第10章 光电外差探测技术与系统
10.1光外差检测原理 10.2光外差检测特性 10.3光外差检测使用的光源 10.4光外差探测典型系统
2016/6/22
光外差检测原理
直接检测
直流量
处理及细 分困难
直流漂移 误差
光外差检 测
交流量
处理及细 分容易
克服直流 漂移误差
光外差检测原理
激光 通信 测速
当本振信号功率PL 足够大时
外差检测的量子检测极限或量子噪声限。
若用等效噪声功率NEP (Noise Equivalent Power) 值表 示，在量子检测极限下，光外差检测的等效噪声功率为
光外差检测的灵敏度，是光外差检测的理论极限
影响光外差检测灵敏度的因素
测量光和本振光的偏振态
频率稳定度
噪声 测量光波前和本振光波前的空间调准及场 匹配 光源的模态
传输通道的干扰以及电子噪声
光外差检测的空间条件
如果测量光与本振光一个光束的截面上，两束光在各 个面元上的波相差将导致各面元 上的干涉相位是不一致的，用探 测器获取到的是这些不同相的干 涉信号的平均值，这种情况下就 会造成外差信号的对比度降低， 从而影响探测的灵敏度。
β 可以视为与探测器光电转换和滤波电路响应有关的 比例常数
光外差检测原理
测量信号
参考信号
如果被测参量能够对这些参量进行调制而使得测量 信号携带有待测量信息，则通过检测其相应的变化 就可获得被测量的大小 参考光频率等于测量光频率时，则所获得的干涉信 号频率为零，这是外差检测的一种特殊形式，称为 零差检测（Homodyne detection），也是光学干涉 仪最常见的形式。
光外差检测的空间条件
光外差检测的空间条件
入射测量光EM 和本振光EL 分别表示为：
由于信号光是斜入射的，那么在光敏 面上不同的位置处的波前是不相同的， 即可以认为在光敏面不同位置处的信 号光相位是不同的，其相对于x = 0 处 的附加相位Δϕ 可以表示为
光外差检测的空间条件
光外差检测的空间条件
探测器光敏面x 位置处的响应电流为
若系统噪声功率谱集中在某个谱段（如低 频段），在外差检测中可以方便地通过改 变测量光与本振光的频差来避开噪声较高 的谱段
最小可检测功率
内部增益为M 的光外差探测器的输出有效信号功率可以表示 为
外差检测中输出的散粒噪声和热噪声功率表示为
散粒噪声
外差检测的功率信噪比表示为：
热噪声
最小可检测功率
10.1光外差检测原理 10.2光外差检测特性 10.3光外差检测使用的光源 10.4光外差探测典型系统
2016/6/22
光外差检测特性
可获得相 位和频率 信息
影响光外 差检测灵 敏度的因 素
特性
微弱信 号探测 能力强
最小可 检测功 率
良好的滤 波性能和 高信噪比
可获得相位和频率信息
外差检测中，由于通过混频将信号带宽从光频 “搬移”到了光探测器可以响应的频段，不仅 可以获取被测光的振幅信息，还能获取频率和 相位信息。因此，在固定的参考信号下，外差 检测不但能够处理振幅和强度调制的光信号， 还可以处理频率调制的光信号，增加了检测方 案的灵活性。
Vs.非相干检测的直接检测法
灵敏度高
输出信噪 比高
精度高
探测目标 的作用距 离远
光外差检测原理
两束光在空间任意点P 的电分量
其中，aM 和aL 分别表示两光束的振幅， ϕM 和ϕL 分别表示两光束在P 点的相位。 则两光束相叠加所得到的光强为：
光外差检测原理
三角变换
光外差检测原理
光强的直流部分 光频量级（1014Hz）
光频量级（1014Hz）
交流部分
信号振幅为aMaL，频率νM − νL 为两 束相干光的频率差，也叫拍频
光外差检测原理
现有的光探测器都无法达到光频的响应速度（通常在 1010Hz 以下），故光谱分量不对探测器产生影响。 故探测器获取的光强信号：
该信号为附有直流偏置的余弦交流量，通过带通滤波 器后滤去直流量，输出电压为：
良好的滤波性能和高信噪比
光外差检测中通过混频将信号带宽从光频 “搬移”到了光探测器可以响应的带宽， 有效信号带宽是测量光与本振光的频率之 差，较光频低5 ∼ 10 个数量级
电滤波器可以具有非常狭窄的带宽，如锁 相放大器可以将带宽控制到1Hz 以下，测 量光以外的其它波长的光由于无法相干或 频差太大而被有效滤除
其中α 为光电变换比例常数。整个光敏面总响应电流为
积分得到
尽量小
β 值小即表示测量光与本振光之间的夹角θ 要足够小，而l 小表明检测 器的光敏面要足够小
偏振态对光外差检测灵敏度的影响
从干涉的角度出发，只有当两光束具有同一个方向的振动 分量时，他们才会发生干涉，若两个偏振光的振动方向是 垂直（正交）的，就无法获得干涉信号。在进行外差检测 时，偏振光经过光学系统的各种元件（如角锥棱镜、分光 镜等）的反射和折射后，其偏振态往往会发生不同的变化， 因而导致信号对比度和灵敏度降低。这时需要使用波片、 偏振片等器件调整光束的偏振态，以求得到最好的信号灵 敏度。
光外差检测的频率条件
为了获得高灵敏度的光外差检测，还要求测量光和本振光 具有高度的单色性和频率稳定度。
光源的单色性越 好意味着光源的 相干长度越长， 越 容易 获 得 有 效 干涉信号
测量光和本振光的频率漂移必须被限制在一 定范围内，否则如果测量光和本振光的频率 相对漂移很大，两者频率之差就有可能很大， 导致后续滤波器、前置放大和中频放大电路 无法正常工作
微弱信号探测能力强
光外差检测输出的有效信号电功率Ph
直接光电检测输出的有效信号电功率Pd
信号功率比G
微弱信号探测能力强
本机振荡光功率PL 比测量光功率PM 大几个数量 级是容易达到的，所以外差检测相对于直接测 量的增益可以高达107 ∼ 108，非常适合用于检测 微弱光信号。而在测量光较强的时候，外差检 测的优势并不突出。
外差 检测
干涉 测长
激光 雷达
测角
光外差检测原理
光外差检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的条件下，在光电探测 器上进行光学混频（相乘）。由于光电探测器的响应远远 低于光波频率，其输出是频率为两光波的差频电信号。
振幅 频率 相位
相干检测
光外差检测原理