第5章相干光电检测系统2.pptVIP

光电传感与检测技术 ; 按光学变换系统将被测量转换为光信息方式的不同，可将光电检测系统分为非相干检测系统和相干检测系统。;第 五 章 相干检测方法与系统; 相干检测就是利用光的相干性对光载波所携带的信息进行检测和处理，它只有采用相干性好的激光器作为光源才能实现。所以从理论上讲，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。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（注）。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。;1 光学干涉和干涉测量 ;以双光束干涉为例，设两相干平面波的振动E1(x,y)和E2(x,y)分别为：;①当两束频率相同的光（即单频光）相干时，有 ， 即 ，此时， 干涉条纹不随时间变化，呈稳定的空间分布。随着相位差的变化，干涉 条纹强度的变化表现为有偏置的正弦分布。可以看出，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。; ② 当两束光的频率不同，干涉条纹将以 的角频率随时 间波动，形成光学拍频信号，也叫外差干涉信号。如果两 束光的频率相差较大，超过光电检测器件的频响范围，将 观察不到干涉条纹。在两束光的频率相差不大( 较小) 的情况下，采用光电检测器件可以探测到干涉条纹信号， 并且可以通过电信号处理直接测量拍频信号的频差及相位 等参数，从而能以极高的灵敏度测量出相干光束本本身的 特征参量，形成外差检测技术。 ;实际上，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，即 对于均匀介质，上式可简化为： 对上式中的变量L和n作全微分可得到相位变化量 ;2 干涉测量技术中的调制和解调;二 基本干涉系统及应用;1、典型的双光束干涉系统;S;2、多光束干涉系统;3、光纤干涉仪;三 同频率相干信号的相位调制与检测方法;1 相位调制与检测的原理;2 干涉条纹的检测方法;①　干涉条纹光强检测法;单频光相干时，合成信号的瞬时光强为： ;②　干涉条纹比较法;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;③　干涉条纹跟踪法;如下图所示，表示了利用这种原理（干涉条纹跟踪法）测量微小位移的干涉测量装置。这种方法能避免干涉测量的非线性影响，并且不需要精确的相位测量装置。但是跟踪系统的固有惯性限制了测量的快速性，因此只能测量10kHz以下的位移变化。;第 五 章 相干检测方法与系统;四、 光外差检测方法与系统;1、 光外差检测原理;设信号光、本振光电场分别为：;光电探测器输出的光电流为： ;可见，外差信号的参量 可以表征信号光波的特征参量 。 即外差信号能以时序电信号的形式反映干涉场上各点处信号光波的 波动性质。即使信号光的参量受到被测信息调制，外差信号也能无 畸变的精确复制这些信号。;当?L=?S时，瞬时中频电流为：;2、 光外差检测特性;② 光外差检测转换增益高;③ 良好的滤波性能; 为了形成外差信号，要求信号光与本振光空间方向严格对准， 而背景光入射方向是杂乱的，偏振方向不确定，不能满足空间 调准要求，不能形成有效的外差信号，因此，外差检测能够滤除 背景光，有较强的空间滤波能力。;④ 信噪比损失小;⑤ 最小可检测功率;因此，功率信噪比为：;为克服由信号光引起的噪声以外的所有其他噪声，从而获得高的转换增益，增大本振光功率是有利的。但本振光本身也引起散粒噪声，本振功率越大，噪声也越大，使检测系统信噪比反而降低。因此，应合理选择本振光功率，以便得到最佳信噪比和较大的中频转换增益。;⑥ 光外差检测系统对检测器性能的要求;第 五 章 相干检测方法与系统;3 、光外差检测条件;① 光外差检测的空间条件 ;式中， 是信号光波矢在x方向的分量。由上图可知， ，所以有 ,式中c为光速。于是信号光电场可重写为：;光探测器输出的瞬时光电流为：;因为Vx = c/sinθ,所以瞬时中频电流的大小与失配角θ有关。因子 时，瞬时中频电流达到最大值，即要求 ，也就是失配角θ＝0。 但是实际中