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
2
2、光谱滤波性能
取差频信号宽度为信息处理器的通频带
f ( ) / 2 f f
L S L
S
外差检测系统相当于一个低通滤波器， 可以有效的抑制噪声。 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 射后回波的多卜勒频率fS为
2
当本征功率PL足够大时 P SNR P S hf 光外差探测的量子探测极限或量子噪声限。
当热噪声是主要噪声源时，量子噪声限 探测的条件为：
e R L P f 2 KT f L h
2
即
2KTh P L e2RL
NEP hvf
最小可探测功率

当η=1，Δf=1时
fS为信号光波，fL为本机振荡（本振）光波
外差探测的实验装置
信号光场为:
f t A cos t S S S S
f t A cos t L L L L
本机振荡光场为:

干涉光场为：
f t A cos t A cos t S S S L L L
2
A A cos t A A cos t S L L S S L S L L S L S


e /h ：光电变换比例常数； ：量子效率 ； h ：光子能量； C L S 称为差频
当差频低于光探测器的截止频率时，光探 测器就有频率为ω c/2π的光电流输出。 带通滤波器的瞬时中频电流为：
瞬时中频信号电压为： V A A R cos
i t A A cos t C S L L S L S
光导探测器G＝0～1000；对于光伏探测器 G＝1；对于光电倍增管G在106以上。
e P 2 M e P P P I fR 4 KT f n S B L d L h
2
噪声:
功率信噪比为:
e P R M P S L L h SNR P e 2 M e P P P I fR 2 KT f S B L d L h


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
6.2 光外差探Байду номын сангаас特性
1、转换增益
P 转换增益定义为： G C P0 光外差检测中频输出有效信号功率为
e P P C 2 SP LR L h
2
直接检测探测器输出的电功率为 所以有：
C S L L LS LS
中频输出有效信号功率：
V e 其中 P 2 R P C SP L L 2 R h L P L A L /2
2 C 2
P S A /2
2 S
当ω1= ω2时
i t A A cos C S L L S
称为零差探测。 检测时，检测的是差频信号，它包含了 信号的振幅和相位。当使用具有稳定频 率和相位差的光源（相干光源）时，即 可得到稳定的差频输出。

光探测器的光电流为：
i t f t f t f t p S L
2
2 i t f t f t f t p S L 2 2 2 2 2 A cos t A cos t S S S L L L
NEP hv单光子计数
5、光外差探测系统对探测器性能的要求
系统性能主要取决于探测器的性能。 1．响应频带宽 被测两动态范围宽，使得要求探测器的响应 范围也相当宽。 2．均匀性好 探测器的光电性能在整个光敏面上都能保持 一致。 3．工作温度高 实用性考虑。
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