第09章-直接探测和相干探测

课程主要内容四大部分：理论基础光电信号变换与处理光辐射源光电探测器光电系统分析设计35214D测距计时器放大、滤波、比较主波回波光学信号变换光－电信号变换激光脉冲测距原理示意图电学信号变换光电信号变换与处理光学信号变换光电信号变换与处理光－电信号变换电学信号变换教材第八章教材第九章教材第十章00cos(2)EEvt人眼和探测器可以响应平均光功率20EΦ平方律器件光－电信号变换光电探测器光信号电信号光－电信号变换光电探测器光信号电信号光的频率：1014～1015Hz00cos(2)EEvt探测器响应频率1010Hz光－电信号变换光电探测器光信号电信号00cos(2)EEvt响应平均光功率直接探测响应光的频率···相干探测00cos(2)EEvt光－电信号变换光电探测器光信号电信号入射光与探测器相互作用的物理过程第09章直接探测和相干探测直接探测（平均光功率）相干探测（光的波动参数）探测方法的改进光－电信号变换9.1直接探测9.1.1直接探测的基本原理9.1.3直接探测的应用举例－－DrirectDetection，又称为非相干探测装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测平均光功率（光强）9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离222sssss1()sin()2tata平均1.直接探测基本物理过程：9.1.1直接探测的基本原理ssss()sin()Etat光波：光功率：2ssdd0()()nEttIAAZ222sssss1()sin()2tata平均1.直接探测基本物理过程：9.1.1直接探测的基本原理平方律器件：ssss()sin()Etat光波：光功率：2dsss12ISSa1.直接探测基本物理过程：9.1.1直接探测的基本原理平方律器件：ssss()sin()Etat光波：dss[1()]ISVt2dsss12ISSa光场包络的频率1010Hz光场的频率1014～1015Hz1.直接探测基本物理过程：－－光电探测器响应光场包络dss[1()]ISPVt平方律器件：9.1.1直接探测的基本原理9.1.1直接探测的基本原理设光栅的栅距P＝40μm相对移动的速度V=1cm/s半导体激光器,波长λ=890nm例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1)信噪比定义：22ssLs22nnLnPIRISNRPiRi2sLsdB1/222nLn10lg20lgIRISNRiRi－－电信号功率和电噪声功率之比9.1.1直接探测的基本原理2.直接探测系统的信噪比9.1.1直接探测的基本原理1)信噪比定义：2sLsdB1/222nLn10lg20lgIRISNRiRi电流（电压）信噪比：功率信噪比：2sU2sInnuUSNRiISNR或2.直接探测系统的信噪比9.1.1直接探测的基本原理模拟信号系统：3～5，精度高时10～100信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标数字脉冲系统：例如，光通信误码率10-9要求信噪比～20dB2.直接探测系统的信噪比9.1.1直接探测的基本原理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·······－－－第十章－－热力学方法，制冷降低探测器噪声9.1.1直接探测的基本原理－－光学方法，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热噪声散粒噪声2.直接探测系统的信噪比2)直接探测的信噪比极限：以光电二极管为例22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiii最理想情况，只有信号光电流引起的散粒噪声（忽略吗？）－－直接探测的量子极限2)直接探测的信噪比极限：22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiiisd2SNRhvf2nSS2ieIf2.直接探测系统的信噪比－直接探测的量子极限量子极限的另一种表达是：－直接探测的噪声等效功率例：η为1，Δf为1Hz，～2hν，已很接近单个光子的能量hν。实际上，几乎不可能？？？2)直接探测的信噪比极限：sd2SNRhvfd2hvfNEP2.直接探测系统的信噪比物理学中“量子”的定义：－－直接探测噪声等效功率例：η为1，Δf为1Hz，可探测～2hvd2hvfNEP频率为v的电磁波的能量是一份一份的，一份最小的能量hv称为量子。量子极限：2.直接探测系统的信噪比9.1直接探测9.1.1直接探测的基本原理9.1.3直接探测的应用举例－－DrirectDetection，又称为非相干探测装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测平均光功率（光强）9.1.2*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视场AdfdΩd＝Ad/f2光电探测器的视场角:光电探测器9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离作用距离：主动探测系统框图被动探测系统框图9.1.3直接探测的应用举例激光制导、飞行物自动跟踪激光稳频、机器人视觉·········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···）··············应用于测量：应用于控制：特点：信息加载－－辐通量（光强）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···）··············辐通量（幅度、频率、相位···）9.1.3直接探测的应用举例例1.光电磁场测量磁场－－光通量（幅度）磁场振动方向旋转角度光通量幅度9.1.3直接探测的应用举例例2.光栅莫尔条纹测位移mΔcos(2π)xPt精度已可达±0.1μm/m位移－－光通量（频率）9.1.3直接探测的应用举例测“幅度”与“频率”方法，测量精度的比较：基准精度测量精度基准稳定方法幅度10-3～10-410-2～10-3模拟量稳定电路频率10-6～10-810-5～10-7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3.光电测距－－光电光波测距发射光波接收光波距离－－光通量（相位）002/tDc9.1.3直接探测的应用举例第九章直接探测和相干探测直接探测（平均光功率）相干探测（光的波动参数）探测方法的改进光－电信号变换第09章直接探测和相干探测直接探测：（非相干探测）相干探测：（光学外差探测）装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测光功率（光强）。装置复杂，光源必须为相干光源，间接探测光波的振幅、频率和相位等参数。9.2相干探测9.2.1相干探测的基本原理9.2.2相干探测的条件9.2.3相干探测的应用举例－－CoherentDetection－－又称为光外差探测1.相干探测的物理过程原理框图信号光ωs（本地、异地）参考光ωr双频光波：9.2.1相干探测的基本原理1.相干探测的物理过程原理框图9.2.1相干探测的基本原理波前匹配条件：空间条件频率条件偏振条件1.相干探测的物理过程原理框图9.2.1相干探测的基本原理采用平方律探测器：（只响应平均功率）高灵敏度、高频响应、量子效率PMT，PIN-PD，APD光学混频器：222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|[()()2()()]{cos(22)cos(22)22cos[()()]2cos[()()]}ISEtEtSEtEtEtEtSaaatataataat1.相干探测的物理过程1)相干探测的输出信号ssss()sin()Etatrrrr()sin()Etat信号光参考光222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|[()()2()()]{cos(22)cos(22)22cos[()()]2cos[()()]}ISEtEtSEtEtEtEtSaaatataataat平方律探测器光混频输出Ihs为：1014～1015Hz1010Hz222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|[()()2()()]{cos(22)cos(22)22cos[()()]2cos[()()]}ISEtEtSEtEtEtEtSaaatataataat1.相干探测的物理过程1)相干探测的输出信号hssrcos()ISaat探测器、放大器－－滤波器（中频输出）222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|[()()2()()]{cos(22)cos(22)22cos[()()]2cos[()()]}ISEtEtSEtEtEtEtSaaatataataat1.相干探测的物理过程1)相干探测的输出信号探测器、放大器－－滤波器（中频输出）相干探测拍频信号输出（虚拟波形演示）相干探测拍频信号输出（虚拟波形演示）222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|[()()2()()]{cos(22)cos(22)22cos[()()]2cos[()()]}ISEtEtSEtEtEtEtSaaatataataat相干探测拍频信号输出（虚拟波形演示）222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|[()()2()()]{cos(22)cos(22)22cos[()()]2cos[()()]}ISEtEtSEtEtEtEtSaaatataataat相干探测拍频信号输出（虚拟波形演示）222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|[()()2()()]{cos(22)cos(22)22cos[()()]2cos[()()]}ISEtEtSEtEtEtEtSaaatataataat222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|[()()2()()]{cos(22)cos(22)22cos[()()]2cos[()()]}ISEtEtSEtEtEtEtSaaatataataat1.相干探测的物理过程1)相干探测的输出信号探测器、放大器－－滤波器（中频输出）相干探测拍频信号输出信息1.相干探测的物理过程1)相干探测的输出信号hssrcos()ISaatsrsr特例：单频双光束干涉（频差为0）讨论：相干探测的实质222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|[()()2()()]{cos(22)cos(22)22cos[()()]2cos[()()]}ISEtEtSEtEtEtEtSaaatataataat1.平方律探测器2.频率搬移sr1014～1015Hz1010Hz－－光学混频器1.相干探测的物理过程光电系统－－相干探测混频器选通放大器观察仪器高频示波器频谱分析仪外差接收△v，104～1010Hzνsνr无线电－－外差接收高频载波本机振