直接探测和相干探测.ppt
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1、直接探测和相干探测直接探测和相干探测光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering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电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering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
2、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
3、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 光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第第0909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 (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
4、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:9.1.19.1.1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
5、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:9.1.19.1.1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=890nmHz。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
6、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
7、通信误码率例如,光通信误码率 0(t)t例例4.4.像分析器与目标的空间定位像分析器与目标的空间定位2)2)扫描调制式像分析器扫描调制式像分析器 x像振动像振动 x 0 x0振动针孔振动针孔Rt1.1.振动针孔调制器的工作特性振动针孔调制器的工作特性 (定位特性)(定位特性)RR0振动针孔Rt1.1.振动针孔调制器的工作特性振动针孔调制器的工作特性 (定位特性)(定位特性)RR0振动针孔振动针孔Rt1.1.振动针孔调制器的工作特性振动针孔调制器的工作特性 (定位特性)(定位特性)RR0振动针孔振动针孔Rt2.2.转轴表面跳动时针孔转轴表面跳动时针孔 光通量的波形图:光通量的波形图:RUcttt
8、tR=0 零频、零频、2、4、R0 零频零频、(同相)、(同相)、2、3.3.鉴相器输出鉴相器输出U0R=0 零频、零频、2、4、U0=0 R0 零频、零频、(反相)、(反相)、2、U0 0 零频、零频、(同相)、(同相)、2、Uo 04.4.鉴相器输出鉴相器输出波形波形Uot0Uot0TT=2/Uot0TT=2/R=0R0光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering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
9、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光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering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。光电科
10、学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering9.2 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
11、干探测的基本原理相干探测的基本原理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,A_PD 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和和 角角 差差 角角 积积 1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程1)1)
12、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
13、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)启动虚拟仪器启动虚拟仪器LabVIEW8.6仿真信号仿真信号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)启动虚拟仪器启动虚拟仪器LabVIEW8.6仿真信号仿真信号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动态演示虚拟波形动态演示 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
14、(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: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?P2172.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
15、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光电科学与工程学院光
16、电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering 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 9.2.2 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
17、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
18、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 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
19、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
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