激光探测技术概论

光电子技术结课论文

激光探测技术概论

电子1002班 LZ

摘要：

激光探测系统的作用是将接受的激光信号变化变成电信号，也就是说将光信息转皇城电信息，并通过不同的信息处理方法来获取不同的信息并实现探测目的，激光探测技术按探测方式分为直接探测和外差探测两种，按探测器的方式分类，可分为单元探测和多元阵列探测，本文即从探测方式的角度，对激光探测技术的原理、应用等四方面进行综合阐述。

关键字：激光探测 直接探测 外差探测 干扰

1. 引言

随着光技术的不断发展，激光越来越多的走入科技和生活，其激光探测技术也随着光技术的进步取得了很大的进步。激光探测就是激光信号通过探测器转换成电信号的过程。通常用光电型探测器或光热型探测器探测激光信号。激光探测在激光接收以及激光测距、通信、跟踪、制导、雷达等研究和应用中具有重要的作用。

2. 激光探测技术原理

激光的最初中文名叫做“镭射”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。意思是“受激辐射的光放大”[1]。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。

激光的产生：原子或分子等微观粒子具有高能级E2和低能级E1，在两能级间存在着自发发射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁等三种过程。受激发射跃迁所产生的受激发射光，与入射光具有相同的频率、相位、传播方向和偏振方向。一个原子从高能阶降到低能阶时，会放出一个光子，原子在高能阶时受到一个光子的撞击，就会受激而放出另外一个相同的光子，变成两个光子，如果受激放光

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的过程持续产生，则所发出来的光子便会越来越多[2]。利用共振腔，把由光放大器所产生的光线用反射镜局限在一个特定的范围内，让光线可以来回反射；透过共振腔的作用，能让光线行进的方向完全相同，能量足够大时就会有光子射出，从而产生激光。

2.1直接探测技术

直接探测就是将激光信号直接转换成电信号。光电探测器输出的电信号幅度正比于接受的光功率。不要求具有相干性，因此这种探测方法又称为非相干探测，图1为直接探测原理框图。

图1 直接探测原理框图

光电探测器的基本功能是把入射到探测器上的光功率转换为相应的光电流，光电流是光电探测器对入射光功率的响应，如果传递的信息表现为光功率的变化，利用光电探测器的直接光电转换功能就能实现信息的直接解调。

目前，绝大多数激光雷达采用直接探测方法，如激光火控测量系统、激光测距系统、激光侦查几桶、大气雷达等。这主要是由于直接探测具有以下优点：探测技术简单，较容易获得所需信息；探测信息可靠性、长期稳定性好；工作环境适应性强，环境温度和大气压强探测系统影响小；结构简单、体积小等。

2.2外差探测技术

2.2.1光外差探测原理

由于激光的单色性很高，其谱线极窄，因而可以利用两个激光信号在光频段进行混频实现光的想干探测，故光外差探测又叫相干探测[3]。光外差原理与电子学外差原理相同。图2为光外差探测原理图。与直接探测方法相比，外差探测多了一个本振激光器和光束合成器。混频器即光电探测器，具有光电转换和光混频的功能，与直接探测方法所使用的光电探测器相同。

图2 外差探测原理框图

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两束光频率相近的激光信号和本振光通过光束合成后，在光电探测器光敏面

上相干涉（电子学成为混频）产生干涉条纹，其变化速度取决于信号光与本振光的差频项，光差频为：

式中，f为激光信号频率；f0 为本振激光频率；差值为光频差。

虽然探测器不相应很高的光频变化，但对差频变化能很好响应，故能输出广

外查信号电流即差频电流，它包含了光信号的幅度、频率和相位信息。与直接探测相比，外差探测逼近能探测信号的强度，还能探测光频变化。

外差探测用于速度测量，与无线点测速原理一样，由于多普勒效应，运动目标反射的激光频率相对于照射激光频率有微笑变化，采用光外差测量频率变化值得出目标速度，称多普勒测速。由于速度引起的频率变化值与入射光频率程正比，而光频很高，因此采用外差测速的精度是很高的，斌更可以测量很小的运动速度。 2.2.2微波调制激光强度的外差探测原理

在这种技术体制中，外差的本振频率时微波频率，而不是光频。由于外差接

收技术既复杂，又不稳定，在有些激光测量雷达中，激光作为载波，采用微薄或高频信号对激光进行强度调制，这样就可以对激光进行直接探测，通过外差探测出调制频率的频移，从而求得目标运动速度。

2.3外差检测与直接检测的性能比较

1）探测能力强：光波的振幅、相位及频率的变化都会引起光电探测器的输出，因此外差探测不仅能够检测出振幅和强度调制的光波信号，而且可以检测出相位和频率调制的光信号。

2）转换增益高：外差探测时经过光电接收器输出的电流幅值为。 3）滤波性能好

4）差频信号是由具有恒定频率（近于单频）和恒定相位的相干光混频得到的，只有激光才能实现外差探测

3. 激光探测的干扰及抗扰措施

3.1 噪声组成

背景干扰噪声。包括太阳的直射或经地物漫反射的杂散光，在中红外波段主要是来自背景的自热辐射。探测器的几种主要的固有噪声：散粒噪声，与光电探测器的暗电流有关，与工作频率无关；热噪声，任何电阻材料都有热噪声，与工作温度成正比；放大器噪声。

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3.2 抗干扰措施

① 合理选择接收视场，插入窄带滤光片，抑制背景光干扰；

② 合理选择发射激光的调制波型，以获得最好的信噪比； ③ 采用抗干扰能力的探测方法；

④ 信号处理中，采用适当的处理措施；如采用低噪、高增益前置放大器。采用双鉴相电路等。

4. 激光探测器的应用 3.1 激光探测器

用于激光雷达的探测器分为两大类，：外光电效应探测器和内光电效应探测器[4]。常用的光电倍增管、微通道板管、像增强管和条纹管都属于外光电效应探测器，其中，前两者那对单个光子的能量比较灵敏，并具有较高的内增益，它们一般应用于可见光激光波长、微型信号、相应速度较高的场合。后两者用于激光成像探测。内光电效应探测器是一种PN型半导体器件，如常用的硅光二极管、PIN管、雪崩光电二极管、多元阵列半导体探测器，该类探测器从可见光到近红外波段都具有良好的光电转换性能。

3.2 引信

激光探测器在军事中的应用主要为引信，其中包括：触发引信（机械引信）、其中近炸引信是通过目标出现时周围空间物理场特性的变化感觉目标的存近炸引信（电子引信）、执行引信。

在，并在预定的位置适时起爆战斗部的一种引信[5]。按其借以传递目标信息的物理场的来源可分为主动式、半主动式和被动式三类；根据对目标的探测方式不同有无线电近炸、磁近炸、红外近炸、激光近炸、电容近炸、毫米波近炸等。

激光近炸引信的优点：为无线电探测技术提供了必要的补充;发射波束窄，发射信号不易被敌方接收；接收视场有限，使地方干扰机瞄准困难；发射峰值功率较大、方向性好，探测距离远；工作于光波波段，波长极小，使其角度和距离分辨率极高；发射波束旁瓣小，对地、海杂波的干扰抵抗能力较强[6]。

4. 激光探测技术的应用前景

1、反武装直升机激光近炸引信技术； 2、激光成像引信（比红外成像更准确）； 3、远距离定高母弹开仓引信； 4、激光引信测高与引爆一体化技术；

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5、迫弹通用多选择激光近炸引信； 6、高定距精度云爆弹激光近炸引信；

参考文献：

[1] 梅遂生. 光电子技术[M]. 第二版. 北京:国防工业出版社, 2008:85-86. [2] 侯宏录. 光电子材料与器件[M]. 北京:国防工业出版社, 2012年:25-26. [3] 安毓英. 光电子技术[M]. 第三版. 电子工业出版社, 2012:79-80. [4] 石顺祥. 光电子技术及其应用[M]. 科学出版社, 2010:52-54.

[5] 张珂姝. 高分辨激光探测技术的几个相关问题[J]. 激光雷达成像技术及应用, 2012(5):56. [6] 陈鹤鸣. 激光原理及应用[M]. 电子工业出版社, 2009.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o865.html