第10章相干探测
➢ 相干探测方式探测目标或相干通信的作用距离比直接探测 远得多。
➢ 相干探测要求相干性极好的光源才能进行测量。而相干光 源——激光，受大气湍流效应影响严重，会破坏激光的相 干性。因而目前远距离相干探测在大气中应用受到限制， 但在外层空间特别是卫星之间通信联系已达到实用阶段。
第10章相干探测
§10－1 相干探测原理
因此在光混频器的输出中只须考虑频率较低的差 频项，亦即中频信号iIF。 ➢ 这个中频(差额)信号包含了信号光所携带的全部 信息。
第10章相干探测
• 设信号光为： E S(t)A ScoSts (S)
• 参考（本振）光为： E L (t) A LcoL t sL ()
• 合成：
E t( t) A S co S t s S ) ( A L co L t s L )(
第10章相干探测
§10－2 相干探测的特点
一、转换增益高
相干探测时，光电探测器经负载电阻输出的信号功率为
PIF 2hνe2PSPLRL
直接探测时，光电探测器经负载电阻输出的信号功率为
Sp Ip2RL ehν2Ps2RL
功在率同比样G信为号光功G率PPSSIP条F 件2下第PP1S0，L章相这干探两测 P 种L探测 P 方S,法G 所得1到70 的~信1号80
n 1m n 2A 0co sS [ (n)t(Sn)]
iIF h eA L A 0 [cL o s S )t( (LS ) ]
h en 1m n 2 A 0cos L [S c o n )t s (L (Sn ) ] h en 1m n 2 A 0cosL [S c o n )t s(L (Sn )]
光电信号检测 第十章 相干探测
第10章相干探测
第十章 相干探测
➢ 相干探测又称为光外差探测。其探测原理与微波及无线电 外差探测原理相似，但由于光波比微波的波长短103～104 倍，因而其探测精度比微波高103～104 倍。
➢ 相干探测与直接探测比较，其测量精度高107～108倍，它 的灵敏度达到了量子噪声限，可探测单个光子，进行光子 计数。
相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测系统要高。 因为相干接收时要求信号光和本地振荡光空间方向严格调 准。而背景光入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求， 于是就不能得到输出。所以相干探测自身有很好的空间滤 波性能，无需像直接探测那样在系统中加孔径光阑和滤光 片。
第10章相干探测
四、有利于微弱光信号的探测
i~ ph e P SP L P LP Sco sL[ (S)t(LS)] P LP Sco sL[ (S)t(LS)]
PS：平均信号光功率第10；章相干P探L测：平均本振光功率
隔掉直流、截止高频、保留中频
e iIF h P L P sc( oL sS )t (LS )
相干探测可解调强度调制、频率调制、位相调制的 光信号
•
光混频器输出光电流：
iP E t2(t)E s(t) E L (t)2
第10章相干探测
展开得：
iP
e h
Et2(t)
he[As
cos(st
s)AL
cos(Lt
L)]2
e h
AS2co2s(St S)AL2co2s(Lt L)
ASAL[cos(L S)tL S]
ASAL[cos(L S)tL S]
➢当偏振方向相同、传播方向平行且重合的两束光垂
直 另 ν一入S的束射和是到频频光(ν率混L为频+器νν上SS的)时、信，差号一频光束(，ν是光L频混-率ν频为S器)处ν可产L在的生频本输率振出ν光L。、，
➢ 但 极在 高，实其际远情远况超下出，相光干频探ν测L、系ν统S 的的频和率频响(ν应L范+ν围S。)
VIFiIFRL
PIFVRI2LF2hνe2PSPLRL 第10章相干探测
• 相干探测将光波振幅上所载的调制信号（频率为 ω电S流）上完。全无畸变地转移到频率为ωLS＝ωL －ωS 的
E S (t ) A 0 co S t s s) (n 1 m n 2 A 0 co S s n ) [ t (S n ) ]
iIF 2 h e P L P sc( oL sS )t (L S )
第10章相干探测
三、良好的滤波性能
在直接探测过程中，光探测器除接收信号光以外，杂散背 景光也不可避免地同时入射到光探测器上。为了抑制杂散 背景光的干扰，提高信号噪声比，一般都要在光探测器的 前面加上孔径光阑和窄带滤光片。
PIF 2第h10νe章相2干探P测SPLRL
§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
为简化分析，假设信号光和本振光均为平面波，夹角为θ， 探测器为正方形（边长为d），有：
iI( F t) e h ν d 2 A S A L co L s S ) t[ ( L S ] sc id 2 n
二、可获得全部信息——振幅、频率、位相
• 在直接探测中，光探测器输出的光电流随信号光的振幅或 强度的变化而变化，光探测器对信号光的频率或相位变化 不响应。
• 在相干探测中，光电探测器输出的中频光电流的振幅、频 率和相位都随信号光的振幅、频率和相位的变化而变化。 这使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。
在直接探测中光探测器输出的光电流正比于信号光的平均 光功率，即光探测器输出的电功率正比于信号光平均光功 率的平方。
Sp Ip2RL ehν2Ps2RL
在相干探测中光混频器输出的中频信号功率正比于信号光 和本振光平均光功率的乘积。通常，入射到光探测器上的 信号光功率是非常小的(尤其在远距离上应用，例如光雷达、 遥感、空间光通信等应用)，因而，在直接探测中光探测器 输出的电信号也是极其微弱的。在相干探测过程中，尽管 信号光功率非常小，但只要本振光功率足够大，仍能得到 可观的中频输出。相干探测对微弱光信号的探测特别有利。
2πsin S
第10章相干探测
θ↓，iIF(t)↑
0 d 0 2
sinc d 1
2
iIF(t)最大
实际中 0
可使
d 1 2
则
sin S
➢ 相干探测要求相干性极好的光源才能进行测量。而相干光 源——激光，受大气湍流效应影响严重，会破坏激光的相 干性。因而目前远距离相干探测在大气中应用受到限制， 但在外层空间特别是卫星之间通信联系已达到实用阶段。
第10章相干探测
§10－1 相干探测原理
因此在光混频器的输出中只须考虑频率较低的差 频项，亦即中频信号iIF。 ➢ 这个中频(差额)信号包含了信号光所携带的全部 信息。
第10章相干探测
• 设信号光为： E S(t)A ScoSts (S)
• 参考（本振）光为： E L (t) A LcoL t sL ()
• 合成：
E t( t) A S co S t s S ) ( A L co L t s L )(
第10章相干探测
§10－2 相干探测的特点
一、转换增益高
相干探测时，光电探测器经负载电阻输出的信号功率为
PIF 2hνe2PSPLRL
直接探测时，光电探测器经负载电阻输出的信号功率为
Sp Ip2RL ehν2Ps2RL
功在率同比样G信为号光功G率PPSSIP条F 件2下第PP1S0，L章相这干探两测 P 种L探测 P 方S,法G 所得1到70 的~信1号80
n 1m n 2A 0co sS [ (n)t(Sn)]
iIF h eA L A 0 [cL o s S )t( (LS ) ]
h en 1m n 2 A 0cos L [S c o n )t s (L (Sn ) ] h en 1m n 2 A 0cosL [S c o n )t s(L (Sn )]
光电信号检测 第十章 相干探测
第10章相干探测
第十章 相干探测
➢ 相干探测又称为光外差探测。其探测原理与微波及无线电 外差探测原理相似，但由于光波比微波的波长短103～104 倍，因而其探测精度比微波高103～104 倍。
➢ 相干探测与直接探测比较，其测量精度高107～108倍，它 的灵敏度达到了量子噪声限，可探测单个光子，进行光子 计数。
相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测系统要高。 因为相干接收时要求信号光和本地振荡光空间方向严格调 准。而背景光入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求， 于是就不能得到输出。所以相干探测自身有很好的空间滤 波性能，无需像直接探测那样在系统中加孔径光阑和滤光 片。
第10章相干探测
四、有利于微弱光信号的探测
i~ ph e P SP L P LP Sco sL[ (S)t(LS)] P LP Sco sL[ (S)t(LS)]
PS：平均信号光功率第10；章相干P探L测：平均本振光功率
隔掉直流、截止高频、保留中频
e iIF h P L P sc( oL sS )t (LS )
相干探测可解调强度调制、频率调制、位相调制的 光信号
•
光混频器输出光电流：
iP E t2(t)E s(t) E L (t)2
第10章相干探测
展开得：
iP
e h
Et2(t)
he[As
cos(st
s)AL
cos(Lt
L)]2
e h
AS2co2s(St S)AL2co2s(Lt L)
ASAL[cos(L S)tL S]
ASAL[cos(L S)tL S]
➢当偏振方向相同、传播方向平行且重合的两束光垂
直 另 ν一入S的束射和是到频频光(ν率混L为频+器νν上SS的)时、信，差号一频光束(，ν是光L频混-率ν频为S器)处ν可产L在的生频本输率振出ν光L。、，
➢ 但 极在 高，实其际远情远况超下出，相光干频探ν测L、系ν统S 的的频和率频响(ν应L范+ν围S。)
VIFiIFRL
PIFVRI2LF2hνe2PSPLRL 第10章相干探测
• 相干探测将光波振幅上所载的调制信号（频率为 ω电S流）上完。全无畸变地转移到频率为ωLS＝ωL －ωS 的
E S (t ) A 0 co S t s s) (n 1 m n 2 A 0 co S s n ) [ t (S n ) ]
iIF 2 h e P L P sc( oL sS )t (L S )
第10章相干探测
三、良好的滤波性能
在直接探测过程中，光探测器除接收信号光以外，杂散背 景光也不可避免地同时入射到光探测器上。为了抑制杂散 背景光的干扰，提高信号噪声比，一般都要在光探测器的 前面加上孔径光阑和窄带滤光片。
PIF 2第h10νe章相2干探P测SPLRL
§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
为简化分析，假设信号光和本振光均为平面波，夹角为θ， 探测器为正方形（边长为d），有：
iI( F t) e h ν d 2 A S A L co L s S ) t[ ( L S ] sc id 2 n
二、可获得全部信息——振幅、频率、位相
• 在直接探测中，光探测器输出的光电流随信号光的振幅或 强度的变化而变化，光探测器对信号光的频率或相位变化 不响应。
• 在相干探测中，光电探测器输出的中频光电流的振幅、频 率和相位都随信号光的振幅、频率和相位的变化而变化。 这使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。
在直接探测中光探测器输出的光电流正比于信号光的平均 光功率，即光探测器输出的电功率正比于信号光平均光功 率的平方。
Sp Ip2RL ehν2Ps2RL
在相干探测中光混频器输出的中频信号功率正比于信号光 和本振光平均光功率的乘积。通常，入射到光探测器上的 信号光功率是非常小的(尤其在远距离上应用，例如光雷达、 遥感、空间光通信等应用)，因而，在直接探测中光探测器 输出的电信号也是极其微弱的。在相干探测过程中，尽管 信号光功率非常小，但只要本振光功率足够大，仍能得到 可观的中频输出。相干探测对微弱光信号的探测特别有利。
2πsin S
第10章相干探测
θ↓，iIF(t)↑
0 d 0 2
sinc d 1
2
iIF(t)最大
实际中 0
可使
d 1 2
则
sin S
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量子相干态的产生与测量
量子相干态的产生与测量量子力学是研究微观世界的基本理论，它描述了微观粒子的行为和性质。
在量子力学中，相干态是一种特殊的量子态，它具有相对相位的确定性，可以在干涉实验中观察到明显的干涉效应。
相干态的产生和测量是量子信息科学中的重要课题，对于实现量子计算和量子通信具有重要意义。
相干态的产生可以通过多种方法实现，其中最常见的方法是利用光的干涉。
在实验室中，可以使用激光器产生相干光源，然后通过光学器件进行干涉操作，得到所需的相干态。
例如，通过将激光器的输出分为两束光，然后经过一系列的反射和透射，可以得到两束相干光。
这种方法可以产生高质量的相干态，被广泛应用于量子计算和量子通信实验中。
除了光的干涉，还可以利用原子的相互作用来产生相干态。
在冷原子实验中，可以通过调控原子之间的相互作用，实现原子的集体行为，从而产生相干态。
例如，可以通过激光冷却和磁光陷阱技术将原子冷却到极低的温度，然后利用原子之间的相互作用产生相干态。
这种方法可以产生大量的相干态，对于研究原子的量子行为具有重要意义。
相干态的测量是判断相干态是否存在以及测量相干态的性质的关键步骤。
在实验中，可以使用干涉仪进行相干态的测量。
干涉仪是一种可以将光进行干涉操作的光学器件，它由分束器、反射镜和探测器组成。
当相干光通过干涉仪时，会在探测器上产生干涉图样，通过测量干涉图样的强度分布和相位分布，可以得到相干态的信息。
除了干涉仪，还可以使用量子测量器进行相干态的测量。
量子测量器是一种可以测量量子态的性质的器件，它可以测量量子态的幅度、相位和纠缠等信息。
在实验中，可以使用超导量子比特作为量子测量器，通过调控量子比特之间的相互作用，实现对相干态的测量。
这种方法可以实现高精度的相干态测量，对于研究量子信息的基本原理具有重要意义。
总之，相干态的产生与测量是量子信息科学中的重要课题。
通过光的干涉和原子的相互作用，可以产生高质量的相干态。
通过干涉仪和量子测量器，可以测量相干态的性质。
非相干光处理ppt课件
31
衍射受限系统的OTF等于光瞳函数(即出射光瞳函数,简 称光瞳函数)的归一化自相关函数，即
H( ,)
P(di , di)
P(di , di)
P(u, v) 2 dudv
10.3.3
32
H( ,)
P(di , di)
P(di , di)
P(u, v) 2 dudv
10.3.3
由(10.3.3)式可知,根据系统所需的OTF设计光瞳函数,
但是多年的实践表明,相干处理系统的突出问题 是相干噪声严重,导致对系统元件提出较高要求,而 非相干处理系统由于其装置简单,又没有相干噪声, 因而再度受到广泛的重视.
2
10.1 相干与非相干光学处理
1O.1.1 相干与非相干光学处理的比较
我们把一张透明图像片作为一个线性系统的输 入,当用相干光照明它时,图片上每一点的复振幅
I t1( x, y)t2 ( x, y)dxdy
(10.2.1)
t1( x, y)
t2(x, y)
上图是实现这一运算的系统.透镜L2将tl以相等大小成像在t2上,而 透镜L3将透过t2的一个缩小像投射到探测器上.若使其中一张透 明片匀速运动,并把测量的光电流响应作为时间的函数,就可以实
现tl和t2的一维卷积.例如,让透明片t2按反射的几何位置放入,使 得(10.2.1)式变成
均在其输出面上产生相应的复振幅输出.整个输
出图像是这些复振幅的线性叠加,即
U(x, y) Ui(x, y)
i
3
U(x, y) Ui(x, y)
i
也就是合成复振幅满足复振幅叠加原则.然而人
眼、感光胶片或其它接收器可感知的是光强,即合
成振幅绝对值的平方
衍射受限系统的OTF等于光瞳函数(即出射光瞳函数,简 称光瞳函数)的归一化自相关函数，即
H( ,)
P(di , di)
P(di , di)
P(u, v) 2 dudv
10.3.3
32
H( ,)
P(di , di)
P(di , di)
P(u, v) 2 dudv
10.3.3
由(10.3.3)式可知,根据系统所需的OTF设计光瞳函数,
但是多年的实践表明,相干处理系统的突出问题 是相干噪声严重,导致对系统元件提出较高要求,而 非相干处理系统由于其装置简单,又没有相干噪声, 因而再度受到广泛的重视.
2
10.1 相干与非相干光学处理
1O.1.1 相干与非相干光学处理的比较
我们把一张透明图像片作为一个线性系统的输 入,当用相干光照明它时,图片上每一点的复振幅
I t1( x, y)t2 ( x, y)dxdy
(10.2.1)
t1( x, y)
t2(x, y)
上图是实现这一运算的系统.透镜L2将tl以相等大小成像在t2上,而 透镜L3将透过t2的一个缩小像投射到探测器上.若使其中一张透 明片匀速运动,并把测量的光电流响应作为时间的函数,就可以实
现tl和t2的一维卷积.例如,让透明片t2按反射的几何位置放入,使 得(10.2.1)式变成
均在其输出面上产生相应的复振幅输出.整个输
出图像是这些复振幅的线性叠加,即
U(x, y) Ui(x, y)
i
3
U(x, y) Ui(x, y)
i
也就是合成复振幅满足复振幅叠加原则.然而人
眼、感光胶片或其它接收器可感知的是光强,即合
成振幅绝对值的平方
直接探测和相干探测PPT课件
相干探测利用光信号的干涉原理，通过测量干涉条纹的数量、形状和变化来检测光 信号的强度、频率和相位信息。
相干探测需要将待测光信号与参考光信号进行干涉，通过检测干涉图样的变化来提 取光信号的参数。
相干探测技术能够提供高精度和高灵敏度的测量结果，因此在光学测量、光谱分析、 激光雷达等领域得到广泛应用。
相干探测的应用场景
直接探测
常用于短距离光纤通信和 局域网。
适用于高精度和低噪声应 用场景。
适用于高速数据传输和低 成本应用场景。
相干探测
常用于长距离光纤通信、 卫星光通信和光雷达等领
域。
优缺点比较
直接探测的优点
结构简单、成本低、实时性好； 缺点是精度较低，容易受到噪声 和干扰的影响。
相干探测的优点
精度高、抗干扰能力强；缺点是 需要本振光信号和复杂的干涉结 构，成本较高。
直接探测和相干探测ppt课件
目录
• 引言 • 直接探测技术 • 相干探测技术 • 直接探测与相干探测的比较 • 未来展望
01 引言
主题简介
直接探测和相干探测是光通信领域中 两种重要的信号检测方式，它们在原 理、应用和优缺点等方面存在显著差 异。
相干探测则利用光干涉原理，通过比 较输入光信号与本振光的干涉结果来 获取信息。
05 未来展望
技术发展趋势
01
02
03
探测技术不断升级
随着科技的进步，直接探 测和相干探测技术将不断 升级，提高探测精度和稳 定性。
智能化发展
未来探测技术将更加智能 化，能够自动识别和判断 目标，减少人工干预。
多模态融合
将不同探测方式进行融合， 形成多模态探测系统，提 高探测效率和准确性。
应用领域拓展
相干探测需要将待测光信号与参考光信号进行干涉，通过检测干涉图样的变化来提 取光信号的参数。
相干探测技术能够提供高精度和高灵敏度的测量结果，因此在光学测量、光谱分析、 激光雷达等领域得到广泛应用。
相干探测的应用场景
直接探测
常用于短距离光纤通信和 局域网。
适用于高精度和低噪声应 用场景。
适用于高速数据传输和低 成本应用场景。
相干探测
常用于长距离光纤通信、 卫星光通信和光雷达等领
域。
优缺点比较
直接探测的优点
结构简单、成本低、实时性好； 缺点是精度较低，容易受到噪声 和干扰的影响。
相干探测的优点
精度高、抗干扰能力强；缺点是 需要本振光信号和复杂的干涉结 构，成本较高。
直接探测和相干探测ppt课件
目录
• 引言 • 直接探测技术 • 相干探测技术 • 直接探测与相干探测的比较 • 未来展望
01 引言
主题简介
直接探测和相干探测是光通信领域中 两种重要的信号检测方式，它们在原 理、应用和优缺点等方面存在显著差 异。
相干探测则利用光干涉原理，通过比 较输入光信号与本振光的干涉结果来 获取信息。
05 未来展望
技术发展趋势
01
02
03
探测技术不断升级
随着科技的进步，直接探 测和相干探测技术将不断 升级，提高探测精度和稳 定性。
智能化发展
未来探测技术将更加智能 化，能够自动识别和判断 目标，减少人工干预。
多模态融合
将不同探测方式进行融合， 形成多模态探测系统，提 高探测效率和准确性。
应用领域拓展
(第十章)非相干光学处理1
(
)
10.2 基于衍射的非相干空间滤波系统
可得到式(10.2.11)的对称表达式 ∞ ∞ λ ff y λ ffx λ ff y λ ffx Hi fx , f y =∫ ∫ P′ ξ ′ + ,η′ + ,η′ P′ ξ ′ dξ dη 2 2 2 2 ∞ ∞
(
)
(10.2.12)
10.2 基于衍射的非相干空间滤波系统
非相干空间滤波系统是基本的非相干成像系统,它使用光学传 递函数来进行非相干空间滤波,其操作依靠衍射理论.图 10.2.1是一个用自发光物体的非相干空间滤波系统. S为自发光物,P(x,y)为光瞳透明物片,设物面的强度分布为 Io(x,y),成像面的强度分布为Ii(x,y),由衍射理论可知,其成 像规律遵从以下的强度卷积积分 P(x,y) Io(x,y) S f1 f2 Ii(x,y)
Chapter 10
第十章
InCoherent
Optical Information Processing
非相干光学信息处理
非相干光学处理是指采用非相干光照明的信息处理方法,系统 传递和处理的基本物理量是光场的强度分布.
10.1 光处理与非相干光处理的比较
相干光处理系统存在的不足
(1)相干光处理要求输出分布以波前复振幅的形式,这一要 求排除了阴极射线管或发光二极管阵列作为输出器件的使用. 这就要求把输入图像制成透明片,然后用激光照明. (2) 相干噪声和散斑噪声问题 在光学系统中(如透镜,反射镜和分束器等)不可避免地存在一 些缺陷,如:气泡,擦痕及尘埃,指印或霉斑等.当用相干光照明 时,这些缺陷将产生衍射,而这些衍射波之间又会互相干涉,从而 形成一系列杂乱条纹与图像重叠在一起,无法分开,这就是所谓相 干噪声.
第八章 外差(相干)探测系统
2 IF
上页 下页 后退
外差探测系统
经推导
2 2
对中频周期求平均
PIF = 4α Ps PL cos [ωIF t + (φL − φs ) ] ⋅ RL = 2α 2 Ps PL RL
在直接探测中，探测器输出的电功率为： 在直接探测中，探测器输出的电功率为：
PL = is2 RL = α 2 Ps2 RL
上页 下页 后退
外差探测系统
直接检测接收机框图
外差检测接收机框图
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外差探测系统
外差原理图
相干光通信系统
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外差探测系统
8.1.1 光频外差探测的实验装置
光频外差探测的实验装置， 光频外差探测的实验装置，即光频外差多普勒测速的原 理装置。 理装置。
CO2激本探 fs－fL
Es(t)=As cos(ωst+φs) EL(t)=AL cos(ωLt+φL)
由光电探测器的平方律特性， 由光电探测器的平方律特性，其输出光电流为
i = a[ Es (t ) + EL (t ) ]
上页
2
下页
后退
外差探测系统
i = α As2 cos2 (ωst +φs )
eη hv
功率的时变项， 功率的时变项， 相当于探测器 的频率响应非 光谱响应
中频光电流振幅、频率和相位都随信号光的振幅、 中频光电流振幅、频率和相位都随信号光的振幅、频率和 相位成比例变化；因此，振幅调制、频率调制、相位调制 相位成比例变化；因此，振幅调制、频率调制、 的光波所携带的信息，通过光频外差探测均可实现解调。 的光波所携带的信息，通过光频外差探测均可实现解调。
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外差探测系统
经推导
2 2
对中频周期求平均
PIF = 4α Ps PL cos [ωIF t + (φL − φs ) ] ⋅ RL = 2α 2 Ps PL RL
在直接探测中，探测器输出的电功率为： 在直接探测中，探测器输出的电功率为：
PL = is2 RL = α 2 Ps2 RL
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外差探测系统
直接检测接收机框图
外差检测接收机框图
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外差探测系统
外差原理图
相干光通信系统
上页 下页 后退
外差探测系统
8.1.1 光频外差探测的实验装置
光频外差探测的实验装置， 光频外差探测的实验装置，即光频外差多普勒测速的原 理装置。 理装置。
CO2激本探 fs－fL
Es(t)=As cos(ωst+φs) EL(t)=AL cos(ωLt+φL)
由光电探测器的平方律特性， 由光电探测器的平方律特性，其输出光电流为
i = a[ Es (t ) + EL (t ) ]
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后退
外差探测系统
i = α As2 cos2 (ωst +φs )
eη hv
功率的时变项， 功率的时变项， 相当于探测器 的频率响应非 光谱响应
中频光电流振幅、频率和相位都随信号光的振幅、 中频光电流振幅、频率和相位都随信号光的振幅、频率和 相位成比例变化；因此，振幅调制、频率调制、相位调制 相位成比例变化；因此，振幅调制、频率调制、 的光波所携带的信息，通过光频外差探测均可实现解调。 的光波所携带的信息，通过光频外差探测均可实现解调。
4.10 光频外差探测的基本原理
令
1
2 sin
S
则
ES t AS cos S t S 1x
入射到光混频器表面的总电场为
Et t ES t EL t
共23页 20
主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
于是光混频器输出的瞬时光电流为
2 sin iP t AS cos S t S x AL cos L L dxdy d / 2 d / 2 S
2．光谱滤波性能
在直接探测过程中，光探测器除接收信号光以外，杂散背景 光也不可避免地同时入射到光探测器上。为了抑制杂散背景光的 干扰，提高信号噪声比，一般都要在光探测器的前面加上孔径光 阑和窄带滤光片。相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测 系统要高。因为相干接受是要求信号光和本地振荡光空间方向严 格调准，而背景光的入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求， 于是就不能得到输出。 如果取差频信号宽度ωc / 2π =ωL-ωs /2π为信息处理器 的通频带Δf，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，外差探测系统中不需要加光谱滤光片，其效果甚至比加滤光 片的直接探测系统还好得多。
共23页 12
主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
对热噪声为主要噪声源的系统，要实现量子噪声限探测，满足
e 2 PL f IF RL 2kT f IF hv
由此得到
2kThv P L e 2 RL
S 若令 1 ，则可求得相干探测的噪声等效功率NEP值为 N IF
在中频滤波器输出端，瞬时中频电压为
VIF 2 AS AL RL cos L S t L S
1
2 sin
S
则
ES t AS cos S t S 1x
入射到光混频器表面的总电场为
Et t ES t EL t
共23页 20
主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
于是光混频器输出的瞬时光电流为
2 sin iP t AS cos S t S x AL cos L L dxdy d / 2 d / 2 S
2．光谱滤波性能
在直接探测过程中，光探测器除接收信号光以外，杂散背景 光也不可避免地同时入射到光探测器上。为了抑制杂散背景光的 干扰，提高信号噪声比，一般都要在光探测器的前面加上孔径光 阑和窄带滤光片。相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测 系统要高。因为相干接受是要求信号光和本地振荡光空间方向严 格调准，而背景光的入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求， 于是就不能得到输出。 如果取差频信号宽度ωc / 2π =ωL-ωs /2π为信息处理器 的通频带Δf，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，外差探测系统中不需要加光谱滤光片，其效果甚至比加滤光 片的直接探测系统还好得多。
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
对热噪声为主要噪声源的系统，要实现量子噪声限探测，满足
e 2 PL f IF RL 2kT f IF hv
由此得到
2kThv P L e 2 RL
S 若令 1 ，则可求得相干探测的噪声等效功率NEP值为 N IF
在中频滤波器输出端，瞬时中频电压为
VIF 2 AS AL RL cos L S t L S
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)
直接探测和相干探测
直接探测和相干探测概述直接探测和相干探测是两种常用的信号探测方法。
直接探测是通过直接测量信号的幅度或频率来判断信号的存在与否，而相干探测则是通过与参考信号进行干扰相消来提高探测性能。
本文将对这两种探测方法进行详细介绍，并对它们的优缺点进行讨论。
直接探测直接探测是一种简单直接的信号探测方法。
在直接探测中，我们直接测量信号的幅度或频率，并将其与一个预设的阈值进行比较。
如果信号的幅度或频率超过了阈值，则判定信号存在；否则，判定信号不存在。
直接探测在实际应用中非常常见，例如在无线通信中，接收机常常通过测量信号的功率来判断信道的质量。
另外，在雷达系统中，也可以使用直接探测来探测目标的存在。
然而，直接探测方法存在一些缺点。
首先，它对噪声非常敏感，噪声的存在往往会导致误判。
其次，直接探测方法通常无法提供对信号的相位信息的判断，这在某些应用中可能是十分重要的。
相干探测相干探测是一种基于相干性原理的信号探测方法。
在相干探测中，我们通过将接收到的信号与一个已知的参考信号进行干扰相消，从而提高探测性能。
相干探测的核心思想是利用干扰相消来减小噪声的影响，并提高信号与噪声之间的信噪比。
通过与参考信号进行相关运算，我们可以将信号的相位信息从噪声中提取出来，从而实现对信号的更准确的判断。
相干探测在很多应用中被广泛使用。
在通信系统中，相干解调可以大大提高接收机的性能。
在雷达系统中，相干处理可以提供目标的精确距离和速度信息。
然而，相干探测方法也存在一些限制。
首先，相干探测方法通常需要事先获得参考信号，这对于某些应用来说可能是十分困难的。
其次，对于复杂的信号，相干探测可能需要耗费大量的计算资源。
优缺点比较直接探测和相干探测具有不同的优缺点。
直接探测方法简单直接，适用于一些简单的探测问题。
然而，直接探测方法对噪声非常敏感，且无法提供对信号相位的判断。
相比之下，相干探测方法可以通过干扰相消来减小噪声的影响，并提高探测性能。
相干探测还可以提供对信号的相位信息的判断，这对于一些需要精确测量的应用非常重要。
第10章 相干探测
e iIF 2 h
PL Ps cos ( L S )t (L S )
三、良好的滤波性能
在直接探测过程中，光探测器除接收信号光以外，杂散背 景光也不可避免地同时入射到光探测器上。为了抑制杂散 背景光的干扰，提高信号噪声比，一般都要在光探测器的 前面加上孔径光阑和窄带滤光片。 相干探测系统对背景光的滤波性能比直接探测系统要高。 因为相干接收时要求信号光和本地振荡光空间方向严格调 准。而背景光入射方向是杂乱的，不能满足空间调准要求， 于是就不能得到输出。所以相干探测自身有很好的空间滤 波性能，无需像直接探测那样在系统中加孔径光阑和滤光 片。
四、有利于微弱光信号的探测
在直接探测中光探测器输出的光电流正比于信号光的平均 光功率，即光探测器输出的电功率正比于信号光平均光功 率的平方。 2
e 2 S p I RL Ps RL hν
2 p
在相干探测中光混频器输出的中频信号功率正比于信号光 和本振光平均光功率的乘积。通常，入射到光探测器上的 信号光功率是非常小的(尤其在远距离上应用，例如光雷 达、遥感、空间光通信等应用)，因而，在直接探测中光 探测器输出的电信号也是极其微弱的。在相干探测过程中， 尽管信号光功率非常小，但只要本振光功率足够大，仍能 得到可观的中频输出。相干探测对微弱光信号的探测特别 2 有利。 e
2
在同样信号光功率PS条件下，这两种探测方法所得到的信号 功率比G为
PIF 2 PL G SP PS
PL PS , G 107 ~ 108
二、可获得全部信息——振幅、频率、位相
• 在直接探测中，光探测器输出的光电流随信号光的振幅或 强度的变化而变化，光探测器对信号光的频率或相位变化 不响应。 • 在相干探测中，光电探测器输出的中频光电流的振幅、频 率和相位都随信号光的振幅、频率和相位的变化而变化。 这使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。
第10章 相干探测
As Ar cos[(ωr − ωs )t + (ϕr − ϕs )]}
<1010Hz
1014～1015Hz
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
8
光探测器输出的光电流
ip (t) = β E 2 (t) = β[Es (t) + Er (t)]2
β = eη
hv
= β{As2 cos2 (ωst + ϕs ) + Ar2 cos2 (ωrt + ϕr ) + As Ar cos[(ωr + ωs )t + (ϕr + ϕs )] + As Ar cos[(ωr − ωs )t + (ϕr − ϕs )]}
有高度的单色性和频率
稳定性。
如何获得单频光和稳频光？
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
16
为什么需要角准直？
探测器接收面上沿x方向各点的相位不同
信号光和本振光的波前在光混频器表面上 没有相同的位相关系
导致混频输出电流信号减小
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
17
为什么需要角准直？
探测器表面各点 相位相同时：
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
2
第10章 相干探测系统
10.1 相干探测原理 10.2 相干探测特性 10.3 影响相干探测灵敏度的因素
• 空间条件 • 频率条件
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
3
10.1 相干探测原理
信号光和参考光在满足波前匹配条件下在光电探测器上进行 光学混频。探测器输出的是两光波光频之差的拍频信号，该 信号包含有调制信号的振幅、频率和相位等特征。通过检测 拍频信号可以解调出被传送的信息。