基于平衡探测器的光外差探测系统研究

• 作 者: 李玉
• 出 处: 国防科学技术大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 平衡探测 信噪比 噪声抑制 数学模型

光外差探测技术不仅具有探测能力强、转换增益高、滤波性能好、稳定性高等特点,还能探测信号的振幅、强度、相位等信息,被广泛应用于微弱信号的检测领域。但由于普通外差探测的参考光功率利用率低、噪声大等原因,使得外差探测在某些领域不能满足对探测精度和灵敏度的要求,平衡探测应运而生。将高精度、高灵敏度的平衡探测技术应用于多普勒测速系统,可进一步提高测速系统的性能。本文首先介绍了直接探测、光外差探测、平衡探测的原理,推导了光电流的表达式,分析指出了不同探测方式的优势;总结了平衡探测的实现方法,分析得到了各自的优缺点;阐述了本文实际应用的平衡探测光路和电路的具体实现方法,并指出了其优势。其次,本文建立了平衡探测的数学模型,详细推导了平衡探测信噪比的表达式,理论分析了光信号在光路结构和电路结构中引起的量子噪声,及其对平衡探测信噪比带来的影响。分析可知过剩强度噪声被消除,剩余的不可消除噪声可通过同相位噪声差分相减的方法来抑制。基于信噪比的表达式,本文利用Matlab仿真得到影响因素与信噪比的关系曲线,仿真结果表明:当两探测器转换系数的倍数关系在[0.467,1]之间时,平衡探测信噪比高于光外差探测。最后,基于Altium Designer Winter软件设计了用于光外差探测的平衡探测放大电路,并将所设计的平衡探测器用于激光多普勒测速系统,进行了相关验证实验。实验结果表明,当两个光电探测器件参数相同,且共用一套信号放大电路时,噪声抑制效果最佳。