达107～108。
即在强光信号下，外差检测并没有多少好处，而在微弱光信号下，外差检测表现出十分高的转换增益（可以达到107～108倍）。
因此可以说，光子脉冲外差检测方式具有天然的检测微弱信号的能力，可获得全部信息，转换增益高，滤波性能好，信噪比损失和检测功率小[2]。
外差(相干)探测系统 2013.4.26
式中 k1 2 / 1 和k2 2 / 2为波数， 1 和2 为
初位相。
这二列波叠加的结果为：
x 1 2 Es {2 E cos[ (t ) ]} 2 c 2 1 2 x 1 2 cos[ (t ) ] 1 2 c / 1 2 c 2
iC t As AL cos L s
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。
外差检测与直接检测的性能比较
• 探测能力强：光波的振幅、相位及频率的变化 都会引起光电探测器的输出，因此外差探测不 仅能够检测出振幅和强度调制的光波信号，而 且可以检测出相位和频率调制的光信号
基本特性
fs fL
(8.1 - 16)
外差探测具有更窄的接收带宽，即对背景光有良好
的滤波性能。
• 滤波性能好
– 形成外差信号，要求信号光和本征信号空间严 格对准，而背景光入射方向是杂乱无章的，偏 振方向也不确定，不能满足外差空间调准要求， 不能形成有效的外差信号，因此该方法可以滤 掉背景光 – 同时通过检测通道的通频带刚好覆盖有用的外 差信号的频谱范围，这样杂散光形成的拍频信 号也可以被滤掉
那么测出这个低频的波速，也就测出了光速。
问题5：如何将光信号变成含低频成份的“光 拍”信号？
原理：根据振动叠加原理，两列速度相 同、振面相同、频差较小而同向传播的简谐
波的叠加即形成拍。
设有两列振幅相同、频率分别为f1和f2，且 频差△f= f1-f2很小的二列波：
E1 E cos(1t k1 x 1 ) E2 E cos( 2t k2 x 2 )
•
q / h ； :
两束光频率必须足够接近，差频信号才能处于探测器的通 频带范围内
初位相。
这二列波叠加的结果为：
x 1 2 Es {2 E cos[ (t ) ]} 2 c 2 1 2 x 1 2 cos[ (t ) ] 1 2 c / 1 2 c 2
iC t As AL cos L s
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。
外差检测与直接检测的性能比较
• 探测能力强：光波的振幅、相位及频率的变化 都会引起光电探测器的输出，因此外差探测不 仅能够检测出振幅和强度调制的光波信号，而 且可以检测出相位和频率调制的光信号
基本特性
fs fL
(8.1 - 16)
外差探测具有更窄的接收带宽，即对背景光有良好
的滤波性能。
• 滤波性能好
– 形成外差信号，要求信号光和本征信号空间严 格对准，而背景光入射方向是杂乱无章的，偏 振方向也不确定，不能满足外差空间调准要求， 不能形成有效的外差信号，因此该方法可以滤 掉背景光 – 同时通过检测通道的通频带刚好覆盖有用的外 差信号的频谱范围，这样杂散光形成的拍频信 号也可以被滤掉
那么测出这个低频的波速，也就测出了光速。
问题5：如何将光信号变成含低频成份的“光 拍”信号？
原理：根据振动叠加原理，两列速度相 同、振面相同、频差较小而同向传播的简谐
波的叠加即形成拍。
设有两列振幅相同、频率分别为f1和f2，且 频差△f= f1-f2很小的二列波：
E1 E cos(1t k1 x 1 ) E2 E cos( 2t k2 x 2 )
•
q / h ； :
两束光频率必须足够接近，差频信号才能处于探测器的通 频带范围内
光外差探测系统课件
环境监测是光外差探测系统在环保领域的应用，主要用于气体浓度、温度、压力 等参数的测量。
光外差探测系统具有高灵敏度、高精度、实时性强的特点，对于环境监测和污染 治理具有重要的意义。
06
光外差探测系统发展趋势与展望
高性能探测器研究
1 2 3
高灵敏度 通过优化探测器结构、提高材料质量等方式，提 高探测器的光子吸收效率和响应速度，从而提高 探测器的灵敏度。
数据存储与备份
将采集到的数据存储在可靠的存储介质中，并定 期进行备份，以防数据丢失。
系统调试与优化
系统调试
在实验过程中对系统进行实时监 测和调试，确保系统工作正常并 达到预期的性能指标。
性能优化
根据实验结果和实际需求，对系 统的性能进行优化，如调整探测 器参数、改善信号质量等。
故障排查与维护
在系统出现故障时，及时排查故 障原因并进行修复，确保系统的 稳定性和可靠性。
实验设备布局
根据实验需求合理布置实 验设备，包括激光器、光 外差探测器、信号源等， 确保设备间的连接无误。
环境温湿度控制
保持实验环境的温湿度稳 定，以确保实验结果的准 确性和可靠性。
数据采集与处理
数据采集方式
采用高速数据采集卡或示波器等设备，对探测器 输出的信号进行采集。
数据处理算法
根据实验需求选择合适的数据处理算法，如滤波、 放大、解调等，以提取有用的信号信息。
光谱分析
用于光谱分析中，实现对气体、液体、固体 等物质的高精度光谱测量。
光通信
用于光通信系统中，实现高速、大容量、低 噪声的光信号接收。
激光雷达
用于激光雷达系统中，实现高精度、远距离 的激光测距和成像。
02
光外差探测系统组成
光电检测技术与应用 第六章 光外差探测系统
3、外差检测信噪比 设存在背景光波fB(t)，其功率为PB。则探测器
的输出电流为：
输出信噪比为
I 2 P P P C S B L
2 P P I P A S L S S S I P A 2 P P n B B B L
4、最小可探测功率 内部增益为G的光外差探测器的输出有 效信号功率为: 2 e P G P C 2 SP LR L h
6.3 影响光外差检测灵敏度的因素
2v fS fL 1 c
频差为：
2 v c2 v 2 v f f f f 1 S L L c L c L 6 2 v 2 15 10 6 3 10 Hz 10 . 6 L
若直接探测加光谱滤光片，滤光片带宽 若为10 ，所对应的带宽 Δ f 2为 A
A
f2 f2 f1 c
c
2 1
4
c
c 2 1
2 1
2
2
10 .6 10
18 3 10
9 Hz 10 3 10 2
带宽之比为：
9 3 10 3 f2 f1 10 6 3 10
第六章 光外差探测系统
光外差检测原理
光外差检测特性
影响光外差检测灵敏度的因素 光外差检测系统举例
6.1 光外差探测原理
光波f（t）写成:
f t A cos t
平均光功率Pcp为:
1 A 2 2 P A cos td t cp 2 0 2
2
2
外差探测原理
P 2PL C G P P 0 S
e 2 P P 0 S R L h
相干光通信外差探测技术研究
4.刘瑜张爱玲女性书写的审美及启示[学位论文]2011
5.姚睿.李琦.王骐窄脉冲相干激光雷达偏频锁定系统实验研究[会议论文]-2008
6.贺建伟基于ARM9电加热炉温度的采集和控制[学位论文]2011
7.朱东济大功率半导体激光器陈ຫໍສະໝຸດ 远场光分布特性研究[学位论文]2011
8.张琪无人自控倾转旋翼机结构系统设计[学位论文]2011
相干光通信外差探测技术研究
作者:王丽枝
学位授予单位:西安电子科技大学
1.靳磊城市建筑物红外辐射特性模型及在场景仿真中的应用[学位论文]2011
2.王洪新目标辐射光谱分析软件系统[学位论文]2011
3.田养丽量子对话协议研究[学位论文]2011
9.杨晓丽半定互补问题算法的研究[学位论文]2011
10.徐建朋基于散焦的红外焦平面阵列非均匀性校正方法研究[学位论文]2011引用本文格式:王丽枝相干光通信外差探测技术研究[学位论文]硕士 2011
5.姚睿.李琦.王骐窄脉冲相干激光雷达偏频锁定系统实验研究[会议论文]-2008
6.贺建伟基于ARM9电加热炉温度的采集和控制[学位论文]2011
7.朱东济大功率半导体激光器陈ຫໍສະໝຸດ 远场光分布特性研究[学位论文]2011
8.张琪无人自控倾转旋翼机结构系统设计[学位论文]2011
相干光通信外差探测技术研究
作者:王丽枝
学位授予单位:西安电子科技大学
1.靳磊城市建筑物红外辐射特性模型及在场景仿真中的应用[学位论文]2011
2.王洪新目标辐射光谱分析软件系统[学位论文]2011
3.田养丽量子对话协议研究[学位论文]2011
9.杨晓丽半定互补问题算法的研究[学位论文]2011
10.徐建朋基于散焦的红外焦平面阵列非均匀性校正方法研究[学位论文]2011引用本文格式:王丽枝相干光通信外差探测技术研究[学位论文]硕士 2011
第八章 外差(相干)探测系统
y
KL K Ly Ks
K Lx
y
θ θ
O
x l z
O
D
x
图8.3– 1
坐标关系
注意到在探测器面上x=0， 则有 es=Es cosωst eL=EL cos(ωLt+KL sinθ·y) 在(0,y)点上的中频电流 iIF (0,y,t)=α·EsEL cos(ωIFt+KL·y·sinθ) =α·E E =α Es·EL cos(ωIFt+KL·y·θ) y θ) (8.3 - 6) (8.3 - 4) (8.3 - 5)
∆f =
C
λ
∆λ = 3 × 109 Hz 2
(8.1 - 15)
在外差探测中， 情况发生了根本变化。 如果取差 频宽度作为信息处理器的通频带∆f， 即
ωs − ωL ∆ f IF = 2π
= fs − fL
(8.1 - 16)
外差探测具有更窄的接收带宽， 外差探测具有更窄的接收带宽，即对背景光有良好 的滤波性能。 的滤波性能。
这里c是光速。
ω IF
c
(8.3 - 16)
总的中频电流为
iIF (t ) =
α
D∫
D/2
−D / 2
iIF (0, x, y )dy
∆ K IF Dθ sin 2 = α Es E L cos ω IF t ⋅ ∆ K IF ⋅ Dθ 2
(8.3 - 17)
y
K
s
K
L
θ
Kcos θ
O l
θ
Ksin θ
D
x
图 8.3 - 2 两束光平行但不垂直于探测器
考虑到sinθ≈θ， y点产生的中频电流iIF (0，y，t)可 以写为 iIF (0,y,t)=αEsEL cos(ωIFt+∆KIFy sinθ) 式中 (8.3 - 15)
第六章 光外差检测系统
6.2.4 信噪比损失小 当不考虑检测器本身噪声影响，只包含输入背景噪声的情况下，外 差检测器的输出信噪比等于输入信噪比，输出信噪比没有损失。
6.2.5 最小可检测功率—内增益型光电检测器件 内部增益为M的光外差检测器输出有效信号功率为：
2
e P 2 M Ps PL RL C h
放大器
光外差检测原理示意图
因此外差检测在空间上能很好地抑制背景噪声。具有很好 的空间滤波性能。但是严格的空间条件也使调准两光束比 较困难。
降低空间相干条件的方法 从上面讨论中可以看出，要使信号光 波和本振光波在光混频面上有效的空间 相干，必须使两束光尽量平行，因为这 个要求是比较严格的，所以给光外差的 实现带来一定困难，严重妨碍了它的实 际应用。接近这一问题的方法只有是： 爱里斑原理法（用聚焦透镜降低空间准 直要求）。
偏振方向互相正交的线偏振光被偏振分束镜按偏振方向分光v1被反射至参考角锥棱镜9v2则透过8到测量角锥棱镜10工作原理经光束扩束器3适当扩束准直后光束被分束镜4分为两部分根据马吕斯定律两个互相垂直的线偏振光在45振光并产生拍其拍频就等于两个光频之差即vv1v215mhz由光电接收器6接收后进入交流放大器7放大后的信号作为参考信号送给计算机光束返回后重新通过偏振分束镜10与v1的返回光会合经反射镜11及透光轴与纸面成45的检偏器12后也形成拍其拍频信号可表示为若测量镜以速度v运动移动或振动则由于多普勒效应从测量镜返回光束的光频发生变化其频移正负号由动镜移动方向决定当动镜向偏振分束器方向移动时v为负拍频信号被光电13接收后进入交流前臵放大器14最后也被送入计算机计算机工作1计算机先将拍频信号v进行相减处理后就得到所需的测量信息v设在动镜10移动的时间t内
检测系统中检测器本身的散粒噪声和热噪声是影响最大可难以 消除的。则外差检测输出的散粒噪声和热噪声表示为： e Ps PB PL I d fR L 4k Tf Pn 2 M 2 e h
《光外差探测系统》课件
光源
提供光源，通常为激光器。
光纤
将光信号输送到探测器中。
探测器
用于检测光外差信号并将其转 化为电信号。
放大器
用于放大探测器输出的信号。
示波器
用于显示光外差信号的波形。
测试方法
1
测试流程
在实验室或其他需要测量电场的场合下，地面上设置好靶标板，根据所要测量的 物体，调整系统的各个参数。
2
实验步骤
将光信号输送到探测器中，探测器将光外差信号转化为电信号后通过放大器放大， 然后输入示波器显示。
3 光外差探测系统的应用领域
主要应用于生物医学、无线通信和光通信领域。
原理
光外差测量原理简介
光外差效应是指介质中电场的变化能够引起材 料的折射率发生变化。光外差探1 示波器测量电荷
示波器是光外差信号的最终接收器，可以显示光外差信号的波形。
系统组成
3
数据处理
根据波形特征可以了解光外差信号对物体表面电场变化的响应，从而推断测试目 标的电场分布。
应用案例
生物医学领域
用于研究生物体内电活动变 化和细胞膜的电生理活动。
无线通信领域
用于研究天线、微带线、衬 底等的电特性。
光通信领域
用于研究光纤、关键元器件 等的表面电场分布。
优缺点
优点
高灵敏度、高空间分辨率和高时间分辨率。
光外差探测系统
在这个演示中，我们将介绍光外差探测系统的应用和原理，以及其在生物医 学、无线通信和光通信领域的实际应用。
简介
1 什么是光外差探测系统
光外差探测系统是一种测量材料表面电场变化的高精度方法。
2 探测系统的发展历史
该技术最早由霍尔斯特于1964年提出，在光学、电子学和物理学领域得到广泛应用。
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外差(相干)探测系统
光频外差探测的基本原理
直接检测与外差检测
光拍法测量光的速度
实验目的
►
►
►
通过实验测量光拍的波长和频率来确定光速； 掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法； 学习本实验的实验思想和技巧。
实验原理
问题1：光的本质？ 光是一种频率很高的电磁波，其频率达到 10 Hz 问题2：如何计算波的速度？
式中RL是光电探测器的负载电阻。 把式(8.1 - 6)代 入式(8.1 - 10)， 并利用式(8.1 - 8)和(8.1 - 9)， 有
PIF 4 2 Ps PL cos2 [ IF t ( s L )] RL 2 2 Ps RL RL
这里的横线是对中频周期求平均。
2 i 2
若（si/ni）<<1，则有
(so / no ) (si / ni )
2
直接探测方式不适宜输入信噪比小于1或微弱信号的探测 1 ( so / no ) ( si / ni ) 若（si/ni）>>1，则有 2 输出信噪比等于输入信噪比之半，光电转换后的信躁比 损失不大，适宜于强光探测
外差法的调频方法
• 为了形成外差检测的光频差，采用频率调制方法
– 运动参量调频： – 固定频移
运动参量的频率调制
• 对运动参量进行检测时，被测运动参量直 接对参考光波的频率进行调制，形成与参 考光有一定频差的信号光，这种频率调制 方法称为参量调频法
光学多普勒效应和运动差频
• 利用多普勒效应------运动物体能改变入射到其 上的光波的频率，即频率为f0的单色光入射到速 度为v的运动物体上，被物体散射的光波频率fs 会产生多普勒频移。
那么测出这个低频的波速，也就测出了光速。
问题5：如何将光信号变成含低频成份的“光 拍”信号？
原理：根据振动叠加原理，两列速度相 同、振面相同、频差较小而同向传播的简谐
波的叠加即形成拍。
设有两列振幅相同、频率分别为f1和f2，且 频差△f= f1-f2很小的二列波：
E1 E cos(1t k1 x 1 ) E2 E cos( 2t k2 x 2 )
VC t iC t RL As AL RL cosL s t L s
中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平 均值，即： ____ 2 2 VC e P 2 Ps PL RL C RL h 当ωL-ωs=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频 电流为：
fs fL
(8.1 - 16)
外差探测具有更窄的接收带宽，即对背景光有良好
的滤波性能。
• 滤波性能好
– 形成外差信号，要求信号光和本征信号空间严 格对准，而背景光入射方向是杂乱无章的，偏 振方向也不确定，不能满足外差空间调准要求， 不能形成有效的外差信号，因此该方法可以滤 掉背景光 – 同时通过检测通道的通频带刚好覆盖有用的外 差信号的频谱范围，这样杂散光形成的拍频信 号也可以被滤掉
•
q / h ； :
两束光频率必须足够接近，差频信号才能处于探测器的通 频带范围内
从数学运算和相应物理过程考虑：
2 Es2 EL i Es EL cos IF s L 2 2
(8.1 - 5)
光电流经过有限带宽的中频放大器，直流项被滤 出，最后只剩下中频交流分量：
式中 k1 2 / 1 和k2 2 / 2为波数， 1 和2 为
初位相。
这二列波叠加的结果为：
x 1 2 Es {2 E cos[ (t ) ]} 2 c 2 1 2 x 1 2 cos[ (t ) ] 1 2 c / 1 2 c 2
固定频移的频率调制
• 使用频移器件使参考光波相对信号形成一固定的 频率偏移 声波 • 采用声光效应激光频移
声光器件中以频率为f的超声波交变信号 激励换能器，在透明介质内形成折射率 的周期变化；若满足布拉格衍射的条件， 将会产生一级衍射光。一级衍射光与零 级衍射光频率产生频移，可分别作为参 考光和信号光
37
38
39
t 2 t N t 2 2
dt
0 t
40
41
直接探测——提高输入信噪比的光学方法
• 光谱滤波：基于目标辐射的波长与背景 辐射波长之间的差别，利用光谱滤波法 消除背景辐射的干扰 • 减小探测器的面积 – 场镜：在调制盘及探测器之间插入一 个透镜，它能把视场边缘的光线折向 光轴，使得焦平面上每一点发出的光 线都充满探测器； – 光锥：起到减小探测器面积的作用。
E=E1+E2
2 E cos[
1 2
2
1 2 x (t ) ] c 2
f
wt
(1 2 ) / 2
光速公式 c = D l gV f
注意到 的振幅以频率 周期地变 化，所以我们称它为拍频波， 就
• 根据信噪比的定义，输出信噪比为
si / ni so s SNRO 2 no 2si ni ni 1 2si / ni
光探测器输出的光电流
2 ip t E t Es t EL t Es20 cos2 st s EL0 cos2 Lt L 2 2
Es 0 EL0 cos[L s t s L ] Es 0 EL 0 cos L s t L s
b
a
探 测 器
外差检测
• 该方法将包含有被测信息 的相干光调制波和作为基 准的本机振荡光波，在满 足波前匹配条件下在光电 探测器上进行混频。探测 器输出的是频率为两光波 光频差的拍频信号 • 该信号包含有调制信号的 振幅、频率和相位。通过 检测拍频信号最终调制出 被传送的信号 • 利用光的干涉原理
1. 高的转换增益 信号光功率， 本振光功率与相应电场振幅的关系为
1 2 Ps Es 2 1 2 PL EL 2
(8.1 - 8)
(8.1 - 9)
iIF Es EL cosIF s L
而中频电流输出对应的电功率为
2 PIF iIF RL
(8.1 - 10)
量子效率； h :光子能量； L s : 差频。 • 式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1／2。 • 第三项（和频项）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频 项）相对光频而言，频率要低得多。 • 当差频 L s / 2 低于光探测器的截止频率时，光探测器就 有频率为 L s / 2 的光电流输出。
iC t As AL cos L s
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。
外差检测与直接检测的性能比较
• 探测能力强：光波的振幅、相位及频率的变化 都会引起光电探测器的输出，因此外差探测不 仅能够检测出振幅和强度调制的光波信号，而 且可以检测出相位和频率调制的光信号
基本特性
3. 良好的空间和偏振鉴别能力 信号光和本振光必须沿同一方向射向光电探测器， 而且要保持相同的偏振方向。 这就意味着光频外差探测装置本身就具备了对光 方向的高度鉴别探测能力和对光偏振方向的鉴别探测
能力。
外差检测的频率条件
• 两者具有高度的单色性和频率稳定度,如果信号 光和本征光的频率相对漂移很大，两者频率之差 就可能大大超过中频滤波器的带宽 • 通常两束光取自同一激光器，通过频率偏移取得 本征光，信号光通过调制得到
iIF Es EL cosIF s L
(8.1 - 6)
如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以得到通 过以ωC为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：
iC t As AL cosL s t L s
中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：
2θ
各级衍射光波将产生多普勒频移，
λ s
ω＝ ωi土m ωs
双频激光干涉仪
光学隔离器 激光器 参考镜 M3
f2
M1 M2
F1
F2 M4 测量镜
f1 , f 2
f1
f1 f
光电检测器
f 2 f1
f 2 f1 f
双频激光外差干涉仪
其中氦氖激光器上沿轴向施加以磁场，由于塞曼效应激光被分裂成有 一定频率差的左旋偏振光f1和右旋偏振光f2
fS-fL
基本原理
• 设入射到探测器上的信号光场为：
Es t Es 0 cos st s
• 本机振荡光场为：
EL t EL0 cos Lt L
• 入射到探测器上的总光场为：
E t Es0 cos st s EL0 cos Lt L
为1 nm(这已经是十分优良的滤光片了)， 即Δλ=1 nm。 它所相应的频带宽度(以λ=10.6 μm估计)
f
C
3 109 Hz 2
(8.1 - 15)
在外差探测中， 情况发生了根本变化。 如果取差
频宽度作为信息处理器的通频带Δf， 即
s L f IF 2
(8.1 - 11)
在直接探测中， 探测器输出的电功率
PL i RL P RL
2 s 2 2 s
(8.1 - 12)
在两种情况下， 都假定负载电阻为RL。
转换到以 IF为载频的中频电流上。
光频外差探测，就是把以 s 为载频的光频信息
转换增益：
PIF 2 PL G PL Ps
14
l 波速公式： v = f g
由公式可知，要测量光速的方法之一是测量出
光的波长和频率。
问题3：能不能直接测量出光的波长和频率？
光的频率很高，远高于电子仪器的反
应速度，因此电子仪器无法直接测出光 的波长和频率。
光频外差探测的基本原理
直接检测与外差检测
光拍法测量光的速度
实验目的
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通过实验测量光拍的波长和频率来确定光速； 掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法； 学习本实验的实验思想和技巧。
实验原理
问题1：光的本质？ 光是一种频率很高的电磁波，其频率达到 10 Hz 问题2：如何计算波的速度？
式中RL是光电探测器的负载电阻。 把式(8.1 - 6)代 入式(8.1 - 10)， 并利用式(8.1 - 8)和(8.1 - 9)， 有
PIF 4 2 Ps PL cos2 [ IF t ( s L )] RL 2 2 Ps RL RL
这里的横线是对中频周期求平均。
2 i 2
若（si/ni）<<1，则有
(so / no ) (si / ni )
2
直接探测方式不适宜输入信噪比小于1或微弱信号的探测 1 ( so / no ) ( si / ni ) 若（si/ni）>>1，则有 2 输出信噪比等于输入信噪比之半，光电转换后的信躁比 损失不大，适宜于强光探测
外差法的调频方法
• 为了形成外差检测的光频差，采用频率调制方法
– 运动参量调频： – 固定频移
运动参量的频率调制
• 对运动参量进行检测时，被测运动参量直 接对参考光波的频率进行调制，形成与参 考光有一定频差的信号光，这种频率调制 方法称为参量调频法
光学多普勒效应和运动差频
• 利用多普勒效应------运动物体能改变入射到其 上的光波的频率，即频率为f0的单色光入射到速 度为v的运动物体上，被物体散射的光波频率fs 会产生多普勒频移。
那么测出这个低频的波速，也就测出了光速。
问题5：如何将光信号变成含低频成份的“光 拍”信号？
原理：根据振动叠加原理，两列速度相 同、振面相同、频差较小而同向传播的简谐
波的叠加即形成拍。
设有两列振幅相同、频率分别为f1和f2，且 频差△f= f1-f2很小的二列波：
E1 E cos(1t k1 x 1 ) E2 E cos( 2t k2 x 2 )
VC t iC t RL As AL RL cosL s t L s
中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平 均值，即： ____ 2 2 VC e P 2 Ps PL RL C RL h 当ωL-ωs=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频 电流为：
fs fL
(8.1 - 16)
外差探测具有更窄的接收带宽，即对背景光有良好
的滤波性能。
• 滤波性能好
– 形成外差信号，要求信号光和本征信号空间严 格对准，而背景光入射方向是杂乱无章的，偏 振方向也不确定，不能满足外差空间调准要求， 不能形成有效的外差信号，因此该方法可以滤 掉背景光 – 同时通过检测通道的通频带刚好覆盖有用的外 差信号的频谱范围，这样杂散光形成的拍频信 号也可以被滤掉
•
q / h ； :
两束光频率必须足够接近，差频信号才能处于探测器的通 频带范围内
从数学运算和相应物理过程考虑：
2 Es2 EL i Es EL cos IF s L 2 2
(8.1 - 5)
光电流经过有限带宽的中频放大器，直流项被滤 出，最后只剩下中频交流分量：
式中 k1 2 / 1 和k2 2 / 2为波数， 1 和2 为
初位相。
这二列波叠加的结果为：
x 1 2 Es {2 E cos[ (t ) ]} 2 c 2 1 2 x 1 2 cos[ (t ) ] 1 2 c / 1 2 c 2
固定频移的频率调制
• 使用频移器件使参考光波相对信号形成一固定的 频率偏移 声波 • 采用声光效应激光频移
声光器件中以频率为f的超声波交变信号 激励换能器，在透明介质内形成折射率 的周期变化；若满足布拉格衍射的条件， 将会产生一级衍射光。一级衍射光与零 级衍射光频率产生频移，可分别作为参 考光和信号光
37
38
39
t 2 t N t 2 2
dt
0 t
40
41
直接探测——提高输入信噪比的光学方法
• 光谱滤波：基于目标辐射的波长与背景 辐射波长之间的差别，利用光谱滤波法 消除背景辐射的干扰 • 减小探测器的面积 – 场镜：在调制盘及探测器之间插入一 个透镜，它能把视场边缘的光线折向 光轴，使得焦平面上每一点发出的光 线都充满探测器； – 光锥：起到减小探测器面积的作用。
E=E1+E2
2 E cos[
1 2
2
1 2 x (t ) ] c 2
f
wt
(1 2 ) / 2
光速公式 c = D l gV f
注意到 的振幅以频率 周期地变 化，所以我们称它为拍频波， 就
• 根据信噪比的定义，输出信噪比为
si / ni so s SNRO 2 no 2si ni ni 1 2si / ni
光探测器输出的光电流
2 ip t E t Es t EL t Es20 cos2 st s EL0 cos2 Lt L 2 2
Es 0 EL0 cos[L s t s L ] Es 0 EL 0 cos L s t L s
b
a
探 测 器
外差检测
• 该方法将包含有被测信息 的相干光调制波和作为基 准的本机振荡光波，在满 足波前匹配条件下在光电 探测器上进行混频。探测 器输出的是频率为两光波 光频差的拍频信号 • 该信号包含有调制信号的 振幅、频率和相位。通过 检测拍频信号最终调制出 被传送的信号 • 利用光的干涉原理
1. 高的转换增益 信号光功率， 本振光功率与相应电场振幅的关系为
1 2 Ps Es 2 1 2 PL EL 2
(8.1 - 8)
(8.1 - 9)
iIF Es EL cosIF s L
而中频电流输出对应的电功率为
2 PIF iIF RL
(8.1 - 10)
量子效率； h :光子能量； L s : 差频。 • 式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1／2。 • 第三项（和频项）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频 项）相对光频而言，频率要低得多。 • 当差频 L s / 2 低于光探测器的截止频率时，光探测器就 有频率为 L s / 2 的光电流输出。
iC t As AL cos L s
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。
外差检测与直接检测的性能比较
• 探测能力强：光波的振幅、相位及频率的变化 都会引起光电探测器的输出，因此外差探测不 仅能够检测出振幅和强度调制的光波信号，而 且可以检测出相位和频率调制的光信号
基本特性
3. 良好的空间和偏振鉴别能力 信号光和本振光必须沿同一方向射向光电探测器， 而且要保持相同的偏振方向。 这就意味着光频外差探测装置本身就具备了对光 方向的高度鉴别探测能力和对光偏振方向的鉴别探测
能力。
外差检测的频率条件
• 两者具有高度的单色性和频率稳定度,如果信号 光和本征光的频率相对漂移很大，两者频率之差 就可能大大超过中频滤波器的带宽 • 通常两束光取自同一激光器，通过频率偏移取得 本征光，信号光通过调制得到
iIF Es EL cosIF s L
(8.1 - 6)
如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以得到通 过以ωC为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：
iC t As AL cosL s t L s
中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：
2θ
各级衍射光波将产生多普勒频移，
λ s
ω＝ ωi土m ωs
双频激光干涉仪
光学隔离器 激光器 参考镜 M3
f2
M1 M2
F1
F2 M4 测量镜
f1 , f 2
f1
f1 f
光电检测器
f 2 f1
f 2 f1 f
双频激光外差干涉仪
其中氦氖激光器上沿轴向施加以磁场，由于塞曼效应激光被分裂成有 一定频率差的左旋偏振光f1和右旋偏振光f2
fS-fL
基本原理
• 设入射到探测器上的信号光场为：
Es t Es 0 cos st s
• 本机振荡光场为：
EL t EL0 cos Lt L
• 入射到探测器上的总光场为：
E t Es0 cos st s EL0 cos Lt L
为1 nm(这已经是十分优良的滤光片了)， 即Δλ=1 nm。 它所相应的频带宽度(以λ=10.6 μm估计)
f
C
3 109 Hz 2
(8.1 - 15)
在外差探测中， 情况发生了根本变化。 如果取差
频宽度作为信息处理器的通频带Δf， 即
s L f IF 2
(8.1 - 11)
在直接探测中， 探测器输出的电功率
PL i RL P RL
2 s 2 2 s
(8.1 - 12)
在两种情况下， 都假定负载电阻为RL。
转换到以 IF为载频的中频电流上。
光频外差探测，就是把以 s 为载频的光频信息
转换增益：
PIF 2 PL G PL Ps
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l 波速公式： v = f g
由公式可知，要测量光速的方法之一是测量出
光的波长和频率。
问题3：能不能直接测量出光的波长和频率？
光的频率很高，远高于电子仪器的反
应速度，因此电子仪器无法直接测出光 的波长和频率。