直接探测和相干探测.ppt

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1、课程主要内容四大部分：,理论基础,光电信号变换与处理,光辐射源光电探测器,光电系统分析设计,主波,回波,光学信号变换,光电信号变换,激光脉冲测距原理示意图,电学信号变换,光电信号变换与处理,光学信号变换,光电信号变换与处理,光电信号变换,电学信号变换,教材第八章,教材第九章,教材第十章,人眼和探测器可以响应平均光功率,平方律器件,光电信号变换,光电探测器,光信号,电信号,光电信号变换,光电探测器,光信号,电信号,光的频率：10141015Hz,探测器响应频率1010Hz,光电信号变换,光电探测器,光信号,电信号,响应平均光功率,直接探测,响应光的频率,相干探测,光电信号变换,光电探测器,光信号

2、,电信号,入射光与探测器相互作用的物理过程,第09章 直接探测和相干探测,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,光电信号变换,9.1 直接探测,9.1.1直接探测的基本原理,9.1.3直接探测的应用举例,Drirect Detection，又称为非相干探测,装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测平均光功率（光强）,9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离,1.直接探测基本物理过程：,9.1.1直接探测的基本原理,光 波：,光功率：,1.直接探测基本物理过程：,9.1.1直接探测的基本原理,平方律器件：,光波：,光功率：,1.直接探测基本物理过程：,9.1.1

3、直接探测的基本原理,平方律器件：,光波：,光场包络的频率1010Hz,光场的频率10141015Hz,1.直接探测基本物理过程：,光电探测器响应光场包络,平方律器件：,9.1.1直接探测的基本原理,9.1.1直接探测的基本原理,设光栅的栅距P40m相对移动的速度V=1cm/s半导体激光器,波长=890nm,例1 比较光场频率和光强度信号的变化频率,光强度信号的变化频率f=250Hz,光场频率 v=?,2.直接探测系统的信噪比,1)信噪比定义：,电信号功率和电噪声功率之比,9.1.1直接探测的基本原理,2.直接探测系统的信噪比,9.1.1直接探测的基本原理,1)信噪比定义：,电流（电压）信噪比：

4、,功率信噪比：,2.直接探测系统的信噪比,9.1.1直接探测的基本原理,模拟信号系统：35，精度高时10100,信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标,数字脉冲系统：例如，光通信误码率10-9 要求信噪比20dB,2.直接探测系统的信噪比,9.1.1直接探测的基本原理,提高系统信噪比的基本途径：,光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜 应用光学,电学方法，如滤波、低噪声放大、弱信 号检测第十章,热力学方法，制冷降低探测器噪声,9.1.1直接探测的基本原理,光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜,例：红外探测系统,信号光电流、背景光电流和器件暗电流,热噪声,散粒噪声,2.直接探测系统的信噪比,2)直

5、接探测的信噪比极限：,以光电二极管为例,最理想情况，只有信号光电流引起的散粒噪声（忽略吗？）,直接探测的量子极限,2)直接探测的信噪比极限：,2.直接探测系统的信噪比,直接探测的量子极限,量子极限的另一种表达是：,直接探测的噪声等效功率,例：为1，f为1Hz，2h，已很接近单个光子的能量h。实际上，几乎不可能？,2)直接探测的信噪比极限：,2.直接探测系统的信噪比,物理学中“量子”的定义：,直接探测噪声等效功率,例：为1，f 为 1Hz，可探测 2hv,频率为v的电磁波的能量是一份一份的，一份最小的能量hv称为量子。,量子极限：,2.直接探测系统的信噪比,9.1 直接探测,9.1.1直接探测的

6、基本原理,9.1.3直接探测的应用举例,Drirect Detection，又称为非相干探测,装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测平均光功率（光强）,9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离,9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离,视场,dAd/f 2,光电探测器的视场角:,光电探测器,9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离,作用距离：,主动探测系统框图,被动探测系统框图,9.1.3直接探测的应用举例,激光制导、飞行物自动跟踪激光稳频、机器人视觉,几何量（长度、位移）表面形状参量（工件粗糙度、伤痕）光学参量（吸收、反射）电磁量（电流、电场、磁场）,应用于测量：,应用于控制：,特点

7、：信息加载辐通量（光强）,几何量（长度、位移）表面形状参量（工件粗糙度、伤痕）光学参量（吸收、反射）电磁量（电流、电场、磁场）,辐通量（幅度、频率、相位）,9.1.3直接探测的应用举例,例1.光电磁场测量,磁场光通量（幅度）,磁场,振动方向旋转角度,光通量幅度,9.1.3直接探测的应用举例,例2.光栅莫尔条纹测位移,t,精度已可达0.1m/m,位移光通量（频率）,9.1.3直接探测的应用举例,光通量的频率测量,光电转速表,光栅位移传感器,测“幅度”与“频率”方法，测量精度的比较：,现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法！,例3.光电测距,光电光波测距,发射光波,接收光波,距离光通量（相位）,9

8、.1.3直接探测的应用举例,第九章 直接探测和相干探测,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,光电信号变换,第09章 直接探测和相干探测,直接探测：（非相干探测）,相干探测：（光学外差探测）,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）。,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。,9.2 相干探测,9.2.1 相干探测的基本原理,9.2.2 相干探测的条件,9.2.3 相干探测的应用举例,Coherent Detection,又称为光外差探测,1.相干探测的物理过程,原理框图,信号光s（本地、异地）参考光r,双频光波：,9

9、.2.1 相干探测的基本原理,1.相干探测的物理过程,原理框图,9.2.1 相干探测的基本原理,波前匹配条件：,空间条件频率条件偏振条件,1.相干探测的物理过程,原理框图,9.2.1 相干探测的基本原理,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，APD,光学混频器：,1.相干探测的物理过程,1)相干探测的输出信号,信号光,参考光,和 角,差 角,积,1.相干探测的物理过程,1)相干探测的输出信号,信号光,参考光,平方律探测器光混频输出Ihs为：,10141015Hz,1010Hz,1.相干探测的物理过程,1)相干探测的输出信号,探测器、放大器滤波器（

10、中频输出）,1.相干探测的物理过程,1)相干探测的输出信号,探测器、放大器滤波器（中频输出）,相干探测拍频信号输出（虚拟波形演示）,相干探测拍频信号输出（虚拟波形演示）,相干探测拍频信号输出（虚拟波形演示）,相干探测拍频信号输出（虚拟波形演示）,1.相干探测的物理过程,1)相干探测的输出信号,探测器、放大器滤波器（中频输出）,相干探测拍频信号输出,信 息,1.相干探测的物理过程,1)相干探测的输出信号,特例：单频双光束干涉（频差为0）,讨论：相干探测的实质,1.平方律探测器,2.频率搬移,10141015Hz,1010Hz,光学混频器,1.相干探测的物理过程,光电系统相干探测,混频器,选通放大

11、器,观察仪器,高频示波器,频谱分析仪,外差接收,v，1041010Hz,s,r,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,光外差探测,1.相干探测的物理过程,2)调制信号的探测,2.相干探测的基本特性,9.2.1 相干探测的基本原理,相干探测优点：（与直接探测对比）,探测能力强,转换增益高,信噪比高,滤波性好,稳定性和可靠性高,相干探测优点：,探测能力强,直接探测光的强度：as2,振幅,相位,频率,2.相干探测的基本特性,光波的,相干探测优点：,转换增益高,rs G107108,外差探测,直接探测,2.相干探测的基本特性,相干探测优点：,信噪比高,相干探测：,直接

12、探测：,仅考虑信号光引起的散粒噪声限制,相干探测信噪比高？,2.相干探测的基本特性,信号光电流、背景光电流和器件暗电流,热噪声,散粒噪声,仅考虑信号光电流引起的散粒噪声：,直接探测的信噪比：,2.相干探测的基本特性,外差探测：,直接探测：,仅考虑信号光引起的散粒噪声限制，即,外差探测比直接探测更容易满足条件,相干探测信噪比高？,2.相干探测的基本特性,相干探测优点：（与直接探测对比）,探测能力强,转换增益高,信噪比高,滤波性好（空间滤波和光谱滤波）,稳定性和可靠性高,9.2.2 相干探测的条件,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,满足波前匹配条件：,1相干探测空间条件,

13、信号光和本振光在空间上的角准直,失配角：,9.2.2 相干探测的条件,例：光电探测器的尺寸d为lmm，当s0.63m时,1相干探测空间条件,为什么需要角准直？,探测器接收面上沿x方向各点的相位差不同：,9.2.2 相干探测的条件,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,为什么需要角准直？,探测器表面各点相位相同时：,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,1相干探测空间条件,信号光和本振光在空间上的角准直：,例：d=1mm，s0.6328m,失配角：,可以证明：,9.2.2 相

14、干探测的条件,1相干探测空间条件,信号光和本振光在空间上的角准直：,例：d=1mm，s0.6328m,失配角：,可以证明：,空间准直：条件苛刻 空间滤波,9.2.2 相干探测的条件,2相干探测频率条件,混频器,选通放大器,观察仪器,高频示波器,频谱分析仪,外差接收,v，1041010Hz,信号光和本振光的频率漂移？,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,专门措施：,9.2.2相干探测的条件,3相干探测偏振条件,平方律探测器光混频输出Ihs为：,“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,9.2.2相干探测的条件,9.2.2 相干探测

15、的条件,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,满足波前匹配条件：,相干探测与直接探测相比？,9.2 相干探测,9.2.1 相干探测的基本原理,9.2.2 相干探测的条件,9.2.3 相干探测的应用举例,Coherent Detection,又称为光外差探测,9.2.3 相干探测的应用举例,相位调制,频率调制,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，,9.2.3 相干探测的应用举例,2.激光多普勒测速,3.CO2激光外差通信,1.激光干涉测量,1.激光干涉测量,1)单频激光测长,信号

16、光,参考光,单频,1)单频激光测长,信号光,参考光,单频,位移l,1.激光干涉测量,1)单频激光测长,例：取n=1,测量镜位移时观察到探测器的输出为：,l=?,1.激光干涉测量,1)单频激光测长,信号光,参考光,位移l,局限性：不能判别移动方向,1.激光干涉测量,1)单频激光测长,光电探测器4,5相位差为/2,参考光,信号光,判别移动方向：“参照物”,1.激光干涉测量,1)单频激光测长,判别移动方向：“参照物”,1.激光干涉测量,正反移动方向波形,1)单频激光测长,信号光,参考光,缺点：空气的折射率n与当时的环境温度、湿度 及气压等因素有关，影响测量精度,2.双频激光测长,1.激光干涉测量,2

17、)双频激光测长,双频激光干涉仪,双频激光,检偏器,滤波片,信号光,参考光,1.激光干涉测量,2)双频激光测长,双频激光干涉仪,光学差频信号,1.激光干涉测量,2)双频激光测长,光学差频信号:,积分器波数:,位移测量公式：,位移与空气的折射率n无关！,1.激光干涉测量,2)双频激光测长,双频激光干涉仪,频差为150MHz，激光稳频精度为108时，测长精度0.1m,3.二维干涉图测量,1.激光干涉测量,3)波前调制相位与二维干涉图分析,表面形状分布,二维光强分布,亮条纹,扩束,1.激光干涉测量,3)波前调制相位与二维干涉图分析,物面凹凸 不平程度,相位分布,基本思路：,亮条纹,二维 干涉图样,1.

18、激光干涉测量,表面形状分布,二维光强分布,亮条纹,动态检测：精度/100,静态检测：精度/20,二次相位调制,3)波前调制相位与二维干涉图分析,1.激光干涉测量,一次相位调制,二次相位调制,3)波前相位调制与二维干涉图分析,1.激光干涉测量,使参考光相位人为地随时间调制 二次相位调制,信号光相位受到被测物理量的调制称为 一次相位调制,二次相位调制的定义,3)波前相位调制与二维干涉图分析,1.激光干涉测量,静止干涉图样,亮条纹,光学相位分布，计算机界面上是一幅静止的画面 静态检测,光学相位分布变换为时序电信号相位动态检测,一次相位调制：,二次相位调制：,（照相机）,（摄像机）,3)波前相位调制与

19、二维干涉图分析,1.激光干涉测量,3)二维干涉图测量,二次相位调制的实现途径,二次相位调制,移动参考镜,压电陶瓷：伸长（缩短）量 l=kU Lr,参考镜,例：阶梯波扫描干涉法,3)二维干涉图测量,阶梯波扫描时的干涉图：,干涉图样：,时序信号：,t,I,3)二维干涉图测量,阶梯波扫描时的干涉图：,干涉图样：,时序信号：,t,I,3)二维干涉图测量,例 阶梯波扫描干涉法,物面凹凸 不平程度,相位分布,3)二维干涉图测量,基本思路：,亮条纹,二维 干涉图样,只分析一维的情况,干涉面上任一点x的光强度：,将上式看作是r的余弦函数,I(x,r)as2(x)+ar2+2as(x)arcoss(x）cosr

20、+2as(x)arsins(x）sinr,求解s表达式（1）,3)二维干涉图测量,每次改变1/n周期,采样p个周期,令r在2周期内每次改变1/n周期，共采样p个周期，即,求解s表达式（2）,3)二维干涉图测量,每次光电测量数值,求解s表达式（3）,3)二维干涉图测量,求解s表达式（4）,3)二维干涉图测量,9-73，9-78式物理意义,i.干涉面上任意一点x的光强分布都可以展开为参考光相位r的时序调制，即可将干涉空间图转换为时序信号：,ii.被测光信息的相位s(x)可由下式计算得出，并由此确定面形的凹凸程度：,3)二维干涉图测量,如何得到相位分布：,光强空间分布,10241024CCD面阵,光

21、强取样,N X P次测量,数据平均,计算机曲线拟合,相位分布,3)二维干涉图测量,干涉图样,亮条纹,静态检测（精度/20）,动态检测（精度/100）,一次相位调制：,二次相位调制：,二次相位调制技术为干涉测量开辟了实时、数字式和高分辨率的新途径！,1.激光干涉测量,3)波前相位调制与二维干涉图分析,动态检测（精度/100）,二次相位调制：,1.激光干涉测量,激光陀螺：,基片0.08nm,膜片0.8nm,双频平面干涉法,3)波前相位调制与二维干涉图分析,1.激光干涉测量,一种改进的泰曼-格林干涉仪,双频平面外差干涉测量系统,单频平面干涉/100双频平面干涉/1000,3)波前相位调制与二维干涉图

22、分析,9.2.3 相干探测的应用举例,2.激光多普勒测速*,3.CO2激光外差通信,1.激光干涉测量,9.2.3 相干探测应用举例,3.CO2激光外差通信,光通信,光纤通信,大气光通信,半导体激光器强度调制直接探测,CO2激光器光波频率或相位调制相干探测,9.2.3 相干探测的应用举例,CO2激光外差通信,频率或者相位调制 相干探测 外层空间星际通信,9.2.3 相干探测的应用举例,光纤通信,强度调制 直接探测 应用,相干探测,9.2.3 相干探测的应用举例,相干探测可用于光纤通信中波分复用 接收解调,发送端,接收端,1,2,n,强度调制,强度调制,强度调制,复用,相干接收,相干接收,相干接收

23、,1,2,n,光纤,9.2.3 相干探测的应用举例,Michelson干涉光纤水听器,光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。,9.3 探测方法的改进*,9.3.1 平衡探测,灵敏度提高一倍,9.3 探测方法的改进*,9.3.2 光前置放大器,光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器,作用：全光通信；直接探测具有相干探测的灵敏度,激光,本章小结：,1.直接探测是用探测器直接测量光强度（光通量）信息，噪声等效功率极限,该方法设备简单，对光源的相干性无要求。像分析器,实际中很难达到,2.相干探测是利用信号光和本征光在探测器上混合产生拍频信号来测量光波的幅度、频率和相位等信息，噪声等效功率极限,实际中容易达到,信噪比高、滤波性好等优点，要求满足空间、频率和偏振条件，设备较复杂，要求光源相干性好。,相位调制检测（单一频分光，干涉测量）,频率调制检测（运动参量、固定频移和直接调频）,