第七章光电信息变换2-1课件.ppt

第一类的频差由被测量引起的同一光波的频率分离，典型的是由于运动效应引起的光学多普勒频移，可以用来测量流体的运动速度； 第二类差频检测中，需要人为产生频差。例如利用声光控制的布拉格频偏盒等。 （1）、光学多普勒（Optical Doppler）差频检测 1842年奥地利科学家Doppler等人首次发现，任何形式 的波传播，波源、接收器、传播介质或散射体的运动会使 频率发生变化——多普勒效应。 1964年，Yeh和Cummins观察到水流中粒子的散射光有 频移，首次证实了可用激光多普勒频移技术来确定粒子流 动速度。 目前，激光多普勒频移技术已广泛地应用到流体力学、空气动力学、燃烧学、生物医学以及工业生产中的速度测量 多普勒效应 当波源与观测者之间有相对运动时，观测者所接收到的频 率不等于波源振动频率，此现象称为多普勒效应。 多普勒在其声学理论中指出，在声源、介质、观测者存在 相对运动时，观测者接收到的声波频率与声源频率不同的 现象就是声学多普勒效应。 爱因斯坦在《论物体的电动力学》中指出，当光源与观测 者有相对运动时，观测者接收到的光波频率与光源频率不 同，即存在光（电磁波）多普勒效应。 双频激光干涉仪原理 参考： 《频激光干涉仪的原理与应用一、二》 杨国光《近代光学测试技术P118》 （2）、赛格纳克(Sagnac)效应和转动差频 早在1897年，英国人O.lodegc提出装在转台上的矩形环状光学干涉仪来测量转动的想法，从理论和实验证实这一效应的是法国人Sagnac，因此称为赛格纳克效应（1913）。 两光束在分光器上相干，得到差拍信号。 辐射到光电探测器上的辐射为 光电探测器输出的电流为 (7-23) (7-24) 若EL ? Es，式（7-24）变为 (7-25) 式中a为比例系数。 由于辐射通量 ， 所以 (7-26) 如果采用选频放大器放大探测器的输出信号，其交流分量为 假设直接变换的输出信号的交流分量为 则，可以得到光外差式和直接式变换灵敏度的比值Gs=2(?eL/?es)1/2。因为?eL ? ?es，所以外差式变换电路的灵敏度比直接式变换要高得多，一般要高103~104数量级。 假设光电探测器为硅光电二极管，其输出信号电流的均方值为 （7-28） (7-27) 应为探测器负 载的输出功率 见下页ppt 若信号直接辐射到光电探测器上的辐射为 ，由光电探测器的平方转换定律，光功率为 ，输出电流为 上短线表示时间平均，因为探测器的响应时间远远大于光频变化周期，光电转换过程实际是对光场变化的时间积分响应，则得到 激光信号为 ，通过光外差测量时输出电流为 若探测器的负载电阻为 ,则输出功率为 频率太高，光电探测器不响应，因此有 通过选频放大器，滤去直流项，剩下交流项，得到 前两项是功率项，对应光谱响应，后两项对应频率响应，最后一项 输出功率为 》 ， G》1 输出噪声电流主要是散粒噪声，忽略暗电流后为 故，信噪比与噪声等效功率分别为 （7-30） 采用CO2激光器，波长λ=10.6μm，带宽Δf=107Hz，量子效率η=50%，则得出 而直接探测的情况，在不考虑背景和暗电流情况下， （7-33） （7-32） 比较式（7-30）和式（7-32），可见光外差式的S/N提高了一倍。如果考虑背景噪声，光外差式的S/N提高得更高。 7.2.2 模-数光电变换电路 7.1节简单的讨论了模-数光电变换的特点，提出了模-数光电变换系统对光源和光电器件的要求不象模拟光电变换那样严格，只要能使光电变换电路输出稳定的“0”和“1”两个状态即可。因此，模-数光电变换电路的设计要比模拟光电变换电路简单得多。本节将通过几个模-数光电变换电路的典型应用学习这类变换电路。 1. 激光干涉测位移 如图7-14所示为激光单路干涉测位移的原理图。He-Ne激光器发出的光入射到反射镜M1（分光器）上分成两束，一束为参考光束，另一束为测量光。两束光分别经全反射镜M2与M3回到M1，并在M1处产生干涉。 干涉条纹被光电器件接收，形成脉冲信号。反射镜M3的位置量的模拟信息将载于脉冲信号。 显然，参考光束与测量光束的光程不相等。当光程差Δ是波长λ的整数倍时，即Δ＝±K入(K=0，1，2，3…)时，两束光波的相位相同， M1处的光强度最大(出现亮点)，光电器件输出高电平；当光程差Δ＝±(K十1/2) λ时，两束光波的位相差为π， M1处的光强度为零(出现暗 点) ，光