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1、第8章 光辐射的探测和解调,8.1 直接探测和光外差探测8.2 微弱信号的检测,用光电方法检测和解调出光载波所载信息，通常采用两种探测方式，即直接探测和光外差探测，也叫非相干探测和相干探测。非相干探测指的是将信号光波直接投射到光电检测器件的光敏面，检测器只响应入射光的平均功率，无论是对相干光或非相干光，检测系统只能检测出由光强度调制所形成的信号，这种方式称直接探测。相干探测能响应相干光波的波动性质，检测输出的电信号能间接表征光波的振幅、相位或与之有关的信息，它的主要方式是光外差探测。,直接探测示意图,8.1.1 直接探测的原理,一、连续光信号的直接探测 设被测光为单频信号的波振幅,探测器接收的
2、光功率（入射功率）为,信号光波的振幅,信号光波的角频率,信号光波的初相位,0,P(f),连续光信号的直接探测受探测带宽限制仅仅测得直流光电流,光电灵敏度,直接探测的信噪比,1欧姆电阻上的信号功率,1欧姆电阻上的噪声功率,量子噪声,热噪声,噪声,产生复合噪声,温度噪声,功率信噪比,仅仅考虑光信号引起的噪声（探测器增益为1）：,令,直接探测的量子极限功率,二、待测信号为振幅调制光信号,信号功率,测得调制信号的振幅、频率和相位,功率信噪比 SNRP=?,直接探测调制信号的量子极限功率,图5.1 光学外差探测原理示意图a)原理图 b)频谱分布,8.1.2 外差探测的原理,电子学中的外差接收技术，在接收
3、端被信息调制的高频载波与有一定频差的本机振荡信号混频，得到中频信号（保持了调制信号的特征），通过检测中频信号能最终解调出被传送的信息。 这种方法引伸到光频干涉中发展成各种形式的光学外差干涉技术。光学外差探测是将包含有被测信息的相干光调制波和作为基准的本机振荡光波，在满足波前匹配条件下在光电探测器上进行光学混频。探测器的输出是频率为二光波光频差的拍频信号。该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位特征。与非相干探测相比，这种方式称作相干探测。,一、光学外差探测原理,设待测光波信号复振幅Us和参考光波复振幅U0分别为,采用平方律探测器进行光混频后，探测器的输出,K为探测器的光电灵敏度。,探测器的输出信
4、号,外差信号能以时序电信号的形式反映相干场上各点处信号光波的波动性质。即使是信号光的参量受被测信息调制，外差信号也能无畸变地精确复制这些调制信号。调幅信号加以说明。设信号光振幅为,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，,零差探测的信号表达式,调幅波情况下,令=0,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。,二、光学外差探测的特性,与直接探测相比，外差探测有许多突出的特点：
5、 1) 探测能力强。外差探测不仅能检测出振幅和强度调制的光波而且可以检测相位和频率调制的光波，因此是一种测试光的波动特性的有力方法。 2) 探测灵敏度高。外差探测中光电检测器输出电流幅值为,Ps和P0分别是信号和本振光的功率，本振光功率对外差信号有决定作用。提高本振光功率（例如比信号光高107108倍）可以得到较强的外差信号。与直接探测相比，它们的信号转换功率比G为,107108,外差信号电流均方功率,对于受限于散粒噪声的检测器，考虑到关系P0Ps，噪声的均方功率为,外差探测信噪比SNR为,最小可测入射功率Phmin,3)信噪比高,例如,直接探测极限 外差探测极限,直接探测,外差探测,4) 有
6、空间滤波能力。为了形成外差信号，对信号光和本振光要求较高的波前匹配条件。例如空间对准、偏振相同等。如果背景辐射杂散光入射方向杂乱，偏振状态不确定，不能满足这些条件，则不能形成有效的外差信号。所以外差探测有较强的空间滤波能力。 5) 有光谱滤波能力。只要二相干光波频率是稳定的，当检测通道的通频带刚好覆盖有用外差信号的频谱范围，则在此通带外的杂散光即使形成拍信号也将被滤掉。因此外差探测系统即使不加光谱滤光片其效果也比加滤光片的直接探测好得多。,6) 检测的稳定性和可靠性高。外差信号通常是交变的射频或中频信号，并且多采用频率和相位调制，即使被测参量为零，载波信号仍保持稳定幅度。对这种交流的测量系统，
7、系统直流分量的漂移和光信号幅度的涨落不直接影响检测性能，能稳定可靠的工作。,实现外差探测的匹配条件 尽管外差探测具有许多优点，但为获得最佳的外差信号，要求相干光束满足一定的条件。 1) 参于混频的信号光和本振光应是理想相干的单频单模光，要有稳定的振荡频率和相位。通常两光束取自同一激光器，通过频率偏移器取得本振光或经被测信息调制得到信号光。在外差通讯时，光发射和接收不在同一地点的情况下，要求本振光对信号光载波保持频率跟踪。 2) 在光混频器上信号光与本振光要求偏振方向一致。,3) 信号光与本振光要求空间波前匹配，即要求空间调准（准直、共轴），波面吻合垂直入射于光混频表面。二光束入射角偏斜应满足关
8、系,本振光波长,光电探测器光敏面尺寸,4) 光电探测器应有灵敏度均匀的光敏表面，足够的高频响应和稳定的量子效率。外差探测通常采用光电倍增管、PIN管和雪崩光电管等。,外差信号的检测 外差信号的频率范围取决于本振光和信号光的频差。通常为104Hz到1010Hz数量级。主要检测光拍信号的方法包括：用电子示波器或中、高频频谱分析仪测试信号波形或频谱分量；经选通放大外差信号后再用时域微分鉴频、斜率鉴频或相位鉴频等常用电子装置测定外差拍频；对于射频外差信号，采用射频混频的电信号外差接收，转换为较低频信号后进行频率测量。更多的检测方法要根据光调制的方式和外差信号的频谱范围自行设计。,8.2 微弱信号的检测
9、,信噪比小于1或远小于1 的信号,信号：具有周期性，带宽窄噪声：随机产生没有周期性，带宽宽,t,f,Ps(t),Ps(f),有限长信号的时域和频域特性,f,Pn(t),噪声的时域和频域特性,t,Pn(f),白噪声,1/f,宇宙射线噪声,8.2.1 窄带滤波法 锁相放大器,一、窄带滤波法利用信号的功率谱密度较窄，而噪声的功率谱密度很宽的特点，使用一个窄带滤波器，将有用的信号功率提取出来。由于窄带通滤波器只让噪声功率的很小一部分通过而滤除了大部分噪声功率，所以输出信噪比得到很大的提高。这种方法不仅适用于周期性正弦信号波形的复现，而且也能用来检测单次信号是否存在。这是由于任何一个单次信号脉冲的绝大部
10、分频率分量的能量都集中在频谱密度曲线基频所在的主峰内，只要滤波器的频宽略大于主峰频宽，就可使信噪比得到改善。但是由于滤除了一小部分频谱的信号，因而这种方法只能用于提取单次信号存在与否的信息而不能复现单次信号的波形。,描述微弱信号检测方法性能的参数是信噪比改善系数(SNIR)，其定义是,如果一个滤波器或放大器的传输系数或增益是频率的函数G(f)，则测量带宽（或称噪声等效带宽）的定义是,式中Gm是通频带的传输系数或增益的极大值,对于白噪声, 其功率谱密度p(f)与频率无关, 因此窄带滤波法的信噪比改善系数可写成,fi 是输入的白噪声带宽,测量带宽,由此可知，在输入仅有白噪声时，窄带滤波法的信噪比改
11、善系数等于输入白噪声带宽和窄带滤波器等效噪声带宽之比，通过适当限制带宽可带来信噪比的改善。对于其它的噪声，虽然信噪比改善的具体关系式不同，但也可带来相同的改善信噪比的结论。,图5.3形象地通过有限正弦信号及白噪声功率谱密度曲线来说明窄带滤波法怎样提高输出信噪比。由图可见，使用了窄带通滤波器后，使输出信噪比为,图5.3 窄带滤波法图例,常见的窄带滤波器：双T选频放大器 RC滤波电路 晶体窄带滤波器,二、 锁相放大器,由于滤波器电路中器件的不稳定，窄带滤波器中心频率随温度漂移，使窄带滤波方法很难捕捉到信号,图5.5 锁定接收原理图,单信道锁相放大器框图,AC,带通滤波器,AC,DC,R,C,乘法器
12、,锁相环,相移器,信号通道,参考通道,积分器,设信号为参考信号为噪声锁相放大器输出信号,锁相放大器输出噪声,0,0,0,当积分时间T时，则上式中的第一项积分,后一项积分也为零，所以，Vn0(t)=0。这表明当积分时间很长时，锁定放大器对噪声的抑制能力很强。在实际中，由于T不可能做得很大，或者有时为了制作方便，积分器采用低通滤波器来替代时，锁定放大器输出的噪声不为零，而是在零附近起伏变化。,锁定放大器噪声特性也用信噪比改善来表征,其等效噪声带宽f主要由积分器来决定。当积分器采用RC低通滤波器时，,在采用有源滤波器的情况下，,有源滤波器,所以，时间常数=RC或=RFCF愈大，信噪比的改善也愈好，当
13、然这样也增加了测量时间。目前的锁定放大器已能检测出信噪电压比等于负一百分贝左右、频率从十分之几赫到一兆赫的微弱信号。,用锁相放大器测量的原理图,8.2.2 同步累积法、取样积分器（Boxcar）,利用信号的重复性和噪声的随机性，对信号重复测量多次使信号同相地累积来改善信噪比。设信号为测量n次则累积后的信号为,其中,为累积信号的平均值,重复测量n次后，根据噪声的不相关性，n次测量的噪声为,是累积噪声的方均根值。,设噪声为,其中,一、同步累积法,可得信噪比改善系数为,测量次数n愈大，信噪比改善就愈明显。例如输入信噪比为,，若要求输出信噪比大于4，则累积的次数n应大于40。,增加累积次数意味着延长测
14、量时间，所以同步累积法是以耗费测量时间来换取信噪比改善的。,图5.4 同步积分器图,同步积分器是一种具体实现同步累积检测正弦波信号或方波信号的方法。它由两个累积器组成，这两个累积器通过一个转换开关依次与信号连通并产生输出，而开关的频率与输入信号频率要保持相同，其原理电路如图5.4()所示，其中开关S用一个与输入信号Vi(t)频率相同的参考信号来触发，而累积器用的是积分器。图5.4(b)表示的是最简单的同步积分器，用积分电路RC1、RC2构成两个累积器，通过开关S的转换，使输入信号的正半周在C1上积分，负半周在C2上积分。如果积分电路的时间常数比输入信号的周期大很多，并且同步积分器的负载电阻很大
15、，那么输入信号将在两个电容器上多次积累。当Vi(t)为正弦信号时，在两电容器上累积的电压最后将分别等于Vi(t)在半周期内的平均值，而极性相反。当Vi (t)为方波周期信号时，在两电容上积累的电压最后将分别等于方波的幅值Vi 一样的大小，极性也相反。这样一来，在输出端得到了与参考信号同频率的方波信号，其幅度与输入信号幅度具有一定的比例关系。,对噪声来说，由于它的变化具有随机性，因而不可能与开关S同步，所以在电容上积累时将有一部分因极性不同而被抵消掉，这样在输出端得到的噪声电压将是很小的。积分时间常数愈大，输出噪声将愈小。实验证明，同步积分器可以检测信噪电压比小于 的微弱信号，并且信噪电压比的改
16、善可达40dB左右,图5.7 取样积分器原理框图,Vs (t)： 输入周期重复信号Vr (t)：与Vs(t)同步的参考信号受Vr (t)控制的时基信号驱动取样脉冲的产生，使得在取样脉冲期间取样门被接通，于是输入信号通过取样门进入积分器运算，最后得到输出信号Vso(t),二、取样积分器（Boxcar）,利用周期性信号的重复特性，在每个周期对信号的一部分取样一次，然后经过积分器取出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。与此同时，由于取样点的重复及积分器的抑制噪声作用，大大提高了信噪比。图5.8 输入的周期性信号与取样脉冲时间的关系,图5.8 输入的周期性信号与取样脉冲
17、时间的关系,取样门宽、步长对测量结果的影响？,各次取样脉冲的中点位置为,，。,设Ns是扫描完一个波形所需的取样脉冲数目，显然有Ns t=T，在一个脉冲期间对信号取样积分一次，各次所得的输出信号分别为,.,RC是积分器的时间常数Tp是取样脉冲的宽度G是系统的增益需要的扫描时间为NsT。,以上各式的值均为常数值，而且分别与各个时刻信号波形的幅度成一定的比例关系，也就是说每取样积分一次就得到了一个与输入信号相关连的直流输出电压，取样积分Ns次则得到Ns个直流输出电压，这些直流输出电压按时间的顺序列就复现了输入信号Vs(t)的波形。由于一个周期内只出现一个脉冲，所以要显示出波形，需要的扫描时间为NsT。,信噪比改善情况？,的一部分,任意待测点A,取样门宽,每次测量延迟时间,对A点的测量取样次数,如何产生所需要的取样脉冲？,滤波器,取样门,积分器,慢扫描器,触发脉冲,时基,比较器,门宽控制器,门驱动器,K,单点测量,扫描测量,单点取样积分原理示意图,信号,取样脉冲,扫描脉冲获得？,
