相干光電檢測系統(tǒng)學習教案

1、會計學1相干相干(xinggn)光電檢測系統(tǒng)光電檢測系統(tǒng)第一頁，共71頁。 相干檢測就是利用光的相干性對光載波所攜帶的信息進行相干檢測就是利用光的相干性對光載波所攜帶的信息進行檢測和處理，它只有采用相干性好的激光器作為光源才能實現(xiàn)檢測和處理，它只有采用相干性好的激光器作為光源才能實現(xiàn)。所以從理論上講，相干檢測能準確檢測到光波振幅、頻率和。所以從理論上講，相干檢測能準確檢測到光波振幅、頻率和相位所攜帶的信息。但由于光波的頻率很高，迄今為止的任何相位所攜帶的信息。但由于光波的頻率很高，迄今為止的任何光電探測器都還不能直接感受光波本身的振幅、相位、頻率及光電探測器都還不能直接感受光波本身的振幅、相位

2、、頻率及偏振的變化，而只能探測光的強度（注）。因此，光的這些特偏振的變化，而只能探測光的強度（注）。因此，光的這些特征參量最終都須轉(zhuǎn)換為光強的變化進行探測。而這種轉(zhuǎn)換就必征參量最終都須轉(zhuǎn)換為光強的變化進行探測。而這種轉(zhuǎn)換就必須通過干涉須通過干涉(gnsh)測量技術(shù)。測量技術(shù)。 根據(jù)根據(jù)(gnj)產(chǎn)生干涉的光束間頻率關(guān)系可分為：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第2頁/共71頁第二頁，共71頁。1 光學干涉光學干涉(gnsh)和干涉和干涉(gnsh)測量測量 光學測量中，常需要利用相干光作為光學測量中，常需要利用相干光作為(zuwi)信息變換的信息變換的載體，將被

3、測信息加載到光載波上，使光載波的特征參量隨載體，將被測信息加載到光載波上，使光載波的特征參量隨被測信息變換。被測信息變換。 光干涉是指可能相干的兩束或多束光波相疊加，它們的光干涉是指可能相干的兩束或多束光波相疊加，它們的合成信號的光強度隨時間或空間有規(guī)律的變化。合成信號的光強度隨時間或空間有規(guī)律的變化。 干涉測量的作用就是把光波的相位關(guān)系或頻率狀態(tài)以及干涉測量的作用就是把光波的相位關(guān)系或頻率狀態(tài)以及它們隨時間的變化關(guān)系以光強度的空間分布或隨時間變化的它們隨時間的變化關(guān)系以光強度的空間分布或隨時間變化的形式檢測出來。形式檢測出來。第3頁/共71頁第三頁，共71頁。以雙光束干涉為例，設(shè)兩相干平面波

4、的振動以雙光束干涉為例，設(shè)兩相干平面波的振動(zhndng)E1(x,y)和和E2(x,y)分別為：分別為：兩束光合成兩束光合成(hchng)時，所形成干涉條紋的強度分布時，所形成干涉條紋的強度分布I (x, y)可表示為：可表示為：式中，式中， 是條紋是條紋(tio wn)光強的直流分量；光強的直流分量； 是條紋是條紋(tio wn)的對比度；的對比度； 是光頻差；是光頻差； 是相位差。是相位差。 11112222( , )exp( , )( , )exp( , )E x yajtx yEx yajtx y221212( , )2cos( , )I x yaaa atx y( , )1( ,

5、 )cos( , )A x yx ytx y2212( , )A x yaa221212( , )2/()x ya aaa1212( , )( , )( , )x yx yx y第4頁/共71頁第四頁，共71頁。當兩束頻率相同的光（即單頻光）相干時，有當兩束頻率相同的光（即單頻光）相干時，有 ， 即即 ，此時，此時， 干涉條紋不隨時間變化，呈穩(wěn)定的空間干涉條紋不隨時間變化，呈穩(wěn)定的空間(kngjin)分布。隨著相位差分布。隨著相位差的變化，干涉的變化，干涉 條紋強度的變化表現(xiàn)為有偏置的正弦分布?？梢钥闯觯蓷l紋強度的變化表現(xiàn)為有偏置的正弦分布?？梢钥闯?，干涉條紋的強度信息和被測量的相關(guān)參數(shù)相對

6、應(yīng)，對干涉條紋進行計數(shù)或涉條紋的強度信息和被測量的相關(guān)參數(shù)相對應(yīng)，對干涉條紋進行計數(shù)或?qū)l紋形狀進行分析處理，可以得到相應(yīng)的被測信息。對條紋形狀進行分析處理，可以得到相應(yīng)的被測信息。120,1,cos,I x yA x yx yx y第5頁/共71頁第五頁，共71頁。 當兩束光的頻率不同，干涉條紋將以當兩束光的頻率不同，干涉條紋將以 的角頻率隨時的角頻率隨時 間波動，形成光學拍頻信號，也叫外差干涉信號。如果兩間波動，形成光學拍頻信號，也叫外差干涉信號。如果兩 束光的頻率相差較大，超過光電檢測器件的頻響范圍，將束光的頻率相差較大，超過光電檢測器件的頻響范圍，將 觀察不到干涉條紋。在兩束光的頻率相

7、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，采用光電檢測器件可以探測到干涉條紋信號，的情況下，采用光電檢測器件可以探測到干涉條紋信號， 并且可以通過并且可以通過(tnggu)電信號處理直接測量拍頻信號的頻電信號處理直接測量拍頻信號的頻差及相位差及相位 等參數(shù)，從而能以極高的靈敏度測量出相干光束本本身的等參數(shù)，從而能以極高的靈敏度測量出相干光束本本身的 特征參量，形成外差檢測技術(shù)。特征參量，形成外差檢測技術(shù)。 第6頁/共71頁第六頁，共71頁。實際上，干涉條紋的強度取決于相干光的相位差，而相位差又取決實際上，干涉條紋的強度取決于相干光的相位差，而相位差又取決于光傳輸介

8、質(zhì)的折射率于光傳輸介質(zhì)的折射率n對光的傳播距離對光的傳播距離ds的線積分，即的線積分，即對于均勻?qū)τ诰鶆?jnyn)介質(zhì)，上式可簡化為：介質(zhì)，上式可簡化為： 對上式中的變量對上式中的變量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 002Lnds0/2nL)(20LnnL第7頁/共71頁第七頁，共71頁。2 干涉測量干涉測量(cling)技術(shù)中的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)中的調(diào)制和解調(diào) 一般干涉測量系統(tǒng)主要由光源、干涉系統(tǒng)、干涉信號接收系統(tǒng)和信號處一般干涉測量系統(tǒng)主要由光源、干涉系統(tǒng)、干涉信號接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)組成理系統(tǒng)組成(z chn)。從信息處理的角度來看，干涉測量實質(zhì)上是被測信息。從

9、信息處理的角度來看，干涉測量實質(zhì)上是被測信息對光載波調(diào)制和解調(diào)的過程。各種類型的干涉儀或干涉裝置是光頻載波的調(diào)制對光載波調(diào)制和解調(diào)的過程。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。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)可以分為振幅調(diào)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)可以分為振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制。制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制。第8頁/共71頁第八頁，共71頁。二二 基本基本(jbn)干涉系統(tǒng)及應(yīng)用干涉系統(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，將光束分成兩個沿

10、不同路徑傳播的光束，在其中一路中引入被光束分成兩個沿不同路徑傳播的光束，在其中一路中引入被測量，產(chǎn)生光程差后，再與另一路參考光重新測量，產(chǎn)生光程差后，再與另一路參考光重新(chngxn)合成合成為一束光，以便觀察干涉現(xiàn)象。為一束光，以便觀察干涉現(xiàn)象。第9頁/共71頁第九頁，共71頁。1、典型、典型(dinxng)的雙光束干涉系統(tǒng)的雙光束干涉系統(tǒng)2122sinrrd第10頁/共71頁第十頁，共71頁。2122sinrrdS1S2SdDxOP1r2r干涉條紋干涉條紋I I光強分布第11頁/共71頁第十一頁，共71頁。2、多光束、多光束(gungsh)干涉系統(tǒng)干涉系統(tǒng)222241sin21aIERR

11、各透射各透射(tu sh)光波疊加干涉后的干涉強度分布為光波疊加干涉后的干涉強度分布為當平行反射面鍍以高反射膜層，即當平行反射面鍍以高反射膜層，即 時，時， ，可見，可見，當當 時，光強時，光強 I 幾乎為幾乎為0；而當滿足；而當滿足 條件時，條件時， I 達到極大值達到極大值 。因此，多光束干涉。因此，多光束干涉(gnsh)的光強分布是由寬的暗的光強分布是由寬的暗帶相間的明亮細條紋。帶相間的明亮細條紋。1R 2411RRsin20sin202IaA0hi1GGn2i2I3I1I1I2I2I3I11I22I33A第12頁/共71頁第十二頁，共71頁。3、光纖干涉儀、光纖干涉儀光纖邁克爾遜干涉儀

12、光纖邁克爾遜干涉儀光纖馬赫光纖馬赫(mh)-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(gungsh)F-P干涉儀干涉儀第13頁/共71頁第十三頁，共71頁。三三 同頻率相干信號的相位調(diào)制同頻率相干信號的相位調(diào)制(tiozh)與檢測方法與檢測方法 當兩束相干光束的頻率當兩束相干光束的頻率(pnl)相同時，若被測量變化使相同時，若被測量變化使相干光波的相位發(fā)生變化，再通過干涉作用把光波相位的變相干光波的相位發(fā)生變化，再通過干涉作用把光波相位的變化變換為振幅的變化，這個過程稱為單頻光波的相位調(diào)制。化變換為振幅的變化，這個過程稱為單頻光波

13、的相位調(diào)制。第14頁/共71頁第十四頁，共71頁。1 相位調(diào)制與檢測相位調(diào)制與檢測(jin c)的原的原理理 干涉條紋的強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 對光的傳播(chunb)距離ds 的線積分，即002Lnds0/2nL)(20LnnL 光波傳輸介質(zhì)折射率和光程長度的變化都將導致相干光相位的變化，從而引起干涉條紋強度的改變。干涉測量中就是利用這一特性改變光載波的特征(tzhng)參量，以形成各種光學信息的。 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致傳播距離改變；介質(zhì)導致傳播距離改變；介質(zhì)成分、密度、環(huán)境溫度

14、、氣壓以及介質(zhì)周圍電場、磁場引起折射率變化。成分、密度、環(huán)境溫度、氣壓以及介質(zhì)周圍電場、磁場引起折射率變化。 相位調(diào)制通常是利用不同形式的干涉儀，借助機械的、光學的、電子學的變換器件，將被測量相位調(diào)制通常是利用不同形式的干涉儀，借助機械的、光學的、電子學的變換器件，將被測量的變化轉(zhuǎn)換為光路長度和折射率的變化，用于檢測幾何和機械運動參量，分析物質(zhì)的理化特的變化轉(zhuǎn)換為光路長度和折射率的變化，用于檢測幾何和機械運動參量，分析物質(zhì)的理化特性。性。第15頁/共71頁第十五頁，共71頁。2 干涉條紋的檢測干涉條紋的檢測(jin c)方法方法在相位調(diào)制檢測系統(tǒng)中，被測參量一般是通過改變干涉儀中傳輸在相位調(diào)制

15、檢測系統(tǒng)中，被測參量一般是通過改變干涉儀中傳輸光的光程而引起對光的相位調(diào)制，由干涉儀解調(diào)出來的信息是一幅干光的光程而引起對光的相位調(diào)制，由干涉儀解調(diào)出來的信息是一幅干涉圖樣，它以干涉條紋的變化反映被測參量的信息。干涉條紋是由干涉圖樣，它以干涉條紋的變化反映被測參量的信息。干涉條紋是由干涉場上光程差相同的場點的軌跡形成。干涉條紋的形狀、間隔、顏色涉場上光程差相同的場點的軌跡形成。干涉條紋的形狀、間隔、顏色及位置的變化，均與光程的變化有關(guān)，因此根據(jù)干涉條紋上述及位置的變化，均與光程的變化有關(guān)，因此根據(jù)干涉條紋上述(shngsh)諸因素的變化可以進行長度、角度、平面度、折射率、氣諸因素的變化可以進行

16、長度、角度、平面度、折射率、氣體或液體含量、光學元件面形、光學系統(tǒng)象差、光學材料內(nèi)部缺陷等體或液體含量、光學元件面形、光學系統(tǒng)象差、光學材料內(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量。因此，如何檢測干各種與光程有確定關(guān)系的幾何量和物理量的測量。因此，如何檢測干涉條紋就變得十分有意義。干涉條紋檢測實際是檢測干涉條紋的光強涉條紋就變得十分有意義。干涉條紋檢測實際是檢測干涉條紋的光強度分布或其隨時間的變化。度分布或其隨時間的變化。 基本的條紋檢測法包括條紋光強檢測法、條紋比較法和條紋跟蹤基本的條紋檢測法包括條紋光強檢測法、條紋比較法和條紋跟蹤法。法。第16頁/共71頁第十六頁，共71頁。干

17、涉干涉(gnsh)條紋光強檢測法條紋光強檢測法在干涉場中確定的位置上用光電元件直接檢測干涉條紋的光強變在干涉場中確定的位置上用光電元件直接檢測干涉條紋的光強變化稱為化稱為(chn wi)干涉條紋光強檢測法。下圖給出了一維干涉測長的干涉條紋光強檢測法。下圖給出了一維干涉測長的實例。為了獲得最佳的光電信號，要求有最大的交變信號幅值和信噪實例。為了獲得最佳的光電信號，要求有最大的交變信號幅值和信噪比，這需要光學裝置和光電檢測器確保最佳工作條件，盡可能地提高比，這需要光學裝置和光電檢測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。兩束光的相干度和光電轉(zhuǎn)換的混頻效率。第17頁/共7

18、1頁第十七頁，共71頁。單頻光相干時，合成信號單頻光相干時，合成信號(xnho)的瞬時光強為：的瞬時光強為： 221212,2cosI x yaaa at0,1cos 2LI x yIn可見，可見，變化，隨之做周期變化，隨之做周期(zhuq)變化。當變化。當變化變化時，時，變化一個周期變化一個周期(zhuq)。若對的變化進行計數(shù)，根據(jù)移動方向。若對的變化進行計數(shù)，根據(jù)移動方向進行進行加減運算，就可以測量出動鏡的移動距離。加減運算，就可以測量出動鏡的移動距離。 第18頁/共71頁第十八頁，共71頁。干涉干涉(gnsh)條紋比較法條紋比較法 如果采用兩束不同頻率的相干光源，各自獨立地組成干涉光如果

19、采用兩束不同頻率的相干光源，各自獨立地組成干涉光路，使其中一束光頻為已知，另一束是未知的，則對應(yīng)共用測量路，使其中一束光頻為已知，另一束是未知的，則對應(yīng)共用測量反射鏡的同一位移，兩束光各自形成干涉條紋。經(jīng)光電檢檢測后反射鏡的同一位移，兩束光各自形成干涉條紋。經(jīng)光電檢檢測后形成兩組獨立的電信號，通過電信號頻率的比較可以計算出未知形成兩組獨立的電信號，通過電信號頻率的比較可以計算出未知光波的波長光波的波長(bchng)。這種對應(yīng)同一位移，比較不同波長。這種對應(yīng)同一位移，比較不同波長(bchng)的兩個光束干涉條紋的變化差異的方法稱作干涉條紋的兩個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

20、種原理出發(fā)，設(shè)計出了許多精確測量波長比較法。從這種原理出發(fā)，設(shè)計出了許多精確測量波長(bchng)的波長的波長(bchng)計。計。第19頁/共71頁第十九頁，共71頁。1rxBnM Nn條紋比較法波長條紋比較法波長(bchng)測量測量原理圖原理圖1半透半反鏡半透半反鏡 2，3圓錐角反射鏡圓錐角反射鏡 兩個鎖相振蕩器分別與兩個鎖相振蕩器分別與 Dr 和和 Dx 輸出的光電信號輸出的光電信號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。其中，與的干涉條紋同頻的整形脈沖信號。其中，與r 對應(yīng)的脈沖信號經(jīng)對應(yīng)的脈沖信號經(jīng)M倍倍頻器進行頻率頻器進行頻率(pnl)倍頻，而與

21、倍頻，而與x 對應(yīng)的信號則進行對應(yīng)的信號則進行N倍分頻。利用脈沖開倍分頻。利用脈沖開關(guān)，由關(guān)，由N分頻信號控制分頻信號控制M倍頻信號進行脈沖計數(shù)，最后由顯示器輸出。被測倍頻信號進行脈沖計數(shù)，最后由顯示器輸出。被測波長的計數(shù)按下式進行：波長的計數(shù)按下式進行：其中，其中，B為脈沖計數(shù)器的計數(shù)值，為脈沖計數(shù)器的計數(shù)值，n/n 是折射率的相對變化。是折射率的相對變化。第20頁/共71頁第二十頁，共71頁。干涉干涉(gnsh)條紋跟條紋跟蹤法蹤法 干涉條紋跟蹤法是一種平衡測量法。在干涉儀測量鏡位置變化時，通過光電接收器實時地檢測出干涉條紋的變化。同時利用控制系統(tǒng)(kn zh x tn)使參考鏡沿相應(yīng)方向

22、移動，以維持干涉條紋保持靜止不動。這時，根據(jù)參考鏡位移驅(qū)動電壓的大小可直接得到測量鏡的位移。第21頁/共71頁第二十一頁，共71頁。如下圖所示，表示了利用這種原理（干涉條紋跟蹤法）如下圖所示，表示了利用這種原理（干涉條紋跟蹤法）測量微小位移的干涉測量裝置。這種方法能避免干涉測測量微小位移的干涉測量裝置。這種方法能避免干涉測量的非線性影響，并且不需要精確的相位測量裝置。但量的非線性影響，并且不需要精確的相位測量裝置。但是跟蹤系統(tǒng)的固有慣性限制了測量的快速性，因此是跟蹤系統(tǒng)的固有慣性限制了測量的快速性，因此(ync)只能測量只能測量10kHz以下的位移變化。以下的位移變化。條紋條紋(tio wn)

23、跟蹤法干涉系統(tǒng)示意圖跟蹤法干涉系統(tǒng)示意圖 第22頁/共71頁第二十二頁，共71頁。主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 一一 相干檢測的基本原理相干檢測的基本原理 1 1光學干涉和干涉測量光學干涉和干涉測量 2 2 干涉測量技術(shù)中的干涉測量技術(shù)中的調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)二二 基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用(yngyng)(yngyng) 1 1 典型的雙光束干涉系統(tǒng)典型的雙光束干涉系統(tǒng) 2 2 多光束干涉系統(tǒng)多光束干涉系統(tǒng) 3 3光纖干涉儀光纖干涉儀 三三 同頻相干信號的相位調(diào)制與檢測方法同頻相干信號的相位調(diào)制與檢測方法 1 1 相位調(diào)制與檢測原理相位調(diào)制與檢測原理 2 2 同頻相干信號的同頻相干信號的檢

24、測方法檢測方法 四四 光外差檢測方法與系統(tǒng)光外差檢測方法與系統(tǒng) 1 1 光外差檢測原理光外差檢測原理 2 2 光外差檢測特性光外差檢測特性 3 3 光外差檢測條件光外差檢測條件 五五 光電直接檢測系統(tǒng)舉例光電直接檢測系統(tǒng)舉例 1 1 干涉測量技術(shù)干涉測量技術(shù) 2 2 光外差通信光外差通信 3 3 多普多普勒測速勒測速 第23頁/共71頁第二十三頁，共71頁。四、四、 光外差檢測光外差檢測(jin c)方法與系統(tǒng)方法與系統(tǒng)相干檢測的主要方式是外差檢測。光外差檢測在激光通信、雷相干檢測的主要方式是外差檢測。光外差檢測在激光通信、雷達（測距、測速、測長）、外差光譜學、測振、激光陀螺及紅外物達（測距、

25、測速、測長）、外差光譜學、測振、激光陀螺及紅外物理等許多方面有著廣泛應(yīng)用。理等許多方面有著廣泛應(yīng)用。光外差檢測與直接檢測相比，有檢測距離遠、檢測靈敏度高光外差檢測與直接檢測相比，有檢測距離遠、檢測靈敏度高7-8個數(shù)量級、測量精度高等特點，但光外差檢測對光源的相干性要個數(shù)量級、測量精度高等特點，但光外差檢測對光源的相干性要求高，因此受大氣湍流效應(yīng)的影響，目前遠距離外差檢測在大氣中求高，因此受大氣湍流效應(yīng)的影響，目前遠距離外差檢測在大氣中應(yīng)用受到限制，但在外層空間，特別是衛(wèi)星之間，通信聯(lián)系已經(jīng)應(yīng)用受到限制，但在外層空間，特別是衛(wèi)星之間，通信聯(lián)系已經(jīng)(y jing)達到實用階段。達到實用階段。第24

26、頁/共71頁第二十四頁，共71頁。1、 光外差檢測光外差檢測(jin c)原理原理 光外差檢測是利用兩束頻率不相同的相干光，在光外差檢測是利用兩束頻率不相同的相干光，在滿足波前匹配條件下，在光電檢測器上進行光學混頻滿足波前匹配條件下，在光電檢測器上進行光學混頻。檢測器的輸出是頻率為兩光波頻差的拍頻信號，該。檢測器的輸出是頻率為兩光波頻差的拍頻信號，該信號包含有調(diào)制信號的振幅信號包含有調(diào)制信號的振幅(zhnf)、頻率和相位特征、頻率和相位特征。從理論上講，外差檢測能準確檢測到這些參量所攜。從理論上講，外差檢測能準確檢測到這些參量所攜帶的信息，比直接檢測具有更大的信息容量和更低的帶的信息，比直接檢

27、測具有更大的信息容量和更低的檢測極限。檢測極限。 兩束平行的相干光在光電探測器表面兩束平行的相干光在光電探測器表面(biomin)形形成相干光場，經(jīng)光電檢測器后能輸出頻率為成相干光場，經(jīng)光電檢測器后能輸出頻率為L- s 的的差頻信號。差頻信號。第25頁/共71頁第二十五頁，共71頁。設(shè)信號設(shè)信號(xnho)光、本振光電場分光、本振光電場分別為：別為： cos,cosLLLLSSSSEtAtEtAt在光電檢測器光敏面上在光電檢測器光敏面上(min shn)總的光電場為：總的光電場為： coscosSSSLLLE tAtAt在混頻器上的平均在混頻器上的平均(pngjn)光功率為：光功率為： 22S

28、LP tEtEtEt則光電探測器輸出的光電流為：則光電探測器輸出的光電流為： 2PSLItP tEtEteh其中，其中， 為光電變換比例常數(shù)。為光電變換比例常數(shù)。 第26頁/共71頁第二十六頁，共71頁。光電探測器輸出光電探測器輸出(shch)的光電流為：的光電流為： 第一、二項的平均值，即余弦函數(shù)平方的平均值等于第一、二項的平均值，即余弦函數(shù)平方的平均值等于1/2；第三項是和頻項；第三項是和頻項，因為它的頻率太高而不能被光電探測器響應(yīng)，平均值為零；第四項是差頻，因為它的頻率太高而不能被光電探測器響應(yīng)，平均值為零；第四項是差頻項，它相對于光頻來說要緩慢得多，當差頻低于探測器的截止頻率時，才能項

29、，它相對于光頻來說要緩慢得多，當差頻低于探測器的截止頻率時，才能被響應(yīng)，則可得到被響應(yīng)，則可得到(d do)通過以為中心頻率的帶通濾波器的瞬時中頻通過以為中心頻率的帶通濾波器的瞬時中頻電流為：電流為： 此即為光學此即為光學(gungxu)外差信號表達式。外差信號表達式。 IF 22222coscoscoscosPSLSssLLLSLLSLSSLLSLSItPEtEtAtAtA AtA At cosIFSLLSLSItA At第27頁/共71頁第二十七頁，共71頁。可見，外差信號的參量可見，外差信號的參量可以表征信號光波的特征可以表征信號光波的特征(tzhng)參量參量 。即外差信號能以時序電信

30、號的形式反映干涉場上各點處信號光波的即外差信號能以時序電信號的形式反映干涉場上各點處信號光波的波動性質(zhì)。即使信號光的參量受到被測信息調(diào)制，外差信號也能無波動性質(zhì)。即使信號光的參量受到被測信息調(diào)制，外差信號也能無畸變的精確復制這些信號?；兊木_復制這些信號。 cosIFSLLSLSItA At則，在中頻則，在中頻(zhngpn)濾波器輸出端，瞬時中頻濾波器輸出端，瞬時中頻(zhngpn)信號電壓為：信號電壓為： cosIFSLLLSLSVtA A Rt中頻中頻(zhngpn)輸出有效信號功率就是瞬時中頻輸出有效信號功率就是瞬時中頻(zhngpn)功率在中頻功率在中頻(zhngpn)周期內(nèi)的平均

31、值：周期內(nèi)的平均值：222IFIFSLLLVPP P RR當當 L= S時，瞬時中頻電流為時，瞬時中頻電流為： cosIFSLLSItA A222,2SSLLPAPASLLSLSA A、SSSA、第28頁/共71頁第二十八頁，共71頁。當當L=S時，瞬時中頻時，瞬時中頻(zhngpn)電流為：電流為： cosIFSLLSItA A這是外差檢測這是外差檢測(jin c)的特殊形式，稱為零差檢測的特殊形式，稱為零差檢測(jin c)。結(jié)論：結(jié)論：差頻信號是由具有恒定頻率和恒定相位的相干光混頻得到的，差頻信號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，無法得到確定的差頻光。因

32、此，如果頻率、相位不恒定，無法得到確定的差頻光。因此，激光是光外差檢測激光是光外差檢測(jin c)技術(shù)發(fā)展的前提基礎(chǔ)。技術(shù)發(fā)展的前提基礎(chǔ)。第29頁/共71頁第二十九頁，共71頁。2、 光外差檢測光外差檢測(jin c)特性特性 檢測能力強，可獲得全部檢測能力強，可獲得全部(qunb)信信息息 光外差檢測可獲得有關(guān)光信號的全部信息，是一光外差檢測可獲得有關(guān)光信號的全部信息，是一種全息檢測技術(shù)。其輸出電流中包含有信號光的振幅種全息檢測技術(shù)。其輸出電流中包含有信號光的振幅(zhnf)、頻率和相位的全部信息，也就是說，不僅振、頻率和相位的全部信息，也就是說，不僅振幅幅(zhnf)調(diào)制，而且頻率調(diào)制以

33、及相位調(diào)制的光波所調(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，通過光頻外差檢測方式均可實現(xiàn)解調(diào)。攜帶的信息，通過光頻外差檢測方式均可實現(xiàn)解調(diào)。結(jié)論結(jié)論1：光外差檢測可獲得有關(guān)光信號的全部信息！光外差檢測可獲得有關(guān)光信號的全部信息！第30頁/共71頁第三十頁，共71頁。 光外差檢測光外差檢測(jin c)轉(zhuǎn)換增益轉(zhuǎn)換增益高高(a) 外差探測中，中頻輸出有效信號外差探測中，中頻輸出有效信號(xnho)功率為：功率為：222IFIFSLLLVPP P RR(b) 直接直接(zhji)探測中，探測器輸出的電功率為探測中，探測器輸出的電功率為: 2220SPLLPI RP R從物理過程的觀點看，直

34、接探測是光功率包絡(luò)變換的檢波過程，從物理過程的觀點看，直接探測是光功率包絡(luò)變換的檢波過程，而光頻外差檢測的光電轉(zhuǎn)換過程不是檢波，而是一種轉(zhuǎn)換過程，而光頻外差檢測的光電轉(zhuǎn)換過程不是檢波，而是一種轉(zhuǎn)換過程，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，兩種方法所得信號光功率比為同樣光功率下，兩種方法所得信號光功率比為: 02IFLSPPGPP結(jié)論結(jié)論2：光外差檢測具有天然的檢測微弱信號的能力！光外差檢測具有天然的檢測微弱信號的能力！ sIF第31頁/共71頁第三十一頁，共71頁。 良好良好(lingho)的濾波性能的濾波性能

35、在光外差檢測中，取差頻寬度作為信號處理器的通頻帶在光外差檢測中，取差頻寬度作為信號處理器的通頻帶(pndi)f ，則只有此頻帶則只有此頻帶(pndi)內(nèi)的雜光可進入系統(tǒng)，對系統(tǒng)造成影響，而內(nèi)的雜光可進入系統(tǒng)，對系統(tǒng)造成影響，而其它的雜光噪聲被濾掉。因此外差檢測系統(tǒng)不需濾光片，其效果也其它的雜光噪聲被濾掉。因此外差檢測系統(tǒng)不需濾光片，其效果也遠優(yōu)于直接檢測系統(tǒng)。遠優(yōu)于直接檢測系統(tǒng)。例：目標沿光束方向運動速度例：目標沿光束方向運動速度V=15m/s，對于，對于(duy)10.6um CO2激激光信號，多普勒頻率光信號，多普勒頻率fS為：為：通頻帶通頻帶f1取為：取為：而直接檢測加光譜濾光片時，設(shè)濾

36、光片帶寬為而直接檢測加光譜濾光片時，設(shè)濾光片帶寬為1nm，所對應(yīng)的帶，所對應(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：21SLVffc1223SLLVcVffffMHzcc932163 10103 10ffHz18219221224211223 10103 1010.6 10ccccfffHz 2sLSLfff 第32頁/共71頁第三十二頁，共71頁。 為了形成為了形成(xngchng)外差信號，要求信號光與本振光空間方向嚴格對準，外差信號，要求信號光與本振光空間方向嚴格對準，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

37、雜亂的，偏振方向不確定，不能滿足空間調(diào)準要求，不能形成調(diào)準要求，不能形成(xngchng)有效的外差信號，因此，外差檢測能夠濾除有效的外差信號，因此，外差檢測能夠濾除背景光，有較強的空間濾波能力。背景光，有較強的空間濾波能力。結(jié)論結(jié)論3：外差檢測：外差檢測(jin c)對背景光有強抑制作用，具有良好的濾波性能！對背景光有強抑制作用，具有良好的濾波性能！第33頁/共71頁第三十三頁，共71頁。 信噪比損失信噪比損失(snsh)小小當不考慮檢測器本身噪聲當不考慮檢測器本身噪聲(zoshng)影響，只考慮輸入影響，只考慮輸入背景噪聲背景噪聲(zoshng)的情況下，設(shè)信號光波為的情況下，設(shè)信號光波為

38、ES(t)，背，背景光波為景光波為EB (t)，根據(jù)前面討論的瞬時中頻電流表達式，根據(jù)前面討論的瞬時中頻電流表達式：可得到檢測器的輸出電流為：可得到檢測器的輸出電流為：外差檢測器的輸出信噪比為外差檢測器的輸出信噪比為:22SLSSSnBBBLP PIPAIPAP P cosIFSLLSLSItA At2IFSBLIPPP結(jié)論結(jié)論4：外差檢測器的輸入外差檢測器的輸入(shr)信噪比等于輸出信噪比，輸出信噪比沒有損失！信噪比等于輸出信噪比，輸出信噪比沒有損失！第34頁/共71頁第三十四頁，共71頁。 最小可檢測最小可檢測(jin c)功率功率內(nèi)部增益內(nèi)部增益(zngy)為為M的光外差檢測器輸出有效

39、信號功率為：的光外差檢測器輸出有效信號功率為：2222CSLLSLLePMP P RMP P Rh外差檢測系統(tǒng)遇到的噪聲與直接檢測系統(tǒng)遇到的噪聲基本相同，其中，外界輸外差檢測系統(tǒng)遇到的噪聲與直接檢測系統(tǒng)遇到的噪聲基本相同，其中，外界輸入檢測器的噪聲及檢測器本身的噪聲通常入檢測器的噪聲及檢測器本身的噪聲通常(tngchng)都比較小，可消除。都比較小，可消除。但檢測系統(tǒng)中的散粒噪聲和熱噪聲是影響最大，難以消除的。外差檢測輸出的但檢測系統(tǒng)中的散粒噪聲和熱噪聲是影響最大，難以消除的。外差檢測輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為：散粒噪聲和熱噪聲表示為：224nSBLdLePM ePPPIfRkT fhM是檢

40、測器的內(nèi)增益，對于光導檢測器是檢測器的內(nèi)增益，對于光導檢測器M=1-1000； 對于光伏檢測器對于光伏檢測器M=1； 對于光電倍增管對于光電倍增管M=106以上。以上。PB為背景輻射功率，為背景輻射功率，Id為檢測器的暗電流，為檢測器的暗電流，f f為外差檢測的中頻帶寬。為外差檢測的中頻帶寬?？梢姡嚎梢姡?外差檢測系統(tǒng)中的噪聲分別為由信號光、本振光和背景輻射所引起的外差檢測系統(tǒng)中的噪聲分別為由信號光、本振光和背景輻射所引起的散粒噪聲散粒噪聲，由檢測器暗電流所引起的散粒噪聲以及由檢測器和電路產(chǎn)生的熱噪，由檢測器暗電流所引起的散粒噪聲以及由檢測器和電路產(chǎn)生的熱噪聲。聲。第35頁/共71頁第三十五頁

41、，共71頁。因此因此(ync)，功率信噪比為：，功率信噪比為：222SLLpSLBdLeMP P RhSNReM ePPPIfRkT fh當本征功率當本征功率(gngl)PL足夠大時，本征散粒噪聲遠超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋鹤銐虼髸r，本征散粒噪聲遠超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋?2SLLSpLLeMP P RPhSNRehfM ePfRh這就是光外差檢測系統(tǒng)中所這就是光外差檢測系統(tǒng)中所能達到的最大信噪比極限，能達到的最大信噪比極限，一般稱為光外差檢測的量子一般稱為光外差檢測的量子(lingz)檢測極限或量子檢測極限或量子(lingz)噪聲限。噪聲限。2222CSLLSLLePMP P RM

42、P P Rh224nSBLdLePM ePPPIfRkT fh第36頁/共71頁第三十六頁，共71頁。為克服由信號光引起的噪聲以外的所有其他為克服由信號光引起的噪聲以外的所有其他(qt)噪聲，從而獲得高的轉(zhuǎn)噪聲，從而獲得高的轉(zhuǎn)換增益，增大本振光功率是有利的。但本振光本身也引起散粒噪聲，本換增益，增大本振光功率是有利的。但本振光本身也引起散粒噪聲，本振功率越大，噪聲也越大，使檢測系統(tǒng)信噪比反而降低。因此，應(yīng)合理振功率越大，噪聲也越大，使檢測系統(tǒng)信噪比反而降低。因此，應(yīng)合理選擇本振光功率，以便得到最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益。選擇本振光功率，以便得到最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益。(a)引入最小

43、可檢測功率（等效引入最小可檢測功率（等效(dn xio)噪聲功率）噪聲功率）NEP表示，在量表示，在量子檢測極限下，光外差檢測的子檢測極限下，光外差檢測的NEP值為：值為： 即時的信號即時的信號(xnho)光功率光功率:SpPSNRhfshfPNEP(b) 在光電直接檢測系統(tǒng)的量子極限為：在光電直接檢測系統(tǒng)的量子極限為：2hfNEP這里面需要說明的是：這里面需要說明的是：直接檢測量子限是在理想光檢測器的理想條件直接檢測量子限是在理想光檢測器的理想條件下得到，實際中是無法實現(xiàn)量子極限的。而對于光外差檢測，利用下得到，實際中是無法實現(xiàn)量子極限的。而對于光外差檢測，利用足夠足夠的本振光的本振光是容易

44、實現(xiàn)的。是容易實現(xiàn)的。結(jié)論結(jié)論5：檢測靈敏度高是光外差檢測的突出優(yōu)點：檢測靈敏度高是光外差檢測的突出優(yōu)點。第37頁/共71頁第三十七頁，共71頁。 光外差檢測光外差檢測(jin c)系統(tǒng)對檢測系統(tǒng)對檢測(jin c)器性能的要器性能的要求求 外差檢測系統(tǒng)對檢測器要求一般比直接檢測對檢測器的要求高得多外差檢測系統(tǒng)對檢測器要求一般比直接檢測對檢測器的要求高得多，主要如下，主要如下(rxi)：響應(yīng)頻帶寬。響應(yīng)頻帶寬。 主要是因為采用多普勒頻移特性進行目標檢測時，頻移的變化范圍主要是因為采用多普勒頻移特性進行目標檢測時，頻移的變化范圍寬，要求檢測器的響應(yīng)范圍要寬，甚至達上千兆寬，要求檢測器的響應(yīng)范圍要

45、寬，甚至達上千兆Hz。均勻性好。均勻性好。 外差檢測中檢測器即為混頻器，在檢測器光敏面上信號光束和本振外差檢測中檢測器即為混頻器，在檢測器光敏面上信號光束和本振蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號，為達到在光敏面不同區(qū)域相同的外差效蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號，為達到在光敏面不同區(qū)域相同的外差效果，要求檢測器的光電性能在整個光敏面上都是一致。特別是用于跟蹤果，要求檢測器的光電性能在整個光敏面上都是一致。特別是用于跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測器。系統(tǒng)的四象限列陣檢測器。工作溫度高。工作溫度高。 在實驗室工作時，工作溫度無嚴格要求。如果在室外或空間應(yīng)用時在實驗室工作時，工作溫度無嚴格要求。如果在室外或空間應(yīng)用時，

46、要求選工作溫度高的檢測器。如，要求選工作溫度高的檢測器。如HgCdTe紅外檢測器件。紅外檢測器件。第38頁/共71頁第三十八頁，共71頁。主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 一一 相干檢測的基本原理相干檢測的基本原理 1 1光學干涉和干涉測量光學干涉和干涉測量 2 2 干涉測量技術(shù)中的干涉測量技術(shù)中的調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)二二 基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用 1 1 典型的雙光束干涉系統(tǒng)典型的雙光束干涉系統(tǒng) 2 2 多光束干涉系統(tǒng)多光束干涉系統(tǒng) 3 3光纖干涉儀光纖干涉儀 三三 同頻相干信號的相位調(diào)制與檢測方法同頻相干信號的相位調(diào)制與檢測方法 1 1 相位調(diào)制與檢測原理相位調(diào)制與檢測原理 2 2 同頻相

47、干信號的同頻相干信號的檢測方法檢測方法 四四 光外差檢測方法與系統(tǒng)光外差檢測方法與系統(tǒng) 1 1 光外差檢測原理光外差檢測原理 2 2 光外差檢測特性光外差檢測特性 3 3 光外差檢測條件光外差檢測條件 五五 光電直接光電直接(zhji)(zhji)檢測系統(tǒng)舉例檢測系統(tǒng)舉例 1 1 干涉測量技術(shù)干涉測量技術(shù) 2 2 光外差通信光外差通信 3 3 多普多普勒測速勒測速 第39頁/共71頁第三十九頁，共71頁。3 、光外差檢測、光外差檢測(jin c)條條件件光外差檢測只有在下列條件下才可能得到滿足：光外差檢測只有在下列條件下才可能得到滿足：信號光波和本征光波必須具有相同的模式結(jié)構(gòu)，這意味著所信號光

48、波和本征光波必須具有相同的模式結(jié)構(gòu)，這意味著所 用激光器應(yīng)該單頻基模運轉(zhuǎn)。用激光器應(yīng)該單頻基模運轉(zhuǎn)。信號光束和本振光束在光混頻面上光斑必須相互重合，為了信號光束和本振光束在光混頻面上光斑必須相互重合，為了 提供最大信噪比，它們的光斑直徑最好相等，因為不重合的提供最大信噪比，它們的光斑直徑最好相等，因為不重合的 部分對中頻信號無貢獻，只貢獻噪聲。部分對中頻信號無貢獻，只貢獻噪聲。信號光波和本振光波的能流矢量必須盡可能保持同一方向信號光波和本振光波的能流矢量必須盡可能保持同一方向(fngxing)， 這意味著兩束光必須保持空間上的角準直。這意味著兩束光必須保持空間上的角準直。在角準直，即傳播方向在

49、角準直，即傳播方向(fngxing)一致的情況下，兩束光一致的情況下，兩束光的波前面還必的波前面還必 須曲率匹配，即或者是平面，或者有相同曲率的曲面。須曲率匹配，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，有效的光混頻還要求兩光波必須在上述條件都得到滿足時，有效的光混頻還要求兩光波必須 同偏振，因為在光混頻面上它們是矢量相加。同偏振，因為在光混頻面上它們是矢量相加。第40頁/共71頁第四十頁，共71頁。 光外差檢測的空間光外差檢測的空間(kngjin)條件條件 普遍情況下，由于信號光與本振光波前有一失配角普遍情況下，由于信號光與本振光波前有一失配角(pi ju)，故信號，故信號

50、光斜入射到光探測器表面，同一波前到達探測器光敏面的時間不同，光斜入射到光探測器表面，同一波前到達探測器光敏面的時間不同，可等效于在可等效于在x方向以速度方向以速度Vx 行進，所以在光探測器光敏面不同點處形行進，所以在光探測器光敏面不同點處形成波前相差，故可將信號光電場寫為：成波前相差，故可將信號光電場寫為： cosSSSSSXEtAtxV第41頁/共71頁第四十一頁，共71頁。式中，式中， 是信號光波矢在是信號光波矢在x方向的分量。由上圖可知方向的分量。由上圖可知(k zh)， ，所以有，所以有 ,式中式中c為光速。為光速。于是信號光電場可重寫為：于是信號光電場可重寫為： cosSSSSSXE

51、tAtxVSxxKVsinSxKKsincsinxcV 2 sincosSSSSSEtAtx入射到光電探測器光敏面的總電場入射到光電探測器光敏面的總電場(din chng)為為 ： SLE tEtEt第42頁/共71頁第四十二頁，共71頁。光探測器輸出光探測器輸出(shch)的瞬時光電流為：的瞬時光電流為：2222222222222222 sincoscos2 sincoscos2 sincos2 sincosddpSssLLLsddddSssLLLsddSLLSLSSSLLSLSSMIAtxAtdxdydMAtxAtdA AtxA Atx dxdy于是經(jīng)中頻濾波器后輸出于是經(jīng)中頻濾波器后輸出

52、(shch)的瞬時中頻電流為：的瞬時中頻電流為： /2/22/2/22 sincosddIFSLLSLSsddMIA Atxdxdyd 第43頁/共71頁第四十三頁，共71頁。因為因為Vx = c/sin,所以瞬時中頻電流的大小與失配角所以瞬時中頻電流的大小與失配角(pi ju)有關(guān)。因子有關(guān)。因子時，瞬時中頻電流達到最大值，即要求時，瞬時中頻電流達到最大值，即要求 ，也就是失配角，也就是失配角(pi ju)0。但是實際中但是實際中角很難調(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，總是希望因子子 盡可能接近于盡可能接近于1，要滿足這一條件，只有，

53、要滿足這一條件，只有 ，因此，因此sin212sxSxdVdV20SxdV21SxdV=sinsd=2sin2cos2sxIFSLLSLSSxdVMIA AtddV對上式積分對上式積分(jfn)得到：得到：sin22sxSxdVdV第44頁/共71頁第四十四頁，共71頁。 顯然，失配角與信號光波波長成正比，與光混頻器顯然，失配角與信號光波波長成正比，與光混頻器的尺寸成反比，即波長越長，光電探測器尺寸越小，的尺寸成反比，即波長越長，光電探測器尺寸越小，則所容許的失配角就越大。則所容許的失配角就越大。 由此可見，光外差探測的空間由此可見，光外差探測的空間(kngjin)準直要求準直要求十分苛刻。波

54、長越短，空間十分苛刻。波長越短，空間(kngjin)準直要求也越苛準直要求也越苛刻。所以在紅外波段光外差探測比可見光波段有利得刻。所以在紅外波段光外差探測比可見光波段有利得多多 。 外差檢測在空間外差檢測在空間(kngjin)上能很好的抑制背景噪上能很好的抑制背景噪聲，具有很好的空間聲，具有很好的空間(kngjin)濾波性能，但外差檢測濾波性能，但外差檢測要求嚴格的空間要求嚴格的空間(kngjin)條件也帶來了不便，即調(diào)準條件也帶來了不便，即調(diào)準兩個光束很困難。兩個光束很困難。舉例舉例: L=10.6m，檢測器光敏面，檢測器光敏面0.2cm，求，求多大？多大？arcsinsd=第45頁/共71

55、頁第四十五頁，共71頁。 可見：要形成強的差頻信號，對信號光束和本振可見：要形成強的差頻信號，對信號光束和本振光束的空間光束的空間(kngjin)準直要求很嚴格。如此以來，準直要求很嚴格。如此以來，使得背景光噪聲被濾掉。外差探測具有很好的空間使得背景光噪聲被濾掉。外差探測具有很好的空間(kngjin)濾波性能。同時，也增加了系統(tǒng)測量的難濾波性能。同時，也增加了系統(tǒng)測量的難度。度。解決辦法：采用聚焦透鏡降低空間解決辦法：采用聚焦透鏡降低空間(kngjin)準直要準直要求。（本質(zhì)上是把不同傳播方向的信號光集中在一起求。（本質(zhì)上是把不同傳播方向的信號光集中在一起）第46頁/共71頁第四十六頁，共71

56、頁。本質(zhì)上相當于把不同傳播方向的信號光束集中在一起。失配本質(zhì)上相當于把不同傳播方向的信號光束集中在一起。失配角可由系統(tǒng)的視場角角可由系統(tǒng)的視場角r 來決定。圖中，本振光束被發(fā)散，來決定。圖中，本振光束被發(fā)散，以便使本振光束均勻以便使本振光束均勻(jnyn)的覆蓋光檢測器的光敏面。系的覆蓋光檢測器的光敏面。系統(tǒng)的視場角統(tǒng)的視場角r 為：為：f是透鏡的焦距是透鏡的焦距(jioj)，Dp 是探測器光敏面直徑是探測器光敏面直徑 prDf第47頁/共71頁第四十七頁，共71頁。故故2.44pddreffrrpDDD DDDDff解得：解得：2.442.44preffdrDDD D而有效而有效(yuxio

57、)孔徑孔徑Deff為：為：deffrpDDDD 可通過增大透鏡孔徑可通過增大透鏡孔徑Dr來增大有效孔徑來增大有效孔徑Deff ，但，但 透鏡孔徑透鏡孔徑Dr與衍射與衍射(ynsh)光斑直徑光斑直徑Dd有關(guān)，衍射有關(guān)，衍射(ynsh)光斑直徑為：光斑直徑為：2.44drfDD舉例舉例(j l): L=10.6m，檢測器光敏面，檢測器光敏面 Dp = 0.2cm，所采用會聚透鏡的，所采用會聚透鏡的通光孔徑通光孔徑Dr=10cm，f = 50cm，求，求r 多大？多大？prDf第48頁/共71頁第四十八頁，共71頁。 光外差檢測光外差檢測(jin c)的頻率條件的頻率條件 光外差檢測除了要求信號光和

58、本振光必須保持空光外差檢測除了要求信號光和本振光必須保持空間準直以外，還要求兩者具有高度的單色性和頻率穩(wěn)間準直以外，還要求兩者具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定度。定度。 所謂光的單色性是指這種光只包含一種頻率或光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。譜線極窄的光。 由于原子激發(fā)態(tài)總有一定的能級寬由于原子激發(fā)態(tài)總有一定的能級寬度及其它原因，光譜線總有一定的寬度度及其它原因，光譜線總有一定的寬度。 信號光和本振光的頻率漂移如不能限制信號光和本振光的頻率漂移如不能限制(xinzh)在一定范圍內(nèi)，則光外差檢測系統(tǒng)的性能就會變壞。在一定范圍內(nèi)，則光外差檢測系統(tǒng)的性能就會變壞。因為，如果信號光

59、頻率和本振光頻率相對漂移很大，因為，如果信號光頻率和本振光頻率相對漂移很大，兩者頻率之差就有可能大大超過中頻帶寬，導致光探兩者頻率之差就有可能大大超過中頻帶寬，導致光探測器之后的前置放大、中頻放大電路對中頻信號不能測器之后的前置放大、中頻放大電路對中頻信號不能正常放大。所以，需要采取專門措施穩(wěn)定信號光和本正常放大。所以，需要采取專門措施穩(wěn)定信號光和本振光的頻率和相位。振光的頻率和相位。F-P腔穩(wěn)頻、鎖模穩(wěn)頻、飽和腔穩(wěn)頻、鎖模穩(wěn)頻、飽和(boh)吸收穩(wěn)頻等吸收穩(wěn)頻等第49頁/共71頁第四十九頁，共71頁。 大氣湍流大氣湍流(tunli)對外差探測的影響對外差探測的影響大氣湍流大氣湍流(tunli

60、)是一種隨機現(xiàn)象，既反映在空間變量上，又反是一種隨機現(xiàn)象，既反映在空間變量上，又反映在時間變量上。表現(xiàn)為空間各點的光波相位隨機變化，因而使相映在時間變量上。表現(xiàn)為空間各點的光波相位隨機變化，因而使相干面積大大減小，破壞空間相位條件，使外差接收功率降低，信噪干面積大大減小，破壞空間相位條件，使外差接收功率降低，信噪比下降。比下降。第50頁/共71頁第五十頁，共71頁。 五 光電直接檢測系統(tǒng)(xtng)舉例 應(yīng)用光的干涉效應(yīng)進行測量的方法稱為干涉測量技應(yīng)用光的干涉效應(yīng)進行測量的方法稱為干涉測量技術(shù)。干涉測量系統(tǒng)主要由光源術(shù)。干涉測量系統(tǒng)主要由光源(gungyun)、干涉系統(tǒng)、干涉系統(tǒng)、信號接收系統(tǒng)