第09章直接探测和相干探测PPT讲稿.ppt

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1、第09章直接探测和相干探测第1页，共113页，编辑于2022年，星期一测距测距计时计时器器放大、滤波、放大、滤波、比较比较主波主波回波回波光学信号变换光学信号变换光电信号变换光电信号变换激光脉冲测距原理示意图激光脉冲测距原理示意图电学信号变换电学信号变换光电信号变换与处理光电信号变换与处理第2页，共113页，编辑于2022年，星期一光学信号变换光学信号变换 光电信号光电信号变换与处理变换与处理光电信号变换光电信号变换电学信号变换电学信号变换教材第八章教材第八章教材第九章教材第九章教材第十章教材第十章第3页，共113页，编辑于2022年，星期一人眼和探测器人眼和探测器可以可以响应平均光功率响应平

2、均光功率平方律器件平方律器件光光电电信号变换信号变换 光电光电探测器探测器光信号光信号电信号电信号第4页，共113页，编辑于2022年，星期一光光电电信号变换信号变换 光电光电探测器探测器光信号光信号电信号电信号光的频率：光的频率：10141015Hz 探测器响应频率探测器响应频率1010Hz 第5页，共113页，编辑于2022年，星期一光电信号变换光电信号变换 光电光电探测器探测器光信号光信号电信号电信号响应平均光功率响应平均光功率 直接探测直接探测响应光的频率响应光的频率 相干探测相干探测第6页，共113页，编辑于2022年，星期一光光电电信号变换信号变换 光电光电探测器探测器光信号光信号

3、电信号电信号入射光与探测器相互作用的物理过程入射光与探测器相互作用的物理过程 第7页，共113页，编辑于2022年，星期一第第0909章章 直接探测和相干探测直接探测和相干探测 直接探测直接探测 （平均光功率）（平均光功率）相干探测相干探测 （光的波动参数）（光的波动参数）探测方法的改进探测方法的改进光电信号变换光电信号变换第8页，共113页，编辑于2022年，星期一9.1 9.1 直接探测直接探测9.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理9.1.3直接探测的应用举例直接探测的应用举例Drirect Detection，又称为非相干探测，又称为非相干探测装置简单，光源为装置简单，光源为相干

4、光源相干光源或或非相干光源非相干光源，只能探测平均只能探测平均光功率（光强）光功率（光强）9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离直接探测系统的视场和作用距离第9页，共113页，编辑于2022年，星期一1.1.直接探测基本物理过程：直接探测基本物理过程：9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理光光 波：波：光功率：光功率：第10页，共113页，编辑于2022年，星期一1.1.直接探测基本物理过程：直接探测基本物理过程：9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理平方律器件：平方律器件：光波：光波：光功率：光功率：第11页，共113页，编辑于2022年，星期一1.1.

5、直接探测基本物理过程：直接探测基本物理过程：9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理平方律器件：平方律器件：光波：光波：第12页，共113页，编辑于2022年，星期一光场包络光场包络的的频率频率1010Hz 光场光场的频率的频率10141015Hz 1.1.直接探测基本物理过程：直接探测基本物理过程：光电探测器光电探测器响应光场包络响应光场包络平方律器件：平方律器件：9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理第13页，共113页，编辑于2022年，星期一9.1.19.1.1直接探测的基本原理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

6、光器,波长=890nm例例1 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=?第14页，共113页，编辑于2022年，星期一2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比1)信噪比定义：信噪比定义：电电信号功率和信号功率和电电噪声功率之比噪声功率之比 9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理第15页，共113页，编辑于2022年，星期一2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理1)信噪比定义：信噪比定义：电流（电压）信噪比：电流（电压）信噪比：功率信噪比：功率信噪比：第16页，共11

7、3页，编辑于2022年，星期一2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理模拟信号系统：模拟信号系统：35，精度高时精度高时10100信噪比信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个重是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标要指标 数字脉冲系统：数字脉冲系统：例如，光通信误码率例如，光通信误码率10-9 要求信噪比要求信噪比20dB第17页，共113页，编辑于2022年，星期一2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理提高系统信噪比的基本途径：提高系统信噪比的基本途径：光学方法光学方法

8、，如场镜、光锥、浸没透镜如场镜、光锥、浸没透镜 应用光学应用光学电学方法电学方法，如滤波、低噪声放大、弱信如滤波、低噪声放大、弱信 号检测号检测第第十章十章热力学方法热力学方法，制冷降低探测器噪声制冷降低探测器噪声 第18页，共113页，编辑于2022年，星期一9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理光学方法光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜如场镜、光锥、浸没透镜例：红外探测系统第19页，共113页，编辑于2022年，星期一信号光电流、背景光电流和器件暗电流信号光电流、背景光电流和器件暗电流热噪声热噪声 散粒噪声散粒噪声2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比2)直接探测的直

9、接探测的信噪比极限信噪比极限：以光电二极管为例以光电二极管为例 第20页，共113页，编辑于2022年，星期一最理想情况，只有最理想情况，只有信号光电流引信号光电流引起的散粒噪声起的散粒噪声（忽略吗？忽略吗？）直接探测的直接探测的量子极限量子极限 2)直接探测的直接探测的信噪比极限：信噪比极限：2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比第21页，共113页，编辑于2022年，星期一直接探测的直接探测的量子极限量子极限 量子极限的另一种表达是：量子极限的另一种表达是：直接探测的直接探测的噪声等效功率噪声等效功率 例：例：为为1，f为为1Hz，2h，已很接近单个光子的能量，已很接近单个光子的能量

10、h。实际上，几乎不可能？实际上，几乎不可能？2)直接探测的直接探测的信噪比极限：信噪比极限：2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比第22页，共113页，编辑于2022年，星期一物理学中物理学中“量子量子”的定义：的定义：直接探测直接探测噪声等效功率噪声等效功率 例：例：为为1，f 为为 1Hz，可探测可探测 2hv频率为频率为v的电磁波的能量是一份一份的，的电磁波的能量是一份一份的，一份最小的一份最小的能量能量hv称为量子。称为量子。量子极限：量子极限：2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比第23页，共113页，编辑于2022年，星期一9.1 9.1 直接探测直接探测9.1.1直接

11、探测的基本原理直接探测的基本原理9.1.3直接探测的应用举例直接探测的应用举例Drirect Detection，又称为非相干探测，又称为非相干探测装置简单，光源为装置简单，光源为相干光源相干光源或或非相干光源非相干光源，只能探测平均只能探测平均光功率（光强）光功率（光强）9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离直接探测系统的视场和作用距离第24页，共113页，编辑于2022年，星期一9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离直接探测系统的视场和作用距离视场视场dAd/f 2 光电探测器的视场角光电探测器的视场角:光电探测器光电探测器第25页，共113页，编辑于2022年，星期一9.1.2*直接

12、探测系统的视场和作用距离直接探测系统的视场和作用距离作用距离：作用距离：主动主动探测系统框图探测系统框图 被动被动探测系统框图探测系统框图 第26页，共113页，编辑于2022年，星期一9.1.39.1.3直接探测的应用举例直接探测的应用举例激光制导、飞行物自动跟踪激光制导、飞行物自动跟踪激光稳频、机器人视觉激光稳频、机器人视觉几何量（长度、位移几何量（长度、位移）表面形状参量（工件粗糙度、伤痕表面形状参量（工件粗糙度、伤痕）光学参量（吸收、反射光学参量（吸收、反射）电磁量（电流、电场、磁场电磁量（电流、电场、磁场）应用于测量：应用于测量：应用于控制：应用于控制：第27页，共113页，编辑于2

13、022年，星期一特点：特点：信息加载信息加载辐通量（光强）辐通量（光强）几何量（长度、位移几何量（长度、位移）表面形状参量（工件粗糙度、伤痕表面形状参量（工件粗糙度、伤痕）光学参量（吸收、反射光学参量（吸收、反射）电磁量（电流、电场、磁场电磁量（电流、电场、磁场）辐通量辐通量（幅度、（幅度、频率频率、相位、相位）9.1.39.1.3直接探测的应用举例直接探测的应用举例第28页，共113页，编辑于2022年，星期一例例1.1.光电磁场测量光电磁场测量磁场光通量（磁场光通量（幅度幅度）磁场磁场振动方向旋转角度振动方向旋转角度 光通量幅度光通量幅度9.1.39.1.3直接探测的应用举例直接探测的应用

14、举例第29页，共113页，编辑于2022年，星期一例例2.2.光栅莫尔条纹测位移光栅莫尔条纹测位移t精度已可达精度已可达0.1m/m 位移光通量（位移光通量（频率频率）9.1.39.1.3直接探测的应用举例直接探测的应用举例第30页，共113页，编辑于2022年，星期一光通量的频率测量光通量的频率测量光电转速表光栅位移传感器 第31页，共113页，编辑于2022年，星期一测测“幅度幅度”与与“频率频率”方法，方法，测量精度测量精度的比较：的比较：基准精度测量精度基准稳定方法幅度10-310-410-210-3模拟量稳定电路频率10-610-810-510-7晶振，数字锁相环现代光电测量中常优先

15、考虑采用频率测量法！第32页，共113页，编辑于2022年，星期一例例3.3.光电测距光电测距光电光波测距光电光波测距发射光波发射光波接收光波接收光波距离光通量（距离光通量（相位相位）9.1.39.1.3直接探测的应用举例直接探测的应用举例第33页，共113页，编辑于2022年，星期一第九章第九章 直接探测和相干探测直接探测和相干探测 直接探测直接探测 （平均光功率）（平均光功率）相干探测相干探测 （光的波动参数）（光的波动参数）探测方法的改进探测方法的改进光电信号变换光电信号变换第34页，共113页，编辑于2022年，星期一第第09章章 直接探测和相干探测直接探测和相干探测直接探测：直接探测

16、：（非相干探测）（非相干探测）相干探测：相干探测：（光学外差探测）（光学外差探测）装置简单，光源为装置简单，光源为相干光源相干光源或或非相干光源非相干光源，只能探测只能探测光功率（光强）光功率（光强）。装置复杂，光源必须为装置复杂，光源必须为相干光源相干光源，间接探测，间接探测光波的振幅、频率和相位光波的振幅、频率和相位等参数。等参数。第35页，共113页，编辑于2022年，星期一9.2 相干探测相干探测9.2.1 相干探测的基本原理相干探测的基本原理9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件9.2.3 相干探测的应用举例相干探测的应用举例Coherent Detection 又称为又称为光外差

17、探测光外差探测 第36页，共113页，编辑于2022年，星期一1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程原理框图原理框图 信号光s（本地、异地）参考光ru双频光波：9.2.1 9.2.1 相干探测的基本原理相干探测的基本原理第37页，共113页，编辑于2022年，星期一1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程原理框图原理框图 9.2.1 9.2.1 相干探测的基本原理相干探测的基本原理u波前匹配条件：波前匹配条件：空间条件空间条件频率条件频率条件偏振条件偏振条件第38页，共113页，编辑于2022年，星期一1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程原理框图原理框图 9.2.1 9.2.1 相干探测

18、的基本原理相干探测的基本原理采用平方律采用平方律探测器探测器：（只响应平均功率）（只响应平均功率）高灵敏度、高频响应、量子效率高灵敏度、高频响应、量子效率PMT，PIN-PD，APD u光学混频光学混频器：器：第39页，共113页，编辑于2022年，星期一1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程1)1)相干探测的输出信号相干探测的输出信号信号光信号光参考光参考光第40页，共113页，编辑于2022年，星期一平方律探测器光混频输出平方律探测器光混频输出Ihs为：为：10141015Hz1010Hz第43页，共113页，编辑于2022年，星期一1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程1)1)相干探

19、测的输出信号相干探测的输出信号探测器、放大器滤波器（中频输出）探测器、放大器滤波器（中频输出）第44页，共113页，编辑于2022年，星期一相干探测拍频信号输出相干探测拍频信号输出 （虚拟波形演示）（虚拟波形演示）第46页，共113页，编辑于2022年，星期一1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程1)1)相干探测的输出信号相干探测的输出信号探测器、放大器滤波器（中频输出）探测器、放大器滤波器（中频输出）相干探测拍频信号输出相干探测拍频信号输出第49页，共113页，编辑于2022年，星期一 信信 息息 1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程1)1)相干探测的输出信号相干探测的输出信号特例：单

20、频双光束干涉（频差为特例：单频双光束干涉（频差为0 0）第50页，共113页，编辑于2022年，星期一讨论：讨论：相干探测的实质相干探测的实质1.1.平方律探测器平方律探测器2.2.频率搬移频率搬移10141015Hzs G107108 外差探测外差探测直接探测直接探测2.相干探测的基本特性相干探测的基本特性第56页，共113页，编辑于2022年，星期一相干探测优点：相干探测优点：信噪比高信噪比高相干探测：相干探测：直接探测：直接探测：仅考虑信号光引起的仅考虑信号光引起的散粒噪声限制散粒噪声限制 相干探测相干探测信噪比高？信噪比高？2.相干探测的基本特性相干探测的基本特性第57页，共113页，

21、编辑于2022年，星期一信号光电流、背景光电流和器件暗电流信号光电流、背景光电流和器件暗电流热噪声热噪声 散粒噪声散粒噪声仅考虑仅考虑信号光电流信号光电流引起的散粒噪声：引起的散粒噪声：直接探测的信噪比：直接探测的信噪比：2.相干探测的基本特性相干探测的基本特性第58页，共113页，编辑于2022年，星期一外差探测：外差探测：直接探测：直接探测：仅考虑信号光引起的散粒噪声限制，即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外差探测比直接探测更容易满足条件相干探测相干探测信噪比高？信噪比高？第59页，共113页，编辑于2022年，星期一2.相干探测的基本特性相干探测的基本

22、特性相干探测相干探测优点优点：（与直接探测对比）（与直接探测对比）探测能力强探测能力强转换增益高转换增益高信噪比高信噪比高滤波性好滤波性好（空间滤波和光谱滤波）（空间滤波和光谱滤波）稳定性和可靠性高稳定性和可靠性高第60页，共113页，编辑于2022年，星期一 9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件1 1相干探测空间条件相干探测空间条件2 2相干探测频率条件相干探测频率条件3 3相干探测偏振条件相干探测偏振条件满足满足波前匹配条件波前匹配条件：第61页，共113页，编辑于2022年，星期一1 1相干探测空间条件相干探测空间条件信号光和本振光在空间上的信号光和本振光在空间上的角准直

23、角准直失配角：失配角：9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件例：例：光电探测器的光电探测器的尺寸尺寸d为为lmm，当，当s0.63m时时 第62页，共113页，编辑于2022年，星期一1 1相干探测空间条件相干探测空间条件为什么需要为什么需要角准直角准直？探测器接收面上沿探测器接收面上沿x方方向向各点的相位差不同各点的相位差不同：9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件第63页，共113页，编辑于2022年，星期一为什么需要为什么需要角准直角准直？探测器接收面上沿探测器接收面上沿x方向方向各点的相位不同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信号光和本振光的

24、波前在光混频器表面上没有相同的位相关系没有相同的位相关系 导致混频输出电流信号减小导致混频输出电流信号减小第64页，共113页，编辑于2022年，星期一为什么需要为什么需要角准直角准直？探测器表面各点相探测器表面各点相位位相同相同时：时：探测器表面各点探测器表面各点相位相位不同不同时：时：输出信号输出信号最大值最大值输出信号输出信号减小减小第65页，共113页，编辑于2022年，星期一1 1相干探测空间条件相干探测空间条件信号光和本振光在空间上的角准直：信号光和本振光在空间上的角准直：例：例：d=1mm，s0.6328m失配角：失配角：可以证明：可以证明：9.2.2 9.2.2 相干探测的条件

25、相干探测的条件第66页，共113页，编辑于2022年，星期一1 1相干探测空间条件相干探测空间条件信号光和本振光在空间上的角准直：信号光和本振光在空间上的角准直：例：例：d=1mm，s0.6328m失配角：失配角：可以证明：可以证明：空间准直：空间准直：条件苛刻条件苛刻 空间滤波空间滤波9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件第67页，共113页，编辑于2022年，星期一2 2相干探测频率条件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高频示波器频谱分析仪频谱分析仪 外差接收外差接收v，1041010Hz信号光和本振光的频率漂移？信号光和本振光的频率漂移？采用高单色性和频率稳

26、定度的激光源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，由频偏取得本振光两束光取自同一激光器，由频偏取得本振光 专门措施：专门措施：9.2.2相干探测的条件相干探测的条件第68页，共113页，编辑于2022年，星期一3 3相干探测偏振条件相干探测偏振条件平方律探测器光混频输出平方律探测器光混频输出Ihs为：为：“代数和”？信号光与本振光的偏振方向一致信号光与本振光的偏振方向一致 加检偏器加检偏器获得偏振方向一致获得偏振方向一致 9.2.2相干探测的条件相干探测的条件第69页，共113页，编辑于2022年，星期一9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件1 1相干探测相干探

27、测空间条件空间条件2 2相干探测相干探测频率条件频率条件3 3相干探测相干探测偏振条件偏振条件满足波前匹配条件：满足波前匹配条件：相干探测相干探测与与直接探测直接探测相比？相比？第70页，共113页，编辑于2022年，星期一9.2 相干探测相干探测9.2.1 相干探测的基本原理相干探测的基本原理9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件9.2.3 相干探测的应用举例相干探测的应用举例Coherent Detection 又称为又称为光外差探测光外差探测 第71页，共113页，编辑于2022年，星期一本章小结：本章小结：1.直接探测直接探测是用探测器直接测量是用探测器直接测量光强度（光通量）信息光

28、强度（光通量）信息，噪声等效，噪声等效功率极限功率极限该方法该方法设备简单设备简单，对光源的，对光源的相干性无要求相干性无要求。像分析器像分析器实际中实际中很难很难达到达到 2.相干探测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测量光波的幅度、频率和相位等信息光波的幅度、频率和相位等信息，噪声等效功率极限，噪声等效功率极限实际中实际中容易容易达到达到信噪比高、滤波性好等优点，要求满足空间、频率和偏振条件，信噪比高、滤波性好等优点，要求满足空间、频率和偏振条件，设备设备较复杂较复杂，要求光源，要求光源相干性好相干性好。相位相位调制检测（单一频分光，干涉测量）调制检测（单一频分光，干涉测量）频率频率调制检测（运动参量、固定频移和直接调频）调制检测（运动参量、固定频移和直接调频）第113页，共113页，编辑于2022年，星期一