第7章光电信息变换下

①光学多普勒（Doppler）差频检测 光学多普勒（ ） 多普勒效应——运动物体能改变入射于其上的波动性质的 多普勒效应 运动物体能改变入射于其上的波动性质的 现象。 现象。 V0(rs-r0) V0 多普勒频移∆f=f -f =V (r -r )/λ 多普勒频移
s 0 0 s 0
物体速度
可推出
PD rs-r0 散射光 θ fs
用单一光电器件检测干涉条纹可以在较小的空间 进行。 进行。检测对象一般是干涉条纹的波数或相位随 时间的变化。适用于测量物体整体位移或速度。 时间的变化。适用于测量物体整体位移或速度。 ①干涉条纹光强检测法
利用干涉仪的光干涉， 利用干涉仪的光干涉，以光电器件直接检测条纹的光强变 化来实现测量。 化来实现测量。 用光电接收器检测干涉条纹时， 用光电接收器检测干涉条纹时，光电信号不仅取决于条纹 的光强对比， 的光强对比，而且决定于接收器的光阑尺寸和干涉条纹之 间宽度的比例关系。 间宽度的比例关系。
从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是待测 从信息处理的角度来看， 信息对光频载波的调制和解调的过程。 信息对光频载波的调制和解调的过程。各种类型 的干涉仪器或干涉装置是光频波的调制器和解调 器。可用最常见的干涉仪来说明这个模型。 可用最常见的干涉仪来说明这个模型。
2.单频光相干的条纹检测 2.单频光相干的条纹检测
7.4.1 干涉方法的光电信息变换
1. 光电干涉测量技术 各种干涉现象都是以光波波长为基准， 各种干涉现象都是以光波波长为基准，与形成它的外部几 何参数包括长度、距离、角度、面形、微位移、 何参数包括长度、距离、角度、面形、微位移、运动方向 和速度、传输介质等存在着严格的内在联系。 和速度、传输介质等存在着严格的内在联系。
2012.1贾湛制作
第7章 光电信息变换
主讲：扬州职业大学 电子工程系 贾湛
7.4 物理光学方法的光电信息变换
衍射和干涉现象通常是发生在一定的空间域内，由此组成 各种衍射和干涉图样。衍射后的干涉现象组成了有名的莫 尔条纹。空间分布的光波间的干涉可以形成全息图样和散 斑图样。不同频率光波间的干涉会形成光学拍频，空间域 内的拍频分布构成光拍图形。
∆f =
2v
λ
sin
θ
sin( α + ) 2 2
θ
只要测出散射光的频率， 只要测出散射光的频率， 就可以得到粒子的速度
入射光 r0 f0
α
若θ=0，则入射光就有一部分穿越测点作为参考光束，参 ，则入射光就有一部分穿越测点作为参考光束， 考光与散射光形成双频光 双频光， 考光与散射光形成双频光，进入光阑由透镜会聚到光电倍 增管的光电阴极上发生干涉，可获得运动物体的运动信息。 增管的光电阴极上发生干涉，可获得运动物体的运动信息。
气体激光 陀螺仪
气体激光陀螺环型谐振腔 气体激光陀螺环型谐振腔
合光 棱镜
光学陀螺的优势
1）精度高(零漂稳定性优于 ）精度高 零漂稳定性优于 零漂稳定性优于0.001o/hr)； ； 2）单轴灵敏度高； ）单轴灵敏度高； 3）可靠性好(无故障时间大于 万小时)； 3）可靠性好(无故障时间大于1万小时)； 无故障时间大于1万小时 4）不需要恒温（有腔长控制系统）； ）不需要恒温（有腔长控制系统）； 5）动态环境造成的误差极小； ）动态环境造成的误差极小； 6）输入轴对准稳定性极高； ）输入轴对准稳定性极高； 7）成本低（相对于同样精度的机电陀螺） ）成本低（相对于同样精度的机电陀螺）
LCCW = 2πR − RΩtCCW = ctCCW 2πR 2πR 4πR2
c − RΩ c + RΩ − ≈ c
2
Ω
由于环路面积 A = πR2
4A 亦即有光程差： 亦即有光程差：∆L = Ω c
Sagnac效应原理图 Sagnac效应原理图
在环形激光器中，激光束的基频纵模频率为： 在环形激光器中，激光束的基频纵模频率为：
2 夫琅和费细丝衍射
如图7-45所示，由氦氖激光器发出的激光束照射细丝（被 所示，由氦氖激光器发出的激光束照射细丝（ 如图 所示 测物） 其衍射效应和狭缝一样，在屏幕（在焦距为f的 测物）时，其衍射效应和狭缝一样，在屏幕（在焦距为 的 透镜的焦平面处）上形成夫琅和费衍射图样。 透镜的焦平面处）上形成夫琅和费衍射图样。 d = λf 相邻两暗点或亮点间隔S与细丝直径 与细丝直径d的关系为 相邻两暗点或亮点间隔 与细丝直径 的关系为 S 当d变化时，各 变化时， 变化时 条纹位置和间 距随之变化。 距随之变化。 因此可根据亮 点或暗点间的 点或暗点间的 距测出细丝的 直径。 直径。
7.4.2 衍射方法的光电信息变换
1、夫琅和费单缝衍射 、
氦氖激光器发出的单色平行光垂直照射在宽为b的狭 缝AB上，经透镜在其焦平面处的屏幕上形成夫琅和费衍射 图样。
当狭缝宽度b变 小时，衍射条 纹将对称于中 心亮点向两边 扩展，条纹间 距增大。激光 衍射图样明亮 清晰，衍射级 次可以很高。
kLλ Lλ 屏幕离开狭缝的距离L b= = 远大于狭缝宽度b时有 xk S
测量范围约为0.01～0.1mm，分辨力为0.05mm，测量精度一般为0.1mm
3 . 应用举例
利用激光衍射传感器可以测量微小间隔（如 薄膜材料表面涂层厚度），微小直径（如漆包线， 棒料直径变化量），薄带宽度（如钟表游丝）， 狭缝宽度，微孔孔径，微小位移以及能转换成位 移的物理量如重量、温度、振动、加速度、压力 等。 （1）转镜扫描式激光衍射测径仪 ）
调频
3. 典型的调制方法
(1) 连续波调制 连续波调制的光载波通常具有谐波的形式
φ (t ) = φ0 + φm sin(ωt + ϕ )
激光照射被测细丝，在反射镜处形成衍射图样。 激光照射被测细丝，在反射镜处形成衍射图样。同步电机 带动反射镜转动， 带动反射镜转动，使衍射图样亮暗条纹相继扫过狭缝 被光电倍增管接收转换为电信号。 被光电倍增管接收转换为电信号。
（2）激光衍射振幅测量仪 ）
设狭缝的初始宽度为b、光电器件置于第k（一般取2或3） 级条纹的暗点处，距零级中心线为xk，xk=kLλ/b。当被测 物作简谐振动时，振动方程为x=XMsinωt，则狭缝宽度变 为b=XMsinωt，衍射条纹位置 kLλ
′ xk = b − XM sin ωt
由于光电器件的 位置固定，即xk 为定值，xk’的变 化使光电器件所 接收的光强随之 变化。 若满足XM <1/2 条件，便可以直接测出物体振动的幅度。
7.5 时变光电信息的调制
7.5.1 调制的基本原理与类型 1. 载波与调制
调制——使载波信号中的一个或几个特征参数按被传送 使载波信号中的一个或几个特征参数按被传送 调制 信息的特征变化以实现信息传送目的的方法。 信息的特征变化以实现信息传送目的的方法。 二次调制——使调制后的载波再使其特征参数随被测信 使调制后的载波再使其特征参数随被测信 二次调制 息而改变。 息而改变。 调制增加了复杂性， 调制增加了复杂性，但能更好地从背景噪声和干扰中分 离出有用的信号，提高信噪比和测量灵敏度。此外， 离出有用的信号，提高信噪比和测量灵敏度。此外，调 制信号还能简化检测系统的结构，改善系统的工作品质， 制信号还能简化检测系统的结构，改善系统的工作品质， 扩大目标定位系统的视场和搜索范围。 扩大目标定位系统的视场和搜索纳克(Sagnac)
萨格纳克效应——光程差随转速而改变的现象 萨格纳克效应 光程差随转速而改变的现象 在圆形环路（ 在圆形环路（周长 L = 2πR ）中 光程差 ∆L = LCW − LCCW
LCW = 2πR + RΩtCW = ctCW
∆t = tCW − tCCW =
直流载波： ① 直流载波：不随时间而只随信息变 化的调制； 化的调制； 交变载波： ② 交变载波：载波随时间周期变化的 调制。又分： 调制。又分： a.连续载波： 连续载波： 连续载波 调幅波、调频波、调相波。 调幅波、调频波、调相波。 b.脉冲载波： 脉冲载波： 脉冲载波 脉冲调宽、调幅、调频。 脉冲调宽、调幅、调频。
激光多普勒测速仪
激光多普勒测速的特点 动态响应快 空间分辨率高 流速测量范围宽 测量精度高 激光多普勒测速的应用 管道内水流流层研究； 管道内水流流层研究； 流速分布／亚音速或超音速气流／ 流速分布／亚音速或超音速气流／旋流的测量 大气远距离测量； 大气远距离测量； 风速测量 可燃气体火焰的流体力学研究； 可燃气体火焰的流体力学研究； 水洞、 水洞、风洞和海流测量
3.双频光相干的差频检测 3.双频光相干的差频检测
双频光差频检测是将被测调制光和本机振荡光波在满足 波前匹配的条件下， 波前匹配的条件下，在光电探测器上进行混频后输出两 光波的差频电信号。解调电信号获得被测物体的信息。 光波的差频电信号。解调电信号获得被测物体的信息。 双频获得分两类： 双频获得分两类： 分两类 被测量引起原光波频率分离。 多普勒频移 频移、 ①被测量引起原光波频率分离。如：多普勒频移、萨格 纳克频移等 频移等。 纳克频移等。 人为产生光频差。 ②人为产生光频差。如：声光控制的布喇格频偏盒和旋 转光栅等的外部频偏器， 转光栅等的外部频偏器，以及在气体激光器上加横向磁 塞曼效应的频率分裂等内部调制方法 场产生的塞曼效应的频率分裂等内部调制方法。 场产生的塞曼效应的频率分裂等内部调制方法。
②干涉条纹比较法
采用两束不同频率的 相干光作光源， 相干光作光源，其中 一束频率已知， 一束频率已知，另一 束未知， 束未知，则在干涉仪 中各自形成干涉条纹。 中各自形成干涉条纹。 再经光电检测后形成 两种频率的电信号， 两种频率的电信号， 通过比较波长不同的 两束光干涉条纹频率 的变化来计算未知光 的频率， 的频率，这种方法称 为干涉条纹比较法。 为干涉条纹比较法。
③干涉条纹跟踪法
在干涉仪测量镜位置 变化时，通过光电器 变化时， 件实时地检测出干涉 条纹的变化。 条纹的变化。时间利 用控制系统使参考镜 沿相应方向移动， 沿相应方向移动，以 维持干涉条纹保持静 止不动， 止不动，再由驱动参 考镜的电压得到测量 镜的位移， 镜的位移，这种方法 称为干涉条纹跟踪法。 称为干涉条纹跟踪法。