光电检测技术—第八章

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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、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。

=2πλ0(L?n + n?L)–光波传播介质折射率和光程长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，合成信号的瞬时光强为：I (x, y, t) = a + a2 + 2a1a2 cos[?(t)]2 1 2L I = I0[1+ δ cos(2πn )]λ8.3 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 λ= (1+ ) MN nλr B8.3 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 = βP = β[ES (t) + EL (t)]2 = β{AS cos2 (ωS t +?S ) + AL cos2 (ωLt +?L )2 2平均值，1//2 差频项，可响应+ AS AL cos[(ωL + ωS )t + (?L +?S )] + AS AL cos[(ωL ?ωS )t + (?L ??S )] 和频项，0 外差信号的参量βASAL、（ωL-ωS）、（φL-φS）可表征信号光波的参量光学外差信号表达式VIF = βAS AL RL cos[(ωL ? ωS )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 / SP IF2P 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，107~108。

–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( ωS d / 2Vx ) =1 ωS d / 2Vx8.4.3 光外差检测条件结论：–失配角θ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、零差检测和超外差检测– (1)零差检测–参量调频中，通过检测差频信号的频率或相位可以测量被测参量值。