常用信息檢測(cè)系統(tǒng)(精)

第五章常用信息檢測(cè)系統(tǒng)

5.1光電干脆探測(cè)系統(tǒng)一、光電干脆探測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理平均光功率為二、光電干脆探測(cè)系統(tǒng)的特性參數(shù)1．干脆探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度(1)模擬系統(tǒng)靈敏度模擬系統(tǒng)的靈敏度可用信噪比的值來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能。假如光探測(cè)器的入射光功率中包含信號(hào)光功率(Ps)和噪聲功率(Pn)，則光探測(cè)器輸出電功率為輸出信噪比等于輸入信噪比的平方，輸出倍噪比更低，沒(méi)有好用意義。輸出信噪比等于輸入信噪比一半。(2)數(shù)字系統(tǒng)靈敏度數(shù)字系統(tǒng)靈敏度一般用誤碼率評(píng)價(jià)它的性能。誤碼率只要知道信噪比

的值，就可由誤差函數(shù)中得知誤碼率的值。(2)干脆探測(cè)系統(tǒng)的極限靈敏度①光伏型及光放射器件的極限靈敏度稱為干脆探測(cè)系統(tǒng)的極限靈敏度，也稱量子限靈敏度。光學(xué)系統(tǒng)接收到的光功率Pdm。有時(shí)，又把最小可探測(cè)功率Pmin稱為靈敏度。②光導(dǎo)探測(cè)器干脆探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度光導(dǎo)探測(cè)器的主要噪聲為復(fù)合噪聲，它是一種散粒噪聲，它和偏置電流成比例，因而它的靈敏度與具體運(yùn)用條件有關(guān)。但可以確定，光導(dǎo)探測(cè)器的極限靈敏度比光伏器件及光電倍增管的極限靈敏度要低，所需志向的最小可探測(cè)功率大。2．干脆探測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)角視場(chǎng)角亦是干脆探測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)之一。它表示系統(tǒng)能“視察”到的空間范圍。半視場(chǎng)角視場(chǎng)角立體角Ω為從視察范圍，即從發(fā)覺(jué)目標(biāo)的觀點(diǎn)考慮，希望視場(chǎng)角愈大愈好。增大視場(chǎng)角Ω時(shí)，或增大探測(cè)器面積或減小光學(xué)系統(tǒng)的焦距。這兩方面對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的影響都不利，第一，增加探測(cè)器的面積意味著增大系統(tǒng)的噪聲。因?yàn)閷?duì)大多數(shù)探測(cè)器而言，其噪聲功率和面積的平方根成正比；其次，減小焦距使系統(tǒng)的相對(duì)孔徑加大，這也是不允許的。另一方面視場(chǎng)角加大后引入系統(tǒng)的背景輻射也增加，使系統(tǒng)靈敏度下降。3、系統(tǒng)的通頻帶寬度頻帶寬度Δf是光電探測(cè)系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。探測(cè)系統(tǒng)要求Δf應(yīng)保存原有信號(hào)的調(diào)制信息，并使系統(tǒng)達(dá)到最大輸出功率信噪比。系統(tǒng)按傳遞信號(hào)實(shí)力，可有以下幾種方法確定系統(tǒng)頻帶寬度(1)等效矩形帶寬令I(lǐng)(ω)為信號(hào)的頻譜，則信號(hào)的能量為(2)頻譜曲線下降3dB的帶寬代入(3)包含90％能量的帶寬輸入信號(hào)為矩形波時(shí)，通過(guò)不同帶通濾波器的波形，曲線1Δf=0.25／τ0曲線2Δf=0.5／τ0曲線3Δf=0.1／τ0曲線4Δf=4／τ0三、干脆探測(cè)系統(tǒng)的距離方程1．被動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)的距離方程設(shè)被測(cè)目標(biāo)的光譜輻射強(qiáng)度為Icλ，經(jīng)大氣傳播后到達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)表面的光譜輻照度為式中，τ1λ為被測(cè)距離L內(nèi)的大氣光譜透過(guò)率，L為目標(biāo)到光電探測(cè)系統(tǒng)的距離。入射到探測(cè)器上的光譜功率為式中，A0，τ0λ分別為接收光學(xué)系統(tǒng)的入射孔徑面積及光譜透過(guò)率。式中，Ad為探測(cè)器面積，Δf為系統(tǒng)的帶寬,D*為探測(cè)器的歸一化探測(cè)度。光電探測(cè)系統(tǒng)的距離2.主動(dòng)探測(cè)距離方程主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)的光源主要為激光光源。令其放射功率為Ps(λ)；放射束發(fā)散立體角為Ω1,放射光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率為τ01(λ)，經(jīng)調(diào)制的光能利用率為km。，則四、干脆探測(cè)方式中常用的幾種檢測(cè)方法1.干脆作用法運(yùn)用干脆作用法測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)是裝置簡(jiǎn)潔，價(jià)格便宜。其缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能受元器件參數(shù)變更的影響，靈敏度受四周環(huán)境及電壓波動(dòng)的影響較大，因而精度和穩(wěn)定性稍差。2．差動(dòng)作用法為進(jìn)一步提高測(cè)量精度，希望兩光電二極管有完全一樣的性能，可接受圖5—7(b)的系統(tǒng)，光源光線照在由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的恒速旋轉(zhuǎn)的盤(pán)上，盤(pán)的半邊是反射鏡可以反射光線，另一半可以透射光線。使測(cè)量通道和參考通道的光通置交替投射到光電器件上.3．補(bǔ)償測(cè)量法補(bǔ)償法測(cè)量原理是：由待測(cè)物理量限制的光通量變更所引起的信號(hào)，可用光學(xué)或電學(xué)的補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)?，補(bǔ)償置可由與補(bǔ)償器連接在一起的讀數(shù)系統(tǒng)顯示出來(lái)，補(bǔ)償器的補(bǔ)償量值事先可用標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行精確標(biāo)定。4．脈沖測(cè)量法假如受待測(cè)物理量限制的光通量連續(xù)作用于光探測(cè)器，通過(guò)測(cè)量光探測(cè)器輸出信號(hào)來(lái)獲得被測(cè)量參數(shù)的方法通常稱為連續(xù)測(cè)量法。受被測(cè)物理量限制的光通量斷續(xù)地作用在光探測(cè)器上，光探測(cè)器輸出電脈沖，其脈沖參數(shù)(脈沖頻率、脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖的數(shù)目等)隨被測(cè)物理量變更，電脈沖經(jīng)過(guò)放大后由測(cè)量?jī)x表或計(jì)數(shù)器讀出，這種方法稱為脈沖法或斷續(xù)作用五、光電干脆探測(cè)典型系統(tǒng)1．莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀(1)測(cè)長(zhǎng)原理若兩塊光柵(其中一塊稱為主光柵，另一塊叫指示光柵)相互重疊，并使它們的柵線之間形成一個(gè)較小的夾角，當(dāng)光柵對(duì)之間有一相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，透過(guò)光柵對(duì)看另一邊的光源，就會(huì)發(fā)覺(jué)由一組垂直于光柵運(yùn)動(dòng)方向的明暗相間的條紋移動(dòng)，這就形成莫爾條紋。

P

θ標(biāo)尺光柵圖5-18莫爾條紋設(shè)主光柵的節(jié)距為P1，指示光柵的節(jié)距為P2，光柵A的刻線方程為，

xi=iP1指示光柵B的到線j與t軸交點(diǎn)的坐標(biāo)為xj=jP2/cosθ莫爾條紋1是由光柵A、B各i＝j(luò)刻線的交點(diǎn)連接而成所以莫爾條紋的方程是莫爾條紋(i=j)的斜率為莫爾條紋1的方程可表示為同樣可求得莫爾條紋2和3的方程：由上述三方程可以得出結(jié)論；莫爾條紋是周期函數(shù)，其周期T：叫作莫爾條紋的寬度B莫爾條紋具有如下特點(diǎn)：

1.放大作用用B（mm）表示莫爾條紋的寬度，P(mm)表示柵距，θ(rad)為光柵線紋之間的夾角，

莫爾條紋寬度B與θ角成反比，θ越小，放大倍數(shù)越大。2.均化誤差作用莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，例如，200條/mm的光柵，10mm寬的光柵就由2000條線紋組成，這樣?xùn)啪嘀g的固有相鄰誤差就被平均化了，消退了柵距之間不勻整造成的誤差。3.莫爾條紋的移動(dòng)與柵距的移動(dòng)成比例當(dāng)光柵尺移動(dòng)一個(gè)柵距P時(shí)，莫爾條紋也剛好移動(dòng)了一個(gè)條紋寬度B。只要通過(guò)光電元件測(cè)出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移動(dòng)了多少個(gè)柵距，工作臺(tái)移動(dòng)的距離可以計(jì)算出來(lái)。(2)四倍頻細(xì)分判向原理電子細(xì)分方式用于莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)中有好幾種．四倍頻細(xì)分是一般應(yīng)用的一種。

(3)置零信號(hào)要知道測(cè)長(zhǎng)的確定數(shù)值，必需在測(cè)長(zhǎng)的起始點(diǎn)給計(jì)數(shù)器以置零信號(hào)，這樣計(jì)數(shù)器最終的指示值就反映了確定測(cè)量值。2．光電干脆探測(cè)在遙感方面的應(yīng)用顧名思義，遙感是從遙遠(yuǎn)的地方感知、測(cè)量并識(shí)別目標(biāo)特性的一門(mén)科學(xué)技術(shù)。具體說(shuō)，它是從高空(飛機(jī)或衛(wèi)星上)依據(jù)物體放射和反射電磁波的差異來(lái)探知地物(包括地表層及地層內(nèi))的結(jié)構(gòu)。遙感技術(shù)目前廣泛地用于對(duì)地形精確測(cè)繪、地球資源勘探、農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)及軍事偵察等方面。遙感技術(shù)是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，它的發(fā)展依靠于光學(xué)技術(shù)、紅外技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)及國(guó)家工業(yè)化程度的發(fā)展。3.光電干脆探測(cè)在監(jiān)測(cè)環(huán)境污染方面的應(yīng)用探測(cè)環(huán)境污染的程度已是人們特殊關(guān)切的問(wèn)題。對(duì)于大氣中的污染物質(zhì)．如CO、CO2,SO2等有害物質(zhì)，它們對(duì)紅外輻射都有確定的吸取波段，如表5—1所列。利用氣體分析儀可調(diào)量出它們?cè)诳諝庵械臐舛?。C02氣體分析儀的工作原理。干涉濾光片的透過(guò)波長(zhǎng)為4.3um4．脈沖激光測(cè)距儀距離的光電測(cè)量主要有兩種方法：脈沖法測(cè)距和相位法測(cè)距。脈沖激光測(cè)距儀在近地面運(yùn)用時(shí)主要的缺點(diǎn)是受氣象條件的影響較大(與雷達(dá)測(cè)距相比)。兩種方法相比較，相位法測(cè)距精度更高。(1)測(cè)距原理由激光器對(duì)被測(cè)目標(biāo)放射一個(gè)光脈沖，然后接收目標(biāo)反射回來(lái)的光脈沖，通過(guò)測(cè)量光脈沖來(lái)回所經(jīng)過(guò)的時(shí)間來(lái)算出目標(biāo)的距離。地面炮兵用脈沖激光測(cè)距儀6．光電相位測(cè)距儀(1)相位測(cè)距原理(2)相位測(cè)距儀原理儀器接受半導(dǎo)體發(fā)光管作為光源，它出射的光通量近似地與注入的驅(qū)動(dòng)電流成正比。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流為某頻率的正弦電流時(shí)，發(fā)光二極管輸出光通量(光強(qiáng)度)也為正弦變更，其初始相位與驅(qū)動(dòng)電流同相。出射光波經(jīng)放射光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后射向合作目標(biāo)。由合作目標(biāo)反射回來(lái)的光波經(jīng)接收物鏡后會(huì)聚于光電二極管上，轉(zhuǎn)換為正弦電壓信號(hào)相位計(jì)的測(cè)量信號(hào)相位相位計(jì)的基準(zhǔn)信號(hào)相位相位計(jì)測(cè)得相位差5.2光外差探測(cè)系統(tǒng)光外差探側(cè)在激光通信、雷達(dá)、測(cè)長(zhǎng)、測(cè)速、測(cè)振、光譜學(xué)等方面都很有用。其探測(cè)原理與微波及無(wú)線電外差探測(cè)原理相像。光外差探測(cè)與光干脆探測(cè)比較，其測(cè)量精度要高7~8個(gè)數(shù)量級(jí)。激光受大氣湍流效應(yīng)影響嚴(yán)峻，破壞了激光的相干性，因而目前遠(yuǎn)距離外差探測(cè)在大氣中應(yīng)用受到限制，但在外層空間特殊是衛(wèi)星之間通信聯(lián)系已達(dá)到好用階段。一、光外差探測(cè)原理光外差探測(cè)與干脆探測(cè)相比較有很多優(yōu)點(diǎn)，在干脆探測(cè)中由于光的振動(dòng)頻率高達(dá)2×1013~7.5×1014Hz，振動(dòng)周期T為5×10-14~1.3×10-15s(可見(jiàn)光到中近紅外)，而探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間最短10-10s,它只能響應(yīng)其平均能量或平均功率。在干脆探測(cè)中，設(shè)光波動(dòng)的圓頻率為ω，振幅為A，則光波f(t)寫(xiě)成平均功率fs為信號(hào)光波，fL為本機(jī)振蕩(本振)光波，這兩束平面平行的相干光，經(jīng)過(guò)分光鏡和可變光闌入射到探測(cè)器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場(chǎng)。經(jīng)探測(cè)器變換后,輸出信號(hào)中包含fc＝fs–fL的差頻信號(hào)．故又稱相干探測(cè).，入射到探測(cè)器上的總光場(chǎng)為由于光探測(cè)器的響應(yīng)與光電場(chǎng)的平方成正比，所以光探測(cè)器的光電流為式中：是光電變換系數(shù)，η為量子效率hυ為光子能量，ωc=ωL-ωs稱為差額。上式中第一、二項(xiàng)為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1／2。第三項(xiàng)(和頻項(xiàng))是余弦函數(shù)的平均值，應(yīng)為零。而第四項(xiàng)(差頻項(xiàng))相對(duì)光頻而言，頻率要低得多。當(dāng)差頻ωc/2π低于光探測(cè)器的截止頻率時(shí)，光探測(cè)器就有頻率為ωc/2π的光電流輸出。（見(jiàn)MCAD演示）外差探測(cè)不僅可探測(cè)振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可探測(cè)頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)。這是外差探測(cè)的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。二、光外差探測(cè)特性1、轉(zhuǎn)換增益光探測(cè)器輸出電流振幅為在干脆探測(cè)中，輸出信號(hào)電流的振幅外差轉(zhuǎn)換增益由于在外差探測(cè)中，本機(jī)振蕩光功率PL比信號(hào)光功率大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以，外差轉(zhuǎn)換增益可以高達(dá)107~108。由此看出，外差探測(cè)靈敏度比干脆探測(cè)靈敏度高107~108倍。這是外差探側(cè)的其次個(gè)優(yōu)點(diǎn)。2．光譜濾波性能假如取差頻信號(hào)寬度ωc/2π=ωL-ωs/2π為信息處理器的通頻帶Δf，那么只有與本機(jī)振蕩光束混頻后在此頻帶內(nèi)的雜光可以進(jìn)入系統(tǒng)，其他雜光所形成的噪聲均被信號(hào)處理器濾掉。因此，外差探測(cè)系統(tǒng)中不須要加光譜濾光片，其效果甚至比加濾光片的干脆探測(cè)系統(tǒng)還好得多。外差探測(cè)對(duì)背景光有強(qiáng)抑制作用。這是光外差探測(cè)的第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。3．外差探測(cè)信噪比假如入射到探測(cè)器上的光場(chǎng)不僅存在信號(hào)光波Ps，還存在背景光波Pb，輸出信噪比為說(shuō)明外差探測(cè)的輸出信噪比等于信號(hào)光波和背景光波振幅的比值，輸人信噪比等于輸出信噪比，輸出信躁比沒(méi)有任何損失。這是外差探測(cè)的第四個(gè)優(yōu)點(diǎn)。但是，當(dāng)本振光功率足夠大時(shí)，本振光產(chǎn)生的散粒噪聲遠(yuǎn)大于其他噪聲。本振光功率接著增大時(shí)，由本振光所產(chǎn)生的散粒噪聲隨之增大，從而使光外差探測(cè)系統(tǒng)的倍噪比降低。所以，在實(shí)際的光外差探測(cè)系統(tǒng)中要合理選擇本振光功率的大小，以便得到最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益。四、光外差探測(cè)典型系統(tǒng)1．干涉測(cè)量技術(shù)(1)激光干涉測(cè)長(zhǎng)的基本原理(2)激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀的光路沒(méi)置該光路中，運(yùn)用角錐棱鏡代替了平面反射鏡作為反射器，一方面避開(kāi)了反射光束反饋回激光器而對(duì)激光器帶來(lái)的不利影響，另一方面由于角錐棱鏡的特點(diǎn)，使得出射光束與入射光束平行，而棱鏡繞任一轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)均不影響出射光束的方向，當(dāng)它繞光學(xué)中心轉(zhuǎn)動(dòng)的角度不大時(shí)，它對(duì)光程的影響可以忽賂。角錐棱鏡的形態(tài)相當(dāng)于立方體切下來(lái)的一個(gè)角，它的三個(gè)內(nèi)表面作為光學(xué)反射面并相互垂直。當(dāng)光從基面入射，可在三個(gè)直角面上依次反射，仍從基面出射。出射光線與入射光線總保持平行。(3)干涉信號(hào)的方向判別與計(jì)數(shù)5.3光纖傳感器檢測(cè)系統(tǒng)光纖是20世紀(jì)后半葉的重要獨(dú)創(chuàng)之一。它與激光器、半導(dǎo)體光電探測(cè)器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，即光電子學(xué)新領(lǐng)域。光纖的最初探討是為了通訊；由于光纖具有很多新的特性，因此在其他領(lǐng)域也發(fā)展了很多新的應(yīng)用，其中之一就是構(gòu)成光纖傳感器。一、光纖的基本原理

光纖波導(dǎo)的原理光纖(fiber)—傳光的纖維波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱。

纖芯包層涂覆層護(hù)套光纖傳光原理

——全反射

n1>n2

入射角>θ法線n1n2θ臨界角θ＝arcsin(n2/n1)光纖傳光與數(shù)值孔徑n0200n2n1數(shù)值孔徑：n2n1多模階躍光纖nr多模梯度光纖n2n1單模梯度光纖單模光纖和多模光纖二、光纖的特性

光纖的衰減(或損耗)和色散(或帶寬)是描述光纖傳輸特性的兩個(gè)重要參量。

衰減的概念由于損耗的存在，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，不管是模擬信號(hào)還是數(shù)字脈沖，其幅度都要減小。光纖的損耗在很大程度上確定了系統(tǒng)的傳輸距離。在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β蔖隨距離z的變更，可以用下式表示式中，α是損耗(衰減)系數(shù)。設(shè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)(km)的光纖，輸入光功率為Pi，輸出光功率應(yīng)為

Po=Piexp(-αL)習(xí)慣上α的單位用dB/km，損耗(衰減)系數(shù)α=

色散的概念色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，由于不同成分的光的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。色散一般包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散。模式色散是由于不同模式的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的，它取決于光纖的折射率分布，并和光纖材料折射率的波長(zhǎng)特性有關(guān).

材料色散是由于光纖的折射率隨波長(zhǎng)而變更，以及模式內(nèi)部不同波長(zhǎng)成分的光(實(shí)際光源不是純單色光)，其時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的。這種色散取決于光纖材料折射率的波長(zhǎng)特性和光源的譜線寬度。波導(dǎo)色散是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān)而產(chǎn)生的，它取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯與包層的相對(duì)折射率差。三、光纖傳感器分類光纖傳感器按傳感原理可分為功能型和非功能型。功能型光纖傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，所以也稱傳感型光纖傳感器，或全光纖傳感器。非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變更，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，傳輸來(lái)自遠(yuǎn)處或難以接近場(chǎng)所的光信號(hào)．所以也稱為傳光型傳感器．或混合型傳感器。光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同可分為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器相位調(diào)制光纖傳感器頻率調(diào)制光纖傳感器偏振調(diào)制光纖傳感器波長(zhǎng)(顏色)調(diào)制光纖傳感器四、光調(diào)制與解調(diào)技術(shù)光調(diào)制就是將一個(gè)攜帶信息的信號(hào)疊加到載波光波上,完成這一過(guò)程的器件稱為調(diào)制器。調(diào)制器能使載波光波的參數(shù)隨外加信號(hào)變更而變更，這些參數(shù)包括光波的振幅、位相、頻率、偏振、波長(zhǎng)等。承載信息的調(diào)制光波在光纖中傳輸，再由光探測(cè)器系統(tǒng)解調(diào)，然后檢測(cè)出所須要的信息。

1．強(qiáng)度調(diào)制與解調(diào)

微彎效應(yīng)光強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)原理利用光在微彎光纖中強(qiáng)度的衰減原理，將光纖夾在兩塊具周期性水紋的微彎析構(gòu)成的變形器中構(gòu)成調(diào)制器。從波導(dǎo)理論的觀點(diǎn)來(lái)看，當(dāng)光纖發(fā)生彎曲時(shí)，傳輸光會(huì)有一部分泄漏到包層中去，這種泄漏是光纖內(nèi)發(fā)生模式耦合的結(jié)果，這些耦合模變?yōu)檩椛淠?，造成傳播光能量的損耗。纖芯中的光向包層逸出的緣由從幾何光學(xué)來(lái)說(shuō)是由于全反射條件的破壞造成的，從波導(dǎo)理論來(lái)說(shuō)則是光纖的彎曲引起了各種傳導(dǎo)模式的耦合，則形成耦合模式被送入包層中去產(chǎn)生輻射模。

微彎調(diào)制示意圖定量分析微彎效應(yīng)造成的損耗可寫(xiě)成如下形式

式中為齒距，為齒數(shù)目，為變形幅度，ａ為纖芯半徑，為光纖外半徑，為內(nèi)外層折射率差值。其中任何一個(gè)參數(shù)變更都會(huì)起到光強(qiáng)調(diào)制的作用。在實(shí)際問(wèn)題里，變形器及光纖參數(shù)全部固定時(shí)，則可認(rèn)為

實(shí)際測(cè)量框圖利用這種調(diào)制技術(shù)可以干脆測(cè)量位移的變更量(變形器上的變形板位移的大小確定光強(qiáng)的衰減程度),而間接測(cè)量的量則可包括溫度，壓力，振動(dòng)，應(yīng)變等。探測(cè)器脫模器脫模器脫模器的作用這里脫模器的作用是在進(jìn)入探測(cè)器之前消退掉進(jìn)入包層中的光以保證只有纖芯中的光才能傳到變形器和探測(cè)器。其方法是在幾厘米長(zhǎng)的包層外邊表面上刷上黑漆，這就可以以乎完全吸取掉傳入包層中的光（或者剝?nèi)ネ獍鼘又糜谡凵渎势ヅ涞男『兄校?。其它類型被測(cè)物體移動(dòng)引起光纖變形，曲率半徑隨之變更，引起輻射模。其它類型將光纖繞成多圈螺旋管狀，增加變形長(zhǎng)度以提高靈敏度。

微彎型水聽(tīng)器多模光纖繞于帶有螺紋的鋁管螺紋谷內(nèi)不會(huì)發(fā)生變形，而通過(guò)縱向槽的那部分光纖將由于外部壓力而變形，假如這種壓來(lái)來(lái)自于聲波，則可依此原理制成水聽(tīng)器。脫模器ＬＡＳＥＲ探測(cè)器

光強(qiáng)度的外調(diào)制技術(shù)

上述微彎調(diào)制技術(shù)屬于內(nèi)調(diào)制，屬于功能性調(diào)制技術(shù)，它是利用光纖本身特性的變更來(lái)實(shí)現(xiàn)光調(diào)制的。所謂外調(diào)制技術(shù)，是指調(diào)制環(huán)節(jié)發(fā)生在光纖以前的部分，光纖本身的性質(zhì)并不變更，它只起到傳光的作用。此時(shí)的光纖分為兩部分，即輸入光纖和輸出光纖，或發(fā)送光纖和接收光纖，由于接收光強(qiáng)與接收光纖的端面的法向方面有關(guān)，于是接收光纖的端面可以視為接收信號(hào)。

反射型光強(qiáng)外調(diào)制傳感器

a、原理由輸入光纖出射的光投射到反射面上，其反射光的一部分進(jìn)入輸出光纖，進(jìn)入多少與反射面位置有關(guān)。輸入光纖輸出光纖反射面定量分析反射鏡面的移動(dòng)方向是與光纖探頭端面垂直的，反射鏡面在其背面距離處形成輸入光纖的虛象，因此，光強(qiáng)調(diào)制作用是與虛光纖和輸出光纖的耦合相聯(lián)系的。設(shè)兩光纖皆為階躍折射率光纖，芯徑為，數(shù)值孔徑為，兩光纖垂直距離為ａ，并定義反射型光強(qiáng)外調(diào)制傳感器示意圖2ad2r輸出光纖輸入光纖的鏡像

檢測(cè)范圍則當(dāng)距離時(shí)，兩光纖的耦合為零，無(wú)反射光進(jìn)入輸出光纖；當(dāng)時(shí)，兩光纖耦合最強(qiáng)，輸出光強(qiáng)達(dá)最大值，此時(shí)輸入光纖的像發(fā)出的光維底面積將輸出光纖端面積全部遮蓋，是一個(gè)常數(shù)，光維底面積為

因此最大檢測(cè)范圍是即檢測(cè)位移的范圍在和

之間。遮光型光強(qiáng)外調(diào)制技術(shù)上面所言為反射式，除此之外還有遮光式，一種方法是將放射光纖和接收光纖對(duì)準(zhǔn)，光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)加在移動(dòng)的遮光板上；另一種方法是干脆移動(dòng)接收光纖。這兩種方式都是使接收光纖只能收到發(fā)送光纖發(fā)出的部分光，從而實(shí)現(xiàn)光調(diào)制。遮光型光強(qiáng)外調(diào)制技術(shù)用這種方法可以測(cè)量位移、壓力、溫度等物理量，這些物理量的變更都可使光強(qiáng)減弱由于閘式要使兩光纖距離大一些，因此光損耗較大，但它可固定兩光纖，因而運(yùn)用牢靠。光閘輸入光纖輸出光纖折射率光強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)

（反射系數(shù)式光強(qiáng)調(diào)制技術(shù)）

反射系數(shù)與兩介質(zhì)的折射率有關(guān)，利用折射率的變更來(lái)變更反射系數(shù)，則可達(dá)到調(diào)制光強(qiáng)的目的，下圖給出了一種典型裝置：光源探測(cè)器信號(hào)處理調(diào)制器

調(diào)制部分細(xì)節(jié)全反射面調(diào)制機(jī)理由光纖左端入射的光，一部分沿光路返回到探測(cè)器。調(diào)制機(jī)理是：光纖左端有兩個(gè)反射面，其中底面的為全反射面（鍍膜而成），兩反射面搭接，斜面反射面與折射率為的介質(zhì)接觸，調(diào)整斜面反射鏡的角度使纖芯光經(jīng)反射后能垂直入射到全反射面上，則纖芯光入射到斜反射面時(shí)能夠部分地透射到的介質(zhì)中去，由費(fèi)涅爾公式描述：

其中為強(qiáng)度反射系數(shù)，，為入射角?？梢?jiàn)，若介質(zhì)由于壓力或溫度的變更引起微小變更，則會(huì)導(dǎo)致反射系數(shù)的變更，從而導(dǎo)致反射光強(qiáng)的變更，利用此原理可設(shè)計(jì)溫度或壓力傳感器。

2、偏振調(diào)制與解調(diào)很多物理效應(yīng)都會(huì)影響或變更光的偏振狀態(tài)，接受這些效應(yīng)可設(shè)計(jì)偏振調(diào)制器，下面介紹一種典型效應(yīng)。法拉弟發(fā)覺(jué)，很多物質(zhì)在磁場(chǎng)的作用下可使穿過(guò)它的平面偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)（在光的傳播方向上加上強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)）法拉弟效應(yīng)（磁致旋光效應(yīng)）Ｈd振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度由閱歷公式給出：

式中為靜磁通量，為光所穿越的媒質(zhì)長(zhǎng)度，是比例因子，稱費(fèi)爾德常數(shù)，一種特定媒質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)隨頻率和溫度而變。實(shí)際例子對(duì)于氣體，約為，固體和液體為的量級(jí)。如對(duì)于1厘米長(zhǎng)的樣品，高斯的磁場(chǎng)，，此時(shí)振動(dòng)面將轉(zhuǎn)動(dòng)。利用法拉第效應(yīng)測(cè)磁場(chǎng)

實(shí)驗(yàn)裝置圖

調(diào)制電壓恒定磁場(chǎng)起偏器起偏器線偏振光從左面進(jìn)入晶體，橫向的直流磁場(chǎng)使YIG晶體在此方向上引起磁化飽和，而總的磁化強(qiáng)度矢量（由恒定磁場(chǎng)和線圈磁場(chǎng)所引起）可以變更方向，它對(duì)晶體軸的傾斜角度正比于線圈中的調(diào)制電流。因?yàn)榉ɡ苄D(zhuǎn)依靠于磁化強(qiáng)度的軸向重量，所以線圈電源限制了角，檢偏器依據(jù)馬呂定律把這一偏振調(diào)制轉(zhuǎn)換為振幅調(diào)制。也就是說(shuō)，要傳遞的信息作為調(diào)制電壓加在線圈上，則出射的激光束以振幅變更的形式攜帶著信息。這樣，為了獲得更大的法拉弟效應(yīng)，可以將放在磁場(chǎng)中的法拉弟材料做成平行六面體，使通光面對(duì)光線方向稍偏離垂直位置，并將兩面鍍層反射膜，只留入口和出口，這樣，若光束在其間反射次后出射，則有效旋光厚度為，則偏振面的旋轉(zhuǎn)角度將提高倍。高反射膜3、相位調(diào)制與解調(diào)

一、

利用光相位調(diào)制來(lái)測(cè)量某些物理量的開(kāi)發(fā)應(yīng)用已有一百多年的歷史，不過(guò)一般以空間作為干涉光路的干涉儀體積大，環(huán)境條件要求嚴(yán)格，調(diào)整也困難，因此限制了在工業(yè)中的應(yīng)用。光導(dǎo)纖維的出現(xiàn)為光學(xué)干涉儀開(kāi)拓了廣袤的天地，因?yàn)橛霉饫w代替自由空間作為干涉光路有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：一是削減了干涉儀安裝和校準(zhǔn)的固有困難，可使儀器小型化，塊體化。二是可以用加長(zhǎng)光纖的方法使干涉光路對(duì)環(huán)境參數(shù)的響應(yīng)靈敏度增加。調(diào)制原理光纖中傳導(dǎo)的光，其相位變更取決于處界物理量產(chǎn)生的光纖波導(dǎo)的下面三個(gè)參數(shù)的變更。①光纖物理長(zhǎng)度的變更（軸向應(yīng)變伸長(zhǎng)、熱膨脹引起的伸長(zhǎng)、泊松比變更引起長(zhǎng)度伸長(zhǎng)）②光纖折射系數(shù)及分布的變更（溫度引起、光彈效應(yīng)）③光纖橫截面幾何尺寸的變更（壓力、熱膨脹）為簡(jiǎn)化分析，假定分析折射率沿其截面分布不變更，則光相位調(diào)制只由光纖長(zhǎng)度、折射率大小和橫截面尺寸產(chǎn)生。光纖中傳播光相位變更可以表示為

―軸向長(zhǎng)度變更產(chǎn)生的相位移―折射率變更產(chǎn)生的相位移―光纖直徑變更產(chǎn)生的相位移其中

此三個(gè)因素中產(chǎn)生的相移表達(dá)式比較困難，與有關(guān)，其大小取決于光纖的結(jié)構(gòu)。

（為光纖軸向應(yīng)變）外施參量與光相位的關(guān)系可由被測(cè)量產(chǎn)生的光纖參量變更來(lái)求得，下面以溫度來(lái)說(shuō)明。外施溫度對(duì)光纖的熱影響是最簡(jiǎn)潔的狀況。此時(shí)可只考慮溫度對(duì)長(zhǎng)度和折射率變更而忽視溫度引起的直徑變更。則相位解調(diào)原理兩束相干光束(信號(hào)光束和參考光束)同時(shí)照射在一光電探測(cè)器上，光電流的幅值將與兩光束的相位差成函數(shù)關(guān)系：光電探測(cè)器對(duì)合成光束的強(qiáng)度發(fā)生響應(yīng)。設(shè)自由空間的阻抗為Zo，則入射到光電探測(cè)器光敏面Ad的功率為最終探測(cè)信號(hào)電流為上式括號(hào)中的后三項(xiàng)相當(dāng)于光頻的電流變更，光電探測(cè)器不能響應(yīng)如此高頻率的變更，可以忽視。因此上式可簡(jiǎn)化為可見(jiàn)，通過(guò)于涉現(xiàn)象能把光束之間的相位差轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)變更。當(dāng)E1=E1=E/2時(shí)，可進(jìn)—步簡(jiǎn)化為：幾種干涉測(cè)量?jī)x與光纖干涉?zhèn)鞲衅髟?/p>

邁克爾遜干涉儀單色光經(jīng)分束器分為光強(qiáng)相等的兩束光：一束射向固定反射鏡，然后反射到分束器，被其透射部分，由探測(cè)器接收；另一束入射到可移動(dòng)反射鏡上，然后反射回分束器，經(jīng)分束器反射的部分也傳到探測(cè)器；當(dāng)光程差小于激光器的相干長(zhǎng)度時(shí)，傳到探測(cè)器的兩束光則產(chǎn)生干涉。

邁克爾遜干涉儀示意圖激光器固定反射鏡探測(cè)器可移動(dòng)反射鏡調(diào)制器兩相干光的位相差為

式中為空氣中的光傳播常數(shù)，為兩相干光的光程差?？梢?jiàn)，可移動(dòng)反射鏡每移動(dòng)長(zhǎng)度，光探測(cè)器的輸出就從最大值變到最小值，再變到最大值，變更一個(gè)周期。假如運(yùn)用激光，它能檢測(cè)的位移大致為，即的位移。馬赫－澤德干涉儀示意圖固定反射鏡光源探測(cè)