1、 本文由小恨有疆貢獻(xiàn) ppt文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 第八章 相干檢測(cè)方法與系統(tǒng) 第八章 相干檢測(cè)方法與系統(tǒng) 掌握內(nèi)容 相干檢測(cè)系統(tǒng) 理解內(nèi)容 形成各光電檢測(cè)系統(tǒng)的方法 了解內(nèi)容 各光電系統(tǒng)的運(yùn)用 第八章 相干檢測(cè)方法與系統(tǒng) 8.1 相干檢測(cè)的基本原理 8.2 基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用 8.3 同頻率相干信號(hào)的相位調(diào)制與檢測(cè) 方法 8.4 光外差檢測(cè)方法與系統(tǒng) 8.1 相干檢測(cè)的基本原理 相干檢測(cè)就是利用光的相干性對(duì)光載波 所攜帶的信息信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和處理，它 只有采用相干性好的激光器作為光源才 能實(shí)現(xiàn)。 從理論上講，相干檢測(cè)能準(zhǔn)確檢測(cè)到光 波振幅

2、、頻率和相位所攜帶的信息。 8.1 相干檢測(cè)的基本原理 但由于光波的頻率很高，迄今為止的任 何光電探測(cè)器都還不能直接感受光波本 身的振幅、相位、頻率及偏振的變化， 而只能探測(cè)光的強(qiáng)度。因此，光的這些 特征參量最終都須轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)的變化進(jìn) 行探測(cè)。而這種轉(zhuǎn)換就必須通過(guò)干涉測(cè) 量技術(shù)。 8.1 相干檢測(cè)的基本原理 （一）光學(xué)干涉和干涉測(cè)量 光干涉是指可能相干的兩束或多束光波相疊 加，它們的合成信號(hào)的光強(qiáng)度隨時(shí)間或空間 有規(guī)律的變化。 干涉測(cè)量的作用就是把光波的相位關(guān)系或頻 率狀態(tài)以及它們隨時(shí)間的變化關(guān)系以光強(qiáng)度 的空間分布或隨時(shí)間變化的形式檢測(cè)出來(lái)。 8.1 相干檢測(cè)的基本原理 干涉條紋的強(qiáng)度信息和

3、被測(cè)量的相關(guān)參數(shù)相 對(duì)應(yīng)。對(duì)干涉條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)或?qū)l紋形狀進(jìn) 行分析處理，可以得到相應(yīng)的被測(cè)信息。 8.1 相干檢測(cè)的基本原理 （二）干涉測(cè)量技術(shù)中的調(diào)制和解調(diào) 干涉測(cè)量實(shí)質(zhì)是被測(cè)信息對(duì)光載波的調(diào)制和 解調(diào)的過(guò)程。 各種類(lèi)型的干涉儀或干涉裝置是光頻載波的 調(diào)制器和解調(diào)器。 幅值調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制、偏振調(diào)制 、光波譜調(diào)制。 8.1 相干檢測(cè)的基本原理 8.2 基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用 能形成干涉現(xiàn)象的裝置是干涉儀。 作用：將光束分成兩個(gè)沿不同路徑傳播 的光束，在其中一路中引入被測(cè)量，產(chǎn) 生光程差后，再與另一路參考光重新合 成為一束光，一邊觀察干涉現(xiàn)象。 8.2 基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用 1、典型的雙光束

4、干涉系統(tǒng) 8.2 基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用 8.2 基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用 2、多光束干涉系統(tǒng) 8.2 基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用 3、光纖干涉儀 8.2 基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用 8.3 同頻率相干信號(hào)的相位調(diào)制與 檢測(cè)方法 當(dāng)兩束相干光束的頻率相同時(shí)，若被測(cè) 量變化使相干光波的相位發(fā)生變化，再 通過(guò)干涉作用把光波相位的變化變換為 振幅的變化，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為單頻光波的 相位調(diào)制。 8.3 同頻率相干信號(hào)的相位調(diào)制與 檢測(cè)方法 一、相位調(diào)制與檢測(cè)的原理 干涉條紋的強(qiáng)度取決于相干光的相位差，而相位 差又取決于光傳輸介質(zhì)的折射率n對(duì)光的傳播距 離ds的線積分。 = 2 0 (L?n + n?L) 光波傳播介質(zhì)折射率和光程長(zhǎng)

5、度的變化都將導(dǎo)致 相干光相位的變化，從而引起干涉條紋強(qiáng)度的改 變。 8.3 同頻率相干信號(hào)的相位調(diào)制與 檢測(cè)方法 二、干涉條紋的檢測(cè)方法 被測(cè)參量一般是通過(guò)改變干涉儀中傳輸光的 光程而引起對(duì)光的位相調(diào)制。 它以干涉條紋的變化反映被測(cè)參量的信息。 干涉條紋檢測(cè)實(shí)際是檢測(cè)干涉條紋的光強(qiáng)度 分布或其隨時(shí)間的變化。 基本的條紋檢測(cè)法包括條紋光強(qiáng)檢測(cè)法、條 紋比較法和條紋跟蹤法。 8.3 同頻率相干信號(hào)的相位調(diào)制與 檢測(cè)方法 1、干涉條紋光強(qiáng)檢測(cè)法 在干涉場(chǎng)中確定的位置上用光電元件直 接檢測(cè)干涉條紋的光強(qiáng)變化稱(chēng)為條紋光 強(qiáng)檢測(cè)法。 8.3 同頻率相干信號(hào)的相位調(diào)制與 檢測(cè)方法 單頻光相干時(shí)，合成信號(hào)的瞬

6、時(shí)光強(qiáng)為： I (x, y, t) = a + a2 + 2a1a2 cos?(t) 2 1 2 L I = I01+ cos(2n ) 8.3 同頻率相干信號(hào)的相位調(diào)制與 檢測(cè)方法 2、干涉條紋比較法 對(duì)應(yīng)同一位移，比較不同波長(zhǎng)的兩個(gè)光束干 涉條紋的變化差異的方法稱(chēng)作干涉條紋比較 法。 從這種原理出發(fā)，設(shè)計(jì)出了許多精確測(cè)量波 長(zhǎng)的波長(zhǎng)計(jì)。 8.3 同頻率相干信號(hào)的相位調(diào)制與 檢測(cè)方法 條紋比較法波長(zhǎng)測(cè)量原理圖 1半透半反鏡 2，3圓錐角反射鏡 n = (1+ ) MN n r B 8.3 同頻率相干信號(hào)的相位調(diào)制與 檢測(cè)方法 3、干涉條紋跟蹤法 干涉條紋跟蹤法是一種平衡測(cè)量法。 在干涉儀測(cè)量

7、鏡位置變化時(shí)，通過(guò)光電接收 器實(shí)時(shí)地檢測(cè)出干涉條紋的變化。同時(shí)利用 控制系統(tǒng)使參考鏡沿相應(yīng)方向移動(dòng)，以維持 干涉條紋保持靜止不動(dòng)。 根據(jù)參考鏡位移驅(qū)動(dòng)電壓的大小可直接得到 測(cè)量鏡的位移。 8.3 同頻率相干信號(hào)的相位調(diào)制與 檢測(cè)方法 條紋跟蹤法干涉系統(tǒng)示意圖 8.3 同頻率相干信號(hào)的相位調(diào)制與 檢測(cè)方法 圖8-9 二次相位調(diào)制方框圖 8.4 光外差檢測(cè)方法與系統(tǒng) 相干檢測(cè)的主要方式是外差檢測(cè)。 兩不同頻率相干光信號(hào)的相位調(diào)制與檢 測(cè)。 激光通信、雷達(dá)、測(cè)長(zhǎng)、測(cè)速等。 距離遠(yuǎn)、測(cè)量精度高。 相干性要求極高。 8.4.1 光外差檢測(cè)原理 光學(xué)外差檢測(cè)利用兩束頻率不相等的相 干光（包含有被測(cè)信息的相

8、干光調(diào)制波 和作為基準(zhǔn)的本機(jī)振蕩光波），在滿足 波前匹配條件下在光電探測(cè)器上進(jìn)行光 學(xué)混頻。 探測(cè)器的輸出時(shí)頻率為兩光波光頻差的 拍頻信號(hào)。 含調(diào)制信號(hào)的振幅、頻率和相位特征。 8.4.1 光外差檢測(cè)原理 8.4.1 光外差檢測(cè)原理 光電探測(cè)器輸出的光電流為： I p = P = ES (t) + EL (t)2 = AS cos2 (S t +?S ) + AL cos2 (Lt +?L ) 2 2 平均值，1/2 差頻項(xiàng)，可響應(yīng) + AS AL cos(L + S )t + (?L +?S ) + AS AL cos(L ?S )t + (?L ?S ) 和頻項(xiàng)，0 外差信號(hào)的參量ASAL

9、、 （L-S）、（L-S）可表征 信號(hào)光波的參量 光學(xué)外差信號(hào)表達(dá)式 VIF = AS AL RL cos(L ? S )t + (?L ?S ) 等于0時(shí)，為光零差檢測(cè) 8.4.2 光外差檢測(cè)的特性 檢測(cè)能力強(qiáng) 轉(zhuǎn)換增益高 信噪比高 濾波性好 穩(wěn)定性和可靠性好 極限靈敏度小 空間和偏振鑒別能力好 8.4.2 光外差檢測(cè)的特性 1、檢測(cè)能力強(qiáng) 光波的振幅、相位及頻率的變化都會(huì)引起光 電探測(cè)器的輸出，因此外差檢測(cè)不僅能夠檢 測(cè)出振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光波信號(hào)，而且可以 檢測(cè)出相位和頻率調(diào)制的光波信號(hào)，是測(cè)試 光的波動(dòng)性的一種非常有效的方法。 8.4.2 光外差檢測(cè)的特性 2、轉(zhuǎn)換增益高 A = P /

10、 SP IF 2P A= L P S 相干檢測(cè)中本振光的功率遠(yuǎn)大于接收到的信 號(hào)光功率，通常高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，107108。 強(qiáng)光下，外差檢測(cè)好處不明顯。弱光下，外 差檢測(cè)表現(xiàn)出十分高的轉(zhuǎn)換增益。 外差檢測(cè)具有天然的檢測(cè)微弱信號(hào)的能力。 8.4.2 光外差檢測(cè)的特性 3、信噪比高 與直接檢測(cè)相比，弱光下，有高得多的靈敏 度；強(qiáng)光下，信噪比高一倍。 外差檢測(cè)可以檢測(cè)出更小的入射功率，因此 有利于弱光信號(hào)的檢測(cè)。 8.4.2 光外差檢測(cè)的特性 4、濾波性好 外差檢測(cè)能夠?yàn)V除背景光，有較強(qiáng)的空間濾 波能力。 光外差探測(cè)系統(tǒng)具有良好的光譜濾波性能。 8.4.2 光外差檢測(cè)的特性 5、穩(wěn)定性和可靠性好 外差

11、信號(hào)通常是狡辯的射頻或中頻信號(hào)，并 且多采用頻率和相位調(diào)制，即使被測(cè)參量為 零，載波信號(hào)仍保持穩(wěn)定的幅度。 對(duì)這種交流的測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)直流分量的漂 移和光信號(hào)幅度的漲落不直接影響檢測(cè)性能 ，能穩(wěn)定可靠的工作。 8.4.3 光外差檢測(cè)條件 1、光外差檢測(cè)的空 間條件 sin( S d / 2Vx ) =1 S d / 2Vx 8.4.3 光外差檢測(cè)條件 結(jié)論： 失配角與信號(hào)光波長(zhǎng)成正比，與光混頻器 的尺寸成反比。 即波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光電探測(cè)器尺寸越小，則所容 許的失配角就越大。 波長(zhǎng)越短，空間準(zhǔn)直要求也越苛刻。 紅外波段外差探測(cè)比可見(jiàn)光波段更有利。 外差探測(cè)具有很好的空間濾波性能。 8.4.3 光外差

12、檢測(cè)條件 2、光外差檢測(cè)的頻率條件 光外差檢測(cè)除了要求信號(hào)光和本振光必須保 持空間準(zhǔn)直、共軸以外，還要求兩者具有高 度的單色性和頻率穩(wěn)定度。 在光外差探測(cè)中，需采用專(zhuān)門(mén)措施穩(wěn)定信號(hào) 光和本振光的頻率和相位。 通常兩束光取自同一激光器，通過(guò)頻率偏移 取得本振光，而信號(hào)光用調(diào)制的方法得到。 8.4.3 光外差檢測(cè)條件 3、光外差檢測(cè)的偏振條件 在光混頻器上要求信號(hào)光與本振光的偏振方 向一直，這樣兩束光才能按光束疊加規(guī)律進(jìn) 行合成。 分別讓兩束信號(hào)中偏振方向與檢偏器透光方 向相同的信號(hào)通過(guò)，以此來(lái)獲得兩束偏振方 向相同的光信號(hào)。 8.4.4 光外差檢測(cè)的調(diào)頻方法 根據(jù)光頻差獲得方式的不同，外差調(diào)頻

13、可以分為運(yùn)動(dòng)參量調(diào)頻、固定頻移和直 接調(diào)頻法三種類(lèi)型。 8.4.4 光外差檢測(cè)的調(diào)頻方法 一、運(yùn)動(dòng)參量的頻率調(diào)制 對(duì)運(yùn)動(dòng)參量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，被測(cè)運(yùn)動(dòng)參量直接 對(duì)參考光波的頻率進(jìn)行調(diào)制，形成與參考光 束有一定頻差的信號(hào)光，這種頻率調(diào)制方法 稱(chēng)為參量調(diào)頻法。 8.4.4 光外差檢測(cè)的調(diào)頻方法 1、光學(xué)多普勒效應(yīng)和運(yùn)動(dòng)差頻 運(yùn)動(dòng)物體能改變?nèi)肷溆谄渖系墓獠ǖ念l率的 現(xiàn)象稱(chēng)作光學(xué)多普勒效應(yīng)。 頻率為f0的單色光入射到以速度v運(yùn)動(dòng)的物 體上，被物體散射的光波頻率fs會(huì)產(chǎn)生多普 勒頻移f， f與散射方向有關(guān)。 8.4.4 光外差檢測(cè)的調(diào)頻方法 8.4.4 光外差檢測(cè)的調(diào)頻方法 8.4.4 光外差檢測(cè)的調(diào)頻方法

14、2、薩古納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動(dòng)差頻 這種閉合光路的反向光路光程差隨轉(zhuǎn)速改變 的現(xiàn)象稱(chēng)作薩古納克效應(yīng)。 8.4.4 光外差檢測(cè)的調(diào)頻方法 二、固定頻移的頻率調(diào)制 使用頻移器件使參考光波相對(duì)信號(hào)光形成一 固定的頻率偏移，或利用雙頻光源形成有一 定頻差的兩束相干光束的頻率調(diào)制方法稱(chēng)作 固定頻移法。 塞曼效應(yīng)激光頻移、聲光效應(yīng)激光頻、移旋 轉(zhuǎn)撥片激光頻移、旋轉(zhuǎn)光柵激光偏移。 8.4.4 光外差檢測(cè)的調(diào)頻方法 8.4.4 光外差檢測(cè)的調(diào)頻方法 三、直接光頻調(diào)制 利用可進(jìn)行頻率調(diào)制的激光器（如半導(dǎo)體激 光器）產(chǎn)生隨時(shí)間變化的調(diào)頻參考光束的頻 率調(diào)制方法稱(chēng)為直接調(diào)頻法。 8.4.4 光外差檢測(cè)的調(diào)頻方法 1、半導(dǎo)體

15、激光器的直接頻率調(diào)制 半導(dǎo)體激光器做為新型的相干光源，具有良 好的工作特性。 2、直接調(diào)頻光干涉測(cè)量 直接調(diào)頻的邁克爾干涉儀 8.4.4 光外差檢測(cè)的調(diào)頻方法 8.4.5 光外差檢測(cè)方法與應(yīng)用 光外差檢測(cè)實(shí)際上就是頻差檢測(cè)，根據(jù) 頻率調(diào)制方法的不同，形成頻差方法不 同，所以有不同的檢測(cè)方法。 8.4.5 光外差檢測(cè)方法與應(yīng)用 1、直接頻率調(diào)制的外差檢測(cè) 在直接調(diào)頻法中，可利用能進(jìn)行頻率調(diào) 制的激光器產(chǎn)生隨時(shí)間變化的調(diào)頻參考 光束，被測(cè)參量對(duì)其中一束光波作二次 調(diào)制。 檢測(cè)外差信號(hào)可解調(diào)出被測(cè)參量值。 8.4.5 光外差檢測(cè)方法與應(yīng)用 8.4.5 光外差檢測(cè)方法與應(yīng)用 (1)直接調(diào)頻光干涉測(cè)量法 圖8-20 直接調(diào)頻的邁克爾遜干涉儀原理圖 8.4.5 光外差檢測(cè)方法與應(yīng)用 (2) 雙頻切換干涉法 8.4.5 光外差檢測(cè)方法與應(yīng)用 (3)線性掃描調(diào)頻干涉法 8.4.5 光外差檢測(cè)方法與應(yīng)用 2、零差檢測(cè)和超外差