光电检测技术—第八章

1、 本文由小恨有疆贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第八章 相干检测方法与系统 第八章 相干检测方法与系统 掌握内容 相干检测系统 理解内容 形成各光电检测系统的方法 了解内容 各光电系统的运用 第八章 相干检测方法与系统 8.1 相干检测的基本原理 8.2 基本干涉系统及应用 8.3 同频率相干信号的相位调制与检测 方法 8.4 光外差检测方法与系统 8.1 相干检测的基本原理 相干检测就是利用光的相干性对光载波 所携带的信息信号进行检测和处理，它 只有采用相干性好的激光器作为光源才 能实现。 从理论上讲，相干检测能准确检测到光 波振幅

2、、频率和相位所携带的信息。 8.1 相干检测的基本原理 但由于光波的频率很高，迄今为止的任 何光电探测器都还不能直接感受光波本 身的振幅、相位、频率及偏振的变化， 而只能探测光的强度。因此，光的这些 特征参量最终都须转换为光强的变化进 行探测。而这种转换就必须通过干涉测 量技术。 8.1 相干检测的基本原理 （一）光学干涉和干涉测量 光干涉是指可能相干的两束或多束光波相叠 加，它们的合成信号的光强度随时间或空间 有规律的变化。 干涉测量的作用就是把光波的相位关系或频 率状态以及它们随时间的变化关系以光强度 的空间分布或随时间变化的形式检测出来。 8.1 相干检测的基本原理 干涉条纹的强度信息和

3、被测量的相关参数相 对应。对干涉条纹进行计数或对条纹形状进 行分析处理，可以得到相应的被测信息。 8.1 相干检测的基本原理 （二）干涉测量技术中的调制和解调 干涉测量实质是被测信息对光载波的调制和 解调的过程。 各种类型的干涉仪或干涉装置是光频载波的 调制器和解调器。 幅值调制、相位调制、频率调制、偏振调制 、光波谱调制。 8.1 相干检测的基本原理 8.2 基本干涉系统及应用 能形成干涉现象的装置是干涉仪。 作用：将光束分成两个沿不同路径传播 的光束，在其中一路中引入被测量，产 生光程差后，再与另一路参考光重新合 成为一束光，一边观察干涉现象。 8.2 基本干涉系统及应用 1、典型的双光束

4、干涉系统 8.2 基本干涉系统及应用 8.2 基本干涉系统及应用 2、多光束干涉系统 8.2 基本干涉系统及应用 3、光纤干涉仪 8.2 基本干涉系统及应用 8.3 同频率相干信号的相位调制与 检测方法 当两束相干光束的频率相同时，若被测 量变化使相干光波的相位发生变化，再 通过干涉作用把光波相位的变化变换为 振幅的变化，这个过程称为单频光波的 相位调制。 8.3 同频率相干信号的相位调制与 检测方法 一、相位调制与检测的原理 干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，而相位 差又取决于光传输介质的折射率n对光的传播距 离ds的线积分。 = 2 0 (L?n + n?L) 光波传播介质折射率和光程长

5、度的变化都将导致 相干光相位的变化，从而引起干涉条纹强度的改 变。 8.3 同频率相干信号的相位调制与 检测方法 二、干涉条纹的检测方法 被测参量一般是通过改变干涉仪中传输光的 光程而引起对光的位相调制。 它以干涉条纹的变化反映被测参量的信息。 干涉条纹检测实际是检测干涉条纹的光强度 分布或其随时间的变化。 基本的条纹检测法包括条纹光强检测法、条 纹比较法和条纹跟踪法。 8.3 同频率相干信号的相位调制与 检测方法 1、干涉条纹光强检测法 在干涉场中确定的位置上用光电元件直 接检测干涉条纹的光强变化称为条纹光 强检测法。 8.3 同频率相干信号的相位调制与 检测方法 单频光相干时，合成信号的瞬

6、时光强为： I (x, y, t) = a + a2 + 2a1a2 cos?(t) 2 1 2 L I = I01+ cos(2n ) 8.3 同频率相干信号的相位调制与 检测方法 2、干涉条纹比较法 对应同一位移，比较不同波长的两个光束干 涉条纹的变化差异的方法称作干涉条纹比较 法。 从这种原理出发，设计出了许多精确测量波 长的波长计。 8.3 同频率相干信号的相位调制与 检测方法 条纹比较法波长测量原理图 1半透半反镜 2，3圆锥角反射镜 n = (1+ ) MN n r B 8.3 同频率相干信号的相位调制与 检测方法 3、干涉条纹跟踪法 干涉条纹跟踪法是一种平衡测量法。 在干涉仪测量

7、镜位置变化时，通过光电接收 器实时地检测出干涉条纹的变化。同时利用 控制系统使参考镜沿相应方向移动，以维持 干涉条纹保持静止不动。 根据参考镜位移驱动电压的大小可直接得到 测量镜的位移。 8.3 同频率相干信号的相位调制与 检测方法 条纹跟踪法干涉系统示意图 8.3 同频率相干信号的相位调制与 检测方法 图8-9 二次相位调制方框图 8.4 光外差检测方法与系统 相干检测的主要方式是外差检测。 两不同频率相干光信号的相位调制与检 测。 激光通信、雷达、测长、测速等。 距离远、测量精度高。 相干性要求极高。 8.4.1 光外差检测原理 光学外差检测利用两束频率不相等的相 干光（包含有被测信息的相

8、干光调制波 和作为基准的本机振荡光波），在满足 波前匹配条件下在光电探测器上进行光 学混频。 探测器的输出时频率为两光波光频差的 拍频信号。 含调制信号的振幅、频率和相位特征。 8.4.1 光外差检测原理 8.4.1 光外差检测原理 光电探测器输出的光电流为： I p = P = ES (t) + EL (t)2 = AS cos2 (S t +?S ) + AL cos2 (Lt +?L ) 2 2 平均值，1/2 差频项，可响应 + AS AL cos(L + S )t + (?L +?S ) + AS AL cos(L ?S )t + (?L ?S ) 和频项，0 外差信号的参量ASAL

9、、 （L-S）、（L-S）可表征 信号光波的参量 光学外差信号表达式 VIF = AS AL RL cos(L ? S )t + (?L ?S ) 等于0时，为光零差检测 8.4.2 光外差检测的特性 检测能力强 转换增益高 信噪比高 滤波性好 稳定性和可靠性好 极限灵敏度小 空间和偏振鉴别能力好 8.4.2 光外差检测的特性 1、检测能力强 光波的振幅、相位及频率的变化都会引起光 电探测器的输出，因此外差检测不仅能够检 测出振幅和强度调制的光波信号，而且可以 检测出相位和频率调制的光波信号，是测试 光的波动性的一种非常有效的方法。 8.4.2 光外差检测的特性 2、转换增益高 A = P /

10、 SP IF 2P A= L P S 相干检测中本振光的功率远大于接收到的信 号光功率，通常高几个数量级，107108。 强光下，外差检测好处不明显。弱光下，外 差检测表现出十分高的转换增益。 外差检测具有天然的检测微弱信号的能力。 8.4.2 光外差检测的特性 3、信噪比高 与直接检测相比，弱光下，有高得多的灵敏 度；强光下，信噪比高一倍。 外差检测可以检测出更小的入射功率，因此 有利于弱光信号的检测。 8.4.2 光外差检测的特性 4、滤波性好 外差检测能够滤除背景光，有较强的空间滤 波能力。 光外差探测系统具有良好的光谱滤波性能。 8.4.2 光外差检测的特性 5、稳定性和可靠性好 外差

11、信号通常是狡辩的射频或中频信号，并 且多采用频率和相位调制，即使被测参量为 零，载波信号仍保持稳定的幅度。 对这种交流的测量系统，系统直流分量的漂 移和光信号幅度的涨落不直接影响检测性能 ，能稳定可靠的工作。 8.4.3 光外差检测条件 1、光外差检测的空 间条件 sin( S d / 2Vx ) =1 S d / 2Vx 8.4.3 光外差检测条件 结论： 失配角与信号光波长成正比，与光混频器 的尺寸成反比。 即波长越长，光电探测器尺寸越小，则所容 许的失配角就越大。 波长越短，空间准直要求也越苛刻。 红外波段外差探测比可见光波段更有利。 外差探测具有很好的空间滤波性能。 8.4.3 光外差

12、检测条件 2、光外差检测的频率条件 光外差检测除了要求信号光和本振光必须保 持空间准直、共轴以外，还要求两者具有高 度的单色性和频率稳定度。 在光外差探测中，需采用专门措施稳定信号 光和本振光的频率和相位。 通常两束光取自同一激光器，通过频率偏移 取得本振光，而信号光用调制的方法得到。 8.4.3 光外差检测条件 3、光外差检测的偏振条件 在光混频器上要求信号光与本振光的偏振方 向一直，这样两束光才能按光束叠加规律进 行合成。 分别让两束信号中偏振方向与检偏器透光方 向相同的信号通过，以此来获得两束偏振方 向相同的光信号。 8.4.4 光外差检测的调频方法 根据光频差获得方式的不同，外差调频

13、可以分为运动参量调频、固定频移和直 接调频法三种类型。 8.4.4 光外差检测的调频方法 一、运动参量的频率调制 对运动参量进行检测时，被测运动参量直接 对参考光波的频率进行调制，形成与参考光 束有一定频差的信号光，这种频率调制方法 称为参量调频法。 8.4.4 光外差检测的调频方法 1、光学多普勒效应和运动差频 运动物体能改变入射于其上的光波的频率的 现象称作光学多普勒效应。 频率为f0的单色光入射到以速度v运动的物 体上，被物体散射的光波频率fs会产生多普 勒频移f， f与散射方向有关。 8.4.4 光外差检测的调频方法 8.4.4 光外差检测的调频方法 8.4.4 光外差检测的调频方法

14、2、萨古纳克效应和转动差频 这种闭合光路的反向光路光程差随转速改变 的现象称作萨古纳克效应。 8.4.4 光外差检测的调频方法 二、固定频移的频率调制 使用频移器件使参考光波相对信号光形成一 固定的频率偏移，或利用双频光源形成有一 定频差的两束相干光束的频率调制方法称作 固定频移法。 塞曼效应激光频移、声光效应激光频、移旋 转拨片激光频移、旋转光栅激光偏移。 8.4.4 光外差检测的调频方法 8.4.4 光外差检测的调频方法 三、直接光频调制 利用可进行频率调制的激光器（如半导体激 光器）产生随时间变化的调频参考光束的频 率调制方法称为直接调频法。 8.4.4 光外差检测的调频方法 1、半导体

15、激光器的直接频率调制 半导体激光器做为新型的相干光源，具有良 好的工作特性。 2、直接调频光干涉测量 直接调频的迈克尔干涉仪 8.4.4 光外差检测的调频方法 8.4.5 光外差检测方法与应用 光外差检测实际上就是频差检测，根据 频率调制方法的不同，形成频差方法不 同，所以有不同的检测方法。 8.4.5 光外差检测方法与应用 1、直接频率调制的外差检测 在直接调频法中，可利用能进行频率调 制的激光器产生随时间变化的调频参考 光束，被测参量对其中一束光波作二次 调制。 检测外差信号可解调出被测参量值。 8.4.5 光外差检测方法与应用 8.4.5 光外差检测方法与应用 (1)直接调频光干涉测量法 图8-20 直接调频的迈克尔逊干涉仪原理图 8.4.5 光外差检测方法与应用 (2) 双频切换干涉法 8.4.5 光外差检测方法与应用 (3)线性扫描调频干涉法 8.4.5 光外差检测方法与应用 2、零差检测和超外差