光電信號(hào)檢測(cè)第六章

1、 信息光電子研究所信息光電子研究所Information optoelectronics research 王靜王靜 信息光電子研究所信息光電子研究所Information optoelectronics research 光光外差檢測(cè)與直接檢測(cè)系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：外差檢測(cè)與直接檢測(cè)系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：1.1. 測(cè)量精度高測(cè)量精度高7-87-8個(gè)數(shù)量級(jí)；個(gè)數(shù)量級(jí)；2.2. 靈敏度達(dá)到量子噪聲極限，其靈敏度達(dá)到量子噪聲極限，其NEPNEP值可達(dá)值可達(dá)1010-20-20W W。3.3. 可用于光子計(jì)數(shù)?？捎糜诠庾佑?jì)數(shù)。4.4. 激光受大氣湍流效應(yīng)影響嚴(yán)重，破壞了激光的相干性，所激光受大氣

2、湍流效應(yīng)影響嚴(yán)重，破壞了激光的相干性，所在外差檢測(cè)在大氣中應(yīng)用受限，在外層空間已經(jīng)達(dá)到實(shí)用在外差檢測(cè)在大氣中應(yīng)用受限，在外層空間已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段。階段。5.5. 外差檢測(cè)在高頻（外差檢測(cè)在高頻（10101616HzHz）光波時(shí)不如直接檢測(cè)有）光波時(shí)不如直接檢測(cè)有用。而在長波長（近紅外和中紅外波段），光外差檢測(cè)技用。而在長波長（近紅外和中紅外波段），光外差檢測(cè)技術(shù)就可實(shí)現(xiàn)接近量子噪聲限的檢測(cè)。術(shù)就可實(shí)現(xiàn)接近量子噪聲限的檢測(cè)。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 3放大器探測(cè)器sf信號(hào)光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測(cè)原理示

3、意圖分光鏡可變光闌光頻混直接檢測(cè)系統(tǒng)中，檢測(cè)器檢測(cè)的光功率為平均光功率Pcp：2cos2122202AttdAPcp顯然光波直接檢測(cè)只能測(cè)量其振幅值。光外差檢測(cè)原理如圖，兩束平行的相干光，經(jīng)分光鏡和可變光闌入射到檢測(cè)器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場(chǎng)，經(jīng)檢測(cè)器變換后，輸出信號(hào)包含差頻信號(hào)，故又稱相干檢測(cè)。6.1 光外差檢測(cè)原理 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 4轉(zhuǎn)鏡反射鏡可變光闌線柵偏振器光電檢測(cè)器放大器輸出激光器2COsfLfLsff 分光鏡外差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖，光源經(jīng)過穩(wěn)頻的二氧化碳激光器，由分束鏡把入射光分成兩路：一

4、路經(jīng)反射作為本振光波，頻率為fL，另一路經(jīng)偏心輪反射，經(jīng)聚焦到可變光闌上作為信號(hào)光束。偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于目標(biāo)沿光波方向并有一運(yùn)動(dòng)速度，光的回波產(chǎn)生多普勒頻移，其頻率為fs?？勺児怅@用來限制兩光束射向光電檢測(cè)器的空間方向，線柵偏振鏡用來使兩束光變?yōu)槠穹较蛳嗤南喔晒猓缓髢墒獯怪蓖渡涞綑z測(cè)器上。首先設(shè)入射到檢測(cè)器上的信號(hào)光場(chǎng)和本機(jī)振蕩光場(chǎng)分別為： sssstAtfcos LLLLtAtfcos 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 5 LLLssstAtAtfcoscos那么，入射到檢測(cè)器上的總光場(chǎng)為：光檢測(cè)器的響應(yīng)與光電場(chǎng)

5、的平方成正比，所以光檢測(cè)器的光電流為： _22_22_2_2coscoscoscossLsLLssLsLLsLLLsssLsptAAtAAtAtAtftftfti式中第一、二項(xiàng)為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1/2。第三項(xiàng)為和頻項(xiàng)，頻率太高，光混頻器不響應(yīng)，可略去，第四項(xiàng)為差頻項(xiàng)，頻率低得多，當(dāng)差頻信號(hào)(L-s)/2=C/2低于光檢測(cè)器的上限截止頻率時(shí)，檢測(cè)器就有頻率為C/2的光電流輸出。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 6如果把信號(hào)的測(cè)量限制在差頻的通常范圍內(nèi)，則可以得到通過以C為中心頻率的帶通濾波器的瞬時(shí)中頻電流為：

6、sLsLLsCtAAticos中頻濾波器輸出端，瞬時(shí)中頻信號(hào)電壓為： sLsLLLsLCCtRAARtitVcos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，即：LLsLCCRPPheRVP2_22當(dāng)L-s=0，即信號(hào)光頻率等于本振光頻率時(shí)，則瞬時(shí)中頻電流為： sLLsCAAticos這是外差探測(cè)的一種特殊形式，稱為零差探測(cè)。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 76.2 光外差檢測(cè)特性6.2.1 6.2.1 光外差檢測(cè)可獲得全部信息光外差檢測(cè)可獲得全部信息 sLsLLsCtAAticos外差檢測(cè)不僅可檢測(cè)振

7、幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可檢測(cè)頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)。在直接檢測(cè)系統(tǒng)是不可能的。6.2.2 光外差檢測(cè)轉(zhuǎn)換增益光外差檢測(cè)轉(zhuǎn)換增益G高高光外差檢測(cè)中頻輸出有效信號(hào)功率為：LLsCRPPheP22在直接檢測(cè)中，檢測(cè)器輸出電功率為：LsRPheP220兩種方法得到的信號(hào)功率比G為：sLCPPPPG20可知，在微弱光信號(hào)下，外差檢測(cè)更有用。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 86.2.4 6.2.4 信噪比損失小信噪比損失小6.2.3 6.2.3 良好的濾波性能良好的濾波性能光外差檢測(cè)中，取信號(hào)處理器通頻帶為光外差檢測(cè)中，取

8、信號(hào)處理器通頻帶為f=f=f fL L-f-fs s，則只有此頻帶內(nèi)，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。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，其效果也遠(yuǎn)優(yōu)于直接檢測(cè)系統(tǒng)。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)。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=0-15m/s=0-15m/s，對(duì)于，對(duì)于COCO2 2激光信號(hào)，激光信號(hào)， 多普勒頻率多普勒頻率f fs s為：為：cffLs21通頻帶通頻帶f f1 1取為：取為：MHzcccffffLLLs3221而直接檢測(cè)加光譜濾光片時(shí)，設(shè)濾

9、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1nm1nm，所對(duì)應(yīng)的帶寬，所對(duì)應(yīng)的帶寬，即通頻帶即通頻帶f f2 2=3000MHz=3000MHz?？梢?，外差檢測(cè)對(duì)背景光有強(qiáng)抑制作用?？梢?，外差檢測(cè)對(duì)背景光有強(qiáng)抑制作用。 另：速度越快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。另：速度越快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。當(dāng)不考慮檢測(cè)器本身噪聲影響，只包含輸入背景噪聲的情況下，外當(dāng)不考慮檢測(cè)器本身噪聲影響，只包含輸入背景噪聲的情況下，外差檢測(cè)器的差檢測(cè)器的輸出信輸出信噪噪比等于輸出信噪比比等于輸出信噪比，輸出信噪比沒有損失。，輸出信噪比沒有損失。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information

10、optoelectronics research 96.2.5 6.2.5 最小可檢測(cè)功率最小可檢測(cè)功率內(nèi)增益型光電檢測(cè)器件內(nèi)增益型光電檢測(cè)器件當(dāng)本征功率當(dāng)本征功率P PL L足夠大時(shí)，本征散粒噪聲遠(yuǎn)超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋鹤銐虼髸r(shí)，本征散粒噪聲遠(yuǎn)超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋簝?nèi)部增益為內(nèi)部增益為M M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：LLsCRPPMheP22檢測(cè)系統(tǒng)中檢測(cè)器本身的檢測(cè)系統(tǒng)中檢測(cè)器本身的散粒噪聲和熱噪聲散粒噪聲和熱噪聲是影響最大可難以是影響最大可難以消除的。則外差檢測(cè)輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為：消除的。則外差檢測(cè)輸出的散粒噪聲和熱噪聲

11、表示為：fkTfRIPPPheeMPLdLBsn422功率信噪比為：功率信噪比為：fkTfRIPPPheeMRPPMheSNRLdLBsLLsp222fhPSNRsp這就是光外差檢測(cè)系統(tǒng)中所能達(dá)到的最大信噪比這就是光外差檢測(cè)系統(tǒng)中所能達(dá)到的最大信噪比極限，一般稱為光外差檢測(cè)的極限，一般稱為光外差檢測(cè)的量子檢測(cè)極限量子檢測(cè)極限或或量子噪聲限量子噪聲限。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 10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，在表示，在量子檢測(cè)量子檢測(cè)極限下，光外差檢測(cè)的極限下，

12、光外差檢測(cè)的NEP值為：值為：fhNEPPs最小在光電直接檢測(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：fhNEP2這里面需要說明的是：直接檢測(cè)量子限是在理想光檢測(cè)器的這里面需要說明的是：直接檢測(cè)量子限是在理想光檢測(cè)器的理想條件下得到，實(shí)際中無法實(shí)現(xiàn)量子極限的。而對(duì)于光外理想條件下得到，實(shí)際中無法實(shí)現(xiàn)量子極限的。而對(duì)于光外差檢測(cè)，利用差檢測(cè)，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。總之，總之，檢測(cè)靈敏度高檢測(cè)靈敏度高是光外差檢測(cè)的突出優(yōu)點(diǎn)。是光外差檢測(cè)的突出優(yōu)點(diǎn)。6.2.5 6.2.5 最小可檢測(cè)功率最小可檢測(cè)功率內(nèi)增益型光電檢測(cè)器件內(nèi)增益型光電檢測(cè)器件時(shí)的信號(hào)功率即1

13、SNR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，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噪聲，本振功是有利的。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。因此，應(yīng)合理選擇本率越大，噪聲也越大，使檢測(cè)系統(tǒng)信噪比反而降低。因此，應(yīng)合理選擇本振光功率，以便得到振光功率，以便得到最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益。fhPSNRsp 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics resear

14、ch 116.2.6 6.2.6 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)器的要外差檢測(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：求高得多，主要如下：1.1. 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。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)，頻移的變化范圍寬，要求檢測(cè)器的響應(yīng)范圍要寬，甚至測(cè)時(shí)，頻移的變化范圍寬，要求檢測(cè)器的響應(yīng)范圍要寬，甚至達(dá)上千兆達(dá)上千兆HzHz。2.2. 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。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)

15、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)器的光電性能在整光敏面上都是一致。特別是跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測(cè)器。光敏面上都是一致。特別是跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測(cè)器。3.3. 工作溫度高工作溫度高。在實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，工作溫度無嚴(yán)格要求。如。在實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，工作溫度無嚴(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HgCdTeHgCdTe紅外檢測(cè)器件。紅外檢測(cè)器件。 信息光電子研究所信息光電

16、子研究所 Information optoelectronics research 126.3 影響光外差檢測(cè)靈敏度的因素在本節(jié)內(nèi)容中，只考慮光外差檢測(cè)的空間條件和頻率條件在本節(jié)內(nèi)容中，只考慮光外差檢測(cè)的空間條件和頻率條件對(duì)靈敏度的影響及改善方法。其它因素可參閱書籍。對(duì)靈敏度的影響及改善方法。其它因素可參閱書籍。6.3.1 6.3.1 光外差檢測(cè)的空間條件（空間調(diào)準(zhǔn)）光外差檢測(cè)的空間條件（空間調(diào)準(zhǔn)）放大器探測(cè)器sf信號(hào)光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測(cè)原理示意圖分光鏡可變光闌光頻混 sLsLLsCtAAticos 信號(hào)光和本振光的信號(hào)光和本振光的波前波前在光檢測(cè)器光在光檢測(cè)器光敏面上保持敏面

17、上保持相同的相位關(guān)系相同的相位關(guān)系，才得式：，才得式： 實(shí)質(zhì)上，由于光的波長比光檢測(cè)器面積實(shí)質(zhì)上，由于光的波長比光檢測(cè)器面積小很多，混頻作用是在一個(gè)個(gè)小面積元上產(chǎn)小很多，混頻作用是在一個(gè)個(gè)小面積元上產(chǎn)生的，即總的中頻電流是每個(gè)小微分面元所生的，即總的中頻電流是每個(gè)小微分面元所產(chǎn)生的微分電流之和，顯然要使中頻電流達(dá)到最大，這些微分中產(chǎn)生的微分電流之和，顯然要使中頻電流達(dá)到最大，這些微分中頻電流要保持恒定的相位關(guān)系。即要求信號(hào)光和本振光的頻電流要保持恒定的相位關(guān)系。即要求信號(hào)光和本振光的波前是波前是重合重合的。即是說必須保持信號(hào)光和本振光在的。即是說必須保持信號(hào)光和本振光在空間空間上的上的角準(zhǔn)直角

18、準(zhǔn)直。 下面就考慮一下信號(hào)光與本振光皆為平面波時(shí)，波前不重合下面就考慮一下信號(hào)光與本振光皆為平面波時(shí)，波前不重合時(shí)對(duì)光外差檢測(cè)的影響。時(shí)對(duì)光外差檢測(cè)的影響。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 13 設(shè)信號(hào)光束和本振光束之間夾角為設(shè)信號(hào)光束和本振光束之間夾角為，且信號(hào)光束的波陣面，且信號(hào)光束的波陣面平行于光敏面時(shí)，如圖。平行于光敏面時(shí)，如圖。6.3.1 6.3.1 光外差檢測(cè)的空間條件（空間調(diào)準(zhǔn)）光外差檢測(cè)的空間條件（空間調(diào)準(zhǔn)）xz信號(hào)本振檢測(cè)器l設(shè)信號(hào)光束和本振光束的光場(chǎng)為：設(shè)信號(hào)光束和本振光束的光場(chǎng)為： LLsstjL

19、LtjsseAtfeAtf,那么本振光束到達(dá)光敏面時(shí)，在不那么本振光束到達(dá)光敏面時(shí)，在不同點(diǎn)同點(diǎn)x處有不同的波前，即不同的處有不同的波前，即不同的相位差相位差 。相位差等于光程差和。相位差等于光程差和波數(shù)之積。即：波數(shù)之積。即：xxLsin2式中，式中，sin2L，并認(rèn)為折射率，并認(rèn)為折射率n=1。于是本振光波可表示為：于是本振光波可表示為： xtjAtfLLLLexp則檢測(cè)器上則檢測(cè)器上x點(diǎn)的響應(yīng)電流為點(diǎn)的響應(yīng)電流為dxxtAAdiLscLscos 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 14則整個(gè)光敏面總響應(yīng)電流為則整個(gè)光

20、敏面總響應(yīng)電流為6.3.1 6.3.1 光外差檢測(cè)的空間條件（空間調(diào)準(zhǔn)）光外差檢測(cè)的空間條件（空間調(diào)準(zhǔn)）22sincoscosllLscLsALscLstAAdxxtAAid12sin2ll從式中可知，當(dāng)從式中可知，當(dāng) 時(shí)，時(shí)，即即 時(shí)，中頻電流時(shí)，中頻電流i最大。最大。22sinll即可得外差檢測(cè)的即可得外差檢測(cè)的空間相位條件空間相位條件為：為：sin2LlLsin即：即：lLarcsin顯然：波長愈短或口徑愈大，要求相位差角顯然：波長愈短或口徑愈大，要求相位差角愈小，愈難滿足外愈小，愈難滿足外差檢測(cè)的要求。差檢測(cè)的要求。說明紅外光比可見光更易實(shí)現(xiàn)光外差檢測(cè)。說明紅外光比可見光更易實(shí)現(xiàn)光外差

21、檢測(cè)。例：本振光波長為例：本振光波長為1微米，檢測(cè)器光敏面長度為微米，檢測(cè)器光敏面長度為1mm，則，則0.32mrad（0.018度）。度）。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，穩(wěn)頻的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，穩(wěn)頻的CO2激光器做外差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)激光器做外差檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)2.6mrad時(shí)，時(shí)，才能看到清晰的差頻信號(hào)。才能看到清晰的差頻信號(hào)。這個(gè)角度也被稱為失配角。這個(gè)角度也被稱為失配角。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 15放大器探測(cè)器sf信號(hào)光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測(cè)原理示意圖分光鏡可變光闌光頻混如圖，要形成強(qiáng)的差頻信號(hào)，如圖，要形成強(qiáng)的差頻信號(hào)，必

22、須使信號(hào)光束和本振光束必須使信號(hào)光束和本振光束在空間準(zhǔn)直得很好。在空間準(zhǔn)直得很好。背景雜散光來自各個(gè)方向，背景雜散光來自各個(gè)方向，絕大部分的背景光不與本振絕大部分的背景光不與本振光準(zhǔn)直，即不產(chǎn)生明顯的差光準(zhǔn)直，即不產(chǎn)生明顯的差頻信號(hào)。頻信號(hào)。因此外差檢測(cè)在空間上能很好地抑制背景噪聲。具有很好因此外差檢測(cè)在空間上能很好地抑制背景噪聲。具有很好的的空間濾波性能空間濾波性能。但是嚴(yán)格的空間條件也使調(diào)準(zhǔn)兩光束比但是嚴(yán)格的空間條件也使調(diào)準(zhǔn)兩光束比較困難。較困難。問：問：“如果兩光束是平行的，但與光檢測(cè)器呈一定角度時(shí)，如果兩光束是平行的，但與光檢測(cè)器呈一定角度時(shí)，對(duì)中頻電流有沒有影響對(duì)中頻電流有沒有影響”

23、？ 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 16dD斑直徑衍射限光pD敏面直徑探測(cè)器光本振光束rD直徑會(huì)聚透鏡信號(hào)光束r解決方法解決方法；如圖結(jié)構(gòu)稱為如圖結(jié)構(gòu)稱為聚焦光束聚焦光束外差結(jié)構(gòu)外差結(jié)構(gòu)，即用聚焦透，即用聚焦透鏡降低空間準(zhǔn)直要求。鏡降低空間準(zhǔn)直要求。這種結(jié)構(gòu)本質(zhì)上相當(dāng)于這種結(jié)構(gòu)本質(zhì)上相當(dāng)于把不同傳播方向的信號(hào)把不同傳播方向的信號(hào)光束集中在一起。光束集中在一起。 理論分析證明，如果用聚焦透鏡聚焦到衍理論分析證明，如果用聚焦透鏡聚焦到衍射限，這時(shí)的失配角可由系統(tǒng)的視場(chǎng)角射限，這時(shí)的失配角可由系統(tǒng)的視場(chǎng)角r來決定。來決定。經(jīng)

24、過推導(dǎo)，失配角經(jīng)過推導(dǎo)，失配角r與透鏡，光敏面參數(shù)有如下關(guān)系：與透鏡，光敏面參數(shù)有如下關(guān)系：rdpDDD44. 2例：波長為例：波長為1um，l為為0.1mm（檢測(cè)器直徑），由上知失配角（檢測(cè)器直徑），由上知失配角0.32mrad，如，如采用會(huì)聚透鏡，孔徑采用會(huì)聚透鏡，孔徑Dr=10cm(在光外差檢測(cè)系統(tǒng)中，作為接收天線的會(huì)聚透在光外差檢測(cè)系統(tǒng)中，作為接收天線的會(huì)聚透鏡，這個(gè)孔具有代表性）。取焦距鏡，這個(gè)孔具有代表性）。取焦距f=100cm，可求得視場(chǎng)角，可求得視場(chǎng)角r=1mrad。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 1

25、76.3.2 6.3.2 光外差檢測(cè)的頻率條件光外差檢測(cè)的頻率條件為獲得靈敏度高的光外差檢測(cè)，要求信號(hào)光和本振光具有高為獲得靈敏度高的光外差檢測(cè)，要求信號(hào)光和本振光具有高度的度的單色性和頻率穩(wěn)定性單色性和頻率穩(wěn)定性。光外差檢測(cè)的物理光學(xué)的本質(zhì)是光外差檢測(cè)的物理光學(xué)的本質(zhì)是兩束光波疊加后產(chǎn)生干涉的兩束光波疊加后產(chǎn)生干涉的結(jié)果結(jié)果。這種干涉取決于信號(hào)光和本振光束的單色性。因此為。這種干涉取決于信號(hào)光和本振光束的單色性。因此為獲得單色性好的激光輸出，必須選用獲得單色性好的激光輸出，必須選用單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器作作為光外差檢測(cè)光源。為光外差檢測(cè)光源。信號(hào)光和本振光存在著信號(hào)光和本振光存

26、在著頻率漂移頻率漂移，使光外差檢測(cè)系統(tǒng)的性能，使光外差檢測(cè)系統(tǒng)的性能變壞。是因?yàn)轭l率差太大可能超過中頻濾波帶寬，中頻信號(hào)變壞。是因?yàn)轭l率差太大可能超過中頻濾波帶寬，中頻信號(hào)不能正常放大。因此在光外差檢測(cè)中，需要采用專門措施穩(wěn)不能正常放大。因此在光外差檢測(cè)中，需要采用專門措施穩(wěn)定信號(hào)光和本振光的頻率。定信號(hào)光和本振光的頻率。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 181、激光光源：He-Ne氣體激光器，頻寬達(dá)103Hz，相干長度可達(dá)300km。2、干涉系統(tǒng)：邁克爾遜干涉原理，位移-測(cè)量臂；3、光電顯微鏡：給出起始位置。實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)

27、測(cè)長度或位移的精密瞄準(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。4、干涉信號(hào)處理部分：光電控制、信號(hào)放大、判向、細(xì)分及可逆計(jì)數(shù)和顯示記錄等。6.4 光外差檢測(cè)系統(tǒng)舉例6.4.1 6.4.1 激光干涉測(cè)長儀激光干涉測(cè)長儀如圖，主要有幾部分組成：激光器NeHe光電計(jì)數(shù)器顯示記錄裝置邁克爾遜干涉儀可移動(dòng)平臺(tái)待測(cè)物體光電顯微鏡光束光束激光束BS測(cè)量光束2和參考光束1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)于測(cè)量鏡的位移，可表示為：2 NL 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 19L2M1M光束光束激光器器數(shù)計(jì)逆可2

28、34567891011121314151611、激光器；2、透鏡；3、小孔光闌；4、透鏡；5、反射鏡；6、反射棱鏡；7、位相板；8、角錐反射棱鏡；9、分束鏡；10、角錐反射棱鏡；11、透鏡；12、光闌；13、光電檢測(cè)器；14、透鏡；15、光闌；16、光電檢測(cè)器光闌3形成一種空間濾波器，減小光源中雜散光的影響。到達(dá)角錐反射棱鏡10的作為干涉儀的參考臂。而角錐反射棱鏡8作為測(cè)量臂。光學(xué)元件7稱為位相板，使通過光路的部分光束產(chǎn)生附加位相移動(dòng)，使光電檢測(cè)器13和16接收到的干涉信號(hào)在位相上相差/2。光路中，采用角錐棱鏡代替了平面反射鏡作為反射器，一方面避免了反射光束反饋回激光器對(duì)激光器帶來不利影響；另

29、一方面由于角錐棱鏡具有“出射光束與入射光束的平行不受棱鏡繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的影響”的特點(diǎn)。實(shí)用的激光干涉測(cè)長儀的簡化光路實(shí)用的激光干涉測(cè)長儀的簡化光路 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 20干涉信號(hào)的方向判別與計(jì)數(shù)原理干涉信號(hào)的方向判別與計(jì)數(shù)原理紋條涉干光電接收光電接收波形變換前置放大波形變換前置放大倒相倒相微分微分微分微分器數(shù)計(jì)逆可機(jī)算計(jì)子電器示顯度長系統(tǒng)移相sincos1243反向sinsincoscos1234正向辨向原理：正向移動(dòng)時(shí)，辨向原理：正向移動(dòng)時(shí)，四路信號(hào)依次相差四路信號(hào)依次相差9090度，度，順序?yàn)轫樞驗(yàn)?324

30、1324若反向移動(dòng)，若反向移動(dòng)，接收信號(hào)依然相差接收信號(hào)依然相差9090度，度，但順序?yàn)榈樞驗(yàn)?4231423，由后面的，由后面的邏輯電路可以判斷，進(jìn)行邏輯電路可以判斷，進(jìn)行辨向處理。辨向處理。同時(shí)，由于一個(gè)周期的干涉信號(hào)變成同時(shí)，由于一個(gè)周期的干涉信號(hào)變成四個(gè)脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)脈沖被細(xì)分，每四個(gè)脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)脈沖被細(xì)分，每個(gè)計(jì)數(shù)脈沖代表個(gè)計(jì)數(shù)脈沖代表1/41/4條紋的變化，則條紋的變化，則所測(cè)位移長度為：所測(cè)位移長度為：8 NL 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 21 激光測(cè)速的原理是：是測(cè)量通過激光束的示蹤粒子的多普勒

31、信號(hào)，再根據(jù)速度與多普勒頻率的關(guān)系得到粒子速度。測(cè)得了粒子的速度，也就是流動(dòng)的速度。 激光測(cè)速的最主要的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)流動(dòng)沒有任何擾動(dòng)，測(cè)量的精度高，測(cè)速范圍寬，而且由于多普勒頻率與速度是線性關(guān)系，和該點(diǎn)的溫度，壓力沒有關(guān)系，是目前世界上速度測(cè)量精度最高的儀器。6.4.2 6.4.2 激光多普勒測(cè)速激光多普勒測(cè)速Laser Doppler Velocimeter光電倍增管放大屏信號(hào)電源光源2L聚焦透鏡粒子流動(dòng)1L透鏡分束鏡多普勒測(cè)速原理基本光路原理圖 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 22光源：穩(wěn)頻后的單模激光光源測(cè)速原理：測(cè)速原理：激光光束的光強(qiáng)分布為高斯分布，在透鏡L1后的焦點(diǎn)附近高斯光束束腰的波前為平面波，兩光束在焦點(diǎn)附近空間范圍內(nèi)相交得到平行的干涉條紋；而在遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的空間范圍相交干涉條紋為弧形。干涉條紋間距為2