第10章 相干探测(1)
直接探测与相干探测(华科)
5.4 直接探测与相干探测直接探测和相干探测¾光－电信号变换直接探测（平均光功率）相干探测（光的波动参数）探测方法的改进(1) 直接探测基本物理过程：平方律器件：s s s s ()sin()E t a t ωϕ=+光波：光功率：人眼和探测器可以响应平均光功率2)(ss a t ∝Φ2)(ss a t S I ∝Φ=1. 直接探测的基本原理例1. 光电磁场测量磁场振动方向旋转角度光通量幅度磁场－－光通量（幅度）光电转速表光栅位移传感器光通量的频率测量例3. 光电测距发射光波接收光波距离－－光通量（相位）002/==t D c ϕωω相干探测－－Coherent Detection－－又称为光外差探测1. 相干探测的基本原理2. 相干探测的条件3. 相干探测的应用举例信号光ωs （异地）参考光ωr （本地）双频（不同光波长）光波：以一般情况为例：在同一方向上传播、振动方向相同、振幅不同、频率差相差很小的两束单色光带通滤波相速度群速度相干探测_拍频信号的调制(2) 相干探测的基本特性相干探测优点：（与直接探测对比）¾探测能力强¾转换增益高¾信噪比高¾滤波性好¾稳定性和可靠性高2. 相干探测的条件满足波前匹配条件：(1) 相干探测空间条件(2) 相干探测频率条件(3) 相干探测偏振条件探测器表面各点不同时：输出电流信号－－减小)ϕ处处不相等ϕΔ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导致混频输出电流信号减小失配角：失配角：69′′′≤θ33′′≤θ对长波探测有利3. 相干探测的应用举例－－相位调制（光程差检测）－－频率调制⎩⎨⎧≠=−=Δs s r s 00v v v v ，，ϕ干涉测量相干通信精密测长、测距、测速、测振动、测力、测应变、光谱分析，······外层空间特别是卫星之间通信、光纤通中波分复用接收解调，······)]()cos[(2r s r s r s hs t a a S I ϕϕωωω−+−⋅=Δ(2) 激光多普勒测速(3) CO 2激光外差通信(1) 激光干涉测量)]()cos[(2r s r s r s hs t a a S I ϕϕωωω−+−⋅=Δ参考光信号光1)单频激光测长光电探测器4,5相位差参考光信号光判别移动方向：－－“参照物”44•激光干涉测长仪的光路设置1.激光器2.透镜3.小孔光阑4.透镜5.反射镜6.反射棱镜7.位相板8.角锥反射棱镜9．分束镜10.角锥反射棱镜11.透镜12. 光阑13.光电探测器14. 透镜15.光阑16.光电探测器移相＋π/2B 路A 路A1路A2路B1路B2路路路路路路路路路路路正向移动：•反向移动：位移长度为：47判别移动方向：－－“参照物”正反移动方向波形参考光信号光缺点：空气的折射率n与当时的及气压等因素有关，影响测量精度双频激光干涉仪。
外差(相干)探测系统 2013.4.26
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
直接探测和相干探测PPT课件
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
相干探测激光雷达工作原理
相干探测激光雷达工作原理
嘿呀！今天咱们来聊聊相干探测激光雷达的工作原理，这可真是个超酷的话题呢！
首先呀，咱得知道啥是相干探测激光雷达。
哇！简单来说，它就是一种超级厉害的测量工具。
那它到底咋工作的呢？1. 发射激光哎呀呀，它会发射出特定频率和波长的激光束，这束光就像个勇敢的小战士，勇往直前呀！2. 遇到目标这束光跑出去后，碰到目标物啦，比如说建筑物、车辆或者其他啥东西。
3. 反射回来然后呢，光被目标物反射回来。
4. 相干检测这时候关键的步骤来啦，相干检测！这就像是一场精准的比对。
反射回来的光和原本发射出去的光相互作用，产生干涉现象。
哎呀呀，这干涉现象可太重要啦！
为啥说重要呢？因为通过对干涉信号的分析，我们就能得到好多超级有用的信息呀！比如说目标物的距离、速度、形状，哇塞！这可太神奇了不是吗？
再深入讲讲，相干探测激光雷达在测量距离的时候，那精度高得让人惊叹！它是怎么做到的呢？哎呀，这就涉及到对光的频率、相位等等的精细分析啦。
通过这些分析，哪怕是极其微小的距离变化，都能被准确地检测出来呢！
还有哦，相干探测激光雷达在测量速度的时候，也是厉害得不行！它能根据多普勒效应，准确地算出目标物的速度。
哇！这在交通监测、航空航天等领域，可发挥了大作用啦！
总之呢，相干探测激光雷达的工作原理虽然有点复杂，但是真的超级厉害呀！它为我们的生活带来了好多便利和创新，难道不是吗？未来，说不定它还会有更让人惊喜的发展呢！。
相干探测原理
相干探测原理相干探测原理是一种利用光的干涉现象来实现测量的原理。
它是基于光的相干性原理，通过测量光的相位差来获得待测量的信息。
相干探测原理在物理、光学、电子学等领域都有广泛应用。
在相干探测原理中，首先需要明确什么是光的相干性。
光的相干性是指光波之间存在一定的相位关系。
一个相干光源发出的光波是有规律的波动，不同光波之间的相位差保持不变、可测量。
当两束或多束光波相遇时，它们会发生干涉现象。
根据干涉光变化的特点，可以利用光的相干性来进行测量。
相干探测原理的核心是利用干涉现象来测量待测物理量的变化。
对于光干涉现象而言，待测物理量的变化会引起干涉光强的改变，进而通过测量光的强度变化来得知待测物理量的变化。
常见的相干探测原理有干涉仪和光纤干涉传感技术。
干涉仪是利用光的干涉现象来实现测量的一种仪器。
它由光源、分束器、反射镜、合束器、光学路径和光探测器等组成。
当光通过分束器后分成两束光，并分别经过不同的光学路径后再次相遇时，会发生干涉现象。
根据干涉光强的变化来测量待测物理量的变化。
光纤干涉传感技术是一种基于光纤和干涉原理的测量技术。
它利用光纤的传导特性和光的干涉现象来实现对物理量的测量。
光纤干涉传感技术具有体积小、反应迅速、抗干扰能力强等优点，广泛应用于光纤传感、光纤通信等领域。
相干探测原理在现代科学和技术中有着广泛的应用。
无损检测领域中常使用相干探测原理进行材料的缺陷检测；光学仪器领域中，干涉仪被广泛应用于光学测量、光波导等领域的研究中；激光干涉测量技术通过相干探测原理实现了高精度、非接触的测量等。
相干探测原理是一种利用光的相干性和干涉现象来实现测量的原理。
它在物理、光学、电子学等领域有着广泛的应用，并在现代科学和技术中发挥着重要的作用。
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)
第八章 外差(相干)探测系统
}
后退
和频频率太高， 和频频率太高，光混频 器不响应， 器不响应，故均值为零
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外差探测系统
从数学运算和相应物理过程考虑， 从数学运算和相应物理过程考虑，用平均信号光功率 Ps和平均本振光功率 L表示： 和平均本振光功率P 表示; Ps PL cos ωIF t + (φL − φs ) 2 2
∞ Es ( t ) = A0 1 + ∑ cos ( Ωn + φn ) cos(ωst + φs ) 调幅系数 n=1 ∞ mn A0 = A0 cos(ωst + φs ) + ∑ cos (ωs + Ωn ) t + (φs + φn ) 2 n =1 ∞ mn A0 +∑ cos (ωs − Ωn ) t + (φs − φn ) 2 n =1
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
若调幅信号光E 与本振光 与本振光E 相干后，瞬时中频电流为： 若调幅信号光 s(t)与本振光 L(t) 相干后，瞬时中频电流为：
iIF = α A0 AL cos (ωL −ωs ) t + (φL −φs ) mn A0 +α AL ∑ cos (ωL −ωs −Ωn ) t + (φL −φs −φn ) 2 n=1 ∞ mn A0 +α AL ∑ cos (ωL −ωs +Ωn ) t + (φL −φs +φn ) 2 n=1
激光器在相干探测中的应用
激光器在相干探测中的应用英文回答：Laser technology has found numerous applications in the field of coherent detection. Coherent detection refers to the process of extracting information from a signal by preserving its phase and amplitude coherence. This technique is widely used in various fields such as telecommunications, remote sensing, and interferometry. In this response, I will discuss some of the applications of lasers in coherent detection.One of the main applications of lasers in coherent detection is in optical communications. Lasers are used as the light source in fiber optic communication systems. The coherent detection technique allows for high-speed andlong-distance transmission of information through optical fibers. By using lasers, we can achieve high power and narrow linewidth, which are essential for efficient transmission and low signal loss. The coherent detectionalso enables the use of advanced modulation formats such as quadrature amplitude modulation (QAM), which significantly increases the data transmission rate.Another application of lasers in coherent detection isin remote sensing. Laser-based remote sensing techniques, such as LIDAR (Light Detection and Ranging), utilize lasers to measure the distance, speed, and other properties of remote objects. By emitting laser pulses and measuring the time it takes for the reflected light to return, LIDAR systems can create high-resolution 3D maps of the environment. This technology is widely used in atmospheric studies, mapping, and even autonomous vehicles for obstacle detection and navigation.Laser interferometry is another important applicationof lasers in coherent detection. Interferometry is a technique that utilizes the interference of light waves to make precise measurements. Lasers are used as the light source in interferometers to create coherent beams of light. Interferometers can measure physical quantities such as length, displacement, and vibration with high accuracy. Forexample, in gravitational wave detectors, lasers are usedin interferometers to detect the tiny ripples in spacetime caused by distant cosmic events.In addition to these applications, lasers are also used in holography, spectroscopy, and various scientificresearch fields. The coherent detection provided by lasers allows for accurate measurements and analysis of signalsand phenomena.中文回答：激光技术在相干探测领域中有着广泛的应用。
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《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
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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。
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2．相干探测频率条件
混频器
选通 放大器
观察仪器
△v，104～1010Hz
高频示波器 频谱分析仪 外差接收
信号光和本振光的频率漂移？？？
专门措施： 采用高单色性和频率稳定度的激光源
两束光取自同一激光器，由频偏取得本振光
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3．相干探测偏振条件
11
光电系统－－相干探测 －－光外差探测
νs
混频器
νr选Βιβλιοθήκη 放大器观察仪器△v，104～1010Hz
高频示波器 频谱分析仪 外差接收
无线电－－外差接收
高频载波 本机振荡
混频
中频信号
解调
音频 图像信息
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10.2 相干探测的特点
可获得全部信息：不仅可探测振幅和强度 调制的光信号，还可探测频率调制及相位 调制的光信号，即在光探测器输出电流中 包含有信号光的振幅、频率和相位等全部 信息。
As Ar cos[(ωr − ωs )t + (ϕr − ϕs )]}
<1010Hz
1014～1015Hz
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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 )]}
第一、二项位余弦函数平方的平均值，=1/2；
第三项（和频）频率太高，光混频器不响应；
第四项（差频）相对光频，频率要低得多。
当(ωL − ωs ) / 2π = ωc / 2π 低于光电探测器截至频 率时，光探测器就有频率为ωc / 2π 的光电流输出。
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差如频果信把号信是号由的具测有量恒限定制频在率差（频近的于通单常频范）围和内恒， 定外则的差相瞬可探位时以测的中得。相频到电干通流光过为混以频ωc得为到中，心只频有率激的光带才通能滤实波现器
探测器表面各点 相位不同时：
输出信号－－最大值 输出信号－－减小
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1．相干探测空间条件
－－信号光和本振光在空间上的角准直：
可以证明：
sinθ << λs πd
例：d=1mm， λs＝0.6328μm
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空间准直： －－条件苛刻 －－空间滤波
失配角： θ << 41''
平方律探测器光混频输出Ip为：
ip (t) = β E 2 (t) = β[Es (t) + Er (t)]2 = 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 )]}
转换效率高：转换增益可高达107-108，对 微弱信号的探测有利。
G = 2Pr Ps
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良好的滤波性能
取差频信号为信号处理器的通频带，可以
过滤频带外的杂散光，而直接探测中，所
有的杂散光都被接收。 信噪比损失小 检测灵敏度高
SNR = ηPs
hv∆f
NEP = hv∆f
ic (t) = βAs Ar cos[(ωr − ωs )t + (ϕr −ϕs )]
信息
∆ω = ωs − ωr ∆ϕ = ϕs − ϕr
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差如频果信把号信是号由的具测有量恒限定制频在率差（频近的于通单常频范）围和内恒， 定外则的差相瞬可探位时以测的中得。相频到电干通流光过为混以频ωc得为到中，心只频有率激的光带才通能滤实波现器
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6
基本原理
设入射到检测器上的信号光场为
Es (t) = As cos(ωst + ϕs )
本机振荡光场为
Er (t) = Ar cos(ωrt + ϕr )
入射到检测器上的总光场为
E(t) = As cos(ωst + ϕs ) + Ar cos(ωrt + ϕr )
双频光波：
信号光ωs （本地、异地） 参考光ωr
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10.1 相干探测原理
波前匹配条件：
空间条件 频率条件 偏振条件
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10.1 相干探测原理
光学混频器：
采用平方律探测器： （只响应平均功率） 高灵敏度、高频响应、量子效率 PMT，PIN-PD，A_PD
有高度的单色性和频率
稳定性。
如何获得单频光和稳频光？
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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
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为什么需要角准直？
探测器表面各点 相位相同时：
光－电信号变换
直接探测 （平均光功率） 相干探测 （光的波动参数） 探测方法的改进
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1
直接探测：（非相干探测）
装置简单，光源为相干光源或非相干光 源，只能探测光功率（光强）。
相干探测： （光学外差探测）
装置复杂，光源必须为相干光源，间接 探测光波的振幅、频率和相位等参数。
“代数和” ？
信号光与本振光的偏振方向一致
加检偏器－－获得偏振方向一致
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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 )] +
ic (t) = βAs Ar cos[(ωr − ωs )t + (ϕr −ϕs )]
瞬时中频电压为
Vc (t) = βAs Ar RL cos[(ωr − ωs )t + (ϕr − ϕs )]
输出的有效中频功率为
Pc
= Vc2 RL
=
2 eη
hv
2
Ps
Pr
RL
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η
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系统对探测器性能的要求
响应频带宽 均匀性好 工作温度高
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10.3 相干探测的空间条件和频率条件
空间条件： sin θ
<<
λL πl
波长越短或口径越大，
要求失配角越小，越难
满足要求。
频率条件：
要求信号光和本振光具