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1、第六章 光外差检测系统,光外差检测与直接检测系统相比，具有如下优点：测量精度高7-8个数量级；灵敏度达到量子噪声极限，其NEP值可达10-20 W。可用于光子计数。激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的相干性，所以外差检测在大气中应用受限，在外层空间已经达到实用阶段。外差检测在高频（1016Hz）光波时不如直接检测有用。而在长波长（近红外和中红外波段），光外差检测技术就可实现接近量子噪声限的检测。,直接检测系统中，检测器检测的光功率为平均光功率Pcp：,显然光波直接检测只能测量其振幅值。,光外差检测原理如图，两束平行的相干光，经分光镜和可变光阑入射到检测器表面进行混频，形成相干光场，经检测器
2、变换后，输出信号包含差频信号，故又称相干检测。,6.1 光外差检测原理,如图:光源经过稳频的二氧化碳激光器，由分束镜把入射光分成两路：一路经反射作为本振光波，频率为fL，另一路经偏心轮反射，经聚焦到可变光阑上作为信号光束。,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：,那么，入射到检测器上的总光场为：,光检测器的响应与光电场的平方成正比，所以光检测器的光电流为：,式中第一、二项
3、为余弦函数平方的平均值，等于1/2。第三项为和频项，频率太高，光混频器不响应，可略去，第四项为差频项，频率低得多，当差频信号(L-s)/2=C/2低于光检测器的上限截止频率时，检测器就有频率为C/2的光电流输出。,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C为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：,中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：,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：,当L-s=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频电流为：,这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。,6.2 光外差检测特性,6.2.1 光外差检测可获得全部信息,外差检测不仅
4、可检测振幅和强度调制的光信号，还可检测频率调制及相位调制的光信号。在直接检测系统是不可能的。,6.2.2 光外差检测转换增益G高,光外差检测中频输出有效信号功率为：,在直接检测中，检测器输出电功率为：,两种方法得到的信号功率比G为：,可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。,6.2.4 信噪比损失小,6.2.3 良好的滤波性能,光外差检测中，取信号处理器通频带为f=fL-fs，则只有此频带内的杂光可进入系统，对系统造成影响，而其它的杂光噪声被滤掉。因此外差检测系统不需滤光片，其效果也远优于直接检测系统。,例：目标沿光束方向运动速度=0-15m/s，对于CO2激光信号，多普勒频率fs为：,通频带f
5、1取为：,而直接检测加光谱滤光片时，设滤光片带宽为1nm，所对应的带宽，即通频带f2=3000MHz。可见，外差检测对背景光有强抑制作用。另：速度越快，多普勒频率越大，通频带越宽。,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,当本征功率PL足够大时，本征散粒噪声远超过所有其它噪声，则上式变为：,内部增益为M的光外差检测器输出有效信号功率为：,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：,功率信噪比为：,这就是光外差检测
6、系统中所能达到的最大信噪比极限，一般称为光外差检测的量子检测极限或量子噪声限。,引入最小可检测功率（等效噪声功率）NEP表示，在量子检测极限下，光外差检测的NEP值为：,在光电直接检测系统的量子极限为：,这里面需要说明的是：直接检测量子限是在理想光检测器的理想条件下得到，实际中无法实现量子极限的。而对于光外差检测，利用足够的本振光是容易实现的。总之，检测灵敏度高是光外差检测的突出优点。,6.2.5 最小可检测功率内增益型光电检测器件,为克服由信号光引起的噪声以外的所有其他噪声，从而获得高的转换增益，增大本振光功率是有利的。但本振光本身也引起散粒噪声，本振功率越大，噪声也越大，使检测系统信噪比反
7、而降低。因此，应合理选择本振光功率，以便得到最佳信噪比和较大的中频转换增益。,6.2.6 光外差检测系统对检测器性能的要求,外差检测系统对检测器要求一般比直接检测对检测器的要求高得多，主要如下：响应频带宽。主要是因为采用多普勒频移特性进行目标检测时，频移的变化范围宽，要求检测器的响应范围要宽，甚至达上千兆Hz。均匀性好。外差检测中检测器即为混频器，在检测器光敏面上信号光束和本振荡光束发生相干产生差频信号，为达到在光敏面不同区域相同的外差效果，要求检测器的光电性能在整光敏面上都是一致。特别是跟踪系统的四象限列阵检测器。工作温度高。在实验室工作时，工作温度无严格要求。如果在室外或空间应用时，要求选
8、工作温度高的检测器。如HgCdTe红外检测器件。,6.3 影响光外差检测灵敏度的因素,在本节内容中，只考虑光外差检测的空间条件和频率条件对灵敏度的影响及改善方法。其它因素可参阅书籍。,6.3.1 光外差检测的空间条件（空间调准）,信号光和本振光的波前在光检测器光敏面上保持相同的相位关系，才得式：,设信号光束和本振光束之间夹角为，且信号光束的波阵面平行于光敏面时，如图。,6.3.1 光外差检测的空间条件（空间调准）,设信号光束和本振光束的光场为：,那么本振光束到达光敏面时，在不同点x处有不同的波前，即不同的相位差。相位差等于光程差和波数之积。即：,于是本振光波可表示为：,则检测器上x点的响应电流
9、为,则整个光敏面总响应电流为,6.3.1 光外差检测的空间条件（空间调准）,从式中可知，当 时，,即 时，中频电流i最大。,即可得外差检测的空间相位条件为：,即：,显然：波长愈短或口径愈大，要求相位差角愈小，愈难满足外差检测的要求。说明红外光比可见光更易实现光外差检测。例：本振光波长为1微米，检测器光敏面长度为1mm，则0.32mrad（0.018度）。实验证实，稳频的CO2激光器做外差检测实验，当2.6mrad时，才能看到清晰的差频信号。,这个角度也被称为失配角。,如图，要形成强的差频信号，必须使信号光束和本振光束在空间准直得很好。背景杂散光来自各个方向，绝大部分的背景光不与本振光准直，即不
10、产生明显的差频信号。,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。,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）。,降低空间相干条件的方法,先来看一下光学透镜天线在接收系统中的作用：,光学透镜天线,当光波正入射时，由物理光学可知，经过面积为Ar的透镜之后，在焦平面处的探测器上形成衍射光斑。衍射光斑中最大峰值处所包含的面积2f2/Ar称
11、为爱里斑面积。这个面积决定了接收系统的衍射极限视场，若用立体角dl表示，则有,若用平面角表示，则有：,式中Dr是透镜的直径尺寸。,爱里斑原理示意图:,用透镜将信号光聚焦到光混频器表面。光混频器的有效面积就是爱里斑的面积。,同时使本振光也照射到爱里斑上，即可发生光混频。,随着D/f 比的增加，对失配角的要求越来越宽。,6.3.2 光外差检测的频率条件,为获得灵敏度高的光外差检测，要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳定性。光外差检测的物理光学的本质是两束光波叠加后产生干涉的结果。这种干涉取决于信号光和本振光束的单色性。因此为获得单色性好的激光输出，必须选用单纵模运转的激光器作为光外差检测光源
12、。,信号光和本振光存在着频率漂移，使光外差检测系统的性能变坏。是因为频率差太大可能超过中频滤波带宽，中频信号不能正常放大。因此在光外差检测中，需要采用专门措施稳定信号光和本振光的频率。,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）,6.4 光外差探测系统举例,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
13、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、激光光源：稳频He-Ne气体激光器，频宽达103Hz，相干长度可达300km。2、干涉系统：迈克尔逊干涉原理，位移-测量臂；3、光电显微镜：给出起始位置。实现对对测长度或位移的精密瞄准，使干涉仪的干涉信号处理部分和被测量之间实现同步。4、干涉信号处理部分：光电控制、信号放大、判向、细分及可逆计数和显示记录等。,6.4.1 激光干涉测长仪,如图，主要有几部分组成：,测量光束2和参考光束1相互叠加干涉形成干涉信号。其明暗变化次数直接对应于测量镜的位移 M2沿光束2方向上每移动半波长的长度，光束2的光程就改变了一个波长，
14、于是干涉条纹就产生一个周期的明、暗变化。这个变化由光电转换装置转变成一个电信号而被光电计数器计数，并由显示和记录装置加以显示和记录。我们只要记下M2移动时干涉条纹变化的周期数N就可以得到被测长度(即M2移动的距离)。被测长度L通过运算和显示电路直接显示出来,1、激光器；2、透镜；3、小孔光阑；4、透镜；5、反射镜；6、反射棱镜；7、位相板；8、角锥反射棱镜；9、分束镜；10、角锥反射棱镜；11、透镜；12、光阑；13、光电检测器；14、透镜；15、光阑；16、光电检测器,光阑3形成一种空间滤波器，减小光源中杂散光的影响。到达角锥反射棱镜10的作为干涉仪的参考臂。而角锥反射棱镜8作为测量臂。光学
15、元件7称为位相板，使通过光路的部分光束产生附加位相移动，使光电检测器13和16接收到的干涉信号在位相上相差/2。,实用的激光干涉测长仪的简化光路,该光路中，使用角锥棱镜代替了平面反射镜作为反射器，一方面避免了反射光束反馈回激光器而对激光器带来的不利影响，另一方面由于角锥棱镜的特点，使得出射光束与入射光束平行，而棱镜绕任一转轴的转动均不影响出射光束的方向，当它绕光学中心转动的角度不大时，它对光程的影响可以忽略。缺点是这种成对使用的角锥棱镜要求配对加工，而且加工精度要求高。角锥棱镜的形状相当于立方体切下来的一个角，它的三个内表面作为光学反射面并相互垂直。当光从基面入射，可在三个直角面上依次反射，仍
16、从基面出射。出射光线与入射光线总保持平行。,反射器 各种反射器如图所示，有平面反射镜1、直角棱镜2、角锥棱镜3、三种猫眼系统4和固定反射镜与直角棱镜的组合5。各种反射器,几种典型的布局,1使用角锥棱镜反射器的干涉系统（1）图（a）结构的主要特点是反射光束不能反馈回激光器。缺点是这种成对使用的角锥棱镜要求配对加工，而且加工精度要求高。（2）图（b）结构只用一个角锥棱镜作可动镜，镜M1和M3还能做成一体，如图（c）所示。（3）图（d）的布局只用一个角锥棱镜作动镜，已基本上不受镜座多余自由度的影响，而且光程增加一倍。所以也叫做双光程干涉仪系统。,2整体式布局 这是一种将多个光学元件结合在一起，构成一
17、坚固组件的布局结构。如图所示。特点：系统对外界的抗干扰性较好。缺点是调整不方便。该系统不仅多余自由度消除好，灵敏度也提高一倍。,整体式布局系统,3光学倍频的布局（特伦系统）为了提高干涉仪的灵敏度，可以用光学倍频（也称光程差放大器）的棱镜系统，如图所示。M1每移动/2k就有一个干涉条纹的位移。在这种情况下，当a作为棱镜斜边长度时，M2对M1的位移为a/k（k为正整数）。,特点：能用简单的脉冲计数逻辑做精密测量，而无须依靠条纹细分，这种技术还使干涉仪结构紧凑，可使热、空气以及机械干扰减小。,光学倍频系统,由于动镜在导轨上沿光轴移动的过程中，存在各种偶然因互的干扰（例如外界振动、导轨的平直度误差以及
18、机械传动系统的不稳定等），使动镜产生偶然的反向运动，这种偶然的反向运动使计数器所显示的脉冲数为正反向移动的总数，而不是真正的被测长度，因此必然存在测长误差。为了解决这一问题，经光电转换并放大整形后，信号进入一方向判别电路，该电路把计数脉冲分成加、减二种脉冲，工作台正向移动时引起的脉冲为加脉冲、反向移动时引起的脉冲为减脉冲、把这两种脉冲分开后送入可逆计数器计数。,干涉信号的方向判别与计数原理,方向判别电路的原理。先在干涉系统中应用移相方法（详见后述）将干涉条纹分为两组且彼此位相偏移/2，分别经光电转换后，输出的两组光电信号也彼此有/2的位移偏移，这两组光电信号分别经放大、整形、倒相，变成四个位相
19、依次差/2的矩形脉冲，再经斯密特电路把波形变换成尖脉冲。,当工作台正向移动时，脉冲的排列为1、3、2、4、1；反向移动时，脉冲排列次序为1、4、2、3、1，如图所示。在逻辑电路上可根据脉冲1的后面是1或4来判别正向加脉冲或反向减脉冲，并分别逆入加脉冲的“门”或减脉冲的“门”中去，从而可得到总的加脉冲或减脉冲信号。,辩向电路原理,判向电路除提高了仪器的抗干扰能力外，还把一个周期的干涉条纹变化（即亮暗变化一次）变成四个脉冲输出信号。因此在测长时，当条纹变一条时，可逆计数器显示4个脉冲数，这等于把条纹4细分了，常称四倍频计数。此时每一脉冲代表/8的移动量，所测得的长度,为了提高光学干涉测量的准确度，
20、七十年代起有人将电通讯的外差技术移植到光干涉测量领域，发展了一种新型的光外差干涉技术。光外差干涉是指两相干光束的光波频率产生一个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，干涉场中某点处光强以低频随时间呈余弦变化，经光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号。,激光外差干涉测试技术,双频激光外差干涉仪,光源:,双频He-Ne激光器,由于塞曼效应和频率牵引效应，使该激光器输出一束有两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光，它们的频率差V约为15MHz,双频激光器1发出双频激光束,通过14波片2变成两束振动方向互相垂直的线偏振光(v1垂直于纸面，v2平行于纸面)，,一小部分被反射到检偏器5上，检偏器的透光轴
21、与纸面成450,一部分光束透过分束镜4沿原方向射向偏振分束棱镜8。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9，v2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,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450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
22、时，v为负,拍频信号被光电13接收后，进入交流前置放大器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v0 v 与参考信号v0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。由v引起的条纹亮暗变化次数为N，则有,于是,（2）由v换算成L的工作由计算机通过软件自动进行，最后由显示器显示被测长度值。,优点：,前置放大器可采用交流放大器，避免了用直流放大器时所遇到的棘手的直流漂移问题,交流干涉仪抗干扰性能好,测量范围大(可测大于60m的距离),应用：,测长外，还可用于测角、测直线度及测振等,光外差通信基本上都是采用CO2激光器做光源，由光发射系统及接收系统两大部分
23、组成。发射系统：,6.4.2 光外差通信,滤光片,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:,鉴,激光测速的原理是：是测量通过激光束的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度。激光测速的最主要的优点是对流动没有任何扰动，测量的精度高，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。,6.4.3 激光多普勒测速,Laser Doppler Velocimeter,差频法测速,可分
24、为两类：参考光束型多普勒测速：检测散射光和入射光之间的频移（多普勒频移）；双散射光束型多普勒测速：检测两束散射光之间的频差（多普勒频差）。,参考光束型多普勒测速,参考光束型测速方法的光路的原理图,双散射光束型多普勒测速,双散射光束型测速方法是通过检测在同一测量点上的两束散射光的多普勒频差来确定被测点处流体的流速的。如图所示为干涉条纹型。,光源：稳频后的单模激光光源,测速原理：,激光光束的光强分布为高斯分布，在透镜L1后的焦点附近高斯光束束腰的波前为平面波，两光束在焦点附近空间范围内相交得到平行的干涉条纹；而在远离焦点的空间范围相交干涉条纹为弧形。干涉条纹间距为,条纹模型,测速原理：,干涉条纹的
25、空间频率（单位长度内条纹明暗对数）为：,当散射粒子在平行干涉条纹的平面内运动时，散射的光波强度随干涉场及流速面变化，若颗粒运动速度为，运动方向与条纹垂线的夹角为（如图），则颗粒散射光的频差为：,输出波形分析：,在光电倍增管上接收到的输出信号是一种包络波形，包络与光强分布及粒子大小有关。包络的形成是因为光斑中光强的分布为高斯型。包络的幅度不包括速度信息，反映速度信息的是包络的频率。,速度信号的获取,频率跟踪法获得瞬时流速,外差信号VLL的差频频率f0经过中频放大器放大，输出信号到频率鉴别器。鉴频器输出特性如图，信号频率偏离f0时，压控振荡器跟踪信号频率的瞬时变化。,特点：非接触测量，精度高，用于血流速测量。,可辨方向的LDV的结构简图,
