【文章內容簡介】 的精確復制這些信號。 ? ? ? ? ? ?c o sI F S L L S L SI t A A t? ? ? ? ?? ? ? ?????則，在中頻濾波器輸出端，瞬時中頻信號電壓為： ? ? ? ? ? ?c o sI F S L L L S L SV t A A R t? ? ? ? ?? ? ? ?????中頻輸出有效信號功率就是瞬時中頻功率在中頻周期內的平均值： 222IFI F S L LLVP P P RR???當 ?L=?S時，瞬時中頻電流為 ： ? ? ? ?c o sI F S L L SI t A A? ? ???222,2SSLLPAPA??? ? ? ?S L L S L SAA? ? ? ? ???、 、S S SA ??、 、當 ?L=?S時，瞬時中頻電流為 ： ? ? ? ?c o sI F S L L SI t A A? ? ???這是外差檢測的特殊形式，稱為零差檢測。 結論： 差頻信號是由具有恒定頻率和恒定相位的相干光混頻得到的， 如果頻率、相位不恒定，無法得到確定的差頻光。因此， 激光是光外差檢測技術發(fā)展的前提基礎。 光外差 檢測特性 ① 檢測能力強，可獲得全部信息 光外差檢測 可獲得有關光信號的全部信息，是一種全息檢測技術。 其輸出電流中包含有信號光的振幅、頻率和相位的全部信息，也就是說，不僅振幅調制，而且頻率調制以及相位調制的光波所攜帶的信息，通過光頻外差檢測方式均可實現(xiàn)解調。 結論 1： 光外差檢測可獲得有關光信號的全部信息！ ② 光外差檢測轉換增益高 (a) 外差探測中，中頻輸出有效信號功率為： 222IFI F S L LLVP P P RR???????????(b) 直接探測中，探測器輸出的電功率為 : 2 2 20SP L LP I R P R???從物理過程的觀點看，直接探測是光功率包絡變換的檢波過程， 而光頻外差檢測的光電轉換過程不是檢波，而是一種轉換過程， 即把以 為載頻的光頻信息轉換到以 為載頻的中頻電流上。 同樣光功率下，兩種方法所得信號光功率比為 : 02I F LSPPGPP??結論 2： 光外差檢測具有天然的檢測微弱信號的能力！ s? IF?③ 良好的濾波性能 在光外差檢測中，取差頻寬度作為信號處理器的通頻帶 Δf ， 則只有此頻帶內的雜光可進入系統(tǒng)，對系統(tǒng)造成影響，而其它的雜光噪聲被濾掉。因此外差檢測系統(tǒng)不需濾光片，其效果也遠優(yōu)于直接檢測系統(tǒng)。 例：目標沿光束方向運動速度 V=15m/s，對于 CO2激光信號，多普勒頻率 fS為： 通頻帶 Δf1取為： 而直接檢測加光譜濾光片時，設濾光片帶寬為 1nm，所對應的帶寬，即通頻帶為： 上述兩種情況的帶寬之比為： 21SLVffc????????122 3S L LV c Vf f f f M H zcc ?? ? ? ? ? ?9 321 63 1 0 103 1 0f f H z?? ? ? ??? ?? ?1821 92 2 1 22 42 1 1 2 23 1 0 1 0 3 1 01 0 . 6 1 0cc c cf f f H z?? ?? ? ? ? ???? ???? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????? ? 2s L S Lf f f? ? ?? ? ? ? ? 為了形成外差信號，要求信號光與本振光空間方向嚴格對準， 而背景光入射方向是雜亂的，偏振方向不確定，不能滿足空間 調準要求，不能形成有效的外差信號，因此，外差檢測能夠濾除 背景光，有較強的空間濾波能力。 結論 3： 外差檢測對背景光有強抑制作用，具有良好的濾波性能！ ④ 信噪比損失小 當不考慮檢測器本身噪聲影響，只考慮輸入背景噪聲的情況下，設信號光波為 ES(t)，背景光波為 EB (t)，根據(jù)前面討論的瞬時中頻電流表達式： 可得到檢測器的輸出電流為： 外差檢測器的輸出信噪比為 : 22SLS S Sn B BBLPPI P AI P APP??? ? ?? ? ? ? ? ?c o sI F S L L S L SI t A A t? ? ? ? ?? ? ? ?????? ?2I F S B LI P P P???結論 4： 外差檢測器的輸入信噪比等于輸出信噪比，輸出信噪比沒有損失！ ⑤ 最小可檢測功率 內部增益為 M的光外差檢測器輸出有效信號功率為： ? ? 2222C S L L S L LeP M P P R M P P Rh ?? ????? ????外差檢測系統(tǒng)遇到的噪聲與直接檢測系統(tǒng)遇到的噪聲基本相同，其中，外界輸入檢測器的噪聲及檢測器本身的噪聲通常都比較小，可消除。 但檢測系統(tǒng)中的 散粒噪聲 和 熱噪聲 是影響最大，難以消除的。外差檢測輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為： ? ?224n S B L d LeP M e P P P I fR k T fh ????? ? ? ? ? ? ?????M是檢測器的內增益，對于光導檢測器 M?1?1000； 對于光伏檢測器 M?1； 對于光電倍增管 M?106以上。 PB為背景輻射功率， Id為檢測器的暗電流， Δ f為外差檢測的中頻帶寬。 可見： 外差檢測系統(tǒng)中的噪聲分別為由信號光、本振光和背景輻射所引起的散粒噪聲 ，由檢測器暗電流所引起的散粒噪聲以及由檢測器和電路產(chǎn)生的熱噪聲。 因此，功率信噪比為： ? ?? ?22 2S L LpS L B d LeM P P RhS NReM e P P P I fR k T fh?????????????? ? ? ? ? ?????當本征功率 PL足夠大時，本征散粒噪聲遠超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋? ? ?22S L LSpLLeM P P RPhS NRe hfM e P fRh???? ??????????????????這就是光外差檢測系統(tǒng)中所能達到的最大信噪比極限，一般稱為光外差檢測的 量子檢測極限 或 量子噪聲限 。 ? ? 2222C S L L S L LeP M P P R M P P Rh ?? ????? ????? ?224n S B L d LeP M e P P P I fR k T fh ????? ? ? ? ? ? ?????為克服由信號光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的轉換增益， 增大本振光功率 是有利的。但本振光本身也引起散粒噪聲，本振功率越大，噪聲也越大，使檢測系統(tǒng)信噪比反而降低。因此，應合理選擇本振光功率，以便得到 最佳信噪比 和較大的 中頻轉換增益。 (a) 引入 最小可檢測功率（等效噪聲功率） NEP表示，在量子檢測極限下，光外差檢測的 NEP值為： 即ＳＮＲ＝１時的信號光功率 : ? ? Sp PS NR hf??? ?shfP N E P ?????(b) 在光電直接檢測系統(tǒng)的量子極限為： 2 hfN E P ????這里面需要說明的是： 直接檢測量子限是在理想光檢測器的理想條件下得到，實際中是無法實現(xiàn)量子極限的。而對于光外差檢測，利用 足夠的本振光 是容易實現(xiàn)的。 結論 5：檢測靈敏度高是光外差檢測的突出優(yōu)點 。 ⑥ 光外差檢測系統(tǒng)對檢測器性能的要求 外差檢測系統(tǒng)對檢測器要求一般比直接檢測對檢測器的要求高得多，主要如下： １響應頻帶寬。 主要是因為采用多普勒頻移特性進行目標檢測時，頻移的變化范圍寬，要求檢測器的響應范圍要寬，甚至達上千兆Hz。 ２均勻性好。 外差檢測中檢測器即為混頻器，在檢測器光敏面上信號光束和本振蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號，為達到在光敏面不同區(qū)域相同的外差效果，要求檢測器的光電性能在整