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直接探测和外差探测要点

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光电检测方法

光电检测方法

光电检测方法2.1直接探测2.1.1基本物理过程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，由光探测器将光信号直接转化为电流或电压，根据不同的要求，再经后续电路处理，最后获得有用的信号。

一般，光探测器前可采用光学天线，在其前端还可经过频率滤波和空间滤波处理。

这是为了进一步提高探测效率和减小杂散的背景光。

信号光场可表示为()cos S E t A t ω=，式中，A 是信号光电场振幅，ω是信号光的频率。

则其平均功率P 为（2.1.1）光探测器输出的光电流为（2.1.2）若光探测器的负载电阻为L R ,则光探测器输出的电功率为（2.1.3）光探测器输出的电功率正比于入射光功率的平方。

从而可知，光探测器对光的响应特性包含两层含意，其一是光电流正比于光场振幅的平方，即光的强度；其二是电输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（TM ）光，调制信号为()d t 。

从而得式中第一项为直流项，若光探测器输出有隔直流电容，则输出光电流只包含第二项，这就是直接探测的基本物理过程，需强调指出，探测器响应的是光场的包络，目前，尚无能直接响应光场频率的探测器。

2.1.2信噪比设入射到光探测器的信号光功率为S P,噪声功率为n P，光探测器输出的信号电功率为P S，输出的噪声功率为P N。

可得（2.1.5）根据噪声比的定义，则输出功率信噪比为（2.1.6）从上式可以看出I.若，则有（2.1.7）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号比小于1或者微弱光信号的探测。

II.若，则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 ，在实际应用中还是可以接受的。

由此可见，直接探测方法不能改善输入信噪比。

如果考虑直接探测系统存在的所以噪声，则输出噪声总功率为（2.1.9）式中，222NS NB ND i i i ++分别为信号光，背景光和暗电流引起的散粒噪声。

光电检测技术与应用 第五章 光电直接探测系统

光电检测技术与应用 第五章 光电直接探测系统
29
探测器上的光谱功率
Pe E e A0 0
探测器输出信号电压
A0 VS 2 L
I
1
2
e

1
0
RV d
输出信噪比
VS A0 2 I e 1 0 RV d 2 Vn Vn L 1
简化处理结果:
VS A0 I R 2 e 1 0 V Vn Vn L
15
信噪比为：
SNRp
Po e h PS2 2 2 2 2 Pno iNS iNB iND iNT
2
(ePS G / hv) 2 2e 2 ( PS Pb )G 2 4kt 2 2eI d G f hv RL
当热噪声是主要噪声源时
E I 0 I(ωo)＝I(0)为最大频谱分量
2
22
激光波形为：
I t Ae
光脉冲宽度。 频谱I(ω)为：
2t 2
β 是脉冲峰值， β ≈1.66 /τ0 ， τ0是激
I I t e jt dt



A

e
2 4 2
SNR p
i
e h
2 NS
2
P G
2 S 2
i
2 NB
i
2 ND
G i
2
2 NT
G2很大时，热噪声可以忽略,光电倍增管可接
近散粒噪声限。
19
2）光导探测器直接探测系统的信噪比
主要噪声为复合噪声，它和偏置电流成比例， 因而它的灵敏度与具体使用条件有关。 光导探测器的极限灵敏度比光伏器件及光电 倍增管的极限灵敏度要低，所需理想的最小 可探测功率大。 3、直接探测系统的视扬角 被测物在无穷远处，且物方与像方两侧的介 质相同。

第八章 光外差探测8.1-8.4

第八章 光外差探测8.1-8.4

在完善的空间准直条件下，信号光电场和本振光 电场分别为
当信号光和本振光重合垂直入射到光混频器上 时，则光混频器输出的瞬时光电流为
相位差项不受短时间平均的影响，倍频项的平均值为零，第1和第2两项 直流项被滤波器滤除
因此，负载电阻上的信号电压为
峰值信号功率
在光零差探测系统中，如果仅限于考虑不可能消 除的散粒噪声和热噪萨，则噪声功卒
3 光外差探测的频率条件 光外差探测除了要求信号光和本振光必须保持 空间准直以外，还要求两者具有高度的单色性 和频率稳定度。 从物理光学的观点来看，光外差探测(或相干 探测)是两束光波达加后产生干涉的结果。 显然，这种干涉取决于信号光束和本扳光束 的单色性。
光的单色性：是指这种光只包含一种频率或光谱线 极窄的光。
在光外差探测系统中遇到的噪声与直接探测系统中 的噪声基本相同，存在多种可能的噪声源。在此只 考虑不能消除或难以抑制的散粒噪声和热噪声两种。
在带宽为Δ fIF的带通滤波器输出端，电噪声功率 为
式中，PB为背景辐射功率，ID是光混频器的暗 电流。 前一项为信号光、本振光、背景辐射和光混 频器暗电流所引起的散粒噪声项，后一项为 光混频器内阻和前置放大器负载电阻所引起 的热噪声项。
根据信号噪声比定义，中频滤波器输出端的信号 噪声(功率)比为
（10） 当本振光功率PL 足够大时，上式分母中由本振 光引起的散粒噪声远远大于所有其它噪声，则式 变为
这是光外差探测系统所能达到的最大信噪比，一般把这种情况称为 光外差探测的量子探测极限或量子噪声限。
从式(10)可导出实现量子噪声限探测的条件为
上述两种情况带宽之比
可见，相干探测对背景光谱有很好的抑制作用。
四、有利于微弱光信号的探测
在直接探测中光探测器输出的电功率正比于信号 光平均光功率的平方。 在相干探测中光混频器输出的中频信号功率正比 于信号光和本振光平均光功率的乘积 在一般的实际情况下，入射到光探测器上的信 号光功率是非常小的(尤其在远距离上应用，例 如光雷达、光通信等应用)，

光外差探测技术及其应用

光外差探测技术及其应用

光外差探测技术及其应用摘要：光外差探测又称为相干探测，其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似，但是其探测精度亦比微波高3410~10数量级。

相干探测与直接探测[1]相比，其测量精度高7810~10数量级，它的灵敏度达到了量子噪声限。

关键字： 光外差探测、光子计数、量子噪声限[2]、激光测距、多普勒[6]测速1. 引言光外差检测在激光通信、雷达、测长、测速、测振和光谱学等方面都很有用途。

光外差检测的灵敏度达到了量子噪声限[2]，其NEP [3]值可达2010 W 。

可以检测单个光子，进行光子计数。

在光电信息检测中，当光波频率很高时，每个光子的能量很大，很容易被检测出来，这时光外差检测技术并不特别有用。

相反，由于直接检测[1]不需要稳定激光频率，也不需要本振激光器，在光路上不需要精确的准直，因此，在这种情况下直接检测[1]更为可取。

在波长较长的情况下，已经有了高效率、大功率的光源可利用。

但在这个波段缺少像在可见光波段那样极高灵敏度的检测器。

因此，用一般的直接检测[1]方法无法实现接近量子噪声限[2]的检测，光外差检测技术就显示了它的优越性。

2. 原理光外差检测是有别于直接检测[1]的另一种检测技术。

光外差检测原理方框图示于图1－1。

图中，s f 为信号光波，l f 为本机振荡（本振）光波，这两束平面平行的相干光，经过分光镜[4]和可变光阑[4]入射到检测器表面进行混频，形成相干光场。

经检测器变换后，输出信号中包含c f ＝s f －L f 的差频信号，故又称相干检测。

图1－1. 外差检测原理示意图2co 激光器反射镜图1－2 外差检测实验装置图1－2是外差检测的实验装置，光源是经过稳频的2CO 激光器[5]。

由分束镜把入射光分成两路：一路经过反射的作为本振光波，其频率为L f ；另一路经过偏心轮[4]反射，并由透镜[4]聚焦到可变光阑[4]上作为信号光束。

偏心轮[4]转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的回波就产生了多普勒频移[6]，其频率为s f 。

光外差探测系统-PPT

光外差探测系统-PPT

频率跟踪法：
混频器差频中频放大 鉴频器误差电压压 控振荡器改变fL
1、干涉测量技术 应用光的干涉效应进行测量的方法称为干涉 测量技术。 干涉测量系统主要由光源、干涉系统、信号 接收系统和信号处理系统组成。 优点：测量精度高（以波长为单位）
干涉测量基本原理：改变干涉仪中传输 光的光程而引起对光的相位调制，从而 表现为光强的调制。测量干涉条纹的变 化即可得到被测参量的信息。
干涉条纹是由于干涉场上光程差相同的 场点的轨迹形成。
可进行长度、角度、平面度、折射率、 气体或液体含量、光学元件面形、光学 系统像差、光学材料内部缺陷等几何量 和物理量的测量。
1） 激光干涉测长的基本原理 系统组成： (a)激光光源 (b)干涉系统 (c)光电显微镜 (d)干涉信号处理部分
位移 L N
解决方法：判别计数。当测量镜正向移动 时所产生的脉冲为加脉冲；反之为减脉 冲。
判向计数： 正向移动：
正向：1324 同理可得 反向：1423
位移长度为： L N
8
2、光外差通信
光外差通信基本上都是采用CO2激光器做 光源，光发射系统及接收系统两大部分组 成。
发射系统：
稳频原理: 发射波长增加，光通量亦增，输出电压 增大，压电陶瓷使腔长缩短，发射频率 提高，波长减短；反之，则波长加长
滤光片的滤光曲线
接收系统:
3、多卜勒测速 1）多卜勒测速原理
He-Ne激光器是经稳频后的单模激光，焦 点处光强分布为高斯分布。
焦点处干涉场条纹分布：
干涉条纹间距为：
i
2
1
sin
2
干涉条纹的空间频率为：
f
1
2 sin
2
i
当散射粒子以速度v，与条 纹垂线夹角为方向通过时， 则颗粒散射的光强频率为：

光纤通信-重要知识点总结

光纤通信-重要知识点总结

光纤通信重要知识点总结第一章1.任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。

通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。

2.光纤：由绝缘的石英（2）材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。

3.光纤通信系统的基本组成:以光纤为传输媒介、光波为载波的通信系统，主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。

光纤通信系统既可传输数字信号也可传输模拟信号。

输入到光发射机的带有信息的电信号，通过调制转换为光信号。

光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。

系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。

光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，如果是直接强度调制，可以省去调制器。

光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。

它一般由光电检测器和解调器组成。

光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介，将光信号由一处送到另一处。

中继器分为电中继器和光中继器（光放大器）两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。

为提高传输质量，通常把模拟基带信号转换为频率调制、脉冲频率调制或脉冲宽度调制信号，最后把这种已调信号输入光发射机。

还可以采用频分复用技术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号（或数字基带信号）分别调制指定的不同频率的射频电波，然后把多个这种带有信息的信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。

在这个过程中，受调制的电波称为副载波，这种采用频分复用的多路电视传输技术，称为副载波复用技术。

目前大都采用强度调制与直接检波方式。

又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重，所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。

数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。

发送端的电端机把信息进行模数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件，则就会发出携带信息的光波，即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”。

外差检测概要


SNR po
PS hf IF
2 * * EL ES dA EL EL dA * * * EL EL dA ES ES dA EL EL dA

PS meff eff hf IF
SNR po
(2.2.18)
式中
g d 1 Rd
'
为半导体光电二极管的电导，通常有 Rs g d 1
Rd Rs jCd Rd Rs 1 Rs g d jCd Rs Z d Z Rs 1 jCd Rd g d jCd

1 jC d Rs g d jC d
则光外差信号流过光电二极管的中频电流 i IF 产生的光生电压为
该电流通过中频带通滤波器后的瞬时电流为
iIF ES 0 EL0 cos[(L S )t ( L S )] (2.2.5)
注意其中振幅、频率和位相中均含有与信号有关的信息， 故可用于检测强度调制、频率调制或位相调制信号。 若探测器的负载电阻为 R L ，则输出信号功率为
2 PIF iIF RL
1 2 2 2 2 ES 0 E L 0 RL 2 P S P L RL （2.2.6） 2
PL 1 2 EL0 2
其中
PS
1 2 ES 0 2
特别当
L S
时，
iIF ES 0 EL0 cos( L S )
平均功率为
（2.2.7）
这是外差检测中的特殊情况,称为“光零差检测”,其输出信号
三、光伏、光电导探测器和光电倍增管用作外差检测 时的信噪比和灵敏度（此部分仅介绍结论）
1、光伏探测器用于外差检测（以半导体光电二极管为例） (1) 半导体光电二极管的等效电路

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
上页 下页
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

现代通信光电子学


n 1
k a 0A 0n M 1 m 2 nc o s nt n
k a 0A 0n M 1 m 2 nc o s nt n
F(t) 的 频 谱
外差信号频谱
O
M
M
M
图5.2 调幅信号及其外差信号的频谱变换
在特殊的情况下，若使本振光频率和信号光频率相同，
Ihskasa0cos
Ps(t)E02[1ma cos(st s)]2 co2s(0t 0)
E02 2
(1
ma2 2
)E02ma
c
o
s(st
s)
E02ma2 4
cos2(st
2s)
E02 2
c
o
s2(0t
20)
E02ma 2
cos[2(0
s
)t
(20
s
)]
E02ma 2
cos[2(0
s)t
(20
s
)
]
E02ma 2
cos[2(0
2s
)t
(20
2s)]
E02ma 2
co
s[2(0
2s)t
(20
2s)]
测得调制信号的振幅、频率和相位
P s(t)E 0 2m acosts(0)
功率信噪比 SNRP=?
Is0
eps
hv
IN2 2eIsf
SNRP
I
2 s
I
2 N
1
2hvf
Pmin
直接探测调制信号的量子极限功率
8.1.2 外差探测的原理
这表明零差探测能无畸变地获得调制信号的原形，只是 包含了本振光振幅的影响。此外，在信号光不作调制时 ，零差信号只反映相干光振幅和相位的变化而不能反映 频率的变化，这就是单一频率双光束干涉相位调制形成 稳定干涉条纹的工作状态。

光辐射的直接检测与外差检测概要


号处理
（3）前置放大器： （i）通常探测器输出的信号非常弱，多为微伏量级，故需要用 一个低噪声放大器与其配接，以便后续处理与进一步放大。 （ii）将探测器做必要的偏置，以便与后续电路匹配
要求：噪声低、增益高、带宽适当
（4）信号处理器： 将信号做进一步的放大与处理，以获得所需的信号 工作方式：数字式、模拟式 功能：放大、滤波、数学运算等
2 (e h) 2 ( P P ) RL si ni
2 2 (e h) 2 ( P si 2 P si P ni P ni ) RL
2 2 (e h) 2 Psi RL (e h) 2 (2Psi Pni Pni ) RL （2.1.4）
输出信噪(功率)比(以下简称为“信噪比”)为
2 P s
2hf (G 2 G ) ( P s P b ) (2.1.20)
2
与(2.1.13)比较
SNR po
IL

Ps2 2hf ( Ps P b
知差一因子
1 G
2
h Id ) e
表明 : 对于大信号检测, 内增益直接检测系统信噪比低于无内增益 系统信噪比。原因是内增益系统在增大了信号的同时也增大了 噪声，故信噪比没有明显改善。
第一节 直接检测
引言 ： 1、直接检测的一般构成：
2、各部分的功能 ： （1）光学接收天线：通常为一组透射式或反射式光学系统，用以 收集入射光辐射 可见光：多用透射式以获得高质量的成像 红外光：因反射损失小，材料来源方便，易于加工，故多用 反射式
（2） 滤波片与空间滤波器：滤除部分无用的光辐射以减小干扰 调制盘：从探测信号中获得更多信息，提高灵敏度，便于信
(2.1.23)
仅考虑霰弹噪声与热噪声时的噪声均方电流为
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后级信号
处理电路
反馈电路
光探测电路示意图
9
3.3.1 前放噪声等效电路
Eso
Eno
Vs－信号源，RS－信号源内阻， Ens－RS的热噪声 En－放大器噪声电压源，In－放大器噪声电流源， Av－放大器电压增益，Zi－放大器的输入阻抗，Eni －放大器输入端的噪声电压，Eso－放大器的输出端 电压，Eno－放大器输出端的总噪声电压
输出信噪比为
(
so M Ri Ps ) 2 2 2 2 no ins inb ind inT
探测器的噪声等效功率为
NEP Ps 1 2 2 2 2 12 (ins inb ind inT ) MRi
5
1 4k BTf 1 2 2 [2eM f (is ib id ) ] MRi RL
2 ns 2 2 2 2 K P ( Ens En In Rs )
2
2
2
KV
Zi Av Rs Z i
－放大器的电压传递函数 （考虑源在内的系统增益，注意和Av的区别！）
－放大器的功率传递函数
K P ( KV )2
2 E 2 2 2 2 no Ens En In Rs2 因此等效输入噪声为： Eni KP
so si2 (si ni )2 ( SNR)o 2 no 2si ni ni 1 2( si ni )
so ( si ni )2，说明直接探测不适合微弱信号 （1）si/ni《1，则有 no
讨论：
的探测；
so 1 ( si ni ) ，转换后信噪比损失不大； （2）si/ni》1，则有 no 2
讨论：
2 nT
（1）热噪声优势 i
i i i
2 ns 2 nb 2 nT 2 ns 2 nb
2 nd
光电二极管
2 nd
1 4k BTf 1 2 NEP ( ) MRi RL NEP 1 [2ef (is ib id )]1 2 Ri
（2）散粒噪声优势 i i i i 光电倍增管

例：η为1，Δf为1Hz，NEP～2hν，已很接近单个光子的能量hν 。 6
信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标
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· · · · · · · －－－
可以看出，放大器的输入阻抗不出现在等效输入噪声的表达 式中。放大器便视为是无噪声的。
－－热力学方法，制冷降低探测器噪声
7
2.直接探测的应用举例
应用于测量：
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· · · ） · · · · · · · · · · · · · ·
应用于控制： 激光制导、飞行物自动跟踪 激光稳频、机器人视觉 · · · · · · · · ·
2 s
is Ri Ps
若探测器的负载电阻是RL，则光电探测器的输出功率为
平方定律： P 0 i RL R R P
2 s 2 i 2 L s
3
(2) 信噪比
设输入的信号功率和噪声功率分别为si和ni，输出的 分别为so和no。由平方律有
so no k (si ni )2
考虑到信号和噪声的独立性，可得输出信噪比为
第 3章
直接探测与外差探测
1
光－电信号变换
光信号 光电 探测器 电信号
E E0 cos(2 vt 0 )
响应平均光功率 直接探测 响应光的频率 · · · 相干探测
2
1. 直接探测的基本原理
(1) 基本物理过程：
光波： 光功率：
es (t ) Es cos(s t )
Ps (t ) E
根据电路叠加原理，各噪声源在输出端的贡献分别为： Zi • Ens的贡献为： ( E ) E ns E no Av En的贡献为： ( E ) En Eno
ns
Rs Z i
n
Zi Av Rs Z i
( I ) I n ( Rs || Z i ) Av I n • In的贡献为：Eno n
4
(3) 等效噪声功率
具有内增益的光电探测器的电输出功率为 P0 M 2is2 RL M 2 Ri2 RL Ps2
2 2 i 2 eM is f 信号光电流： ns 输出的噪声功率为 2 2 i 2 eM ib f 2 2 2 2 背景光电流： nb Pn (ins inb ind inT ) RL 2 暗电流： ind 2eM 2id f 电阻温度噪 对于光电二极管，M=1，对于光电导探 4k BTf 2 声电流： inT 测器前面的2改为4. RL 2 2 2
特点：信息加载－－辐通量（光强）
8
3.3 前置放大器的噪声匹配
当光信号功率较小时，光电探测器的电信号输出也相应地减小。 为了信号处理、显示的需要，往往需要跟随前置放大器。放大器的 引入对探测系统的输出信噪比将产生影响。
放大器 偏置电路
光探测器及 其偏置电路
耦Z i Av Rs Z i
10
Ens的贡献
En的贡献
In的贡献
将上述各项均方相加便得总的输出噪声为：
2 2( Ens ) Eno 2( En ) Eno 2 Eno Eno ( In )
Zi Zi Zi 2 2 2 E R Z Av En R Z Av I n Rs R Z Av i i i s s s
1 8k BTf 1 2 2 2 2 2 （3）散粒噪声和热噪声相当 inT NEP ( ) ins inb ind MRi RL 雪崩光电二极管 so P RP ) o i s no Pns 2ef
NEP 2hf
e h
（4）信号噪声极限，只考虑光信号噪声。
(
Ri