第八章 外差(相干)探测系统

大气 湍 流 引起 激 光 外 差 探 测 空 间相 干 性 退 化 研 究
徐 静 ， 红敏 ， 胜来 ， 毛 甄 李 成， 俞本 立
（ 安徽 大学光 电信息获取与控制教育部重点实验室 ， 安徽 合肥 ２０ ３ ） ３０ ９
摘 要 ： 文章简要介绍 了随机大气湍流效应及其对 １５ ｉ ．５ ｍ激光外差探测系统 的影响， ￣ 并在理 论分 析 的基础 上设 计 了实验研 究 方案 。通 过测试 外 差探 测效 率 与信 噪 比随大 气湍 流 强度 而变
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第３７卷 第 １ ２期
２０ ０７年 １ ２月
激 光 与 红 外
ＬＡＳ ＥＲ ＆ Ｉ ＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖｏ ． １３７， ．１ Ｎｏ ２ Ｄｅ ｅ ｂ ｒ ２０ ７ ｃｍ ｅ ， ０
文 章 编 号 ：０ １ ０ ８ ２０ ） ２１４ －５ １０ － ７ （ ０７ １ —２５０ ５
１ 引 言
强起伏 等 。激 光束 的随机 漂移 给光 通讯 的接 受带 来
大气 的 随机 运 动造 成 了大 气湍 流 ， 主要 原 因 其 是地 球表 面对 气 流拖 曳造 成 的风 速 剪 切 ， 阳辐 射 太 对地 球表 面不 同位 置加 热 的差 异或地 表 辐射 导致 的
热对 流 ， 含 热 量 释 放 的相 变 过 程 （ 积 、 晶 ） 包 沉 结 造
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｒ ｎ ｏ ａｍｏ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕｅ ｃ ｆ ｃ ｎ ｅ ｉｆ ｅ ｃ ｎ ｔ ｅ １ ５ ｍ ａ ｅ ｅｅ ｏ ｙ ｅ ｄ ｔ ｃｉ ｎ ｓ ｓ ｓ ｒ ｃ ： ｈ ａ ｄ ｍ ｔ ｓ ｈ ｒ ｕ ｂ ｌｎ ｅ ｅ ｅ ｔａ ｄ ｔ ｎ ｕ ｎ ｅ ｏ ｈ ． ５ｘ ｌ ｓ ｒｈ ｔ ｒ ｄ ｅ ｅ ｔ ｙ — ｉ ｈ ｌ Ｉ Ｒ ｏ ｔ ｍ ｒ ｎｒ ｄ ｃ ｄ ｅ ａ ｅ ｉ ｔ ｕ ｅ ．Ｂ ｓ ｄ ｏ ｎ ｌ ｓｓ ｉ ｅ ｒ ，ｈ ｘ ｅ ｍｅ ｔｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｅ ｕ ｔａ ｉｅ ｔｔ ｅ ｓ ｍｅ ｔ ． Ｂ ｏ ａ ｅ ｎ ａ ａｙ ｉ ｎ ｔ ｏ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｄ ｒ ｓ ｌ ｒ ｇｖ ｎ ａ ａ ｉ ｈ ｙ ｉ ｅ ｈ ｍｅ ｙ ｔ ｓｉ ｇ ｔ ｅｃ ａ ｇ ｆｈ ｔ ｒｄ ｒｅ ｄ ｔ ｃｉｎ ｅｆ ｉｎ ｙ ａ ｄ ｓｇ ａ — — ｏｓ ａ ｉ ｕ ｏ ｔ ｅａ ｍｏ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕ ｅ ｃ ｎｅ — ｅ ｔ ｈ ｎ ｅ ｏ ｅ ｅ ｏ ｙ ｅ ｅ ｔ ｆ ｃｅ ｃ ｎ ｉｎ ｔ ｎ ｉｅ ｒ ｔ ｄ ｅｔ ｔ ｓ ｈ ｒ ｕ ｂ ｌｎ ｅ ｉ ｔｎ ｎ ｈ Ｒ ｏ ｉ ｌ ｏ ｏ ｈ ｉ ｓｔ ｗｅ ａｅ ｍｏ ｅ ｃ ｎ ｅ ａ ｏ ｔ ｈ ｅｅ ｏａ ｉｎ ｏ ｐ ｔ ｏ ｅ ｅ ｃ ａ ｓ ｄ ｂ ｔ ｓ ｈ ｒｃ ｔ ｒ ｕ ｅ ｃ ｆ ｃ ． ｉ ｙ， ｒ ｒ ｏ ｃ ｍ ｂ ｕ ｅ ｄ ｔｒ ｒｔ ｆ ａ ｉ ｃ ｈ ｒ ｎ ｅ ｃ ｕ ｅ ｙ ａｍｏ ｐ ｅ ｉ ｕ ｂ ｌ ｎ ｅ ｅ ｅ ｔ ｔ ｉ ｏ ｓ ｌ ａ Ｋ ｅ ｒ ｓ ａｍｏ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕ ｅ ｃ ； ｅｅ ｏ ｙ ｅ ｄ ｔｃ ｉ ｎ ｄ ｔ ｃｉ ｎ ｅ ｉｉ ｎ ｙ ｓ ａ—ｏ ｎ ｉｅ ｒ ｔ ； ｐ ｔ ｏ ｅ ｅ ｃ ｙ ｗｏ ｄ ： ｔ ｓ ｈ ｒ ｕ ｂ ｌ ｎ ｅ ｈ ｔｒ ｄ ｎ ｅｅ ｔ ； ｅ ｅ ｔ ｆ ｃ ｅ ｃ ； ｉ ｌｔ — ｏ ｓ ａｉ ｓ ａ ｉ ｃ ｈ ｒｎ ｅ ｉ ０ ｏ ｎ ｇ ｏ ｌ ａ

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1、 光外差检测原理
光外差检测是利用两束频率不相同的相干光，在满足波 前匹配条件下，在光电检测器上进行光学混频。检测器的输 出是频率为两光波频差的拍频信号，该信号包含有调制信号 的振幅、频率和相位特征。从理论上讲，外差检测能准确检 测到这些参量所携带的信息，比直接检测具有更大的信息容 量和更低的检测极限。
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② 当两束光的频率不同，干涉条纹将以 的角频率随时
间波动，形成光学拍频信号，也叫外差干涉信号。如果两 束光的频率相差较大，超过光电检测器件的频响范围，将
观察不到干涉条纹。在两束光的频率相差不大( 较小)
的情况下，采用光电检测器件可以探测到干涉条纹信号， 并且可以通过电信号处理直接测量拍频信号的频差及相位 等参数，从而能以极高的灵敏度测量出相干光束本本身的 特征参量，形成外差检测技术。
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以双光束干涉为例，设两相干平面波的振动E1(x,y)和E2(x,y)分 别为：
E1 ( x, E2 (x,
y) y)
a1 a2
exp{ exp{
j[1t j[2t
1(x, y)]} 2 (x, y)]}
两束光合成时，所形成干涉条纹的强度分布I (x, y)可表示为：
I (x, y) a12 a22 2a1a2 cos[t (x, y)]
下式进行：
x
r
M
B N
1
n n
其中，B为脉冲计数器的计数值，第Δ2n0/页n /是共7折1页射率的相对变化。
③ 干涉条纹跟踪法
干涉条纹跟踪法是一种平衡测量法。在干涉仪测 量镜位置变化时，通过光电接收器实时地检测出干 涉条纹的变化。同时利用控制系统使参考镜沿相应 方向移动，以维持干涉条纹保持静止不动。这时， 根据参考镜位移驱动电压的大小可直接得到测量镜 的位移。

eη PC = 2 Ps PL R L 光外差检测中频输出有效信号功率为： hν
2
eη 2 在直接检测中，检测器输出电功率为： P0 = Ps R L hν 两种方法得到的信号功率比G为： PC 2 PL G = = P0 Ps
2
可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。
fs fL
转镜 输出
ν
可变光阑
反射镜
光电检测器
放大器
外差检测实验装置图
偏心轮转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的 回波产生多普勒频移，其频率为fs。可变光阑用来限制两光束 射向光电检测器的空间方向，线栅偏振镜用来使两束光变为偏 振方向相同的相干光，然后两束光垂直投射到检测器上。 首先设入射到检测器上的信号光场和本机振荡光场分别为：
中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平 均值，即： ____ 2 V C2 eη PC = = 2 Ps PL R L RL hν 当ωL-ωs=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频 电流为：
iC (t )=αAs AL cos [(ϕ L −ϕ s )]
8
如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以得到通 过以ωC为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：
iC (t )=αAs AL cos [(ω L −ω s )t + (ϕ L −ϕ s )]
中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：
VC (t )=iC (t ) RL =αAs AL RL cos [(ω L −ω s )t + (ϕ L −ϕ s )]
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。 9
6.2 光外差检测特性
6.2.1 光外差检测可获得全部信息

Vs iIF Z ' iIF ( g d jCd )
此电压在负载电阻 R L 上流过的电流为
Vs g d jCd iIF is Z d RL g d jCd 1 RL g d jCd ( RL RS )

1 RL g d
RL
iIF jCd ( RL RS )
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
等效电路及等效电压发生器电路见下图
图8.2 光伏探测器恒流源等效电路
图8.3 光伏探测器等效电压发生器电路
(2)先求信号功率
由图8.2知
1 Z' 1 jC d R d 1 1 Rd 1 ( jC d ) Rd
对等式两边取倒数
Z'
Rd 1 1 jCd Rd g d jCd
经带通滤波器后的霰弹噪声和热噪声功率为
2 e
2
2
(2.2.9)
Pno 2eG PS PL PB I d f IF RL 4kTf IF (2.2.10) h

相干探测利用光信号的干涉原理，通过测量干涉条纹的数量、形状和变化来检测光 信号的强度、频率和相位信息。
相干探测需要将待测光信号与参考光信号进行干涉，通过检测干涉图样的变化来提 取光信号的参数。
相干探测技术能够提供高精度和高灵敏度的测量结果，因此在光学测量、光谱分析、 激光雷达等领域得到广泛应用。
相干探测的应用场景
直接探测
常用于短距离光纤通信和 局域网。
适用于高精度和低噪声应 用场景。
适用于高速数据传输和低 成本应用场景。
相干探测
常用于长距离光纤通信、 卫星光通信和光雷达等领
域。
优缺点比较
直接探测的优点
结构简单、成本低、实时性好； 缺点是精度较低，容易受到噪声 和干扰的影响。
相干探测的优点
精度高、抗干扰能力强；缺点是 需要本振光信号和复杂的干涉结 构，成本较高。
直接探测和相干探测ppt课件
目录
• 引言 • 直接探测技术 • 相干探测技术 • 直接探测与相干探测的比较 • 未来展望
01 引言
主题简介
直接探测和相干探测是光通信领域中 两种重要的信号检测方式，它们在原 理、应用和优缺点等方面存在显著差 异。
相干探测则利用光干涉原理，通过比 较输入光信号与本振光的干涉结果来 获取信息。
05 未来展望
技术发展趋势
01
02
03
探测技术不断升级
随着科技的进步，直接探 测和相干探测技术将不断 升级，提高探测精度和稳 定性。
智能化发展
未来探测技术将更加智能 化，能够自动识别和判断 目标，减少人工干预。
多模态融合
将不同探测方式进行融合， 形成多模态探测系统，提 高探测效率和准确性。
应用领域拓展

6.2.4 信噪比损失小 当不考虑检测器本身噪声影响，只包含输入背景噪声的情况下，外 差检测器的输出信噪比等于输入信噪比，输出信噪比没有损失。
6.2.5 最小可检测功率—内增益型光电检测器件 内部增益为M的光外差检测器输出有效信号功率为：
2
e P 2 M Ps PL RL C h
放大器
光外差检测原理示意图
因此外差检测在空间上能很好地抑制背景噪声。具有很好 的空间滤波性能。但是严格的空间条件也使调准两光束比 较困难。
降低空间相干条件的方法 从上面讨论中可以看出，要使信号光 波和本振光波在光混频面上有效的空间 相干，必须使两束光尽量平行，因为这 个要求是比较严格的，所以给光外差的 实现带来一定困难，严重妨碍了它的实 际应用。接近这一问题的方法只有是： 爱里斑原理法（用聚焦透镜降低空间准 直要求）。
偏振方向互相正交的线偏振光被偏振分束镜按偏振方向分光v1被反射至参考角锥棱镜9v2则透过8到测量角锥棱镜10工作原理经光束扩束器3适当扩束准直后光束被分束镜4分为两部分根据马吕斯定律两个互相垂直的线偏振光在45振光并产生拍其拍频就等于两个光频之差即vv1v215mhz由光电接收器6接收后进入交流放大器7放大后的信号作为参考信号送给计算机光束返回后重新通过偏振分束镜10与v1的返回光会合经反射镜11及透光轴与纸面成45的检偏器12后也形成拍其拍频信号可表示为若测量镜以速度v运动移动或振动则由于多普勒效应从测量镜返回光束的光频发生变化其频移正负号由动镜移动方向决定当动镜向偏振分束器方向移动时v为负拍频信号被光电13接收后进入交流前臵放大器14最后也被送入计算机计算机工作1计算机先将拍频信号v进行相减处理后就得到所需的测量信息v设在动镜10移动的时间t内
检测系统中检测器本身的散粒噪声和热噪声是影响最大可难以 消除的。则外差检测输出的散粒噪声和热噪声表示为： e Ps PB PL I d fR L 4k Tf Pn 2 M 2 e h

于是，利用一路与探 测光脉冲互补旳填充 光，使两者合成为准 连续光，能够很好旳 消除光浪涌。此项技 术称为FSK（频移键 控）。
因为探测光线宽极窄（不大于10KHz），所以
它旳相干性很好。这就使得探测光脉冲在被测
光纤中各个瑞利散射单元内旳光具有极强旳相
干性，从而使得瑞利散射信号旳功率出现随机
起伏，这就是相干瑞利噪声。 对测量旳曲线进行屡次平
0.015
0.005
0.01
0
0.005
0 -0.005
-0.005
-0.01
-0.015 直接旳功率探测
-0.01
外差探测
-0.015
-0.02 0
1
2
3
4
5
6
7
采集可采集到 8
9 10
-0.02
旳电压信号 x 104
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
4
x 10
以mw为单位， 0.02
OTDR曲线呈e指 0.015
海底通信光缆构造及COTDR测量方式
COTDR旳测量 曲线。
10 5 0 -5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 距离 /km
相对背散功率 /dB
COTDR原理
系统构 造简图
使用平衡探测措施旳优点： 1.信号旳共模克制比高； 2.探测信号旳功率翻倍；
相干瑞利噪声造成探测 曲线旳剧烈波动
均，能够极大地消除相干 瑞噪声。从而使曲线变得
平滑
使用扰偏器对探 测光信号进行扰 偏，能够消除偏 振噪声旳影响。
另外本振光与背散瑞利信 号偏振态旳失配会带来偏 振噪声，它也会使探测曲 线出现波动。

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

的光电流输出。
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11
激光外差干涉测试技术 扫描探测器（xi, yi）
4.1 激光外差干涉测试技术原理i(x, y, t) ①外差干涉技术原理 在干涉场中，放入两个探测器，一个放在基准点(xt 0, y0)
处，称之为基准探测器，其输出Δt基准信号i(x0, y0, t)，另 一个放在干涉场基某准探探测测器（点x0,(yx0）i, yi)处，1称/Δν之为扫描探测器， 输出信号为i(xi, yi, t) 。将两信号相比，测出信号的过零 时间差（Δat），便可知道二者的光学位相（b差）
垂直于入射光束方向移动（匀速）光栅的方法也可以使通过光栅
的第n级衍射光产生的 v nVf 频移，此处f 是光栅的空间频率，
V是光栅移动速度。
4）声光调制器
利用布拉格盒（BraggCell）声光调制器可以起到与移动
光栅同样的移频效果。这时超声波的传播就相当于移动
光栅，其一级衍射光的频移量就等于布拉格盒的驱动频
光外差检测：可见光的频率很高（１０１４ Hz)，一般光电器件 不能响应，也就无法直接检测多普勒频移．因此，需要光外差的 方法： 同一光源的两束相干光以一定的条件投射到光电探测器表面进行 混频，就能在输出的电信号中得到两束光的差频．
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38
多普勒测速的频率调制方法
1 参考光束方式 2 对称互差方式 3 干涉条纹方式
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当干涉仪中的参考镜以匀速v 沿光轴方向移动时，则垂直入射的 反射光将产生的频移为 2v / 。
如果圆偏振光通过一个旋转中的半波片，则透射光将产生两倍于 半波片旋转频率f 的频移，即 v 2 f 。
2019/9/22