什么是激光探测?

[拼音]：jiguang tance

[外文]：laser detection

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。

激光探测的方法有直接探测和外差探测两类。直接探测的方法比较简单实用，普遍用于可见光和近红外波段。外差探测方法能提高信噪比和对微弱信号的探测能力，但设备比较复杂，且要求信号有很好的相干性，主要用于中、远红外波段，如探测10.6微米的激光。

激光信号经光学系统耦合到探测器上，探测器把激光信号转换成电信号，再根据各种应用的要求进行不同的信息处理（图1）。

在直接探测中，探测器不能区别信号光与背景光。为了压低背景噪声和提高信噪比，必须采取滤光措施。可用视场光阑进行空间滤光，用干涉滤光片进行光谱滤光，利用时间门抑制信号到达前后的背景光。

光电型探测器是直接探测中的重要元件，常用的有光电倍增管、光电二极管和雪崩光电二极管等。

（1）光电倍增管:具有内增益大等优点。它是紫外、可见光和1.1微米以内的近红外范围最常用的探测器。光电倍增管在近红外波段的灵敏度已有很大提高，时间特性也有了很大改善，输出脉冲上升时间可短到120皮秒，渡越时间的抖动可达20皮秒。因此，在上述波段内，高灵敏度、高精度的激光探测都选用光电倍增管。

（2）光电二极管：硅、锗光电二极管也越来越多地用于可见光和红外波段。这两种探测器结构简单、体积小、价格低，适用于较强信号的探测。

（3）雪崩光电二极管：是具有内增益的光电二极管，输出电流较光电二极管大，倍增因子M值对温度很敏感，使用中根据温度或噪声控制M值，使其保持稳定状态。

单光电子探测也是一种直接探测，具有很高的灵敏度。当被探测信号极微弱时，光电倍增管的阴极面上将按泊松分布释放出个别光电子。这时，激光信号虽然湮没在倍增管的噪声中，但可用单光电子探测技术检测出信号。

单光电子探测可用于对已知运动规律的目标（如月球、人造卫星）进行测距，还可用于测弱光的光强。在极其微弱的连续光照射下，光电倍增管的阴极间断地释放出光电子，这些光电子经内增益后形成输出脉冲。光强越弱，单位时间内的脉冲数越少。因此，可以用单光电子计数器测出脉冲数目，从而测出光强。例如，在激光喇曼光谱中就可采用这种方法。

外差探测的原理与无线电波段的外差探测相似。来自被探测目标的辐射即信号光束，与本机振荡光束同时入射到光探测器上。两条光束在光探测器上叠加。若光探测器的反应速度足够高，就能检出其差频信号。差频信号经中频放大器放大，用频谱分析仪或其他终端机指示，完成光的外差探测（图2）。

在外差探测中，探测器除了具有直接探测的功能外，还能获得光信号的相位、频率、目标速度等信息。外差探测因增加了一束强的本机振荡光束，而能提高光探测的转换增益。此外，中频放大器只放大差频信号，放大器的带宽可以做得比较窄，从而增大光探测器输出的信噪比。由于这些原因，外差探测的灵敏度比直接探测的灵敏度高7～8个数量级。

外差探测系统主要由光学天线、本机振荡器、光混频器、中频放大器、窄带带通滤波器和终端机组成。

光混频器是外差探测系统的关键部件，大多数选用光子型探测器，也可选用热电探测器。在10.6微波波段，碲镉汞探测器是一种性能很好的光混频器。

外差探测要求本机振荡器的振荡频率十分稳定。采取消声、防震、恒温等被动稳频措施，能使激光器的频率稳定度达到10-7以上。

外差探测系统分主动式和被动式两种。主动式系统的发射机向被测目标发射一束强激光束。光学天线把从目标反射的回波会聚起来，与本机振荡光束一同准直到光探测器上，以进行混频，并检出差频信号。被动式系统不需要发射机，直接会聚目标的辐射，并与本机振荡一起准直到光探测器上，实现光混频。

当被测目标与接收机之间有相对运动时，会出现多普勒效应。人们经常利用这种效应对运动目标的速度进行测量。

外差接收机的灵敏度用噪声等效功率


表示。


的表达式与光混频器的类型有关。用光电导型探测器作光混频器时，


＝2hνB；用光伏型探测器作光混频器时，


＝hνB。式中B为接收机带宽。工作在10.6微米的外差接收机，其极限灵敏度为


/B＝1.87×10-20瓦/赫。

外差探测主要应用于激光测速、跟踪等相干光雷达，以及激光通信、光谱学和辐射测量等方面。图3为CO2激光外差接收机的示意图。