《光电测量技术》(第八章)

1、光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所1第八章第八章 相干光信号变换与检测相干光信号变换与检测光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所2 利用光电方法对各种干涉现象进行检测和处理，最终检测出几何参量和物理参量的技术称为光电干涉测量技术光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所3 与一般的光学测试技与一般的光学测试技术相比，光干涉测试术相比，光干涉测试技术具有更高的测试技术具有更高的测试灵敏度和准确度灵敏度和准确度光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所4第一节第一节 相干变换与检测原理相干变换与检测原理一、相干光信息及光干涉原理一

2、、相干光信息及光干涉原理n光干涉光干涉是是指可能相干的两束或多束光波指可能相干的两束或多束光波相重叠，它们的合成光波随其空间相位相重叠，它们的合成光波随其空间相位关系表现出不同的光强空间分布或时序关系表现出不同的光强空间分布或时序变化的现象变化的现象光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所5第一节第一节 相干变换与检测原理相干变换与检测原理12,0 n1）当两束光频率相同时）当两束光频率相同时 I x yA x,y1+r x,y cosx,y ,上式表明，单频相干时随相位变化的干涉条纹强度上式表明，单频相干时随相位变化的干涉条纹强度分布表现为余弦分布分布表现为余弦分布单频干涉测

3、量的基础单频干涉测量的基础光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所6第一节第一节 相干变换与检测原理相干变换与检测原理L002ndl n2）当两束光频率不同时，则形成频差）当两束光频率不同时，则形成频差若频差较小时，则光电检测器件可检测到的干涉条纹若频差较小时，则光电检测器件可检测到的干涉条纹以以角频率在波动，而形成光拍频，即角频率在波动，而形成光拍频，即外差干涉外差干涉干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，而相位差取干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，而相位差取决于传输介质的折射率决于传输介质的折射率n和光传播距离和光传播距离dl的线积分的线积分0022Ln+nL光电信息测控技

4、术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所7第一节第一节 相干变换与检测原理相干变换与检测原理二、相干测量中的调制和解调二、相干测量中的调制和解调n光调制技术是将被测物理量的相关信息叠加到光调制技术是将被测物理量的相关信息叠加到光载波上。光载波上。光调制技术光调制技术振幅调制振幅调制AM相位调制相位调制PM频率调制频率调制FM偏振调制偏振调制POM光波谱调制光波谱调制SM光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所8相干光信息相干光信息物理效应物理效应 干涉图干涉图 衍射图衍射图 莫尔拓扑图莫尔拓扑图散斑图散斑图全息图全息图光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所9

5、相干光频率相干光频率单频双光束或单频双光束或多光束干涉多光束干涉双频双光束干涉双频双光束干涉多频多光束干涉多频多光束干涉光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所10相干场的时空范围相干场的时空范围局部空间内的局部空间内的随时间变化干涉信号随时间变化干涉信号一定空间内的一定空间内的空间干涉信号空间干涉信号一定空间内的一定空间内的时间干涉信号时间干涉信号光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所11光波分光光波分光振幅式干涉仪振幅式干涉仪分波阵面式干涉仪分波阵面式干涉仪光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所12相干光束传播路径相干光束传播路径共程干涉

6、共程干涉非共程干涉非共程干涉光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所13以迈克尔逊干涉仪为例以迈克尔逊干涉仪为例参考镜参考镜单色光源单色光源光电检测器光电检测器测量镜测量镜L被测参量被测参量L，L/t光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所14光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所15影响干涉条纹对比度的因素影响干涉条纹对比度的因素干涉条纹图样对比度降低的普遍原因：干涉条纹图样对比度降低的普遍原因：minmaxminmaxIIIIK1）光源的时间相干性和空间相干性；）光源的时间相干性和空间相干性；2）相干光束的光强不相等；）相干光束的光强不相等

7、；3）杂散光的存在；）杂散光的存在；4）各光束的偏振状态有差异。）各光束的偏振状态有差异。光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所161)光源的时间相干性和空间相干性光源的时间相干性和空间相干性nL=m光程差相同的点光程差相同的点形成的亮线称为亮纹形成的亮线称为亮纹L2nL=（m+1/2）光程差光程差相同的点形成的暗线称为相同的点形成的暗线称为暗纹暗纹n当当 + 的第的第m级亮纹与级亮纹与的第的第m+1级亮纹重合后，所级亮纹重合后，所有亮纹开始重合有亮纹开始重合 光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所17n以上条件可作为尚能分辨干涉条纹的限度，即以上条件可作为

8、尚能分辨干涉条纹的限度，即mm 1m2MLn由此得到最大干涉级由此得到最大干涉级 与此相对应得上能产生干涉条纹的两支相干光与此相对应得上能产生干涉条纹的两支相干光的的最大光程差最大光程差（或称为（或称为光源的相干长度光源的相干长度）为）为 上式表明，光源的相干长度与光源的谱线宽度上式表明，光源的相干长度与光源的谱线宽度成反比。成反比。光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所18n例如：用镉红光作为光源时，如果其波长为例如：用镉红光作为光源时，如果其波长为=643.8nm，光谱宽度，光谱宽度=0.0013nm，可计算出，可计算出相干长度为相干长度为mmLM3002 用用He-Ne

9、激光作为光源时，如果其波长为激光作为光源时，如果其波长为=632.8nm，光谱宽度，光谱宽度10-8nm，可计算出相，可计算出相干长度为干长度为kmnmLM40104132 由于有足够长的相干长度，故不必调整两支光路由于有足够长的相干长度，故不必调整两支光路的相干光程相等。的相干光程相等。光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所19 2）相干光束的光强不相等；）相干光束的光强不相等；n干涉图样的照度，在很大程度上取决于光源的尺寸，而干涉图样的照度，在很大程度上取决于光源的尺寸，而光源尺寸的大小又会对各类干涉仪的干涉图样的对比度光源尺寸的大小又会对各类干涉仪的干涉图样的对比度有不

10、同的影响有不同的影响n不同角的平行光束经干涉仪形成彼此错开的等厚干涉不同角的平行光束经干涉仪形成彼此错开的等厚干涉条纹，经叠加后形成的干涉条纹如下图所示条纹，经叠加后形成的干涉条纹如下图所示光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所20如果取对比度为如果取对比度为0.9，可得光源的许可半径为，可得光源的许可半径为hfrm2许可半径正比于准直物镜的焦距，反比于等效空气层厚度许可半径正比于准直物镜的焦距，反比于等效空气层厚度h的开方的开方光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所21n在干涉测量中，采取尽量减小光源尺寸的措施，固然在干涉测量中，采取尽量减小光源尺寸的措施

11、，固然可以提高条纹的对比度，但干涉场的亮度也会随之减可以提高条纹的对比度，但干涉场的亮度也会随之减弱，不利于观测弱，不利于观测n设法改变参考光路或测量光路的光程，使两路光的等设法改变参考光路或测量光路的光程，使两路光的等效空气层厚度减薄，可以达到适当开大光阑孔的目的效空气层厚度减薄，可以达到适当开大光阑孔的目的n为上述目的在干涉仪中采取的相应技术措施，为上述目的在干涉仪中采取的相应技术措施，称为称为保证空间相干性保证空间相干性光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所22第二节第二节 相干光的相位调制和检测相干光的相位调制和检测一、单频光相位调制和条纹检测一、单频光相位调制和条纹

12、检测1、单频光的相位调制、单频光的相位调制光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所23 I x yA x y1+r x,yx y,cos, ,L002ndl 0022Ln+nL光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所24激光器传感器固定镜M2测量镜分光镜光电检测器迈克耳逊迈克耳逊(Michelson)干涉仪干涉仪光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所25镀膜参考物被测物光电检测器吉曼吉曼（Gell-Mann）干涉仪干涉仪光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所26激光器传感器固定镜分光镜2分光镜1测量镜光电检测器马赫马赫-泽德干

13、涉仪泽德干涉仪（Mach-Zehnder）光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所27激光器分光镜1光电检测器萨古纳克干涉仪萨古纳克干涉仪（Sagnac）被测物光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所28激光器传感器光电检测器参考物测量镜d法布里法布里- -珀罗罗干涉仪珀罗罗干涉仪（Fabry-Perot）光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所29第二节第二节 相干光的相位调制和检测相干光的相位调制和检测一、单频光相位调制和条纹检测一、单频光相位调制和条纹检测2、单频光的条纹调制、单频光的条纹调制光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装

14、备研究所30光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所31光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所32 221212I x y taa2a at cos, , 22121201I x y taa2a at dt cos, , 001t dt coscos 001t dt coscos tcos I x y t, , t光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所33 001t dt coscos01 只有在只有在大时光强随相位变化才明显大时光强随相位变化才明显当当=0时，只有直流分量时，只有直流分量，表明在，表明在检测时间内两光束不相干检测时间内两光束

15、不相干 当当=1时，表明在时，表明在检测时间内相位保持不变，相干度最大检测时间内相位保持不变，相干度最大光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所34光的单色性对相干度的影响光的单色性对相干度的影响0 2020202L2LC2Lsinsin 20光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所35光源光束发散角的影响光源光束发散角的影响0002 n Li2 n LiC2 n Lisinsinsinsinsin 光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所36光电接收元件的接收孔阑的影响光电接收元件的接收孔阑的影响 2212122I xaa2a axDcos若干

16、涉条纹间距为若干涉条纹间距为D，则沿，则沿x方方向的条纹光强分布为向的条纹光强分布为光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所37在不同位置上的光点检测器件的输出光电流为在不同位置上的光点检测器件的输出光电流为Is,有有00hlx2222hlS1212x222212122212122IKdyaa2a ax dxDl2Khl aa2a aCxDD2Khl aa2a axDcossincoscos llDClDDsinsin 为混频效率为混频效率光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所38n当当l/D趋于零，即光阑趋于零，即光阑lD，则，则=1，信号交流分量幅度大，信

17、号交流分量幅度大n当当l/D=1， 则则=0，信号只有直流分量，对比度为零，信号只有直流分量，对比度为零n通常，在通常，在l一定时，用调节条纹宽度一定时，用调节条纹宽度D来提高混频效率来提高混频效率n请注意：请注意：l 的大小还有滤波作用，如的大小还有滤波作用，如l=D/2，可滤去，可滤去2n次谐波分量次谐波分量光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所39n在干涉条纹检测时，还要判断干涉条纹的运动方向并可逆技术在干涉条纹检测时，还要判断干涉条纹的运动方向并可逆技术n需要获得相位差为需要获得相位差为90的两路信号的两路信号n其方法有：其方法有：1）直接放光电元件，用其位置不同来获

18、得）直接放光电元件，用其位置不同来获得90相差相差2） 用移相板用移相板3） 在分光镜上镀一层移相膜在分光镜上镀一层移相膜4） 加偏振片移相加偏振片移相光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所40光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所41光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所42光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所43第二节第二节 相干光的相位调制和检测相干光的相位调制和检测二、单频光波面的相位调制测量与干涉图分析二、单频光波面的相位调制测量与干涉图分析光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所441、单频光

19、波面的相位调制、单频光波面的相位调制光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所45光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所46n以泰曼以泰曼-格林干涉仪格林干涉仪为例来分析为例来分析光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所47rrrjyxayxUyxjyxayxUexp,exp,000yxayxaayxayxIrrr,cos,2,00220yxn,干涉场上的光强分布为干涉场上的光强分布为再考虑到光路折返再考虑到光路折返yxL,yxLnyxnLyxyxr,4,00折射率分布；折射率分布；物面变形分布物面变形分布当当n不变时不变时当当L不变时不变时yx

20、Lnyx,4,0yxnLyx,4,0光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所482、干涉图样分析、干涉图样分析n干涉图样是二维图形干涉图样是二维图形光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所49 实际波面的面形轮廓相对于理想参考波面的几何实际波面的面形轮廓相对于理想参考波面的几何偏差定义为偏差定义为波面偏差波面偏差干涉条纹分析中干涉条纹分析中最基本的信息是被测波面最基本的信息是被测波面相对于参考标准波面的波面偏差及实际波相对于参考标准波面的波面偏差及实际波面的轮廓形状面的轮廓形状1、波面偏差的表示、波面偏差的表示nHhW 由条纹之间的偏差所由条纹之间的偏差所表示的

21、波面偏差为表示的波面偏差为 H最适条纹间隔最适条纹间隔 n干涉仪的通道数（光束通过样品次数）干涉仪的通道数（光束通过样品次数）光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所502、光学零件面形偏差、光学零件面形偏差GB281381国家标准规定了光圈的识别办法国家标准规定了光圈的识别办法1）半径偏差（）半径偏差（N）2）像散偏差（）像散偏差（1N）3）局部偏差（）局部偏差（ 2N ） 被检光学表面的曲率半径相对参考表面曲率半径的偏差，被检光学表面的曲率半径相对参考表面曲率半径的偏差，以所对应的光圈数以所对应的光圈数N来表示来表示 被检光学表面与参考表面在两个相互垂直方向上的光圈数被检光

22、学表面与参考表面在两个相互垂直方向上的光圈数不等所对应的偏差不等所对应的偏差 被检光学表面与参考表面在任一方向上产生的干涉条纹的被检光学表面与参考表面在任一方向上产生的干涉条纹的局部不规则程度局部不规则程度光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所51半径偏差N的度量光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所52像散像散1N偏差的度量偏差的度量光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所53局部局部2N偏差的度量偏差的度量光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所54n泰曼泰曼-格林干涉仪的独特的物理性质：格林干涉仪的独特的物理性质：n能看

23、到整个视场，即看到参考镜和被测物面的任何一部分能看到整个视场，即看到参考镜和被测物面的任何一部分n根据干涉条纹的变化就可判断被测光学元件的质量根据干涉条纹的变化就可判断被测光学元件的质量n用于表征初级像差所产生的双光束干涉图，可按金用于表征初级像差所产生的双光束干涉图，可按金斯莱克斯莱克（Kingslak）所论述的方法进行分析，相对于）所论述的方法进行分析，相对于高斯像点中心的波像差（高斯像点中心的波像差（OPD）可由下式求）可由下式求出出光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所55FxEyyxDyxCyxByyxAOPD2222222223224fRA纵向三级像差lhRB2径

24、向慧差22lC径向像散离焦22lLD轴倾斜绕xlhE轴倾斜绕 yltF透镜的半径R距离透镜的后表面到像点的l像高h离焦量L倾斜量轴横向位移产生的波面轴和分别由像沿、yxth光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所56A、完善透镜没有倾斜时没有倾斜时E=F=0E=5的倾斜时，条纹的倾斜时，条纹方向平行于倾斜方向方向平行于倾斜方向有离焦但无有离焦但无倾斜倾斜既有离焦又既有离焦又有倾斜有倾斜光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所57B、球差A=6没有离焦没有离焦（D=0）和倾斜）和倾斜（E=F=0）平均焦距处平均焦距处D=A，E=5，F=0平均焦距处平均焦距处D=A

25、，E=F=0D=2,A=10,E=F=0D=2,A=10,E=5，F=0A=2 （D=0）（E=F=0）光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所58C、彗差B=5时，没有离焦的近时，没有离焦的近轴彗差图轴彗差图中间干涉图是没有倾斜中间干涉图是没有倾斜E=F=0的的两边的条纹图是有不同组两边的条纹图是有不同组合倾斜（合倾斜（E=3,F=3）光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所59B=5时，有少量离焦时，有少量离焦（D=2）的彗差干涉图）的彗差干涉图中间干涉图是没有倾斜中间干涉图是没有倾斜E=F=0的的两边的条纹图是有不同组两边的条纹图是有不同组合倾斜（合倾斜（

26、E=3,F=3）光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所60D、像散C=2时的像散干涉图D=0时可得到匹茨瓦Petzval焦点，可得像散OPD223yDCxDCOPD若C+D=0，为径向焦点若3C+D=0，为子午焦点若C+D=-(3C+D)，D=-2C为平均焦点右图为匹茨瓦焦点处各方向有倾斜时的干涉图（E=3,F=3）光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所61C=2时的像散干涉图 右图为表示在径向焦点处有组合倾斜时的像散干涉图光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所62C=2时的像散干涉图 右图为表示在平均焦点处有组合倾斜时的像散干涉图光电信息

27、测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所63C=2时的像散干涉图 右图为表示在子午焦点处有组合倾斜时的像散干涉图光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所64E、组合像差球差和彗差组球差和彗差组合的干涉图合的干涉图球差和像散组球差和像散组合的干涉图合的干涉图彗差和像散组彗差和像散组合的干涉图合的干涉图球差、彗差、像球差、彗差、像散同时存在的组散同时存在的组合干涉图合干涉图光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所653、斐索干涉仪、斐索干涉仪n由于普通干涉仪的参考光束和测量光束沿着彼此由于普通干涉仪的参考光束和测量光束沿着彼此分开的光路行进，它们受到环境的震

28、动和温度的分开的光路行进，它们受到环境的震动和温度的影响不同影响不同n若不采取适当的隔振和恒温措施，则在观察面或若不采取适当的隔振和恒温措施，则在观察面或接收面上的干涉条纹是不稳定的，也就不可能进接收面上的干涉条纹是不稳定的，也就不可能进行精确测量行精确测量n而共路干涉仪可以较好地解决上述问题而共路干涉仪可以较好地解决上述问题光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所66n共路干涉仪：共路干涉仪：就是干涉仪中参考光束与测量光束就是干涉仪中参考光束与测量光束经过同一光路的干涉仪经过同一光路的干涉仪n共路干涉仪的优点：共路干涉仪的优点：对环境的震动和温度、气流的变化能产生彼此共模抑制

29、对环境的震动和温度、气流的变化能产生彼此共模抑制无需隔振和恒温条件也能获得稳定的干涉条纹无需隔振和恒温条件也能获得稳定的干涉条纹具有不需要尺寸等于被测表面的参考表面具有不需要尺寸等于被测表面的参考表面参考光束直接来自被测表面的微小区域，不受被测表面参考光束直接来自被测表面的微小区域，不受被测表面误差的影响误差的影响可直接获得被测表面的缺陷信息可直接获得被测表面的缺陷信息光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所67n在上述这类共路干涉仪中，干涉场中心的两支光在上述这类共路干涉仪中，干涉场中心的两支光束的光程差一般为零，对光源的时间相干性要求束的光程差一般为零，对光源的时间相干性要

30、求不高，可以采用白光光源不高，可以采用白光光源n而在另一类共路干涉仪中，干涉是由一支光束相而在另一类共路干涉仪中，干涉是由一支光束相对于另一支光束错位产生的，即参考光束和检测对于另一支光束错位产生的，即参考光束和检测光束均受被测表面信息的影响，所产生的干涉图光束均受被测表面信息的影响，所产生的干涉图不直接反映被测表面的信息，需经过计算才能求不直接反映被测表面的信息，需经过计算才能求得得此类干涉称为此类干涉称为共路错位干涉仪共路错位干涉仪光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所68斐索共路干涉仪n共路干涉仪是借助一些特殊的分共路干涉仪是借助一些特殊的分束器来实现的束器来实现的n当

31、参考平面和被测表面之间形成当参考平面和被测表面之间形成很小的空气楔时，可以看到或检很小的空气楔时，可以看到或检测到等厚条纹测到等厚条纹n若参考平面是理想的，则等厚条若参考平面是理想的，则等厚条纹的任何形状变化就可认为是被纹的任何形状变化就可认为是被测表面的缺陷测表面的缺陷光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所69n用凹面镜准直光束的斐用凹面镜准直光束的斐索干涉仪索干涉仪n针孔的离焦、准直透镜针孔的离焦、准直透镜的像差及分光镜的厚度的像差及分光镜的厚度都会使出射光束的准直都会使出射光束的准直性受到影响，在设计时性受到影响，在设计时应有严格要求应有严格要求光电信息测控技术与装备研

32、究所光电信息测控技术与装备研究所70光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所71n必须指出：只有参考面与被测面之间的必须指出：只有参考面与被测面之间的空气间隔很小且在结构上使两者形成一空气间隔很小且在结构上使两者形成一体时，才能具有共路干涉的特性，对外体时，才能具有共路干涉的特性，对外界干扰才具有界干扰才具有“脱敏脱敏”性能性能n空气间隔小的称为共路型斐索干涉仪空气间隔小的称为共路型斐索干涉仪n空气间隔大的称为非共路型斐索干涉仪空气间隔大的称为非共路型斐索干涉仪光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所72n相干探测的主要方式为外差干涉探测相干探测的主要方式为外差

33、干涉探测一、光学外差检测原理一、光学外差检测原理n光学外差探测将包含被测信息的相干调制光波光学外差探测将包含被测信息的相干调制光波合作为基准的本机振荡光波合作为基准的本机振荡光波n在满足波前匹配条件情况下在光电检测元件上在满足波前匹配条件情况下在光电检测元件上进行光学混频进行光学混频n光电检测元件的输出是频率为两束光波光频差光电检测元件的输出是频率为两束光波光频差的拍频信号的拍频信号光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所73入射光波 SSSStatUsin 0000sintatU0022SS S0S0S0S0S0S00020SS2202020220tcosa2atcosa2a

34、2t2cosa2t2cosaaa22SSeSSeSehsStUtUtUtUStUtUSI参考光波光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所74t2cosaatcosaaS0S0S0S0eehsSSI光学外差信号表达式光学外差信号表达式光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所75光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所76n参考光为相干光的光频率和相位的比较基准参考光为相干光的光频率和相位的比较基准n信号光可以由本机振荡光分束后经调制形成，信号光可以由本机振荡光分束后经调制形成，多用于干涉测量多用于干涉测量n信号光采用独立的相干光源保持与本机振荡光信

35、号光采用独立的相干光源保持与本机振荡光波的频率跟踪和相位同步，波的频率跟踪和相位同步，多用于相干通信多用于相干通信光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所77n光外差检测的特性：光外差检测的特性：1）探测能力强）探测能力强2）转换增益高）转换增益高3）信噪比高）信噪比高4）滤波性好）滤波性好5）稳定性和可靠性高）稳定性和可靠性高光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所78二、外差检测的调频方法二、外差检测的调频方法n为实现外差检测所必需的光频差，工程上采用为实现外差检测所必需的光频差，工程上采用多种频率调制技术多种频率调制技术n根据光频差获得方式分为根据光频差获

36、得方式分为n参量调频法参量调频法n固定频移法固定频移法n直接调频法直接调频法光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所79参量调频法参量调频法光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所80固定频移法固定频移法光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所81光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所82直接调频法直接调频法光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所83光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所84n用光学多普勒效应可形成运动参量调频用光学多普勒效应可形成运动参量调频n多普勒效应：多普勒效应：n运动物

37、体能改变入射于其上的波动性质运动物体能改变入射于其上的波动性质n光学多普勒效应：光学多普勒效应：n若光波入射到运动物体上，由于物体的运动若光波入射到运动物体上，由于物体的运动将使入射光波频率改变的现象将使入射光波频率改变的现象光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所85光学多普勒效应光学多普勒效应 当频率为当频率为f0的单色光入射到以速度的单色光入射到以速度v运动的物体上时，运动的物体上时，被物体散射的光波频率被物体散射的光波频率fs会产生多普勒频移会产生多普勒频移f 0rrsf 与散射方向有关，其表达式为与散射方向有关，其表达式为是散射接收方向和光束入射方向的单位矢量差，称为

38、多是散射接收方向和光束入射方向的单位矢量差，称为多普勒强度方向普勒强度方向001rrvfffss光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所860rrs002rrrs当当有有vrvf220这就是迈克尔逊干涉仪用这就是迈克尔逊干涉仪用于速度测量时的情况于速度测量时的情况光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所87222sinsinvf这就是多普勒测速的基本公式这就是多普勒测速的基本公式光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所88n多普勒测速仪中频率调制有多种方式：多普勒测速仪中频率调制有多种方式：n参考光束方式参考光束方式n对称互差方式对称互差方式n干

39、涉条纹方式干涉条纹方式光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所89参考光束方式参考光束方式光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所90对称互差方式对称互差方式光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所91干涉条纹方式干涉条纹方式光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所92n利用频移器件使参考光波相对信号光波利用频移器件使参考光波相对信号光波形成一固定的频率偏移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的方法相干光束的频率调制的方法n固定频差可通过光学或光电子器件产生固

40、定频差可通过光学或光电子器件产生光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所93（1）塞曼效应激光频移）塞曼效应激光频移光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所94（2）声光效应激光频移）声光效应激光频移光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所95（3）旋转波片激光频移）旋转波片激光频移光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所96（4）旋转光栅激光频移）旋转光栅激光频移光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所97激光雷达测速原理图S入射激光束入射激光束0PD参考光参考光M1M2Q散射光散射光光电信息测控技术与装备研究所

41、光电信息测控技术与装备研究所98相干接收激光雷达方框图（单稳）相干接收激光雷达方框图（单稳）123456789101112131-1-激光发射机激光发射机2-2-光束整形系统光束整形系统3-3-发射发射/ /接收隔离开关接收隔离开关4-4-望远镜望远镜5-5-光学扫描系统光学扫描系统6-6-目标目标7-7-本机振荡器本机振荡器8-8-光学混频器光学混频器9-9-光学成像系统光学成像系统10-10-光敏探测器光敏探测器11-11-高通电子滤波器高通电子滤波器12-12-信号处理器信号处理器13-13-数字处理器数字处理器光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所99光电信息测控技术

42、与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所100零拍探测激光雷达原理框图（单稳）零拍探测激光雷达原理框图（单稳）1234567891011121314151-1-激光发射机激光发射机2-2-分束器分束器4-4-发射发射/ /接收隔离开关接收隔离开关3-3-光调制器光调制器6-6-光学扫描系统光学扫描系统7-7-目标目标8-8-半波带片半波带片10-10-光学混频器光学混频器 11-11-光学成像系统光学成像系统12-12-光敏探测器光敏探测器13-13-高通电子滤波器高通电子滤波器14-14-信号处理器信号处理器15-15-数字处理器数字处理器5-5-扩束器扩束器9-9-反射镜反射镜光电信息测控

43、技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所101相干接收激光雷达方框图（双稳）相干接收激光雷达方框图（双稳）12345678910111213141-1-激光发射机激光发射机2-2-光束整形系统光束整形系统3-3-发射系统望远镜发射系统望远镜4-4-发射系统光学扫描部件发射系统光学扫描部件6-6-接收系统光学扫描部件接收系统光学扫描部件5-5-目标目标7-7-接收系统望远镜接收系统望远镜9-9-光学混频器光学混频器10-10-光学成像系统光学成像系统11-11-光敏探测器光敏探测器12-12-高通电子滤波器高通电子滤波器13-13-信号处理器信号处理器14-14-数字处理器数字处理器8-8-

44、本机振荡激光本机振荡激光光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所102光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所103零拍探测激光雷达原理框图（双稳）零拍探测激光雷达原理框图（双稳）12345678910111213141-1-激光发射机激光发射机2-2-分束器分束器3-3-光调制器光调制器4-4-发射系统光学望远镜发射系统光学望远镜5-5-发射系统扫描器发射系统扫描器6-6-目标目标8-8-接收系统光学望远镜接收系统光学望远镜7-7-光学混频器光学混频器10-10-光学成像系统光学成像系统11-11-光敏探测器光敏探测器12-12-高通电子滤波器高通电子滤波器1

45、3-13-信号处理器信号处理器14-14-数字处理器数字处理器9-9-接收系统扫描器接收系统扫描器光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所104激光雷达发射系统的理想光束质量激光雷达发射系统的理想光束质量 激光雷达的性能与发射的激光光束的性质有激光雷达的性能与发射的激光光束的性质有着密切的关系着密切的关系n如：激光的发射功率、激光光束的束宽或发散角、如：激光的发射功率、激光光束的束宽或发散角、激光光束的光强分布截面形状和相对目标的传输激光光束的光强分布截面形状和相对目标的传输方向等。方向等。 激光雷达的系统设计首先遇到的就是光束形激光雷达的系统设计首先遇到的就是光束形状问题。状

46、问题。光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所105利用可进行频率调制的激光器产生随时将变化的调利用可进行频率调制的激光器产生随时将变化的调频参考光束的频率调制方法称为频参考光束的频率调制方法称为直接光频调制法直接光频调制法1）半导体激光器的直接频率调制）半导体激光器的直接频率调制当注入电流改变时，激光器的振荡频率能跟随直接当注入电流改变时，激光器的振荡频率能跟随直接变化，可实现直接光频调制变化，可实现直接光频调制光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所1062）直接调频光干涉测量）直接调频光干涉测量光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所107

47、三、外差检测方法三、外差检测方法（一）零差检测（一）零差检测光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所108光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所109光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所110（二）双频干涉（二）双频干涉 光外差干涉技术是为适应复杂的测量环境而发展起来光外差干涉技术是为适应复杂的测量环境而发展起来的技术的技术该技术的共同特点是在干涉仪的参考光路中引入具有一定频该技术的共同特点是在干涉仪的参考光路中引入具有一定频率的副载波，干涉后被测信号是通过这一副载波来传递的，率的副载波，干涉后被测信号是通过这一副载波来传递的，并被光电器件

48、接收，从而使光电器件后面的前置放大器可用并被光电器件接收，从而使光电器件后面的前置放大器可用一个交流放大器来代替常规的直流放大器，用以隔绝由于外一个交流放大器来代替常规的直流放大器，用以隔绝由于外界环境干扰所引起的直流电平漂移。界环境干扰所引起的直流电平漂移。利用这种激光外差技术设计的干涉仪称为外差干涉仪，也利用这种激光外差技术设计的干涉仪称为外差干涉仪，也称为交流干涉仪称为交流干涉仪光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所111双频激光外差干涉仪光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所112双频激光外差干涉仪n光源为双频光源为双频He-Ne激光器激光器n在激光

49、器的全内腔单频激光器上加上约在激光器的全内腔单频激光器上加上约0.3T（特（特拉斯）的轴向磁场，由于塞曼效应和频率牵引效拉斯）的轴向磁场，由于塞曼效应和频率牵引效应，使激光器输出一束有两个不同频率的左旋和应，使激光器输出一束有两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光，频差为右旋圆偏振光，频差为1.5MHz光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所1132fLdtdtfdtNttt222000f1和和f2频率相差几频率相差几MHzNL2光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所114双频激光外差干涉的应用n双频激光干涉仪用于精密测角双频激光干涉仪用于精密测角RfdtsinRs

50、int2011光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所115双频激光外差干涉的应用n双频激光干涉仪用于直线度测量双频激光干涉仪用于直线度测量nf1的光程差较原来减小了的光程差较原来减小了2AC，而，而f2的光程差却增加了的光程差却增加了2BD；n二者总差值等于二者总差值等于2（AC+BD）24220sinfdtsinBDACABt光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所116（三）直接光频率调制的外差检测（三）直接光频率调制的外差检测光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所117光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所118陀陀 螺螺 仪仪机械陀螺仪（机械陀螺仪（MG）其缺点：其缺点：1）到所需转速的启动时间长（约）到所需转速的启动时间长（约10秒）秒）2）性能与质量高精度平衡旋转的寿命有）性能与质量高精度平衡旋转的寿命有关关3）结构体积大和耗能大）结构体积大和耗能大光电信息测控技术与装备研究所光电信息测控技术与装备研究所119新型陀螺仪分类新型陀螺仪分类新型陀螺仪新型陀螺仪RLG环形激光环形激光陀螺仪陀螺