第6章 外差检测系统1

2
L
x sin x
于是，本振光波可表示为
f L (t ) AL exp[ j(Lt L x]
上述两束光投影到检测器上时，根据检测器的输出 特性，整个光敏面总响应电流为
i As AL cos[(ct (s L ) x]dxdy Ad l sin 2 As AL cos[(c t (s L )] l 2
RL
2(
hv
) Ps PL RL
6.2 光外差检测特性
6.2.1 光探测器的输出包含有信号光的全部信息：振 幅、频率和相位等。 6.2.2光外差检测转换增益高 由式（6-8）可知，光外差检测中频输出有效信 e 2 号功率为 P 2( ) P P R
c
hv
s L
L
直接检测中，检测器输出的电功率为
第6章 光外差检测系统
1、光外差检测 是将待测信号光与本振光同时入射到探测器的光 敏面上，形成光的干涉图样（光混频效应），探测 器响应光混频效应而输出光电流，该光电流不仅与 光强有关，还与输入光的频率和位相有关。 2、一般构成
3、用途 激光通信、雷达、测长、测速、测振和光谱学方面。 4、优点 （1）检测灵敏度高，可获得更多信息 （2）可检测单个光子、进行光子计数，作用距离比 直接检测远。 5、缺点 （1）对光源要求高（要求相干性好的光波—激光） （2）激光受大气湍流效应影响严重，因而远距离应用受 到限制。 （3）在光波频率很高时（γ>>1016Hz）每个光子能量很 大，光外差检测并不特别适用；在波长较长的情况下， 光外差检测显示了它的优越性。
6.1 光外差检测原理



利用光波的振幅、频率、 信号光束fs fs-fL 探测器 相位携带信息，而不是 光强。 fL 两束相干光入射到探测 放大器 本振 器表面进行混频，形成 光束 相干光场,又称相干检 测。只有激光才能进行 图6.1 外差检测原理示意图 相干检测。 输出信号中包含 f s f L 的差频信号,因此称光 外差检测
瞬时中频电压为 Vc As AL RL cos[(L S )t (L s )]
（6-7） 式中：RL为负载电阻。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 （6-8） Vc e 2
Pc
2 s 2 L
式中： P s A /2
为信号光的平均功率， PL A / 2 为本征光的平均功率 当ωL=ωs时，则瞬时中频电流为 ic (t ) As AL cos(L s ) （6-9） 这是外差检测的一种特殊形式，称为零差检测。
上式表明：外差检测的输入信噪比等于输出信噪比， 因此输出信噪比没有任何损失
6.2.5 最小可检测功率
由式（6-8）可知，内部增益为M的光外差检 测器的输出有效信号功率为 2 （6-13） P 2( e M h ) Ps PL RL c 外差检测中输出的散粒噪声和热噪声表示为 2 e Pn 2eM Ps PL PB I d fRL 4kT f （6-14） h 二者相除得信噪比为 2 2 (e h ) M Ps PL RL 2 2 ( SNR) P (e h ) G PS PL RL e SNR po 2 eM P P P I s B L d fRL 2 e 2kT f PS PL PB I d RL 2kT f IF eG h h 当本振功率足够大时,本振光电流噪声远远超过其它噪声 , Ps 使上式变成 ( SNR) P （6-15） hf 这就是光外差检测系统中所能达到的最大信噪比极限， 一般称为光外差检测的量子检测极限或量子噪声限。
讨论： (1) 在推导(6-15)和(6-17)的过程中，对 Ps 及 PB 强弱 均无限制,仅要求 PL 足够大。这表明： 外差检测既适用于强光信号检测，也适用于弱光信号 检测。 (2) 与直接检测系统信号噪声灵敏限相比 NEPw hf NEPz 2hf
可知，在中频带宽与直接检测系统噪声带宽相同的情况下， 外差检测最小可探测光功率仅为直接检测系统的一半。实 际上还远不止于此。外差检测量子灵敏限对系统无任何要 求；直接检测系统信号灵敏限的导出过程中则将探测器视 为理想探测器而忽略了系统所有的噪声，这在真实系统中 是不可能的。因此，直接检测系统的信号灵敏限实际上是 无法实现的。
对于热噪声是主要噪声源的系统来说，可以导出实现 量子噪声限检测的条件 e2 RL PL f 2kT f h 2kTh PL 2 （6-16） 即 e RL 若用最小可检测功率（等效噪声功率）NEP表示，在量 子检测极限下，由式（6-15），求得光外差检测得等效 噪声功率NEP值为 hf （6-17） NEP 这个值有时又称为光外差检测的灵敏度，是光外差检测 的理论极限。
r Dp / f
2.44 Dp Dd Dr
6.3.2 光外差检测的频率条件：
要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳
定性。
1、为了获得单色性好的激光输出，必须选用
单纵模运转的激光器作为光外差检测的光源。
2、信号光和本振光的频率漂移如不能限制在
一定范围内，则光外差检测系统的性能就会变坏。
假定入射光信号电场为：
Es t A cos t
光场平均光功率为：
5-1
Ps E t A 2
2
2 E t 表示 Es t 的时间平均值；
_______ 2 s
_______ 2 s
显然，光波直接检测只能测量到振幅值。
反射镜
CO2激光器
fs fL 转镜
f s- f L 输出 光电 放大器 线栅 偏振器 检测器
2 {As2 cos2 (S t s ) AL cos2 (Lt L ) As AL cos[(L S )t (s L )] As AL cos[(L S )t (L s )]}
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 （6-6） 流为 ic (t ) As AL cos[(L S )t (L s )]
由于光检测器的响应与光电场的平方成正比，所以光检测器 的光电流为
iP (t ) f 2 (t ) [ f s (t ) f L (t )]2
式中横线表示在几个光频周期上的平均，将上式展开 2 E (t ) E (t )22 i (t ) f (t ) S [ f (t ) Lf (t )]
6.2.3 良好的滤波性能 如果取差频信号宽度 (L s ) / 2 为信息处理 器的通频 带 f 即 f (L s ) / 2 f L f s ， 那么只有与本机振荡光束混频后在此频带内的杂光可 以进入系统，其他杂光所形成的噪声均被信号处理器 滤掉，因此，外差检测系统中不需要加光谱滤光片， 效果甚至比加滤光片的直接检测系统还好得多。
透镜
反射镜
图6.2 外差检测实验装置示意图
用经典理论分析两光束外差后的结果 信号光场为
f s (t ) As cos(st s )
本征光场为
f L (t ) AL cos(Lt L )
入射到检测器上的总光场为
f (t ) As cos(st s ) AL cos(Lt L )
在一般情形下这两个条件均不能被满足。
6.2.6 光外差检测系统对检测器性能的要求
1、响应频带宽 目标运动速度所决定的 2、均匀性好 较好的干涉效果所决定的 3、工作温度高 设备受空间限制
6.3 影响光外差检测灵敏度的因素

6.3.1光外差检测的空间 条件： sin L
ll：检测 θ:两束光的夹角， 器光敏面线度．
6.2.4 信噪比损失小 如果入射到检测器上的光场不仅存在信号光波 fs(t),还存在背景光波fB(t),可由式（6-6）推理得出检 测器的输出电流为 （6-11） I c 2 ( Ps PB ) PL 输出信噪比为
I s 2 Ps PL I n 2 PB PL Ps PL
（6-12）

波长越短或口径越大，要 求相位差角θ越小，越难满 足要求． 设信号光束

本振光束
f s (t ) As e j (st s )
信号光与本振光并非平 行而成一夹角θ
f L (t ) ALe j (Lt L )
本振光束到达光敏面时，在不同点x出有着不同的 波前，就有不同的相位差Δφ，即
e 2 2 Po ( ) Ps RL hv
两种情况下，都假定负载电阻为RL。同样信号光功 率Ps下，两种方法所得到的信号功率比G（转换增 Pc 2 PL 益）为 （6-10） G
Po Ps
表6-1 PL=0.5mW时Ps与G的关系 Ps/W 10-3 G 1 10-4 10 10-5 102 10-6 103 10-7 104 10-8 105 10-9 106 10-10 10-11 107 108
p s L
e 为量子效率； 式中： 为光电变换比例常数， h c L s 称为差频。 h 为光子能量； 上式中： <1> 余弦平方项在整数周期内的时间平均值为 1 2 ，其和为 2 2 ， 相当于探测器输出的直流分量； ( ES E 0 L0 ) 2 <2> 第三项为“合频项”，其整数周期内的时间平均值为零； <3> 第四项为“差频项”，注意到它的变化速度相对光场的变化要 缓慢得多，可视为常数，当差频(ωL-ωs)/2π=ωc/2 π低于光检 测器的截止频率时，光检测器就有频率为c / 2 的光电流输出。
(3) 在实际外差系统中，PL通常在 mW 级，最小可探
测光功率可达10-19~10-20W ；直接检测系统最小可探