什么是激光探测技术？

时间： 2024-05-01 来源：上科极星官网

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本文中上科极星为大家详细解析什么是激光探测技术。激光探测系统的作用是将接收的激光信号变化变成电信号，也就是说将光信息转换成电信息，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器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。

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收的光功率，不要求信号具有相干性，因此这种探测方法又称为非相干探测。

目前绝大多数激光雷达采用直接探测方式，如激光火控测量系统、激光测距系统、激光侦察系统、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；探测系统可靠性、长期稳定性好;工作环境适应性强，环境温度和大气压强对探测系统影响小；结构简单、体积小等。

最小可探测功率

直接探测技术的最小可探测功率与光电探测器的灵敏度、放大器特性、滤波和信号处理方法有关。最小可探测功率是指在使用的环境背景、满足激光探测概率和虚警概率的最低要求条件下，系统所能探测到的激光信号最小功率。激光直接探测的最小可探测功率还取决于光电探测系统的输出信噪比。在激光探测系统中，探测器的输出噪声有探测器噪声、背景噪声和量子噪声三种。若用光电倍增管接收，则探测器的噪声主要来自光电阴极自发发射引起的散粒噪声，即暗电流噪声和输出回路的热噪声。当光电倍增管的内增益足够大时，热噪声可以忽略；冷却光电阴极可以使暗电流降低1个~2个数量级。若用光电二极管接收时，则探测器的热噪声是主要的噪声源。用雪崩光电二极管接收时，白天测量时，背景噪声是主要的噪声源。即使在光电探测器噪声和背景噪声都不存在的理想条件下，由于信号辐射本身的量子性（光量子），仍然存在量子噪声。此外，进入信号处理器的信号还包括放大器的白噪声。一般来说，除人卫激光测距系统的特定探测条件下采用的单光子探测技术外，目前，对脉冲激光信号的直接探测技术来说，最小可探测功率通常在W以内，最低可达W。

单光电子探测

激光单光电子探测可以达到最直接探测的灵敏度极限，它主要用于激光对人造卫星和月面的距离测量，激光探测系统能对接收的一个光电子信号进行处理后，取得目标距离信息。

外差探测技术

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相干探测，故光外差探测又叫相干探测。光外差原理与电子外差原理相同。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。

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（电子学称为混频）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，光频差为Δf=f-f0式中，f为激光信号频率；f0为本振激光频率；Δf为光频差。

虽然探测器不响应很高的光频变化，但对差频变化能很好的响应，故能输出光外差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，外差探测不仅能探测光信号的强度，还能探测光频变化。

由外差探测原理可知，满足光外差探测的基本条件是信号和本振光能产生相干的条件。为了有效地进行混频，本振光和信号光要严格平行；并且激光发射器和本机振荡器的光频必须稳定。此外，激光波长越长，越容易满足干涉条件要求。在技术成熟的激光器中，CO₂激光器的波长最长，为10.6um，稳频CO₂激光器具有极高的光频稳定性，短期稳定性可达，在几秒内的总频移小于2kHz。此外，10.6μm波长又处于大气窗口，并具有在该波长性能好的碲镉汞红外探测器。因此，稳频CO₂激光器是相干探测的理想光源。

此外，由于大气湍流的影响，在光学接收孔径内的入射光存在波前相位差，在远距离测量时，通常采用光学自适应技术来补偿相位差。

外差探测用于速度测量，与无线电测速原理一样，由于多普勒效应，运动目标反射回的激光频率相对于照射激光频率有微小的变化，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成正比，而光频很高（Hz），因此，采用光外差测速的精度是很高的，并可以测量很小的运动速度。与厘米波雷达相比，激光的多普勒效应要大倍~倍。

微波调制激光强度的外差探测原理

在这种技术体制中，外差的本振频率是微波频率，而不是光频。由于光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，采用微波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，通过电外差测出调制频率的频移，从而求得目标运动速度。

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（真空管型）和内电效应探测器。

外光电效应探测器

常用的光电倍增管、微通道板管、像增强管和条纹管都属于这一类。前两者对单个光子能量比较灵敏，并具有较高的内增益，内增益可达，它们一般应用于可见光激光波长、微弱信号、响应速度较高的场合。后两者应用激光成像探测。光电发射式探测器的响应波长可延伸到1.1μm，但与可见光相比，光电转换效率极低。

内光电效应探测器

这是一种PN半导体器件，如常用的硅光电二极管、PIN管、雪崩光电二极管（APD）、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。目前除少数单光子探测和成像探测激光雷达外，一般均采用内光电效应探测器，其中APD管用得最多，其内增益可达50~100。另外，对于1.54μm以上人眼安全的激光，多采用InGaAS和HgCdTe。

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