第五章 相干光電檢測(cè)系統(tǒng)2

1、第五章第五章 相干檢測(cè)方法與系統(tǒng)相干檢測(cè)方法與系統(tǒng) 按光學(xué)變換系統(tǒng)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光信息方式的不同，可將按光學(xué)變換系統(tǒng)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光信息方式的不同，可將 光電檢測(cè)系統(tǒng)分為光電檢測(cè)系統(tǒng)分為非相干檢測(cè)系統(tǒng)非相干檢測(cè)系統(tǒng)和和相干檢測(cè)系統(tǒng)相干檢測(cè)系統(tǒng)。 第五章第五章 相干檢測(cè)方法與系統(tǒng)相干檢測(cè)方法與系統(tǒng) 非相干檢測(cè)系統(tǒng)非相干檢測(cè)系統(tǒng) 被測(cè)量被攜帶于光載波被測(cè)量被攜帶于光載波 的強(qiáng)度之中或加載于調(diào)制光的強(qiáng)度之中或加載于調(diào)制光 載波的振幅、頻率或者相位載波的振幅、頻率或者相位 變化之中，這樣的系統(tǒng)稱為變化之中，這樣的系統(tǒng)稱為 非相干檢測(cè)系統(tǒng)。非相干檢測(cè)系統(tǒng)。 相干檢測(cè)系統(tǒng)相干檢測(cè)系統(tǒng) 被測(cè)信息加載于光載波

2、被測(cè)信息加載于光載波 （只能是相干光源）的振幅、（只能是相干光源）的振幅、 頻率或者相位之中的系統(tǒng)稱頻率或者相位之中的系統(tǒng)稱 為相干檢測(cè)系統(tǒng)。為相干檢測(cè)系統(tǒng)。 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 1 1 干涉測(cè)量技術(shù)干涉測(cè)量技術(shù)2 2 光外差通信光外差通信3 3 多普勒測(cè)速多普勒測(cè)速 相干檢測(cè)就是利用光的相干性對(duì)光載波所攜帶的信相干檢測(cè)就是利用光的相干性對(duì)光載波所攜帶的信 息進(jìn)行檢測(cè)和處理，它只有采用相干性好的激光器作為息進(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)。所以從理論上講，相干檢測(cè)能準(zhǔn)確檢測(cè)光源才能實(shí)現(xiàn)。所以從理論上講，相干檢測(cè)能準(zhǔn)確檢測(cè) 到光波到光波振幅振幅、頻率頻率和和相位相位

3、所攜帶的信息。所攜帶的信息。但由于光波的但由于光波的 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)度探測(cè)光的強(qiáng)度（注）。（注）。因此，光的這些特征參量最終都因此，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)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)。干涉測(cè)量技術(shù)。 根據(jù)產(chǎn)生干涉的光束間頻率關(guān)系可分為：根據(jù)產(chǎn)生干涉的光束間頻率關(guān)系可分為： 同頻干涉同頻干涉 外差干涉外差干涉 1 1 光學(xué)干

4、涉和干涉測(cè)量光學(xué)干涉和干涉測(cè)量 光學(xué)測(cè)量中，常需要利用相干光作為信息變換的載體，光學(xué)測(cè)量中，常需要利用相干光作為信息變換的載體， 將被測(cè)信息加載到光載波上，使光載波的特征參量隨被測(cè)信將被測(cè)信息加載到光載波上，使光載波的特征參量隨被測(cè)信 息變換。息變換。 光干涉光干涉是指可能相干的兩束或多束光波相疊加，它們的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。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)間變化的它們隨時(shí)間的

5、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)。形式檢測(cè)出來(lái)。 以雙光束干涉為例，設(shè)兩相干平面波的振動(dòng)以雙光束干涉為例，設(shè)兩相干平面波的振動(dòng)E1(x,y)和和E2(x,y)分分 別為：別為： 兩束光合成時(shí)，所形成干涉條紋的強(qiáng)度分布兩束光合成時(shí)，所形成干涉條紋的強(qiáng)度分布I (x, y)可表示為：可表示為： 式中，式中， 是條紋光強(qiáng)的直流分量；是條紋光強(qiáng)的直流分量； 是條紋的對(duì)比度；是條紋的對(duì)比度； 是光頻差；是光頻差； 是相位差。是相位差。 1111 2222 ( , )exp( , ) ( , )exp( , ) E x yajtx y Ex yajtx y 22 1212 ( , )

6、2cos( , )I x yaaa atx y ( , )1( , )cos( , )A x yx ytx y 22 12 ( , )A x yaa 22 1212 ( , )2/()x ya aaa 12 12 ( , )( , )( , )x yx yx y 當(dāng)兩束頻率相同的光（即單頻光）相干時(shí)，有當(dāng)兩束頻率相同的光（即單頻光）相干時(shí)，有 ， 即即 ，此時(shí)，此時(shí)， 干涉條紋不隨時(shí)間變化，呈穩(wěn)定的空間分布。隨著相位干涉條紋不隨時(shí)間變化，呈穩(wěn)定的空間分布。隨著相位 差的變化，干涉差的變化，干涉 條紋強(qiáng)度的變化表現(xiàn)為有偏置的正弦分布。條紋強(qiáng)度的變化表現(xiàn)為有偏置的正弦分布。 可以看出，干涉條紋的強(qiáng)

7、度信息和被測(cè)量的相關(guān)參數(shù)相對(duì)應(yīng)，可以看出，干涉條紋的強(qiáng)度信息和被測(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。相應(yīng)的被測(cè)信息。 12 0 ,1,cos,I x yA x yx yx y 當(dāng)兩束光的頻率不同，干涉條紋將以當(dāng)兩束光的頻率不同，干涉條紋將以 的角頻率隨時(shí)的角頻率隨時(shí) 間波動(dòng)，形成光學(xué)拍頻信號(hào)，也叫外差干涉信號(hào)。如果兩間波動(dòng)，形成光學(xué)拍頻信號(hào)，也叫外差干涉信號(hào)。如果兩 束光的頻率相差較大，超過(guò)光電檢測(cè)器件的頻響范圍，將束光的頻率相差較大，超過(guò)光電檢測(cè)器件的頻響范圍，將 觀察不到干涉條紋。

8、在兩束光的頻率相差不大觀察不到干涉條紋。在兩束光的頻率相差不大( 較小較小) 的情況下，采用光電檢測(cè)器件可以探測(cè)到干涉條紋信號(hào)，的情況下，采用光電檢測(cè)器件可以探測(cè)到干涉條紋信號(hào)， 并且可以通過(guò)電信號(hào)處理直接測(cè)量拍頻信號(hào)的頻差及相位并且可以通過(guò)電信號(hào)處理直接測(cè)量拍頻信號(hào)的頻差及相位 等參數(shù)，從而能以極高的靈敏度測(cè)量出相干光束本身的特等參數(shù)，從而能以極高的靈敏度測(cè)量出相干光束本身的特 征參量，形成外差檢測(cè)技術(shù)。征參量，形成外差檢測(cè)技術(shù)。 22 1212 ( , )2cos( , )I x yaaa atx y ( , )1( , )cos( , )A x yx ytx y 實(shí)際上，干涉條紋的強(qiáng)度取

9、決于相干光的相位差，而相位差實(shí)際上，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)的折射率又取決于光傳輸介質(zhì)的折射率n對(duì)光的傳播距離對(duì)光的傳播距離ds的線積分，的線積分， 即即 對(duì)于均勻介質(zhì)，上式可簡(jiǎn)化為：對(duì)于均勻介質(zhì)，上式可簡(jiǎn)化為： 對(duì)上式中的變量對(duì)上式中的變量L和和n作全微分可得到相位變化量作全微分可得到相位變化量 0 0 2 L nds 0 /2nL )( 2 0 LnnL 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 1 1 干涉測(cè)量技術(shù)干涉測(cè)量技術(shù)2 2 光外差通信光外差通信3 3 多普勒測(cè)速多普勒測(cè)速 2 2 干涉測(cè)量技術(shù)中的調(diào)制和解調(diào)干涉測(cè)量技術(shù)中的調(diào)制和解調(diào) 一般干涉測(cè)量系統(tǒng)主要由光

10、源、干涉系統(tǒng)、干涉信號(hào)接收系一般干涉測(cè)量系統(tǒng)主要由光源、干涉系統(tǒng)、干涉信號(hào)接收系 統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)組成。從信息處理的角度來(lái)看，干涉測(cè)量實(shí)質(zhì)統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)組成。從信息處理的角度來(lái)看，干涉測(cè)量實(shí)質(zhì) 上是被測(cè)信息對(duì)光載波調(diào)制和解調(diào)的過(guò)程。各種類型的干涉儀或上是被測(cè)信息對(duì)光載波調(diào)制和解調(diào)的過(guò)程。各種類型的干涉儀或 干涉裝置是光頻載波的調(diào)制器和解調(diào)器。干涉裝置是光頻載波的調(diào)制器和解調(diào)器。 根據(jù)光調(diào)制器所調(diào)制的光載波的特征參量不同，調(diào)制技術(shù)可根據(jù)光調(diào)制器所調(diào)制的光載波的特征參量不同，調(diào)制技術(shù)可 以分為以分為振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制。 二二 基本干涉系統(tǒng)

11、及應(yīng)用基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用 能形成干涉現(xiàn)象的裝置是干涉儀，它的主要作用是，將光束能形成干涉現(xiàn)象的裝置是干涉儀，它的主要作用是，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)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，以便觀察干生光程差后，再與另一路參考光重新合成為一束光，以便觀察干 涉現(xiàn)象。涉現(xiàn)象。 1 1、典型的雙光束干涉系統(tǒng)、典型的雙光束干涉系統(tǒng) 21 22 sinrrd 21 22 sinrrd S 1 S 2 S d D x O P 1 r 2 r 干涉條紋干涉條紋 I I 光強(qiáng)分布 2 2、多光束干涉系統(tǒng)、多

12、光束干涉系統(tǒng) 2 2 2 2 4 1sin 2 1 a IE R R 各透射光波疊加干涉后的干涉強(qiáng)度分布為各透射光波疊加干涉后的干涉強(qiáng)度分布為 當(dāng)平行反射面鍍以高反射膜層，即當(dāng)平行反射面鍍以高反射膜層，即 時(shí)，時(shí)， ，可見(jiàn)，可見(jiàn)， 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，光強(qiáng)時(shí)，光強(qiáng) I I 幾乎為幾乎為0 0；而當(dāng)滿足；而當(dāng)滿足 條件時(shí)，條件時(shí)， I I 達(dá)到極大值達(dá)到極大值 。因此，多光束干涉的光強(qiáng)分布是由寬的暗。因此，多光束干涉的光強(qiáng)分布是由寬的暗 帶相間的明亮細(xì)條紋。帶相間的明亮細(xì)條紋。 1R 2 411RR sin20sin20 2 Ia A0 h i1 G G n2 i2 I3 I1 I1 I2 I2 I3 I

13、11 I22 I33 A 3 3、光纖干涉儀、光纖干涉儀 光纖邁克爾遜干涉儀光纖邁克爾遜干涉儀 光纖馬赫光纖馬赫 曾德干涉儀曾德干涉儀 光纖薩格納克干涉儀光纖薩格納克干涉儀 光纖楊氏干涉儀光纖楊氏干涉儀 光纖多光束光纖多光束F-P干涉儀干涉儀 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 1 1 干涉測(cè)量技術(shù)干涉測(cè)量技術(shù)2 2 光外差通信光外差通信3 3 多普勒測(cè)速多普勒測(cè)速 三三 同頻率相干信號(hào)的相位調(diào)制與檢測(cè)方法同頻率相干信號(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)干涉作用把光波相相干光波的相位發(fā)生變化，再通過(guò)干涉作

14、用把光波相 位的變化變換為振幅的變化，這個(gè)過(guò)程稱為單頻光波位的變化變換為振幅的變化，這個(gè)過(guò)程稱為單頻光波 的相位調(diào)制。的相位調(diào)制。 22 1212 ( , )2cos( , )I x yaaa atx y ( , )1( , )cos( , )A x yx ytx y ,1,cos,I x yA x yx yx y 1 1 相位調(diào)制與檢測(cè)的原理相位調(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)的折射率質(zhì)的折射率 n 對(duì)光的傳播距離對(duì)光的傳播距離ds 的線積分，即的線積分，即 0 0 2 L nds

15、0 /2nL )( 2 0 LnnL 光波傳輸介質(zhì)光波傳輸介質(zhì)折射率折射率和和光程長(zhǎng)度光程長(zhǎng)度的變化都將導(dǎo)致相干光的變化都將導(dǎo)致相干光相位相位的變化，從的變化，從 而引起干涉條紋強(qiáng)度的改變。干涉測(cè)量中就是利用這一特性改變光載波的特而引起干涉條紋強(qiáng)度的改變。干涉測(cè)量中就是利用這一特性改變光載波的特 征參量，以形成各種光學(xué)信息的。征參量，以形成各種光學(xué)信息的。 幾何距離、位移、角度、速度、溫度引起的熱膨脹幾何距離、位移、角度、速度、溫度引起的熱膨脹導(dǎo)致傳播距離導(dǎo)致傳播距離 改變；介質(zhì)成分、密度、環(huán)境溫度、氣壓以及介質(zhì)周圍電場(chǎng)、磁場(chǎng)引起折射改變；介質(zhì)成分、密度、環(huán)境溫度、氣壓以及介質(zhì)周圍電場(chǎng)、磁場(chǎng)引

16、起折射 率變化。率變化。 相位調(diào)制通常是利用不同形式的干涉儀，借助機(jī)械的、光學(xué)的、電子學(xué)相位調(diào)制通常是利用不同形式的干涉儀，借助機(jī)械的、光學(xué)的、電子學(xué) 的變換器件，將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為光路長(zhǎng)度和折射率的變化，用于檢測(cè)的變換器件，將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為光路長(zhǎng)度和折射率的變化，用于檢測(cè) 幾何和機(jī)械運(yùn)動(dòng)參量，分析物質(zhì)的理化特性。幾何和機(jī)械運(yùn)動(dòng)參量，分析物質(zhì)的理化特性。 2 2 干涉條紋的干涉條紋的檢測(cè)方法檢測(cè)方法 在相位調(diào)制檢測(cè)系統(tǒng)中，被測(cè)參量一般是通過(guò)改變干涉儀在相位調(diào)制檢測(cè)系統(tǒng)中，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)光的相位調(diào)制，由干涉儀解調(diào)出來(lái)的中傳輸光的光程而引起對(duì)光的相位調(diào)制

17、，由干涉儀解調(diào)出來(lái)的 信息是一幅干涉圖樣，它以干涉條紋的變化反映被測(cè)參量的信信息是一幅干涉圖樣，它以干涉條紋的變化反映被測(cè)參量的信 息。干涉條紋是由干涉場(chǎng)上光程差相同的場(chǎng)點(diǎn)的軌跡形成。干息。干涉條紋是由干涉場(chǎng)上光程差相同的場(chǎng)點(diǎn)的軌跡形成。干 涉條紋的形狀、間隔、顏色及位置的變化，均與光程的變化有涉條紋的形狀、間隔、顏色及位置的變化，均與光程的變化有 關(guān)，關(guān)，因此根據(jù)干涉條紋上述諸因素的變化可以進(jìn)行長(zhǎng)度、角度、因此根據(jù)干涉條紋上述諸因素的變化可以進(jìn)行長(zhǎng)度、角度、 平面度、折射率、氣體或液體含量、光學(xué)元件面形、光學(xué)系統(tǒng)平面度、折射率、氣體或液體含量、光學(xué)元件面形、光學(xué)系統(tǒng) 象差、光學(xué)材料內(nèi)部缺陷等

18、各種與光程有確定關(guān)系的幾何量和象差、光學(xué)材料內(nèi)部缺陷等各種與光程有確定關(guān)系的幾何量和 物理量的測(cè)量。物理量的測(cè)量。因此，如何檢測(cè)干涉條紋就變得十分有意義。因此，如何檢測(cè)干涉條紋就變得十分有意義。 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。變化。 基本的條紋檢測(cè)法包括條紋基本的條紋檢測(cè)法包括條紋光強(qiáng)檢測(cè)法光強(qiáng)檢測(cè)法、條紋比較法條紋比較法和和條條 紋跟蹤法紋跟蹤法。 干涉條紋光強(qiáng)檢測(cè)法干涉條紋光強(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)變化稱為干涉條紋

19、光強(qiáng)檢測(cè)法。下圖給出了一維干涉測(cè)長(zhǎng)光強(qiáng)變化稱為干涉條紋光強(qiáng)檢測(cè)法。下圖給出了一維干涉測(cè)長(zhǎng) 的實(shí)例。為了獲得最佳的光電信號(hào)，要求有最大的交變信號(hào)幅的實(shí)例。為了獲得最佳的光電信號(hào)，要求有最大的交變信號(hào)幅 值和信噪比，這需要光學(xué)裝置和光電檢測(cè)器確保最佳工作條件，值和信噪比，這需要光學(xué)裝置和光電檢測(cè)器確保最佳工作條件， 盡可能地提高兩束光的相干度和光電轉(zhuǎn)換的混頻效率。盡可能地提高兩束光的相干度和光電轉(zhuǎn)換的混頻效率。 單頻光相干時(shí)，合成信號(hào)的瞬時(shí)光強(qiáng)為：?jiǎn)晤l光相干時(shí)，合成信號(hào)的瞬時(shí)光強(qiáng)為： 22 1212 ,2cosI x yaaa at 0 ,1cos 2 L I x yIn 可見(jiàn)，可見(jiàn)，變化，變化，

20、隨之做周期變化。當(dāng)隨之做周期變化。當(dāng)變化變化時(shí)，時(shí)， 變化一個(gè)周期。若對(duì)變化一個(gè)周期。若對(duì)的變化進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)移動(dòng)方向進(jìn)行的變化進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)移動(dòng)方向進(jìn)行 加減運(yùn)算，就可以測(cè)量出動(dòng)鏡的移動(dòng)距離。加減運(yùn)算，就可以測(cè)量出動(dòng)鏡的移動(dòng)距離。 干涉條紋比較法干涉條紋比較法 如果采用兩束不同頻率的相干光源，各自獨(dú)立地組成干如果采用兩束不同頻率的相干光源，各自獨(dú)立地組成干 涉光路，使其中一束光頻為已知，另一束是未知的，則對(duì)應(yīng)涉光路，使其中一束光頻為已知，另一束是未知的，則對(duì)應(yīng) 共用測(cè)量反射鏡的同一位移，兩束光各自形成干涉條紋。經(jīng)共用測(cè)量反射鏡的同一位移，兩束光各自形成干涉條紋。經(jīng) 光電檢檢測(cè)后形成兩組獨(dú)立的

21、電信號(hào)，通過(guò)電信號(hào)頻率的比光電檢檢測(cè)后形成兩組獨(dú)立的電信號(hào)，通過(guò)電信號(hào)頻率的比 較可以計(jì)算出未知光波的波長(zhǎng)。這種對(duì)應(yīng)同一位移，比較不較可以計(jì)算出未知光波的波長(zhǎng)。這種對(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作干涉條紋同波長(zhǎng)的兩個(gè)光束干涉條紋的變化差異的方法稱作干涉條紋 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)。長(zhǎng)計(jì)。 1 r x Bn M Nn 條紋比較法波長(zhǎng)測(cè)量條紋比較法波長(zhǎng)測(cè)量 原理圖原理圖 1 1半透半反鏡半透半反鏡 2 2，3 3圓錐角反射鏡圓錐角反射鏡 兩個(gè)鎖相振蕩器分別與兩個(gè)鎖相振蕩器分別與

22、 Dr 和和 Dx 輸出的光電信號(hào)輸出的光電信號(hào)Ur和和Ux同步，產(chǎn)生與同步，產(chǎn)生與r 和和x的干涉條紋同頻的整形脈沖信號(hào)。其中，與的干涉條紋同頻的整形脈沖信號(hào)。其中，與r 對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)經(jīng)對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)經(jīng)M倍頻器倍頻器 進(jìn)行頻率倍頻，而與進(jìn)行頻率倍頻，而與x 對(duì)應(yīng)的信號(hào)則進(jìn)行對(duì)應(yīng)的信號(hào)則進(jìn)行N倍分頻。利用脈沖開(kāi)關(guān)，由倍分頻。利用脈沖開(kāi)關(guān)，由N分頻分頻 信號(hào)控制信號(hào)控制M倍頻信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，最后由顯示器輸出。被測(cè)波長(zhǎng)的計(jì)數(shù)按倍頻信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，最后由顯示器輸出。被測(cè)波長(zhǎng)的計(jì)數(shù)按 下式進(jìn)行：下式進(jìn)行： 其中，其中，B為脈沖計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，為脈沖計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，n/n 是折射率的相對(duì)變化。是折

23、射率的相對(duì)變化。 干涉條紋跟蹤法干涉條紋跟蹤法 干涉條紋跟蹤法是一種平衡測(cè)量法。在干涉儀干涉條紋跟蹤法是一種平衡測(cè)量法。在干涉儀 測(cè)量鏡位置變化時(shí)，通過(guò)光電接收器實(shí)時(shí)地檢測(cè)出測(cè)量鏡位置變化時(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)。這時(shí)，應(yīng)方向移動(dòng)，以維持干涉條紋保持靜止不動(dòng)。這時(shí)， 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。的位移。 如下圖所示，表示了利用這種原理（如下圖所示，表示了利用這種原理（干涉條紋跟蹤法干涉條紋跟

24、蹤法）測(cè)量微）測(cè)量微 小位移的干涉測(cè)量裝置。這種方法能避免干涉測(cè)量的非線性影小位移的干涉測(cè)量裝置。這種方法能避免干涉測(cè)量的非線性影 響，并且不需要精確的相位測(cè)量裝置。但是跟蹤系統(tǒng)的固有慣響，并且不需要精確的相位測(cè)量裝置。但是跟蹤系統(tǒng)的固有慣 性限制了測(cè)量的快速性，因此只能測(cè)量性限制了測(cè)量的快速性，因此只能測(cè)量10kHz以下的位移變化。以下的位移變化。 條紋跟蹤法干涉系統(tǒng)示意圖條紋跟蹤法干涉系統(tǒng)示意圖 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 1 1 干涉測(cè)量技術(shù)干涉測(cè)量技術(shù)2 2 光外差通信光外差通信3 3 多普勒測(cè)速多普勒測(cè)速 四、四、 光外差檢測(cè)方法與系統(tǒng)光外差檢測(cè)方法與系統(tǒng) 相干檢測(cè)的主要方式是相干檢測(cè)的主

25、要方式是外差檢測(cè)外差檢測(cè)。光外差檢測(cè)在激光通信、。光外差檢測(cè)在激光通信、 雷達(dá)（測(cè)距、測(cè)速、測(cè)長(zhǎng)）、外差光譜學(xué)、測(cè)振、激光陀螺及雷達(dá)（測(cè)距、測(cè)速、測(cè)長(zhǎng)）、外差光譜學(xué)、測(cè)振、激光陀螺及 紅外物理等許多方面有著廣泛應(yīng)用。紅外物理等許多方面有著廣泛應(yīng)用。 光外差檢測(cè)與直接檢測(cè)相比，有檢測(cè)距離遠(yuǎn)、檢測(cè)靈敏度光外差檢測(cè)與直接檢測(cè)相比，有檢測(cè)距離遠(yuǎn)、檢測(cè)靈敏度 高高7-8個(gè)數(shù)量級(jí)、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，但光外差檢測(cè)對(duì)光源的相個(gè)數(shù)量級(jí)、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，但光外差檢測(cè)對(duì)光源的相 干性要求高，而且受大氣湍流效應(yīng)的影響，目前遠(yuǎn)距離外差檢干性要求高，而且受大氣湍流效應(yīng)的影響，目前遠(yuǎn)距離外差檢 測(cè)在大氣中應(yīng)用受到限制，但

26、在測(cè)在大氣中應(yīng)用受到限制，但在外層空間外層空間，特別是，特別是衛(wèi)星之間衛(wèi)星之間， 通信聯(lián)系已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段。通信聯(lián)系已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段。 1 1、 光外差光外差檢測(cè)原理檢測(cè)原理 光外差光外差檢測(cè)是利用兩束頻率不相同的相干光，在滿足檢測(cè)是利用兩束頻率不相同的相干光，在滿足波波 前匹配前匹配條件下，在光電檢測(cè)器上進(jìn)行光學(xué)混頻。條件下，在光電檢測(cè)器上進(jìn)行光學(xué)混頻。檢測(cè)器的輸檢測(cè)器的輸 出是頻率為兩光波頻差的拍頻信號(hào)，該信號(hào)包含有調(diào)制信號(hào)出是頻率為兩光波頻差的拍頻信號(hào)，該信號(hào)包含有調(diào)制信號(hào) 的振幅、頻率和相位特征。從理論上講，外差檢測(cè)能準(zhǔn)確檢的振幅、頻率和相位特征。從理論上講，外差檢測(cè)能準(zhǔn)確檢 測(cè)到這些

27、參量所攜帶的信息，比直接檢測(cè)具有更大的信息容測(cè)到這些參量所攜帶的信息，比直接檢測(cè)具有更大的信息容 量和更低的檢測(cè)極限。量和更低的檢測(cè)極限。 兩束平行的相干光在光電探測(cè)器表面形成相干光場(chǎng)，經(jīng)兩束平行的相干光在光電探測(cè)器表面形成相干光場(chǎng)，經(jīng) 光電檢測(cè)器后能輸出頻率為光電檢測(cè)器后能輸出頻率為L(zhǎng) L- - s s 的差頻信號(hào)。 的差頻信號(hào)。 設(shè)信號(hào)光、本振光電場(chǎng)分別為：設(shè)信號(hào)光、本振光電場(chǎng)分別為： cos, cos LLLL SSSS EtAt EtAt 在光電檢測(cè)器光敏面上總的光電場(chǎng)為：在光電檢測(cè)器光敏面上總的光電場(chǎng)為： coscos SSSLLL E tAtAt 在混頻器上的平均光功率為：在混頻器

28、上的平均光功率為： 2 2 SL P tEtEtEt 則光電探測(cè)器輸出的光電流為：則光電探測(cè)器輸出的光電流為： 2 PSL ItP tEtEt e h 其中，其中， 為光電變換比例常數(shù)。為光電變換比例常數(shù)。 光電探測(cè)器輸出的光電流為：光電探測(cè)器輸出的光電流為： 第一、二項(xiàng)的平均值，即余弦函數(shù)平方的平均值等于第一、二項(xiàng)的平均值，即余弦函數(shù)平方的平均值等于1/2；第三；第三 項(xiàng)是和頻項(xiàng)，因?yàn)樗念l率太高而不能被光電探測(cè)器響應(yīng)，平均項(xiàng)是和頻項(xiàng)，因?yàn)樗念l率太高而不能被光電探測(cè)器響應(yīng)，平均 值為零；第四項(xiàng)是差頻項(xiàng)，它相對(duì)于光頻來(lái)說(shuō)要緩慢得多，當(dāng)差值為零；第四項(xiàng)是差頻項(xiàng)，它相對(duì)于光頻來(lái)說(shuō)要緩慢得多，當(dāng)差

29、 頻低于探測(cè)器的截止頻率時(shí)，才能被響應(yīng)，則可得到通過(guò)以頻低于探測(cè)器的截止頻率時(shí)，才能被響應(yīng)，則可得到通過(guò)以 為中心頻率的帶通濾波器的瞬時(shí)中頻電流為：為中心頻率的帶通濾波器的瞬時(shí)中頻電流為： 此即為光學(xué)外差信號(hào)表達(dá)式。此即為光學(xué)外差信號(hào)表達(dá)式。 IF 2 2222 coscos coscos PSL SssLLL SLLSLSSLLSLS ItPEtEt AtAt A AtA At cos IFSLLSLS ItA At 可見(jiàn)，外差信號(hào)的參量可見(jiàn)，外差信號(hào)的參量 可以表征信號(hào)光波的特征參量可以表征信號(hào)光波的特征參量 。 即即外差信號(hào)能以時(shí)序電信號(hào)的形式反映干涉場(chǎng)上各點(diǎn)處信號(hào)光波的外差信號(hào)能以時(shí)序

30、電信號(hào)的形式反映干涉場(chǎng)上各點(diǎn)處信號(hào)光波的 波動(dòng)性質(zhì)波動(dòng)性質(zhì)。即使信號(hào)光的參量受到被測(cè)信息調(diào)制，外差信號(hào)也能無(wú)。即使信號(hào)光的參量受到被測(cè)信息調(diào)制，外差信號(hào)也能無(wú) 畸變的精確復(fù)制這些信號(hào)。畸變的精確復(fù)制這些信號(hào)。 cos IFSLLSLS ItA At 則，在中頻濾波器輸出端，瞬時(shí)中頻信號(hào)電壓為：則，在中頻濾波器輸出端，瞬時(shí)中頻信號(hào)電壓為： cos IFSLLLSLS VtA A Rt 中頻輸出有效信號(hào)功率就是瞬時(shí)中頻功率在中頻周期內(nèi)的平均值：中頻輸出有效信號(hào)功率就是瞬時(shí)中頻功率在中頻周期內(nèi)的平均值： 2 2 2 IF IFSLL L V PP P R R 當(dāng)當(dāng) L= S時(shí)，瞬時(shí)中頻電流為時(shí)，瞬時(shí)

31、中頻電流為： cos IFSLLS ItA A 2 2 2, 2 SS LL PA PA SLLSLS A A、 SSS A、 當(dāng)當(dāng) L= S 時(shí)，瞬時(shí)中頻電流為時(shí)，瞬時(shí)中頻電流為： cos IFSLLS ItA A 這是外差檢測(cè)的特殊形式，稱為零差檢測(cè)。這是外差檢測(cè)的特殊形式，稱為零差檢測(cè)。 結(jié)論：結(jié)論： 差頻信號(hào)是由具有恒定頻率和恒定相位的相干光混頻得到差頻信號(hào)是由具有恒定頻率和恒定相位的相干光混頻得到 的，如果頻率、相位不恒定，無(wú)法得到確定的差頻光。因此，的，如果頻率、相位不恒定，無(wú)法得到確定的差頻光。因此， 激光是光外差檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的前提基礎(chǔ)。激光是光外差檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的前提基礎(chǔ)。 2

32、2、 光外差光外差檢測(cè)特性檢測(cè)特性 檢測(cè)能力強(qiáng)，可獲得全部信息檢測(cè)能力強(qiáng)，可獲得全部信息 光外差檢測(cè)光外差檢測(cè)可獲得有關(guān)光信號(hào)的全部信息，是可獲得有關(guān)光信號(hào)的全部信息，是 一種全息檢測(cè)技術(shù)。一種全息檢測(cè)技術(shù)。其輸出電流中包含有信號(hào)光的其輸出電流中包含有信號(hào)光的 振幅、頻率和相位的全部信息，也就是說(shuō)，不僅振振幅、頻率和相位的全部信息，也就是說(shuō)，不僅振 幅調(diào)制，而且頻率調(diào)制以及相位調(diào)制的光波所攜帶幅調(diào)制，而且頻率調(diào)制以及相位調(diào)制的光波所攜帶 的信息，通過(guò)光頻外差檢測(cè)方式均可實(shí)現(xiàn)解調(diào)。的信息，通過(guò)光頻外差檢測(cè)方式均可實(shí)現(xiàn)解調(diào)。 結(jié)論結(jié)論1 1：光外差檢測(cè)可獲得有關(guān)光信號(hào)的全部信息！光外差檢測(cè)可獲得有

33、關(guān)光信號(hào)的全部信息！ 光外差檢測(cè)轉(zhuǎn)換增益高光外差檢測(cè)轉(zhuǎn)換增益高 (a) 外差探測(cè)中，中頻輸出有效信號(hào)功率為：外差探測(cè)中，中頻輸出有效信號(hào)功率為： 2 2 2 IF IFSLL L V PP P R R (b) 直接探測(cè)中，探測(cè)器輸出的電功率為直接探測(cè)中，探測(cè)器輸出的電功率為: : 222 0 S PLL PI RP R 從物理過(guò)程的觀點(diǎn)看，直接探測(cè)是光功率包絡(luò)變換的檢波過(guò)程，從物理過(guò)程的觀點(diǎn)看，直接探測(cè)是光功率包絡(luò)變換的檢波過(guò)程， 而光頻外差檢測(cè)的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程不是檢波，而是一種轉(zhuǎn)換過(guò)程，而光頻外差檢測(cè)的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程不是檢波，而是一種轉(zhuǎn)換過(guò)程， 即把以即把以 為載頻的光頻信息轉(zhuǎn)換到以為載頻的光頻

34、信息轉(zhuǎn)換到以 為載頻的中頻電流上。為載頻的中頻電流上。 同樣光功率下，兩種方法所得信號(hào)光功率比為同樣光功率下，兩種方法所得信號(hào)光功率比為: : 0 2 IFL S PP G PP 結(jié)論結(jié)論2 2：光外差檢測(cè)具有天然的檢測(cè)微弱信號(hào)的能力！光外差檢測(cè)具有天然的檢測(cè)微弱信號(hào)的能力！ s IF 良好的濾波性能良好的濾波性能 在光外差檢測(cè)中，取差頻寬度作為信號(hào)處理器的通頻帶在光外差檢測(cè)中，取差頻寬度作為信號(hào)處理器的通頻帶f ， 則只有此頻帶內(nèi)的雜光可進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)造成影響，而其它則只有此頻帶內(nèi)的雜光可進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)造成影響，而其它 的雜光噪聲被濾掉。因此外差檢測(cè)系統(tǒng)不需濾光片，其效果也的雜光噪聲被濾

35、掉。因此外差檢測(cè)系統(tǒng)不需濾光片，其效果也 遠(yuǎn)優(yōu)于直接檢測(cè)系統(tǒng)。遠(yuǎn)優(yōu)于直接檢測(cè)系統(tǒng)。 例：目標(biāo)沿光束方向運(yùn)動(dòng)速度例：目標(biāo)沿光束方向運(yùn)動(dòng)速度V=15m/s，對(duì)于，對(duì)于10.6um CO2激光激光 信號(hào)，多普勒頻率信號(hào)，多普勒頻率fS為：為： 通頻帶通頻帶f1取為：取為： 而直接檢測(cè)加光譜濾光片時(shí)，設(shè)濾光片帶寬為而直接檢測(cè)加光譜濾光片時(shí)，設(shè)濾光片帶寬為1nm，所對(duì)應(yīng)的帶，所對(duì)應(yīng)的帶 寬，即通頻帶為：寬，即通頻帶為： 上述兩種情況的帶寬之比為：上述兩種情況的帶寬之比為： 2 1 SL V ff c 1 22 3 SLL VcV ffffMHz cc 9 3 21 6 3 10 10 3 10 ffHz

36、 18 219 2212 2 4 21122 3 10 103 10 10.6 10 cccc fffHz 2 sLSL fff 為了形成外差信號(hào)，要求信號(hào)光與本振光空間方向嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，為了形成外差信號(hào)，要求信號(hào)光與本振光空間方向嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)， 而背景光入射方向是雜亂的，偏振方向不確定，不能滿足空間而背景光入射方向是雜亂的，偏振方向不確定，不能滿足空間 調(diào)準(zhǔn)要求，不能形成有效的外差信號(hào)，因此，外差檢測(cè)能夠?yàn)V除調(diào)準(zhǔn)要求，不能形成有效的外差信號(hào)，因此，外差檢測(cè)能夠?yàn)V除 背景光，有較強(qiáng)的空間濾波能力。背景光，有較強(qiáng)的空間濾波能力。 結(jié)論結(jié)論3：外差檢測(cè)對(duì)背景光有強(qiáng)抑制作用，具有良好的濾波性能！外差檢測(cè)對(duì)背

37、景光有強(qiáng)抑制作用，具有良好的濾波性能！ 信噪比損失小信噪比損失小 當(dāng)不考慮檢測(cè)器本身噪聲影響，只考慮輸入背景噪當(dāng)不考慮檢測(cè)器本身噪聲影響，只考慮輸入背景噪 聲的情況下，設(shè)信號(hào)光波為聲的情況下，設(shè)信號(hào)光波為ES(t)，背景光波為，背景光波為EB (t)，根，根 據(jù)前面討論的瞬時(shí)中頻電流表達(dá)式：據(jù)前面討論的瞬時(shí)中頻電流表達(dá)式： 可得到檢測(cè)器的輸出電流為：可得到檢測(cè)器的輸出電流為： 外差檢測(cè)器的輸出信噪比為外差檢測(cè)器的輸出信噪比為: 2 2 SL SSS nBB BL P PIPA IPAP P cos IFSLLSLS ItA At 2 IFSBL IPPP 結(jié)論結(jié)論4： 外差檢測(cè)器的輸出信噪比等

38、于輸入信噪比，輸出信噪比沒(méi)有損失！外差檢測(cè)器的輸出信噪比等于輸入信噪比，輸出信噪比沒(méi)有損失！ 最小可檢測(cè)功率最小可檢測(cè)功率 內(nèi)部增益為內(nèi)部增益為MM的光外差檢測(cè)器輸出有效信號(hào)功率為：的光外差檢測(cè)器輸出有效信號(hào)功率為： 2 2 22 CSLLSLL e PMP P RMP P R h 外差檢測(cè)系統(tǒng)遇到的噪聲與直接檢測(cè)系統(tǒng)遇到的噪聲基本相同，其中，外界外差檢測(cè)系統(tǒng)遇到的噪聲與直接檢測(cè)系統(tǒng)遇到的噪聲基本相同，其中，外界 輸入檢測(cè)器的噪聲及檢測(cè)器本身的噪聲通常都比較小，可消除。輸入檢測(cè)器的噪聲及檢測(cè)器本身的噪聲通常都比較小，可消除。 但檢測(cè)系統(tǒng)中的但檢測(cè)系統(tǒng)中的散粒噪聲散粒噪聲和和熱噪聲熱噪聲影響最大

39、，難以消除。外差檢測(cè)輸出的散影響最大，難以消除。外差檢測(cè)輸出的散 粒噪聲和熱噪聲表示為：粒噪聲和熱噪聲表示為： 2 24 nSBLdL e PM ePPPIfRkT f h MM是檢測(cè)器的內(nèi)增益，對(duì)于光導(dǎo)檢測(cè)器是檢測(cè)器的內(nèi)增益，對(duì)于光導(dǎo)檢測(cè)器M11000M11000； 對(duì)于光伏檢測(cè)器對(duì)于光伏檢測(cè)器M1M1； 對(duì)于光電倍增管對(duì)于光電倍增管M10M106 6 以上。以上。 PB為背景輻射功率，為背景輻射功率，Id為檢測(cè)器的暗電流，為檢測(cè)器的暗電流，f f為外差檢測(cè)的中頻帶寬。為外差檢測(cè)的中頻帶寬。 可見(jiàn)：可見(jiàn)： 外差檢測(cè)系統(tǒng)中的噪聲分別為由信號(hào)光、本振光和背景輻射所引外差檢測(cè)系統(tǒng)中的噪聲分別為由信

40、號(hào)光、本振光和背景輻射所引 起的散粒噪聲起的散粒噪聲，由檢測(cè)器暗電流所引起的散粒噪聲以及由檢測(cè)器和電路產(chǎn)，由檢測(cè)器暗電流所引起的散粒噪聲以及由檢測(cè)器和電路產(chǎn) 生的熱噪聲。生的熱噪聲。 因此，功率信噪比為：因此，功率信噪比為： 2 2 2 SLL p SLBdL e MP P R h SNR e M ePPPIfRkT f h 當(dāng)本征功率當(dāng)本征功率PL足夠大時(shí)，本征散粒噪聲遠(yuǎn)超過(guò)所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋鹤銐虼髸r(shí)，本征散粒噪聲遠(yuǎn)超過(guò)所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋?2 2 SLL S p LL e MP P R Ph SNR ehf M ePfR h 這就是光外差檢測(cè)系統(tǒng)中所這就是光外差檢測(cè)系統(tǒng)中所

41、能達(dá)到的最大信噪比極限，能達(dá)到的最大信噪比極限， 一般稱為光外差檢測(cè)的一般稱為光外差檢測(cè)的量子量子 檢測(cè)極限檢測(cè)極限或或量子噪聲限量子噪聲限。 2 2 22 CSLLSLL e PMP P RMP P R h 2 24 nSBLdL e PM ePPPIfRkT f h 為克服由信號(hào)光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的為克服由信號(hào)光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的 轉(zhuǎn)換增益，轉(zhuǎn)換增益，增大本振光功率增大本振光功率是有利的。但本振光本身也引起散粒是有利的。但本振光本身也引起散粒 噪聲，本振功率越大，噪聲也越大，使檢測(cè)系統(tǒng)信噪比反而降低。噪聲，本振功率越大，噪聲也越大，使檢測(cè)系統(tǒng)

42、信噪比反而降低。 因此，應(yīng)合理選擇本振光功率，以便得到因此，應(yīng)合理選擇本振光功率，以便得到最佳信噪比最佳信噪比和較大的和較大的中中 頻轉(zhuǎn)換增益。頻轉(zhuǎn)換增益。 引入引入最小可檢測(cè)功率（等效噪聲功率）最小可檢測(cè)功率（等效噪聲功率）NEP表示，在量子檢表示，在量子檢 測(cè)極限下，光外差檢測(cè)的測(cè)極限下，光外差檢測(cè)的NEP值為：值為： SNR時(shí)的信號(hào)光功率時(shí)的信號(hào)光功率: S p P SNR hf s hf PNEP (b) 在光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的量子極限為：在光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的量子極限為： 2hf NEP 這里面需要說(shuō)明的是：這里面需要說(shuō)明的是：直接檢測(cè)量子限是在理想光檢測(cè)器的理想直接檢測(cè)量子限是在理想光

43、檢測(cè)器的理想 條件下得到，實(shí)際中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)量子極限的。而對(duì)于光外差檢測(cè)，條件下得到，實(shí)際中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)量子極限的。而對(duì)于光外差檢測(cè)， 利用利用足夠的本振光足夠的本振光是容易實(shí)現(xiàn)的。是容易實(shí)現(xiàn)的。 結(jié)論結(jié)論5 5：檢測(cè)靈敏度高是光外差檢測(cè)的突出優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)靈敏度高是光外差檢測(cè)的突出優(yōu)點(diǎn)。 光外差檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)器性能的要求光外差檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)器性能的要求 外差檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)器要求一般比直接檢測(cè)對(duì)檢測(cè)器的外差檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)器要求一般比直接檢測(cè)對(duì)檢測(cè)器的 要求高得多，主要如下：要求高得多，主要如下： 響應(yīng)頻帶寬。響應(yīng)頻帶寬。 主要是因?yàn)椴捎枚嗥绽疹l移特性進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，頻移主要是因?yàn)椴捎枚嗥绽疹l移特性進(jìn)行

44、目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，頻移 的范圍寬，要求檢測(cè)器的響應(yīng)范圍要寬，甚至達(dá)上千兆的范圍寬，要求檢測(cè)器的響應(yīng)范圍要寬，甚至達(dá)上千兆Hz。 均勻性好。均勻性好。 外差檢測(cè)中檢測(cè)器即為混頻器，在檢測(cè)器光敏面上信號(hào)外差檢測(cè)中檢測(cè)器即為混頻器，在檢測(cè)器光敏面上信號(hào) 光束和本振蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號(hào)，為達(dá)到在光敏面光束和本振蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號(hào)，為達(dá)到在光敏面 不同區(qū)域相同的外差效果，要求檢測(cè)器的光電性能在整個(gè)光不同區(qū)域相同的外差效果，要求檢測(cè)器的光電性能在整個(gè)光 敏面上都是一致。特別是用于跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測(cè)器。敏面上都是一致。特別是用于跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測(cè)器。 工作溫度高。工作溫度高。 在實(shí)驗(yàn)室工

45、作時(shí)，工作溫度無(wú)嚴(yán)格要求。如果在室外或在實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，工作溫度無(wú)嚴(yán)格要求。如果在室外或 空間應(yīng)用時(shí)，要求選工作溫度高的檢測(cè)器。如空間應(yīng)用時(shí)，要求選工作溫度高的檢測(cè)器。如HgCdTe紅外檢紅外檢 測(cè)器件。測(cè)器件。 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 1 1 干涉測(cè)量技術(shù)干涉測(cè)量技術(shù)2 2 光外差通信光外差通信3 3 多普勒測(cè)速多普勒測(cè)速 3 3 、光外差檢測(cè)條件、光外差檢測(cè)條件 光外差檢測(cè)只有在下列條件下才可能得到滿足：光外差檢測(cè)只有在下列條件下才可能得到滿足： 信號(hào)光波和本征光波信號(hào)光波和本征光波必須具有相同的模式結(jié)構(gòu)，必須具有相同的模式結(jié)構(gòu)，這意味著所這意味著所 用激光器應(yīng)該單頻基模運(yùn)轉(zhuǎn)。用激光器應(yīng)該單頻

46、基模運(yùn)轉(zhuǎn)。 信號(hào)光束和本振光束在光混頻面上信號(hào)光束和本振光束在光混頻面上光斑必須相互重合光斑必須相互重合，為了，為了 提供最大信噪比，它們的光斑直徑最好相等，因?yàn)椴恢睾系奶峁┳畲笮旁氡?，它們的光斑直徑最好相等，因?yàn)椴恢睾系?部分對(duì)中頻信號(hào)無(wú)貢獻(xiàn)，只貢獻(xiàn)噪聲。部分對(duì)中頻信號(hào)無(wú)貢獻(xiàn)，只貢獻(xiàn)噪聲。 信號(hào)光波和本振光波的信號(hào)光波和本振光波的能流矢量必須盡可能保持同一方向能流矢量必須盡可能保持同一方向， 這意味著兩束光必須保持空間上的角準(zhǔn)直。這意味著兩束光必須保持空間上的角準(zhǔn)直。 在角準(zhǔn)直，即傳播方向一致的情況下，兩束光的在角準(zhǔn)直，即傳播方向一致的情況下，兩束光的波前面還必波前面還必 須曲率匹配，須曲率

47、匹配，即或者是平面，或者有相同曲率的曲面。即或者是平面，或者有相同曲率的曲面。 在上述條件都得到滿足時(shí)，有效的光混頻還要求在上述條件都得到滿足時(shí)，有效的光混頻還要求兩光波必須兩光波必須 同偏振，同偏振，因?yàn)樵诠饣祛l面上它們是矢量相加。因?yàn)樵诠饣祛l面上它們是矢量相加。 光外差檢測(cè)的空間條件光外差檢測(cè)的空間條件 普遍情況下，由于信號(hào)光與本振光波前有一失配角普遍情況下，由于信號(hào)光與本振光波前有一失配角，故信號(hào)光，故信號(hào)光 斜入射到光探測(cè)器表面，同一波前到達(dá)探測(cè)器光敏面的時(shí)間不斜入射到光探測(cè)器表面，同一波前到達(dá)探測(cè)器光敏面的時(shí)間不 同，可等效于在同，可等效于在x方向以速度方向以速度Vx 行進(jìn)，所以在光

48、探測(cè)器光敏面不行進(jìn)，所以在光探測(cè)器光敏面不 同點(diǎn)處形成波前相差，故可將信號(hào)光電場(chǎng)寫為：同點(diǎn)處形成波前相差，故可將信號(hào)光電場(chǎng)寫為： cos S SSSS X EtAtx V 式中，式中， 是信號(hào)光波矢在是信號(hào)光波矢在x方向的分量。由上圖可方向的分量。由上圖可 知，知， ，所以有，所以有 ,式中式中c為光速。為光速。 于是信號(hào)光電場(chǎng)可重寫為：于是信號(hào)光電場(chǎng)可重寫為： cos S SSSS X EtAtx V S x x K V sin S x KKsin c sin x c V 2 sin cos SSSS S EtAtx 入射到光電探測(cè)器光敏面的總電場(chǎng)為入射到光電探測(cè)器光敏面的總電場(chǎng)為 ： SL

49、 E tEtEt 光探測(cè)器輸出的瞬時(shí)光電流為光探測(cè)器輸出的瞬時(shí)光電流為： 2 22 2 22 22 2222 2 22 2 sin coscos 2 sin coscos 2 sin cos 2 sin cos dd pSssLLL sdd dd SssLLL sdd SLLSLS S SLLSLS S M IAtxAtdxdy d M AtxAt d A Atx A Atx dxdy 于是經(jīng)中頻濾波器后輸出的瞬時(shí)中頻電流為：于是經(jīng)中頻濾波器后輸出的瞬時(shí)中頻電流為： /2/2 2 /2/2 2 sin cos dd IFSLLSLS sdd M IA Atxdxdy d 因?yàn)橐驗(yàn)閂x = c/

50、sin,所以瞬時(shí)中頻電流的大小與失配角所以瞬時(shí)中頻電流的大小與失配角有關(guān)。因子有關(guān)。因子 時(shí)，瞬時(shí)中頻電流達(dá)到最大值，即要求時(shí)，瞬時(shí)中頻電流達(dá)到最大值，即要求 ，也就是，也就是 失配角失配角0。 但是實(shí)際中但是實(shí)際中角很難調(diào)整到零。為了得到盡可能大的中頻輸出，角很難調(diào)整到零。為了得到盡可能大的中頻輸出， 總是希望因子總是希望因子 盡可能接近于盡可能接近于1，要滿足這一條件，只有，要滿足這一條件，只有 ，因此，因此 sin2 1 2 sx Sx dV dV 20 Sx dV 21 Sx dV= sin s d = 2 sin2 cos 2 sx IFSLLSLS Sx dVM IA At ddV

51、 對(duì)上式積分得到對(duì)上式積分得到： sin2 2 sx Sx dV dV 顯然，顯然，失配角與信號(hào)光波波長(zhǎng)成正比，與光混頻器失配角與信號(hào)光波波長(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所容許的失配角就越大。 由此可見(jiàn)，光外差探測(cè)的空間準(zhǔn)直要求十分苛刻。由此可見(jiàn)，光外差探測(cè)的空間準(zhǔn)直要求十分苛刻。 波長(zhǎng)越短，空間準(zhǔn)直要求也越苛刻。所以在紅外波段光波長(zhǎng)越短，空間準(zhǔn)直要求也越苛刻。所以在紅外波段光 外差探測(cè)比可見(jiàn)光波段有利得多外差探測(cè)比可見(jiàn)光波段有利得多 。 外差檢測(cè)在空間上能很好的抑制背景噪聲，具有很外

52、差檢測(cè)在空間上能很好的抑制背景噪聲，具有很 好的空間濾波性能，但外差檢測(cè)要求嚴(yán)格的空間條件也好的空間濾波性能，但外差檢測(cè)要求嚴(yán)格的空間條件也 帶來(lái)了不便，即調(diào)準(zhǔn)兩個(gè)光束很困難。帶來(lái)了不便，即調(diào)準(zhǔn)兩個(gè)光束很困難。 舉例舉例: L=10.6m，檢測(cè)器光敏面，檢測(cè)器光敏面0.2cm，求，求多大？多大？ arcsin s d = 可見(jiàn)：要形成強(qiáng)的差頻信號(hào)，對(duì)信號(hào)光束和本振可見(jiàn)：要形成強(qiáng)的差頻信號(hào)，對(duì)信號(hào)光束和本振 光束的空間準(zhǔn)直要求很嚴(yán)格。如此以來(lái)，使得背景光光束的空間準(zhǔn)直要求很嚴(yán)格。如此以來(lái)，使得背景光 噪聲被濾掉。外差探測(cè)具有很好的空間濾波性能。同噪聲被濾掉。外差探測(cè)具有很好的空間濾波性能。同 時(shí)

53、，也增加了系統(tǒng)測(cè)量的難度。時(shí)，也增加了系統(tǒng)測(cè)量的難度。 解決辦法：采用聚焦透鏡降低空間準(zhǔn)直要求。（解決辦法：采用聚焦透鏡降低空間準(zhǔn)直要求。（本質(zhì)本質(zhì) 上是把不同傳播方向的信號(hào)光集中在一起上是把不同傳播方向的信號(hào)光集中在一起） 本質(zhì)上相當(dāng)于把不同傳播方向的信號(hào)光束集中在一本質(zhì)上相當(dāng)于把不同傳播方向的信號(hào)光束集中在一 起。失配角可由系統(tǒng)的視場(chǎng)角起。失配角可由系統(tǒng)的視場(chǎng)角r r 來(lái)決定。圖中，來(lái)決定。圖中， 本振光束被發(fā)散，以便使本振光束均勻的覆蓋光檢本振光束被發(fā)散，以便使本振光束均勻的覆蓋光檢 測(cè)器的光敏面。系統(tǒng)的視場(chǎng)角測(cè)器的光敏面。系統(tǒng)的視場(chǎng)角r r 為：為： f是透鏡的焦距，是透鏡的焦距，Dp

54、 是探測(cè)器光敏面直徑是探測(cè)器光敏面直徑 p r D f 故故 2.44 p ddr effrr p D DD D DD Dff 解得：解得： 2.44 2.44 p r effdr D DD D 而有效孔徑而有效孔徑Deff為：為： d effr p D DD D 可通過(guò)增大透鏡孔徑可通過(guò)增大透鏡孔徑Dr來(lái)增大有效孔徑來(lái)增大有效孔徑Deff ，但，但 透鏡孔徑透鏡孔徑 Dr與衍射光斑直徑與衍射光斑直徑Dd有關(guān)，衍射光斑直徑為：有關(guān)，衍射光斑直徑為： 2.44 d r f D D 舉例舉例: L=10.6m，檢測(cè)器光敏面，檢測(cè)器光敏面 Dp = 0.2cm，所采用會(huì)聚透鏡的，所采用會(huì)聚透鏡的 通

55、光孔徑通光孔徑Dr=10cm，f = 50cm，求，求r 多大？多大？ p r D f 光外差檢測(cè)的頻率條件光外差檢測(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)直以光外差檢測(cè)除了要求信號(hào)光和本振光必須保持空間準(zhǔn)直以 外，還要求兩者具有高度的外，還要求兩者具有高度的單色性單色性和和頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度。 所謂光的單色性是指這種光只包含一種頻率或光譜線極窄所謂光的單色性是指這種光只包含一種頻率或光譜線極窄 的光。的光。 由于原子激發(fā)態(tài)總有一定的能級(jí)寬度及其它原因，光由于原子激發(fā)態(tài)總有一定的能級(jí)寬度及其它原因，光 譜線總有一定的寬度譜線總有一定的寬度 。 信號(hào)光和本振光的頻率漂移如不

56、能限制在一定范圍內(nèi)，則信號(hào)光和本振光的頻率漂移如不能限制在一定范圍內(nèi)，則 光外差檢測(cè)系統(tǒng)的性能就會(huì)變壞。因?yàn)椋绻盘?hào)光頻率和本光外差檢測(cè)系統(tǒng)的性能就會(huì)變壞。因?yàn)?，如果信?hào)光頻率和本 振光頻率相對(duì)漂移很大，兩者頻率之差就有可能大大超過(guò)中頻振光頻率相對(duì)漂移很大，兩者頻率之差就有可能大大超過(guò)中頻 帶寬，導(dǎo)致光探測(cè)器之后的前置放大、中頻放大電路對(duì)中頻信帶寬，導(dǎo)致光探測(cè)器之后的前置放大、中頻放大電路對(duì)中頻信 號(hào)不能正常放大。所以，需要采取專門措施穩(wěn)定信號(hào)光和本振號(hào)不能正常放大。所以，需要采取專門措施穩(wěn)定信號(hào)光和本振 光的頻率和相位。光的頻率和相位。 F-P腔穩(wěn)頻、鎖模穩(wěn)頻、飽和吸收穩(wěn)頻等腔穩(wěn)頻、鎖模穩(wěn)

57、頻、飽和吸收穩(wěn)頻等 大氣湍流對(duì)外差探測(cè)的影響大氣湍流對(duì)外差探測(cè)的影響 大氣湍流是一種隨機(jī)現(xiàn)象，既反映在空間變量上，又反大氣湍流是一種隨機(jī)現(xiàn)象，既反映在空間變量上，又反 映在時(shí)間變量上。表現(xiàn)為空間各點(diǎn)的光波相位隨機(jī)變化，因映在時(shí)間變量上。表現(xiàn)為空間各點(diǎn)的光波相位隨機(jī)變化，因 而使相干面積大大減小，破壞空間相位條件，使外差接收功而使相干面積大大減小，破壞空間相位條件，使外差接收功 率降低，信噪比下降。率降低，信噪比下降。 應(yīng)用光的干涉效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的方法稱為干涉測(cè)量應(yīng)用光的干涉效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的方法稱為干涉測(cè)量 技術(shù)。干涉測(cè)量系統(tǒng)主要由技術(shù)。干涉測(cè)量系統(tǒng)主要由光源、干涉系統(tǒng)、信號(hào)接光源、干涉系統(tǒng)、信號(hào)接

58、 收系統(tǒng)收系統(tǒng)和和信號(hào)處理系統(tǒng)信號(hào)處理系統(tǒng)組成。組成。 根據(jù)測(cè)量對(duì)象和測(cè)量要求的不同而各有不同的組根據(jù)測(cè)量對(duì)象和測(cè)量要求的不同而各有不同的組 合，并由此形成了各種結(jié)構(gòu)形式的干涉儀。合，并由此形成了各種結(jié)構(gòu)形式的干涉儀。 優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高（以波長(zhǎng)為單位）優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高（以波長(zhǎng)為單位） 。 干涉測(cè)量基本原理：改變干涉儀中傳輸光的光程干涉測(cè)量基本原理：改變干涉儀中傳輸光的光程 而引起對(duì)光的相位調(diào)制，從而表現(xiàn)為對(duì)光強(qiáng)的調(diào)制。而引起對(duì)光的相位調(diào)制，從而表現(xiàn)為對(duì)光強(qiáng)的調(diào)制。 測(cè)量干涉條紋的變化即可得到被測(cè)參量的信息。測(cè)量干涉條紋的變化即可得到被測(cè)參量的信息。 干涉條紋是由干涉場(chǎng)上光程差相同的場(chǎng)點(diǎn)的軌跡干

59、涉條紋是由干涉場(chǎng)上光程差相同的場(chǎng)點(diǎn)的軌跡 形成。形成。 可進(jìn)行可進(jìn)行長(zhǎng)度、角度、平面度、折射率、氣體或液長(zhǎng)度、角度、平面度、折射率、氣體或液 體含量、光學(xué)元件面形、光學(xué)系統(tǒng)像差、光學(xué)材料內(nèi)體含量、光學(xué)元件面形、光學(xué)系統(tǒng)像差、光學(xué)材料內(nèi) 部缺陷部缺陷等幾何量和物理量的測(cè)量。等幾何量和物理量的測(cè)量。 激光干涉測(cè)長(zhǎng)的基本原理激光干涉測(cè)長(zhǎng)的基本原理 系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成： (a)激光光源激光光源 He-Ne氣體激光器，頻寬達(dá)氣體激光器，頻寬達(dá)103Hz， 相干長(zhǎng)度可達(dá)相干長(zhǎng)度可達(dá)300km (b)干涉系統(tǒng)干涉系統(tǒng) 邁克爾遜干涉原理，位移邁克爾遜干涉原理，位移-測(cè)量臂；測(cè)量臂； (c)光電顯微鏡光電顯微鏡

60、 給出起始位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)長(zhǎng)度或位移給出起始位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)長(zhǎng)度或位移 的精密瞄準(zhǔn)，使干涉儀的干涉信號(hào)處理的精密瞄準(zhǔn)，使干涉儀的干涉信號(hào)處理 部分和被測(cè)量之間實(shí)現(xiàn)同步。部分和被測(cè)量之間實(shí)現(xiàn)同步。 (d)干涉信號(hào)處理部分干涉信號(hào)處理部分 光電控制、信號(hào)放大、判向、細(xì)分及可光電控制、信號(hào)放大、判向、細(xì)分及可 逆計(jì)數(shù)和顯示記錄等。逆計(jì)數(shù)和顯示記錄等。 測(cè)量光束測(cè)量光束2和參考光束和參考光束1相互疊加干涉形相互疊加干涉形 成干涉信號(hào)。其明暗變化次數(shù)直接對(duì)應(yīng)成干涉信號(hào)。其明暗變化次數(shù)直接對(duì)應(yīng) 于測(cè)量鏡的位移，可表示為：于測(cè)量鏡的位移，可表示為： 2 LN 激光干涉測(cè)長(zhǎng)的光路設(shè)置激光干涉測(cè)長(zhǎng)的光路設(shè)置 1