第09章_直接探测和相干探测课件.ppt

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1、课程主要内容四大部分：课程主要内容四大部分：理论基础理论基础光电信号光电信号变换与处理变换与处理光辐射源光辐射源光电探测器光电探测器光电系统光电系统分析设计分析设计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人眼和探测器人眼和探测器可以可以响应平均光功率

2、响应平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 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 第第0909章章 直接探测和相干探测直接探测和相

3、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1.1.直接探测基本物理过程：直接探测基本物理过程：9.

4、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：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：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：9.1.1

5、9.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理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=？光场频率 v=?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

6、流（电压）信噪比：功率信噪比：功率信噪比：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是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标重要指标 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20dB2.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，如场镜、光锥、浸没透镜如场镜、光

7、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 号检测号检测第十章第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 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 最理想情况，只有最理想情况，只有信号光电流信号光电流引起的散粒

8、噪声引起的散粒噪声（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，已很接近单个光子的能量能量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

9、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，一份最一份最小的能量小的能量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

10、距离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 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

11、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：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

12、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举例例例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：基准精度基准精度测测量精度量精度基准基准稳稳定方法定方法幅度幅度10-310-410-210-3模拟量稳定电路频率频率10-610-810-510-7晶振，数字锁相环现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法！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

13、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：（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非相干光源源，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

14、必须为相干光源相干光源，间接，间接探测探测光波的振幅、频率和相位光波的振幅、频率和相位等参数。等参数。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 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

15、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：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：10141015Hz1010Hz1.相干探测

16、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）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 （虚拟波形演示）（虚拟波形演示）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）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）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）1.相干探测的物理过

17、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 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：单频双光束干涉（频差为特例：单频双光束干涉（频差为0 0）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

18、：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？P2822.相干探测的基本特性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 外差探测与直接探测更容易满足条件外差探测与直接探测更容易满足条件相干探测相干探测信噪

19、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 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：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角准直失配角：失配角：9.2.2 9.2

20、.2 相干探测的条件相干探测的条件例：例：光电探测器光电探测器的尺寸的尺寸d为为lmm，当当s0.63m时时 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方向方向各点的相位差各点的相位差不同不同：9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的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为什么需要为什么需要角准直角

21、准直？探测器表面各点探测器表面各点相位相位相同相同时：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

22、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

23、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P283 P283 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？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

24、外差探测光外差探测 9.2.3 相干探测的应用举例相干探测的应用举例相位调制相位调制频率调制频率调制干涉测量干涉测量相干通信相干通信精密测长、测距、测速、测振动、精密测长、测距、测速、测振动、测力、测应变、测力、测应变、光谱分析光谱分析，外层空间特别是卫星之间通信、外层空间特别是卫星之间通信、光纤通中波分复用光纤通中波分复用 接收解调，接收解调，1.1.激光干涉测量激光干涉测量 1)单频激光测长单频激光测长 信号光信号光参考光参考光单频单频1)单频激光测长单频激光测长 信号光信号光参考光参考光单频单频位移位移l1.1.激光干涉测量激光干涉测量 1)单频激光测长单频激光测长 例：例：取取n=1,

25、测量镜位移时观察到探测器的测量镜位移时观察到探测器的输出为：输出为：l =?1.1.激光干涉测量激光干涉测量 1)单频激光测长单频激光测长 信号光信号光参考光参考光 位移位移l局限性：局限性：不能判别移动方向不能判别移动方向1.1.激光干涉测量激光干涉测量 1)单频激光测长单频激光测长 光电探测器光电探测器4,54,5相位差为相位差为/2/2参考光参考光信号光信号光判别移动方向：判别移动方向：“参照物参照物”1.1.激光干涉测量激光干涉测量 1)单频激光测长单频激光测长 判别移动方向判别移动方向：“参照物参照物”1.1.激光干涉测量激光干涉测量 正反移动方向波形正反移动方向波形 1)单频激光测

26、长单频激光测长 信号光信号光参考光参考光缺点：缺点：空气的空气的折射率折射率n与当时的与当时的环境温度环境温度、湿度湿度 及及气压气压等因素有关，影响测量精度等因素有关，影响测量精度2.双频激光测长双频激光测长 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 2)双频激光测长双频激光测长 双频激光干涉仪双频激光干涉仪双频激光双频激光检偏器检偏器 滤波片滤波片 信号光信号光 参考光参考光 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 2)双频激光测长双频激光测长 双频激光干涉仪双频激光干涉仪光学差频信号光学差频信号 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 2)双频激光测长双频激光测长 光学差频信号光学差频信号:积分器波数积分器

27、波数:位移测量公式：位移测量公式：位移与位移与空气的折射率空气的折射率n无关！无关！1.1.激光干涉测量激光干涉测量 2)双频激光测长双频激光测长 双频激光干涉仪双频激光干涉仪频差为频差为150MHz，激光稳频精度为激光稳频精度为108时，测长精度时，测长精度0.1m1.1.激光干涉测量激光干涉测量 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）信息光强度（光通量）信息，噪，噪声等效功率极限声等效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。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号来测量光波的幅度、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，设备较复杂设备较复杂，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）