光電檢測技術(shù)—第八章

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

2、、頻率和相位所攜帶的信息。 8.1 相干檢測的基本原理 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， 而只能探測光的強度。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)換就必須通過干涉測 量技術(shù)。 8.1 相干檢測的基本原理 （一）光學(xué)干涉和干涉測量 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。 8.1 相干檢測的基本原理 干涉條紋的強度信息和

3、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。 8.1 相干檢測的基本原理 （二）干涉測量技術(shù)中的調(diào)制和解調(diào) 干涉測量實質(zhì)是被測信息對光載波的調(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。 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 同頻率相干信號的相位調(diào)制與 檢測方法 當(dāng)兩束相干光束的頻率相同時，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。 8.3 同頻率相干信號的相位調(diào)制與 檢測方法 一、相位調(diào)制與檢測的原理 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

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度的改 變。 8.3 同頻率相干信號的相位調(diào)制與 檢測方法 二、干涉條紋的檢測方法 被測參量一般是通過改變干涉儀中傳輸光的 光程而引起對光的位相調(diào)制。 它以干涉條紋的變化反映被測參量的信息。 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。 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。 8.3 同頻率相干信號的相位調(diào)制與 檢測方法 1、干涉條紋光強檢測法 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化稱為條紋光 強檢測法。 8.3 同頻率相干信號的相位調(diào)制與 檢測方法 單頻光相干時，合成信號的瞬

6、時光強為： I (x, y, t) = a + a2 + 2a1a2 cos?(t) 2 1 2 L I = I01+ cos(2n ) 8.3 同頻率相干信號的相位調(diào)制與 檢測方法 2、干涉條紋比較法 對應(yīng)同一位移，比較不同波長的兩個光束干 涉條紋的變化差異的方法稱作干涉條紋比較 法。 從這種原理出發(fā)，設(shè)計出了許多精確測量波 長的波長計。 8.3 同頻率相干信號的相位調(diào)制與 檢測方法 條紋比較法波長測量原理圖 1半透半反鏡 2，3圓錐角反射鏡 n = (1+ ) MN n r B 8.3 同頻率相干信號的相位調(diào)制與 檢測方法 3、干涉條紋跟蹤法 干涉條紋跟蹤法是一種平衡測量法。 在干涉儀測量

7、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)使參考鏡沿相應(yīng)方向移動，以維持 干涉條紋保持靜止不動。 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。 8.3 同頻率相干信號的相位調(diào)制與 檢測方法 條紋跟蹤法干涉系統(tǒng)示意圖 8.3 同頻率相干信號的相位調(diào)制與 檢測方法 圖8-9 二次相位調(diào)制方框圖 8.4 光外差檢測方法與系統(tǒng) 相干檢測的主要方式是外差檢測。 兩不同頻率相干光信號的相位調(diào)制與檢 測。 激光通信、雷達(dá)、測長、測速等。 距離遠(yuǎn)、測量精度高。 相干性要求極高。 8.4.1 光外差檢測原理 光學(xué)外差檢測利用兩束頻率不相等的相 干光（包含有被測信息的相

8、干光調(diào)制波 和作為基準(zhǔn)的本機振蕩光波），在滿足 波前匹配條件下在光電探測器上進行光 學(xué)混頻。 探測器的輸出時頻率為兩光波光頻差的 拍頻信號。 含調(diào)制信號的振幅、頻率和相位特征。 8.4.1 光外差檢測原理 8.4.1 光外差檢測原理 光電探測器輸出的光電流為： 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，可響應(yīng) + AS AL cos(L + S )t + (?L +?S ) + AS AL cos(L ?S )t + (?L ?S ) 和頻項，0 外差信號的參量ASAL

9、、 （L-S）、（L-S）可表征 信號光波的參量 光學(xué)外差信號表達(dá)式 VIF = AS AL RL cos(L ? S )t + (?L ?S ) 等于0時，為光零差檢測 8.4.2 光外差檢測的特性 檢測能力強 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 光外差檢測的特性 1、檢測能力強 光波的振幅、相位及頻率的變化都會引起光 電探測器的輸出，因此外差檢測不僅能夠檢 測出振幅和強度調(diào)制的光波信號，而且可以 檢測出相位和頻率調(diào)制的光波信號，是測試 光的波動性的一種非常有效的方法。 8.4.2 光外差檢測的特性 2、轉(zhuǎn)換增益高 A = P /

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

11、信號通常是狡辯的射頻或中頻信號，并 且多采用頻率和相位調(diào)制，即使被測參量為 零，載波信號仍保持穩(wěn)定的幅度。 對這種交流的測量系統(tǒng)，系統(tǒng)直流分量的漂 移和光信號幅度的漲落不直接影響檢測性能 ，能穩(wěn)定可靠的工作。 8.4.3 光外差檢測條件 1、光外差檢測的空 間條件 sin( S d / 2Vx ) =1 S d / 2Vx 8.4.3 光外差檢測條件 結(jié)論： 失配角與信號光波長成正比，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，則所容 許的失配角就越大。 波長越短，空間準(zhǔn)直要求也越苛刻。 紅外波段外差探測比可見光波段更有利。 外差探測具有很好的空間濾波性能。 8.4.3 光外差

12、檢測條件 2、光外差檢測的頻率條件 光外差檢測除了要求信號光和本振光必須保 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。 在光外差探測中，需采用專門措施穩(wěn)定信號 光和本振光的頻率和相位。 通常兩束光取自同一激光器，通過頻率偏移 取得本振光，而信號光用調(diào)制的方法得到。 8.4.3 光外差檢測條件 3、光外差檢測的偏振條件 在光混頻器上要求信號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 行合成。 分別讓兩束信號中偏振方向與檢偏器透光方 向相同的信號通過，以此來獲得兩束偏振方 向相同的光信號。 8.4.4 光外差檢測的調(diào)頻方法 根據(jù)光頻差獲得方式的不同，外差調(diào)頻

13、可以分為運動參量調(diào)頻、固定頻移和直 接調(diào)頻法三種類型。 8.4.4 光外差檢測的調(diào)頻方法 一、運動參量的頻率調(diào)制 對運動參量進行檢測時，被測運動參量直接 對參考光波的頻率進行調(diào)制，形成與參考光 束有一定頻差的信號光，這種頻率調(diào)制方法 稱為參量調(diào)頻法。 8.4.4 光外差檢測的調(diào)頻方法 1、光學(xué)多普勒效應(yīng)和運動差頻 運動物體能改變?nèi)肷溆谄渖系墓獠ǖ念l率的 現(xiàn)象稱作光學(xué)多普勒效應(yīng)。 頻率為f0的單色光入射到以速度v運動的物 體上，被物體散射的光波頻率fs會產(chǎn)生多普 勒頻移f， f與散射方向有關(guān)。 8.4.4 光外差檢測的調(diào)頻方法 8.4.4 光外差檢測的調(diào)頻方法 8.4.4 光外差檢測的調(diào)頻方法

14、2、薩古納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻 這種閉合光路的反向光路光程差隨轉(zhuǎn)速改變 的現(xiàn)象稱作薩古納克效應(yīng)。 8.4.4 光外差檢測的調(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信號光形成一 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 光外差檢測的調(diào)頻方法 8.4.4 光外差檢測的調(diào)頻方法 三、直接光頻調(diào)制 利用可進行頻率調(diào)制的激光器（如半導(dǎo)體激 光器）產(chǎn)生隨時間變化的調(diào)頻參考光束的頻 率調(diào)制方法稱為直接調(diào)頻法。 8.4.4 光外差檢測的調(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)頻光干涉測量 直接調(diào)頻的邁克爾干涉儀 8.4.4 光外差檢測的調(diào)頻方法 8.4.5 光外差檢測方法與應(yīng)用 光外差檢測實際上就是頻差檢測，根據(jù) 頻率調(diào)制方法的不同，形成頻差方法不 同，所以有不同的檢測方法。 8.4.5 光外差檢測方法與應(yīng)用 1、直接頻率調(diào)制的外差檢測 在直接調(diào)頻法中，可利用能進行頻率調(diào) 制的激光器產(chǎn)生隨時間變化的調(diào)頻參考 光束，被測參量對其中一束光波作二次 調(diào)制。 檢測外差信號可解調(diào)出被測參量值。 8.4.5 光外差檢測方法與應(yīng)用 8.4.5 光外差檢測方法與應(yīng)用 (1)直接調(diào)頻光干涉測量法 圖8-20 直接調(diào)頻的邁克爾遜干涉儀原理圖 8.4.5 光外差檢測方法與應(yīng)用 (2) 雙頻切換干涉法 8.4.5 光外差檢測方法與應(yīng)用 (3)線性掃描調(diào)頻干涉法 8.4.5 光外差檢測方法與應(yīng)用 2、零差檢測和超外差