《光外差检测的条》PPT课件

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1、第五章相干探测方法相干探测又称为光外差探测，其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似。相干探测与直接探测比较，它的灵敏度达到了量子噪声限，可探测单个光子，进行光子计数。相干探测在激光通信、雷达、测长、测速、测振、光谱学等方面应用广泛，显然，用相干探测方式探测目标或相干通信的作用距离比直接探测远得多。而相干光源——激光受大气湍流效应的影响严重，破坏了激光的相干性。因而目前远距离相干探测在大气中应用受到限制，但在外层空间特别是卫星之间，通信联系已达到实用阶段。直接探测系统（复习）光波携带信息可以采用多种形式，如光

2、波的强度变化、频率变化、相位变化及偏振变化等。1.直接探测的基本物理过程所谓直接探测是将待检测的光信号直接入射到光探测器的光敏面上，由光探测器将光强信号直接转化为相应的电流或电压，根据不同系统的要求，再经后续电路处理（如放大、滤波或各种信号变换电路），最后获得有用的信号。信号光场平均功率光电探测器输出的光电流若光探测器的负载电阻为RL，则光探测器输出的电功率为：上式表明：光电探测器的电功率正比于入射光功率的平方。光电探测器对光的响应特性包含两层含义：（1）光电流正比于光场振幅的平方，即光的强度。（2）光电流输

3、出功率正比于入射光功率的平方。如果入射信号光为强度调制（IM）光，调制信号为d（t），则探测器的光电流为：2、直接探测系统的信噪比众所周知，任何系统都需一个重要指标——信噪比来衡量其质量的好坏，其灵敏度的高低与此密切相关。考虑到信号和噪声的独立性输出功率的信噪比讨论：（1）若Ps/PN<<1，则这说明输出信噪比等于输入信噪比的平方。由此可见，直接探测系统不适于输入信噪比小于1或者微弱光信号的探测。（2）若Ps/PN>>1，则这时输出信噪比等于输入信噪比的一半，即经光电转换后信噪比损失了3dB，在实际应用中还是

4、可以接受的。直接探测方法不能改善输入信噪比，不适合探测微弱信号。但是这种方法比较简单，易于实现，可靠性高，成本较低。3、直接探测系统的探测极限及趋近方法如果考虑直接探测系统存在的所有噪声，则输出噪声总功率为：输出信号噪声比为（1）当热噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，我们就说直接探测系统受热噪声限制，这时的信噪比为（2）当散粒噪声远大于热噪声时，热噪声可以忽略，则直接探测系统受散粒噪声限制，这时的信噪比为（3）当背景噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，我们就说直接探测系统

5、受背景噪声限制，这时的信噪比为扫描热探测系统的理论极限即由背景噪声极限所决定。（4）当入射的信号光波所引起的散粒噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，我们就说直接探测系统受信号噪声限制，这时的信噪比为直接探测在理论上的极限信噪比，也称直接探测器的量子极限（5）在量子极限下，直接探测系统理论上可测量的最小功率为直接探测器的理想状态，系统内部噪声都抑制到可以忽略的程度，但实际系统的视场不能是衍射极限对应的小视场，背景噪声不能为0，实际探测器总会用噪声，光探测器本身具有电阻以及负载电阻等都会产生热噪

6、声和放大器噪声若＝1，f＝1Hz，则系统在量子极限下所探测功率为2h如果使系统趋近量子极限则意味着信噪比的改善，可行的方法就是在光电探测过程中利用光电探测器的内增益获得光电倍增。举例：对于光电倍增管，由于倍增因子M的存在，信号功率增加M2的同时，散粒噪声功率也倍增M2倍，信噪比变为：当G很大时，热噪声可以忽略。如果光电倍增管加致冷、屏蔽等措施可以减小暗电流及背景噪声。因此光电倍增管达到散粒噪声限是不难的。在特殊情况下可以趋于量子限。注意：选用无倍增因子起伏的内增益的器件，否则倍增因子的起伏又会在系统中增

7、加新的噪声源。第五章相干探测方法相干探测又称为光外差探测，其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似。相干探测与直接探测比较，它的灵敏度达到了量子噪声限，可探测单个光子，进行光子计数。相干探测在激光通信、雷达、测长、测速、测振、光谱学等方面应用广泛，显然，用相干探测方式探测目标或相干通信的作用距离比直接探测远得多。而相干光源——激光受大气湍流效应的影响严重，破坏了激光的相干性。因而目前远距离相干探测在大气中应用受到限制，但在外层空间特别是卫星之间，通信联系已达到实用阶段。5.1相干探测的原理当偏振方向相同、传播

8、方向平行且重合的两束光垂直入射到光混频器上时，假设一束是频率为的本振光，另一束是频率为的信号光，光混频器可在频率、和频差频处产生输出。但在实际情况下，光频、和极高，远远超出相干探测系统的响应频率范围。因此在光混频器的输出中只需考虑频率较低的差频项，亦即中频信号。这个中频（差频）信号包含了信号光所携带的全部信息。图示出了相干探测的原理图。两个光电场的标量分别为在光混频器光敏面上总的电场为由于光混频器的