8.0相干检测全解.ppt

? 各种干涉现象都是以光波为基础的信号变换过程。作为实际的载体，光波载荷了被测信息，它的特征参量与被处理的长度、距离、角度、面形、微位移、运动方向和速度、传输介质物理属性等信息存在着严格的内在联系，表现出随时间和空间变化的外观特性。利用光电方法对光波的各种干涉现象进行检测和处理，最终解算出被测几何参量和物理参量的技术统称作光电干涉测量技术。随着现代光学和光电子技术的发展，光电干涉技术以其潜在的生命力在信息科学中崭露头角，取得了长足的进展。本章将介绍几种物理变换的光电方法，着重讨论相干光信息的调制和检测技术。 光学干涉和相干光信息分类 外差探测 相干光的相位调制和检测 相干光的频率调制和检测 光学干涉和相干光信息分类 1．光学干涉和干涉测量 2．干涉测量中的调制和解调 3．相干光信息分类 相干光学信息的类型 1．外差探测的原理和特性 3）实现外差探测的匹配条件 ??? 尽管外差探测具有许多优点，但为获得最佳的外差信号，要求相干光束满足一定的条件。 4）外差信号的检测 相干光的相位调制和检测 单频光相位调制和条纹检测 光纤干涉仪 单频光波面的相位调制 相干光的频率调制和检测 1）参量调频法 （2）固定频移法 外差信号的频率范围取决于本振光和信号光的频差。通常为104到1010Hz数量级。主要检测光拍信号的方法包括：用电子示波器或中、高频频谱分析仪测试信号波形或频谱分量；经选通放大器放大外差信号后用时域微分鉴频、斜率鉴频或相位鉴频等常用电子装置测定外差拍频；对于射频外差信号，采用射频混频的电信号外差接收，转换为较低频信号后进行频率测量。 典型的光学干涉仪相位调制原理示意图 a迈克尔逊、b泰曼、c马赫-泽德、d萨纳克、e法布里-珀罗 光纤干涉仪相位调制 a迈克尔逊干涉仪，图b马赫-泽德干涉仪，图c萨纳克干涉仪，图d法布里-珀罗干涉仪 可作波面相位调制的干涉仪 a) 泰曼-格林干涉仪? b) 米勒干涉仪? c) 斐索干涉仪 ??? 在前面介绍了光学外差探测的原理和特性，它被广泛应用于光电干涉测量中，称作外差检测或光学差频检测。为了形成差频检测必要的光频差，工程上采用了各种频率调制技术。根据光频差的获得和差频信号检测方式的不同，差频检测大致可分作三种类型： ??? 被测参量直接对参考光波的频率进行调制形成与参考光有一定频差的信号光。检测差频信号的频率或相位可以测定被测参量值。这种方式当被测参量为零时光频差为零，故有时称作零差检测。 运动物体能改变入射于其上的波动性质（例如波动频率），这种现象称作多普勒效应，其中对入射光波频率的改变称作光学多普勒效应。对光学多普勒现象的分析表明：频率为f0的单色光作用到以速度υ运动的散射物体上，被物体散射的光波频率fs会产生附加的频率偏移Δf，称作多普勒频移。Δf 和散射方向有关，其数值表示为 Δf＝fs-f0＝(1/λ)[υ·(rs-r0)] 式中，υ是物体运动速度矢量；rs-r0是散射接收方向rs和光束入射方向r0的单位矢量差，称作多普勒强度方向。该式表明：多普勒频移的大小等于散射物体的运动速度在多普勒强度方向上的分量和入射光波长的比值（如下图a）。 1．光学多普勒效应和运动差频检测 光学多普勒效应 多普勒频移? b) rs＝-r0 ? c) 一般情况 ??? 在特殊情况下，当rs＝-r0时（如图b），有(rs-r0)＝-2r0，代入上式有 Δf＝-(2υ/λ)r0＝±2|υ|/λ 这正是迈克尔逊干涉仪用作速度测量时的情况。利用光学多普勒效应形成的运动频移可以测量物体的运动参数包括位移、速度和加速度等。典型的应用是激光多普勒速度计和流速计。 ??? 当激光束照射流动的散射粒子时，被运动粒子散射的激光受粒子流动速度的频率调制，得到如前式的运动频移。为检测光学差频数值，可利用光学外差法将散射前后或不同散射方向的激光在光电检测器上混频，以获得与运动速度有关的拍频信号。这种利用光学多普勒效应和光外差技术的测速装置称激光多普勒测速仪。 ??? 在一般情况下，若υ和r0的夹角为α，r0和rs夹角为θ（如图c），前式变成 Δf＝(2υ/λ)sin(θ/2)sin(α+θ/2) 这是多普勒测速的基本公式。当rs和r0相对υ对称布置并且满足α+θ/2＝90°时，上式变成简单的形式 Δf＝(2υ/λ)sin(θ/2) 或 υ＝Δfλ/2sin(θ/2) 上式表示被测速度υ和频差值Δf成正比。例如对于λ＝0.4880μm的氩激光，当θ＝8.5°，被测＝264m/s时，Δf＝77MHz。 2．萨纳克效应和转动差频 当封闭的光路相对于惯性空间有一转动角速度Ω时，顺时针光路和逆时针光路之间将形成与转速成正比的光程差ΔL，其数值满足关系 ΔL＝(4A/c)Ωcosφ 式中，c为光