零差探测原理_水下激光雷达

C. https://www.rp-photonics.com/optical_heterodyne_detection.html

Heterodyne detection (also called coherent detection) is a detection method which was originally developed in the field of radio waves and microwaves. There, a weak input signal is mixed with some strong “local oscillator” wave in some nonlinear device such as a rectifier, and the resulting mixing product is then detected, often after filtering out the original signal and the local oscillator frequency. The frequency of the mixing product is the sum or the difference of the frequencies of the signal and the local oscillator.

外差检测( 又称相干检测，注：也有说相干探测也可以分为零差探测和外差探测；也有说法说零差检测也是外差检测，因此，应该理解为零差检测是外差检测的一个特例)是一种最初在无线电波和微波领域开发的检测方法。在那里，一个微弱的输入信号与诸如整流器之类的某些非线性设备中的一些强“本地振荡器”波混合，然后通常在滤除原始信号和本地振荡器频率之后，才检测到最终的混合产物。混合乘积的频率是信号与本地振荡器的频率之和或差。

Optical heterodyne detection involves optical signal and local oscillator waves, whereas the mixing product is an electrical signal. The mixing product is not obtained by mixing the signal and local oscillator wave in a nonlinear crystal, but rather simply by detecting the linearly superimposed waves with a square-law photodetector, typically a photodiode. For example, one uses a beam combiner (or beam splitter) as in Figure 1 and aligns the two beams such that they are mode-matched. This means not only that their intensity profiles overlap, but also that their wavefronts have the same curvature on the detector, so that the interference conditions are uniform over the full detector area. Of course, this is possible only if the two beams are spatially coherent. In a fiber-optic setup, a fiber coupler would be used instead of the beam splitter, and all fibers would be single-mode fibers, possibly of polarization-maintaining type; the mode matching is then guaranteed without a special alignment.

光学外差检测涉及光学信号和本地振荡器波，而混合产物是电信号。混合产品不是通过在非线性晶体中混合信号和本地振荡器波而获得的，而是简单地通过使用平方律光电检测器（通常是光电二极管）检测线性叠加的波来获得的。例如，使用如图1所示的合束器（或分束器），并对准两束光束，使其模式匹配。这不仅意味着它们的强度分布重叠，而且它们的波前在检测器上的曲率相同，因此整个探测器区域的干扰条件都是一致的。当然，仅当两个光束在空间上相干时才有可能。在光纤装置中，将使用光纤耦合器来代替分束器，并且所有光纤都是单模光纤，可能是保偏型。这样就可以保证模式匹配而无需特殊对齐。

The resulting photocurrent is proportional to the total optical intensity, thus to the square of the total electric field amplitude. If the signal and local oscillator powers and frequencies are constant, the photocurrent has two different frequency components:

产生的光电流与总光强度成正比，因此与总电场幅度的平方成正比。如果信号和本地振荡器的功率和频率恒定，则光电流具有两个不同的频率分量：

The constant (zero-frequency) part is proportional to the sum of local oscillator and signal power.

恒定（零频率）部分与本地振荡器和信号功率之和成正比。

The constant (zero-frequency) part is proportional to the sum of local oscillator and signal power.

与差频率（部分振荡拍音）具有的幅度正比于电场幅值（的产品不所述光功率信号和本地振荡器的）。

The oscillating part can then be isolated and processed further with electronic means. Its electric power is proportional to the product of the optical powers of signal and local oscillator.

然后可以隔离振荡部分，并通过电子方式进一步处理。它的电功率与信号光功率和本机振荡器的乘积成正比。

With a strong local oscillator, the heterodyne signal resulting from a weak input signal can be much more powerful than for direct detection. In that sense, heterodyne detection provides a signal gain, although there is no optical amplification involved.

使用强大的本地振荡器，由弱输入信号产生的外差信号可能比直接检测要强大得多。从这个意义上讲，外差检测可提供信号增益，尽管不涉及光放大。

可以看到，这里的外差相干检测就相当于通信原理中的频率调制(FSK)。

因此·，接收方法也至少有两种，即同步解调和包络解调，

同步解调

同步解调的原理图如下：

其中，经光电检测器输出的是中频信号ωIF。为了恢复出基带信号，首先应让中频信号通过一个中频带通滤波器（中心频率为ωIF），并将其分为两路，一路经过载波恢复电路，从而恢复出中频载波信号，同时与另一路的中频信号进行混频，最后由低通滤波器输出基带信号。

包络解调

包络解调的结构如下图所示：

从图中可以看出，它不要求恢复中频（微波载波），而是通过使用包络检波和低通滤波，直接将经带通滤波输出的信号If（t）转变为基带信号，从而使接收电路得以简化。

事实上，这和通信原理中对FSK解调的描述是一致的，如下图所示。

1.2 零差探测( homodyne detection)

A. 百度百科:

一般而言，干涉测量术可以分为两种基本类型：零差检波和外差检波。

在零差检测中，待测电磁波和一个已知的参考信号（经常被称作本地振荡器）进行混波，而待测信号和参考信号的载频是相同的，这样得到的干涉光场可以消除电磁波本身频率噪声所带来的影响。经典的光学零差检波装置如马赫-曾德尔干涉仪，其待测信号和参考信号来自同一波源。

B. http://www.c-fol.net/m/news/view.php?id=20190425094637

根据信号光和本振光的频率值的差异，相干检测分为零差检测、外差检测以及内差相干检测。其中零差相干检测可以直接还原基带信号、信噪比最高。

C. https://www.rp-photonics.com/optical_heterodyne_detection.html

A variant of heterodyne detection is homodyne detection, where the local oscillator frequency equals the signal frequency. For optical homodyne measurements, both waves are virtually always derived from the same laser source. The homodyne technique is phase-sensitive in the sense that the power of the heterodyne signal depends on the relative phase of signal and local oscillator, and may even totally vanish.

外差检测的一种变体是零差检测，其中本地振荡器频率等于信号频率。对于光学零差测量，两个波实际上总是来自同一激光源。在外差信号的功率取决于信号和本地振荡器的相对相位的意义上，零差技术是相位敏感的，甚至可能完全消失。

1.3. 内差相干检测

B. http://www.c-fol.net/m/news/view.php?id=20190425094637

本振振荡器的频率ωR不同于信号的频率ωS的接收器，被称为外差接收机。

1.4 小结

由此看来，外差检测零差检测都属于相干检测，内差检测应该也属于相干检测。它们之间的区别只是信号频率和本振频率之间的差值的大小。

对应地，外差检测类似于通信原理中的频率调制(FSK);

零差检测类似于通信原理中的相位调制(PSK)

在实际光波系统中也是类似的，三种常见数字调制方式如下图所示：

零差相干检测的优点

接收信号功率提高，故灵敏度提高；

可以检测相位信息；

外差相干检测的优点

接收机结构简单，相比于相位调制更容易实现。

2. 激光雷达中的零差探测和外差探测

激光测距按原理的分类如下：

其中的Geiger-Mode指的是以单光子测距技术：

雪崩效应只是APD的工作原理，和工作模式不是一个东西。APD工作模式分盖革模式和线型模式，区别在于线型模式偏置电压低于反向击穿电压，盖格模式偏置电压高于击穿电压。线性模式下APD就是一个增益高的普通光电二极管。盖格模式下APD接受到光子后就会进入并一直处于反向击穿状态，APD一直通过一个很大的反向电流。这时，通过外部电路使偏置电压暂时下降至击穿电压之下，APD从反向击穿模式恢复，等待下一个光子，所以盖格模式通常只适用与单光子计数应用。

作者：有大招
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来源：知乎
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激光雷达中相干探测的原理图如下图所示：

设接收到的光信号(即物体反射回的光信号)为

$E_{S}(t)=A_{S} \cos \left(\omega_{S} t+\varphi_{S}\right)$

本振信号为

$E_{L}(t)=A_{L} \cos \left(\omega_{L} t+\varphi_{L}\right)$

探测器响应为：

$O_{D e t}=P A_{S} A_{L} \cos \left[\left(\omega_{L}-\omega_{S}\right) t+\left(\varphi_{L}-\varphi_{S}\right)\right]$

则有

2.1 相移(零差相干检测)测距

当本振光和信号光频率相等时，则有

$O_{D e t}=P A_{S} A_{L} \cos \left(\varphi_{L}-\varphi_{S}\right)$

可见，回波信号产生了Δφ的相位延迟，即大小正比于往返飞行时间，即

$\Delta \phi=2 \pi f_{\mathrm{T}} \Delta t=\frac{4 \pi f_{\mathrm{T}} R}{c}$

其中，c为光速，激光发射频率为fT。则目标距离可通过相位差求得：

$R=\frac{c\Delta \phi}{4\pi f_T}$

注意：但尽管相移测距方法的原理是零差相干检测。但为了增加系统的稳定性，相移测距并不是直接在工作频率f_T上进行，而是常常使用外差技术在

$f_T = |f_T-f_{ol}|$

上进行，工作原理如下图所示：

2.2 外差相干检测(频率调制连续波, FMCW)测距

激光光源进行频率的线性调制，通过测量激光经过往返时间后与发射信号的频率差，得到往返的飞行时间。下图中的两条线分别为激光发射光波和激光回波的频率-时间曲线。

于是有

$f_{\mathrm{if}}=\Delta f \tau / t_{m}=2 \Delta f R / c t_{m}$

进而求出距离R。

这种方法在原理上就使用了外差相干检测，因此上面激光测距分类的图中才会将外差相干检测与频率对应，而零差相干检测与相位对应。

总结

激光测距的常见方法有干涉法，三角测距法和ToF方法。本文中的零差检测和外差检测都属于相干检测方法，即干涉法。零差检测和外差检测的区别即为信号频率和本振频率之间的差值的大小。

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原载于我的博客

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