直接探測(cè)和相干探測(cè)

1、00cos(2)EEvt人眼和探測(cè)器人眼和探測(cè)器可以可以響應(yīng)平均光功率響應(yīng)平均光功率20E 平方律器件平方律器件光光電電信號(hào)變換信號(hào)變換 光電光電探測(cè)器探測(cè)器光信號(hào)光信號(hào)電信號(hào)電信號(hào)光光電電信號(hào)變換信號(hào)變換 光電光電探測(cè)器探測(cè)器光信號(hào)光信號(hào)電信號(hào)電信號(hào)光的頻率：光的頻率：10141015Hz 00cos(2)EEvt探測(cè)器響應(yīng)頻率探測(cè)器響應(yīng)頻率1010Hz 光電信號(hào)變換光電信號(hào)變換 光電光電探測(cè)器探測(cè)器光信號(hào)光信號(hào)電信號(hào)電信號(hào)00cos(2)EEvt響應(yīng)平均光功率響應(yīng)平均光功率 直接探測(cè)直接探測(cè)響應(yīng)光的頻率響應(yīng)光的頻率 相干探測(cè)相干探測(cè)第第0909章章 直接探測(cè)和相干探測(cè)直接探測(cè)和相干探測(cè) 直

2、接探測(cè)直接探測(cè) （平均光功率）（平均光功率） 相干探測(cè)相干探測(cè) （光的波動(dòng)參數(shù)）（光的波動(dòng)參數(shù)） 探測(cè)方法的改進(jìn)探測(cè)方法的改進(jìn)光電信號(hào)變換光電信號(hào)變換9.1 9.1 直接探測(cè)直接探測(cè)9.1.1直接探測(cè)的基本原理直接探測(cè)的基本原理9.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例直接探測(cè)的應(yīng)用舉例Drirect Detection ，又稱(chēng)為非相干探測(cè)，又稱(chēng)為非相干探測(cè)裝置簡(jiǎn)單，光源為裝置簡(jiǎn)單，光源為相干光源相干光源或或非相干光源非相干光源，只能探測(cè)平均只能探測(cè)平均光功率（光強(qiáng)）光功率（光強(qiáng)）9.1.2* 直接探測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)和作用距離直接探測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)和作用距離光波：光波： 光功率：光功率： 平方律器件：平方律器件：s

3、sss( )sin()E tat人眼和探測(cè)器可以人眼和探測(cè)器可以響應(yīng)平均光功率響應(yīng)平均光功率2)(ssat 2)(ssatSI1.1.直接探測(cè)基本物理過(guò)程：直接探測(cè)基本物理過(guò)程： 光場(chǎng)包絡(luò)光場(chǎng)包絡(luò)的的頻率頻率1010Hz 光場(chǎng)光場(chǎng)的頻率的頻率10141015Hz 光電探測(cè)器光電探測(cè)器響應(yīng)光場(chǎng)包絡(luò)響應(yīng)光場(chǎng)包絡(luò)dss1( )ISV t平方律器件：平方律器件：設(shè)光柵的柵距P40m相對(duì)移動(dòng)的速度V =1cm/s半導(dǎo)體激光器,波長(zhǎng) =890nm例例1 1 比較光場(chǎng)頻率和光強(qiáng)度信號(hào)的變化頻率光強(qiáng)度信號(hào)的變化頻率f = ？光場(chǎng)頻率 v =? 2.直接探測(cè)系統(tǒng)的信噪比直接探測(cè)系統(tǒng)的信噪比1)信噪比定義：信噪比

4、定義： 2sLsdB1/222nLn10lg20lgI RISNRi Ri電電信號(hào)功率和信號(hào)功率和電電噪聲功率之比噪聲功率之比 9.1.19.1.1直接探測(cè)的基本原理直接探測(cè)的基本原理22ssLs22nnLnPI RISNRPi Ri2sU2sInnuUSNRiISNR或或模擬信號(hào)系統(tǒng)：模擬信號(hào)系統(tǒng)：35， 精度高時(shí)精度高時(shí)10100信噪比信噪比是衡量光電探測(cè)系統(tǒng)質(zhì)量好壞的一個(gè)是衡量光電探測(cè)系統(tǒng)質(zhì)量好壞的一個(gè)重要指標(biāo)重要指標(biāo) 數(shù)字脈沖系統(tǒng)：數(shù)字脈沖系統(tǒng)：例如，光通信誤碼率例如，光通信誤碼率10-9 要求信噪比要求信噪比20dB提高系統(tǒng)信噪比的基本途徑：提高系統(tǒng)信噪比的基本途徑：光學(xué)方法光學(xué)方法

5、，如場(chǎng)鏡、光錐、浸沒(méi)透鏡如場(chǎng)鏡、光錐、浸沒(méi)透鏡 應(yīng)用光學(xué)應(yīng)用光學(xué)電學(xué)方法電學(xué)方法，如濾波、低噪聲放大、弱信如濾波、低噪聲放大、弱信 號(hào)檢測(cè)號(hào)檢測(cè)第十章第十章熱力學(xué)方法熱力學(xué)方法，制冷降低探測(cè)器噪聲制冷降低探測(cè)器噪聲 信號(hào)光電流信號(hào)光電流、背景光電流和器件暗電流、背景光電流和器件暗電流熱噪聲熱噪聲 散粒噪聲散粒噪聲2) 直接探測(cè)的直接探測(cè)的信噪比極限信噪比極限：以光電二極管為例以光電二極管為例 22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiii最理想情況，只有最理想情況，只有信號(hào)信號(hào)光電流引起的散粒噪聲光電流引起的散粒噪聲2nSS2ieIfsd2SNRhvf直接探測(cè)的直接探測(cè)

6、的量子極限量子極限 最理想情況，只有最理想情況，只有信號(hào)光電流信號(hào)光電流引起的散粒噪聲引起的散粒噪聲（忽略嗎？忽略嗎？） 直接探測(cè)的直接探測(cè)的量子極限量子極限 2) 直接探測(cè)的直接探測(cè)的信噪比極限：信噪比極限：22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiiisd2SNRhvf2nSS2ieIf2.直接探測(cè)系統(tǒng)的信噪比直接探測(cè)系統(tǒng)的信噪比直接探測(cè)的直接探測(cè)的量子極限量子極限 量子極限的另一種表達(dá)是：量子極限的另一種表達(dá)是：直接探測(cè)的直接探測(cè)的噪聲等效功率噪聲等效功率 例：例：為為1，f為為1Hz，2h，已很接近單個(gè)光子的，已很接近單個(gè)光子的能量能量h。 實(shí)際上，幾乎不可能？

7、實(shí)際上，幾乎不可能？sd2SNRhvfd2hv fNEP9.1 9.1 直接探測(cè)直接探測(cè)9.1.1直接探測(cè)的基本原理直接探測(cè)的基本原理9.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例直接探測(cè)的應(yīng)用舉例Drirect Detection ，又稱(chēng)為非相干探測(cè)，又稱(chēng)為非相干探測(cè)裝置簡(jiǎn)單，光源為裝置簡(jiǎn)單，光源為相干光源相干光源或或非相干光源非相干光源，只能探測(cè)平均只能探測(cè)平均光功率（光強(qiáng)）光功率（光強(qiáng)）9.1.2* 直接探測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)和作用距離直接探測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)和作用距離9.1.39.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例直接探測(cè)的應(yīng)用舉例激光制導(dǎo)、飛行物自動(dòng)跟蹤激光制導(dǎo)、飛行物自動(dòng)跟蹤激光穩(wěn)頻、機(jī)器人視覺(jué)激光穩(wěn)頻、機(jī)器人視覺(jué)幾何量（

8、長(zhǎng)度、位移幾何量（長(zhǎng)度、位移）表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕）光學(xué)參量（吸收、反射光學(xué)參量（吸收、反射）電磁量（電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)電磁量（電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)）應(yīng)用于測(cè)量：應(yīng)用于測(cè)量：應(yīng)用于控制：應(yīng)用于控制：特點(diǎn)：特點(diǎn)：信息加載信息加載輻通量（光強(qiáng)）輻通量（光強(qiáng)）幾何量（長(zhǎng)度、位移幾何量（長(zhǎng)度、位移）表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕）光學(xué)參量（吸收、反射光學(xué)參量（吸收、反射）電磁量（電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)電磁量（電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)）輻通量輻通量（幅度、（幅度、頻率頻率、相位、相位）9.1.39.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例直接探測(cè)的應(yīng)用舉例例例1. 1.

9、 光電磁場(chǎng)測(cè)量光電磁場(chǎng)測(cè)量磁場(chǎng)光通量（磁場(chǎng)光通量（幅度幅度）磁場(chǎng)磁場(chǎng)振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)角度振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)角度 光通量幅度光通量幅度9.1.39.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例直接探測(cè)的應(yīng)用舉例例例2. 2. 光柵莫爾條紋測(cè)位移光柵莫爾條紋測(cè)位移mcos(2)xPt精度已可達(dá)精度已可達(dá)0.1m/m 位移光通量（位移光通量（頻率頻率）9.1.39.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例直接探測(cè)的應(yīng)用舉例光通量的頻率測(cè)量光通量的頻率測(cè)量光電轉(zhuǎn)速表光柵位移傳感器 測(cè)測(cè)“幅度幅度”與與“頻率頻率”方法，方法，測(cè)量精度測(cè)量精度的比較：的比較：基準(zhǔn)精度基準(zhǔn)精度測(cè)量精度測(cè)量精度基準(zhǔn)穩(wěn)定方法基準(zhǔn)穩(wěn)定方法幅度幅度10-310-410-210

10、-3模擬量穩(wěn)定電路頻率頻率10-610-810-510-7晶振，數(shù)字鎖相環(huán)現(xiàn)代光電測(cè)量中常優(yōu)先考慮采用頻率測(cè)量法！ 例例3. 3. 光電測(cè)距光電測(cè)距光電光波測(cè)距光電光波測(cè)距發(fā)射光波發(fā)射光波接收光波接收光波距離光通量（距離光通量（相位相位）002/tD c9.1.39.1.3直接探測(cè)的應(yīng)用舉例直接探測(cè)的應(yīng)用舉例第第09章章 直接探測(cè)和相干探測(cè)直接探測(cè)和相干探測(cè)直接探測(cè)：直接探測(cè)：（非相干探測(cè)）（非相干探測(cè)） 相干探測(cè)：相干探測(cè)： （光學(xué)外差探測(cè)）（光學(xué)外差探測(cè)） 裝置簡(jiǎn)單，光源為裝置簡(jiǎn)單，光源為相干光源相干光源或或非相干光非相干光源源，只能探測(cè)，只能探測(cè)光功率（光強(qiáng)）光功率（光強(qiáng)）。 裝置復(fù)雜，

11、光源必須為裝置復(fù)雜，光源必須為相干光源相干光源，間接，間接探測(cè)探測(cè)光波的振幅、頻率和相位光波的振幅、頻率和相位等參數(shù)。等參數(shù)。9.2 相干探測(cè)相干探測(cè)9.2.1 相干探測(cè)的基本原理相干探測(cè)的基本原理9.2.2 相干探測(cè)的條件相干探測(cè)的條件9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例相干探測(cè)的應(yīng)用舉例Coherent Detection 又稱(chēng)為又稱(chēng)為光外差探測(cè)光外差探測(cè) 1. 相干探測(cè)的物理過(guò)程相干探測(cè)的物理過(guò)程原理框圖原理框圖 9.2.1 9.2.1 相干探測(cè)的基本原理相干探測(cè)的基本原理信號(hào)光信號(hào)光s （異地）（異地）參考光參考光r（本地）本地）u雙頻（不同光波長(zhǎng)）光波：雙頻（不同光波長(zhǎng)）光波：以一般情況為

12、例：在同一方向上傳播、振動(dòng)方向相以一般情況為例：在同一方向上傳播、振動(dòng)方向相同、振幅不同、頻率差相差很小的兩束單色光同、振幅不同、頻率差相差很小的兩束單色光1)1)合成的光強(qiáng)得到信號(hào)輸出合成的光強(qiáng)得到信號(hào)輸出ssss( )sin()E tatrrrr( )sin()E tat信號(hào)光信號(hào)光參考光參考光平方律探測(cè)器光混頻電流信號(hào)為：平方律探測(cè)器光混頻電流信號(hào)為： )()cos(2)()(222rsrsrsrsrShstaaaaStEtESI 參見(jiàn)竺子民，參見(jiàn)竺子民，物理光學(xué)物理光學(xué)，P119 經(jīng)帶通濾波選頻經(jīng)帶通濾波選頻)()cos(2rsrsrshstaaSI 平均光電流為幅值的有效值平均光電流

13、為幅值的有效值rsrshsaaSaaSI222 相速度相速度群速度群速度參見(jiàn)梁銓廷，參見(jiàn)梁銓廷，物理光學(xué)物理光學(xué)，P63 頻譜分析頻譜分析類(lèi)似類(lèi)似DSB調(diào)制調(diào)制拍頻等于拍頻等于兩光頻差兩光頻差包絡(luò)頻率包絡(luò)頻率等于兩光等于兩光頻差的頻差的1/2n參考：雙邊帶調(diào)制（DSB）2rsH H H 2rsc 2rsmH 探測(cè)器濾波器（中頻輸出）探測(cè)器濾波器（中頻輸出） srsr特例：?jiǎn)晤l雙光束干涉（頻差為特例：?jiǎn)晤l雙光束干涉（頻差為0 0）零差探測(cè)）零差探測(cè))cos(2 taaSIrshss G107108 注意：功率為幅值有效值的平方注意：功率為幅值有效值的平方)cos(2 taaSIrshssrsrs

14、rssrsLdsLhsaaaaaaSaaSRIRIG 88422222242222222 外差探測(cè)外差探測(cè)直接探測(cè)直接探測(cè)信號(hào)光電流、背景光電流和器件暗電流信號(hào)光電流、背景光電流和器件暗電流熱噪聲熱噪聲 散粒噪聲散粒噪聲僅考慮僅考慮信號(hào)光電流信號(hào)光電流引起的散粒噪聲：引起的散粒噪聲：直接探測(cè)的信噪比：直接探測(cè)的信噪比：sd2hSNRf22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiii2nSS2ieIf相干探測(cè)優(yōu)點(diǎn)之三：相干探測(cè)優(yōu)點(diǎn)之三：信噪比高信噪比高外差探測(cè)：外差探測(cè)： 僅考慮強(qiáng)的本地光引起的散粒噪聲限制，即僅考慮強(qiáng)的本地光引起的散粒噪聲限制，即 外差探測(cè)的量子探測(cè)極限外

15、差探測(cè)的量子探測(cè)極限fhfehefeSfeSSfeSaaSfeSaaSIISNRsssrrsrrsrrsnhsh 4)(4428222222222222fhSNRsh 4相干探測(cè)：相干探測(cè)： 直接探測(cè)：直接探測(cè)： 僅考慮信號(hào)光引起的散粒噪聲限制僅考慮信號(hào)光引起的散粒噪聲限制 fNEP2hdsd2hSNRf相干探測(cè)相干探測(cè)信噪比高，最小可探測(cè)功率更小信噪比高，最小可探測(cè)功率更小fhSNRsh 4fhNEPh 4 9.2.2 9.2.2 相干探測(cè)的條件相干探測(cè)的條件1 1相干探測(cè)空間條件相干探測(cè)空間條件2 2相干探測(cè)頻率條件相干探測(cè)頻率條件3 3相干探測(cè)偏振條件相干探測(cè)偏振條件滿(mǎn)足滿(mǎn)足波前匹配條件

16、波前匹配條件： 為什么需要為什么需要角準(zhǔn)直角準(zhǔn)直？ 信號(hào)光和本振光在空間上的信號(hào)光和本振光在空間上的角準(zhǔn)直（共軸）角準(zhǔn)直（共軸）1 1 相干探測(cè)空間條件相干探測(cè)空間條件)cos(2 taaSIrshs探測(cè)器表面各點(diǎn)探測(cè)器表面各點(diǎn)相位相位相同相同時(shí)：時(shí)：探測(cè)器表面各點(diǎn)探測(cè)器表面各點(diǎn)相位相位不同不同時(shí)：時(shí)：輸出電流信號(hào)輸出電流信號(hào)最大最大輸出電流信號(hào)輸出電流信號(hào)減小減小處處相等處處相等 處處不相等處處不相等 探測(cè)器接收面上沿探測(cè)器接收面上沿x方向方向各點(diǎn)的相位不同各點(diǎn)的相位不同信號(hào)光和本振光的波前在光混頻器表面上信號(hào)光和本振光的波前在光混頻器表面上沒(méi)有相同的位相關(guān)系沒(méi)有相同的位相關(guān)系 導(dǎo)致混頻輸出

17、電流信號(hào)減小導(dǎo)致混頻輸出電流信號(hào)減小123xsinx2s 本振光束隨本振光束隨x x分布的相位差：分布的相位差： rrrrtcosatE 本振光束：本振光束： x x點(diǎn)的響應(yīng)電流為：點(diǎn)的響應(yīng)電流為： xtcosatErrrr 則：則： dxxtcosaadirsrS 光敏面總響應(yīng)電流為：光敏面總響應(yīng)電流為： 2d2dsintcosaadxdyxtcosaairsrSrsrSAd Ad為探測(cè)器的面積，為探測(cè)器的面積，d為為x方向的長(zhǎng)度。方向的長(zhǎng)度。 當(dāng)當(dāng)12d2dsin 時(shí)，中頻電流時(shí)，中頻電流i最大最大 即即 2d2dsin 外差探測(cè)的空間相位條件：外差探測(cè)的空間相位條件：002d 12d 或

18、或 sin2r 又又dsinr darcsinr 或或 有：有： 例：例：d=1mm，s0.6328m失配角：失配角： ds 例：例：d=1mm，s10.6m失配角：失配角： 69 定義：中頻輸出比最大值小定義：中頻輸出比最大值小10%10%時(shí)的主光線夾角為失配角時(shí)的主光線夾角為失配角33 對(duì)長(zhǎng)波探測(cè)有利對(duì)長(zhǎng)波探測(cè)有利 空間濾波空間濾波 2 2相干探測(cè)頻率條件相干探測(cè)頻率條件混頻器選通放大器觀察儀器高頻示波器高頻示波器頻譜分析儀頻譜分析儀 外差接收外差接收v，1041010Hz信號(hào)光和本振光的頻率漂移？信號(hào)光和本振光的頻率漂移？ 采用高單色性和頻率穩(wěn)定度的激光源采用高單色性和頻率穩(wěn)定度的激光源

19、 兩束光取自同一激光器，由頻偏取得本振光兩束光取自同一激光器，由頻偏取得本振光 專(zhuān)門(mén)措施：專(zhuān)門(mén)措施： 9.2.2相干探測(cè)的條件相干探測(cè)的條件 )()cos(2)()(222rsrsrsrsrShstaaaaStEtESI 平方律探測(cè)器光混頻輸出平方律探測(cè)器光混頻輸出Ihs為：為： “代數(shù)和” ？信號(hào)光與本振光的偏振方向一致信號(hào)光與本振光的偏振方向一致 加檢偏器加檢偏器獲得偏振方向一致獲得偏振方向一致 3 3 相干探測(cè)偏振條件相干探測(cè)偏振條件9.2 相干探測(cè)相干探測(cè)9.2.1 相干探測(cè)的基本原理相干探測(cè)的基本原理9.2.2 相干探測(cè)的條件相干探測(cè)的條件9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例相干探測(cè)的應(yīng)用

20、舉例Coherent Detection 又稱(chēng)為又稱(chēng)為光外差探測(cè)光外差探測(cè) 9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例相干探測(cè)的應(yīng)用舉例hssrcos()ISa at 相位調(diào)制相位調(diào)制頻率調(diào)制頻率調(diào)制ssrs00vvvv，干涉測(cè)量干涉測(cè)量相干通信相干通信精密測(cè)長(zhǎng)、測(cè)距、測(cè)速、測(cè)振動(dòng)、精密測(cè)長(zhǎng)、測(cè)距、測(cè)速、測(cè)振動(dòng)、測(cè)力、測(cè)應(yīng)變、測(cè)力、測(cè)應(yīng)變、光譜分析光譜分析， 外層空間特別是衛(wèi)星之間通信、外層空間特別是衛(wèi)星之間通信、光纖通中波分復(fù)用光纖通中波分復(fù)用 接收解調(diào)，接收解調(diào)， 9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例相干探測(cè)的應(yīng)用舉例2.2.激光多普勒測(cè)速激光多普勒測(cè)速3.CO3.CO2 2激光外差通信激光外差通信1.1.

21、激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 )()cos(2rsrsrshstaaSI 1.1.激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 1)單頻激光測(cè)長(zhǎng)單頻激光測(cè)長(zhǎng) 信號(hào)光信號(hào)光參考光參考光單頻單頻2 / 2nl位移位移l cos2rshsaaSI)()cos(2rsrsrshstaaSI n=12()Nm1) 單頻激光測(cè)長(zhǎng)單頻激光測(cè)長(zhǎng) 例：例：取取n=1, 測(cè)量鏡位移時(shí)觀察到探測(cè)器測(cè)量鏡位移時(shí)觀察到探測(cè)器的輸出為：的輸出為：2 / 2nl2()Nml = ?1.1.激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 局限性：局限性： 不能判別移動(dòng)方向不能判別移動(dòng)方向 cos2rshsaaSI1)單頻激光測(cè)長(zhǎng)單頻激光測(cè)長(zhǎng) 光電探測(cè)器光電探測(cè)器4,54

22、,5相位差為相位差為/2/2參考光參考光信號(hào)光信號(hào)光判別移動(dòng)方向：判別移動(dòng)方向：“參照物參照物”1.1.激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 1)單頻激光測(cè)長(zhǎng)單頻激光測(cè)長(zhǎng) 判別移動(dòng)方向判別移動(dòng)方向：“參照物參照物”1.1.激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 正反移動(dòng)方向波形正反移動(dòng)方向波形 1) 單頻激光測(cè)長(zhǎng)單頻激光測(cè)長(zhǎng) 信號(hào)光信號(hào)光參考光參考光2 / 2 n l缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：空氣的空氣的折射率折射率n與當(dāng)時(shí)的與當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度環(huán)境溫度、 濕度濕度 及及氣壓氣壓等因素有關(guān)，影響測(cè)量精度等因素有關(guān)，影響測(cè)量精度2. 雙頻激光測(cè)長(zhǎng)雙頻激光測(cè)長(zhǎng) 1.1.激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 2) 雙頻激光測(cè)長(zhǎng)雙頻激光測(cè)長(zhǎng) 雙頻激光干涉儀

23、雙頻激光干涉儀雙頻激光雙頻激光檢偏器檢偏器 濾波片濾波片 信號(hào)光信號(hào)光 參考光參考光 1.1.激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 2) 雙頻激光測(cè)長(zhǎng)雙頻激光測(cè)長(zhǎng) 雙頻激光干涉儀雙頻激光干涉儀2v 光學(xué)差頻信號(hào)光學(xué)差頻信號(hào) 1.1.激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 2) 雙頻激光測(cè)長(zhǎng)雙頻激光測(cè)長(zhǎng) 2v光學(xué)差頻信號(hào)光學(xué)差頻信號(hào): : 積分器波數(shù)積分器波數(shù): : 位移測(cè)量公式：位移測(cè)量公式：2LN位移與位移與空氣的折射率空氣的折射率n無(wú)關(guān)！無(wú)關(guān)！02dtLNv t1.1.激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 2) 雙頻激光測(cè)長(zhǎng)雙頻激光測(cè)長(zhǎng) 雙頻激光干涉儀雙頻激光干涉儀頻差為頻差為150MHz，激光穩(wěn)頻精度為激光穩(wěn)頻精度為108時(shí)

24、，時(shí)，測(cè)長(zhǎng)精度測(cè)長(zhǎng)精度0.1m3. 二維干涉圖測(cè)量二維干涉圖測(cè)量 1.1.激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 3)3)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析表面形狀分布表面形狀分布 二維光強(qiáng)分布二維光強(qiáng)分布 亮條紋亮條紋擴(kuò)束擴(kuò)束1.1.激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 壓電陶瓷：伸長(zhǎng)（縮短）量壓電陶瓷：伸長(zhǎng)（縮短）量 l = kU Lr 3)3)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析 物面凹凸物面凹凸 不平程度不平程度 相位分布相位分布sr基本思路：基本思路：亮條紋亮條紋 二維二維 干涉圖樣干涉圖樣),(yxs1.1.激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 表面形狀分布表面形狀分布 二維光

25、強(qiáng)分布二維光強(qiáng)分布 亮條紋亮條紋Sr動(dòng)態(tài)檢測(cè)：動(dòng)態(tài)檢測(cè)：精度精度 /100 靜態(tài)檢測(cè)：靜態(tài)檢測(cè)：精度精度 /20/20 二次相位調(diào)制二次相位調(diào)制 3)3)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析1.1.激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 Sr一次相位調(diào)制一次相位調(diào)制二次相位調(diào)制二次相位調(diào)制3)3)波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析1.1.激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 使參考光相位人為地隨時(shí)間調(diào)制使參考光相位人為地隨時(shí)間調(diào)制 二次二次相位調(diào)制相位調(diào)制 信號(hào)光相位受到被測(cè)物理量的調(diào)制稱(chēng)為信號(hào)光相位受到被測(cè)物理量的調(diào)制稱(chēng)為 一次相位調(diào)制一次相位調(diào)制二次相位調(diào)制的二次相位調(diào)制的

26、定義定義Sr3)3)波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析1.1.激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 靜止干涉圖樣靜止干涉圖樣亮條紋亮條紋光學(xué)相位分布光學(xué)相位分布，計(jì)算機(jī)界計(jì)算機(jī)界面上是一幅靜止的畫(huà)面面上是一幅靜止的畫(huà)面 靜態(tài)檢測(cè)靜態(tài)檢測(cè)光學(xué)相位分布變換為時(shí)序光學(xué)相位分布變換為時(shí)序電信號(hào)相位電信號(hào)相位動(dòng)態(tài)檢測(cè)動(dòng)態(tài)檢測(cè)一次相位調(diào)制一次相位調(diào)制：二次相位調(diào)制二次相位調(diào)制：（照相機(jī)）（照相機(jī)）（攝像機(jī)）（攝像機(jī)）rS3)3)波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析1.1.激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 3)3)二維干涉圖測(cè)量二維干涉圖測(cè)量二次相位調(diào)制的二次相位調(diào)制的實(shí)現(xiàn)途徑實(shí)現(xiàn)途徑

27、 二次相位調(diào)制sr 移動(dòng)參考鏡壓電陶瓷：伸長(zhǎng)（縮短）量壓電陶瓷：伸長(zhǎng)（縮短）量 l = kU Lr 參考鏡參考鏡例：例：階梯波階梯波掃描干涉法掃描干涉法3)3)二維干涉圖測(cè)量二維干涉圖測(cè)量階梯波階梯波掃描時(shí)的干涉圖：掃描時(shí)的干涉圖：干涉圖樣：干涉圖樣：時(shí)序信號(hào)：時(shí)序信號(hào)：tI3)3)二維干涉圖測(cè)量二維干涉圖測(cè)量例例 階梯波掃描干涉法階梯波掃描干涉法 物面凹凸物面凹凸 不平程度不平程度 相位分布相位分布sr3)3)二維干涉圖測(cè)量二維干涉圖測(cè)量基本思路：基本思路：亮條紋亮條紋 二維二維 干涉圖樣干涉圖樣),(yxs011( ,)( )( )cos( )sinrrrI xUxUxm x只分析一維的情

28、況干涉面上任一點(diǎn)x的光強(qiáng)度： 將上式看作是將上式看作是r的余弦函數(shù)的余弦函數(shù) I(x, r)as2(x)+ar2+2as(x)arcoss(x）cosr +2as(x)arsins(x）sinr 求解求解s表達(dá)式（表達(dá)式（1 1）3)3)二維干涉圖測(cè)量二維干涉圖測(cè)量22srsrrs( )( )( )2cos( )I xaxaxa ax011( ,)( )( )cos( )sinrrrI xUxU xm x每次改變每次改變1/n周期周期采樣采樣p個(gè)周期個(gè)周期令令r在在2周期內(nèi)每周期內(nèi)每次改變次改變1/n周期，共周期，共采樣采樣p個(gè)周期，即個(gè)周期，即rj2() 1,2,3.,jjnpn 求解求解s

29、表達(dá)式（表達(dá)式（2 2）3)3)二維干涉圖測(cè)量二維干涉圖測(cè)量220sr11( )( ,)( )nprjjUxI xaxanp011( ,)( )( )cos( )sinrrrI xUxU xm x1ss12( )( ,)cos2( )cos( )nprjrjrjUxI xax axnp1ss12( )( ,)sin2( )sin( )nprjrjrjmxI xax axnp每次每次光電光電測(cè)量數(shù)值測(cè)量數(shù)值 求解求解s表達(dá)式（表達(dá)式（3 3）3)3)二維干涉圖測(cè)量二維干涉圖測(cè)量1ss12( )( ,)cos2( )cos( )nprjrjrjUxI xa x axnp1ss12( )( ,)si

30、n2( )sin( )nprjrjrjm xI xa x axnp 求解求解s表達(dá)式（表達(dá)式（4 4）3)3)二維干涉圖測(cè)量二維干涉圖測(cè)量s11( )arctan( )/( )xm xU x9-73，9-78式物理意義i.i.干涉面上干涉面上任意一點(diǎn)任意一點(diǎn)x的光強(qiáng)分布的光強(qiáng)分布都可以展開(kāi)為都可以展開(kāi)為參考光相位參考光相位r r的時(shí)序調(diào)制的時(shí)序調(diào)制，即可將，即可將干涉空間圖干涉空間圖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為換為時(shí)序信號(hào)時(shí)序信號(hào)：ii.ii.被測(cè)被測(cè)光信息的相位光信息的相位s s( (x) )可由下式計(jì)算得出，可由下式計(jì)算得出，并由此并由此確定面形的凹凸程度：確定面形的凹凸程度：011( ,)( )( )cos

31、( )sinrrrI xU xU xm x3)3)二維干涉圖測(cè)量二維干涉圖測(cè)量s11( )( )/( )xarctg m xUx如何得到相位分布：如何得到相位分布： 光強(qiáng)空間分布1024102410241024CCDCCD面陣面陣光強(qiáng)取樣N X X P次次測(cè)量測(cè)量數(shù)據(jù)平均計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)曲線擬合曲線擬合相位分布3)3)二維干涉圖測(cè)量二維干涉圖測(cè)量干涉圖樣亮條紋靜態(tài)檢測(cè)（精度精度 /20 ）動(dòng)態(tài)檢測(cè)動(dòng)態(tài)檢測(cè)（精度精度 /100 ）一次相位調(diào)制一次相位調(diào)制：二次相位調(diào)制二次相位調(diào)制：二次相位調(diào)制技術(shù)二次相位調(diào)制技術(shù)為干涉測(cè)量開(kāi)辟了實(shí)時(shí)、為干涉測(cè)量開(kāi)辟了實(shí)時(shí)、數(shù)字式和高分辨率的新途徑！數(shù)字式和高分辨率的

32、新途徑！rs 1. 1.激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 3)3)波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析 1. 1.激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 一種改進(jìn)的泰曼一種改進(jìn)的泰曼- -格林干涉儀格林干涉儀 雙頻平面外差干涉測(cè)量系統(tǒng)雙頻平面外差干涉測(cè)量系統(tǒng)單頻平面干涉單頻平面干涉 /100/100雙頻平面干涉雙頻平面干涉 /1000/10003)3)波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例相干探測(cè)的應(yīng)用舉例2.2.激光多普勒測(cè)速激光多普勒測(cè)速* *3.CO3.CO2 2激光外差通信激光外差通信1.1.激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量 hssrcos()IS

33、a at 9.2.3 相干探測(cè)應(yīng)用舉例相干探測(cè)應(yīng)用舉例3. CO2激光外差通信激光外差通信光通信光通信光纖通信光纖通信大氣光通信大氣光通信半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制直接探測(cè)直接探測(cè)COCO2 2激光器激光器光波光波頻率或相位調(diào)制頻率或相位調(diào)制相干探測(cè)相干探測(cè)9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例相干探測(cè)的應(yīng)用舉例COCO2 2激光外差通信激光外差通信頻率或者相位調(diào)制頻率或者相位調(diào)制 相干探測(cè)相干探測(cè) 外層空間星際通信外層空間星際通信9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例相干探測(cè)的應(yīng)用舉例光纖通信光纖通信強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制 直接探測(cè)直接探測(cè) 應(yīng)用應(yīng)用 相干探測(cè)相干探測(cè)9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例相干探測(cè)的應(yīng)用舉例相干探測(cè)相干探測(cè)可用于光纖通信中可用于光纖通信中波分復(fù)用波分復(fù)用 接收解調(diào)接收解調(diào)發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端12n強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制復(fù)用相干接收相干接收相干接收12n光纖9.2.3 相干探測(cè)的應(yīng)用舉例相干探測(cè)的應(yīng)用舉例中國(guó)科學(xué)院研究生院中國(guó)科學(xué)院研究生院博士學(xué)位論文博士學(xué)位論文光纖水聽(tīng)器關(guān)鍵技術(shù)研究光纖水聽(tīng)器關(guān)鍵技術(shù)研究倪 明 光纖水聽(tīng)器是一種建立在光纖、光電子技術(shù)基光纖水聽(tīng)器是一種建立在光纖、光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下聲信號(hào)傳感器。它通過(guò)高靈敏度的光纖礎(chǔ)上的水下聲信號(hào)傳感器。它通過(guò)高靈敏度的光纖相干檢測(cè)，將水聲信號(hào)