第五章相干光电检测系统2

光电传感与检测技术第五章相干检测方法与系统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非相干检测系统被测量被携带于光载波的强度之中或加载于调制光载波的振幅、频率或者相位变化之中，这样的系统称为非相干检测系统。相干检测系统被测信息加载于光载波（只能是相干光源）的振幅、频率或者相位之中的系统称为相干检测系统。第五章相干检测方法与系统主要内容：一相干检测的基本原理1光学干涉和干涉测量2干涉测量技术中的调制与解调二基本干涉系统及应用1典型的双光束干涉系统2多光束干涉系统3光纤干涉仪三同频相干信号的相位调制与检测方法1相位调制与检测原理2同频相干信号的检测方法四光外差检测方法与系统1光外差检测原理2光外差检测特性3光外差检测条件五光电直接检测系统举例1干涉测量技术2光外差通信3多普勒测速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。一相干检测的基本原理根据产生干涉的光束间频率关系可分为：同频干涉外差干涉1光学干涉和干涉测量光学测量中，常需要利用相干光作为信息变换的载体，将被测信息加载到光载波上，使光载波的特征参量随被测信息变换。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。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：两束光合成时，所形成干涉条纹的强度分布I(x,y)可表示为：式中，是条纹光强的直流分量；是条纹的对比度；是光频差；是相位差。11112222(,)exp{[(,)]}(,)exp{[(,)]}ExyajtxyExyajtxy221212(,)2cos[(,)]Ixyaaaatxy(,){1(,)cos[(,)]}Axyxytxy2212(,)Axyaa221212(,)2/()xyaaaa1212(,)(,)(,)xyxyxy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。120,,1,cos,IxyAxyxyxy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002Lnds0/2nL)(20LnnL2干涉测量技术中的调制和解调一般干涉测量系统主要由光源、干涉系统、干涉信号接收系统和信号处理系统组成。从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是被测信息对光载波调制和解调的过程。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。根据光调制器所调制的光载波的特征参量不同，调制技术可以分为振幅调制、频率调制、相位调制和偏振调制。二基本干涉系统及应用能形成干涉现象的装置是干涉仪，它的主要作用是，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，以便观察干涉现象。1、典型的双光束干涉系统2122sinrrd2122sinrrdS1S2SdDxOP1r2r干涉条纹I光强分布2、多光束干涉系统222241sin21aIERR各透射光波叠加干涉后的干涉强度分布为当平行反射面镀以高反射膜层，即时，，可见，当时，光强I几乎为0；而当满足条件时，I达到极大值。因此，多光束干涉的光强分布是由宽的暗带相间的明亮细条纹。1R2411RRsin20sin202IaA0hi1GG’n2i2I3I1’I1I2’I2I3’I11I22I33A’3、光纤干涉仪光纤迈克尔逊干涉仪光纤马赫曾德干涉仪光纤萨格纳克干涉仪光纤杨氏干涉仪光纤多光束F-P干涉仪三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。1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，即002Lnds0/2nL)(20LnnL光波传输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。干涉测量中就是利用这一特性改变光载波的特征参量，以形成各种光学信息的。几何距离、位移、角度、速度、温度引起的热膨胀——导致传播距离改变；介质成分、密度、环境温度、气压以及介质周围电场、磁场引起折射率变化。相位调制通常是利用不同形式的干涉仪，借助机械的、光学的、电子学的变换器件，将被测量的变化转换为光路长度Ｌ和折射率的变化，用于检测几何和机械运动参量，分析物质的理化特性。2干涉条纹的检测方法在相位调制检测系统中，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相位调制，由干涉仪解调出来的信息是一幅干涉图样，它以干涉条纹的变化反映被测参量的信息。干涉条纹是由干涉场上光程差相同的场点的轨迹形成。干涉条纹的形状、间隔、颜色及位置的变化，均与光程的变化有关，因此根据干涉条纹上述诸因素的变化可以进行长度、角度、平面度、折射率、气体或液体含量、光学元件面形、光学系统象差、光学材料内部缺陷等各种与光程有确定关系的几何量和物理量的测量。因此，如何检测干涉条纹就变得十分有意义。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。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干涉条纹光强检测法。下图给出了一维干涉测长的实例。为了获得最佳的光电信号，要求有最大的交变信号幅值和信噪比，这需要光学装置和光电检测器确保最佳工作条件，尽可能地提高两束光的相干度和光电转换的混频效率。单频光相干时，合成信号的瞬时光强为：221212,2cosIxyaaaat0,1cos2LIxyIn可见，ΔＬ变化，Ｉ随之做周期变化。当ΔＬ变化λ时，Ｉ变化一个周期。若对Ｉ的变化进行计数，根据移动方向进行加减运算，就可以测量出动镜的移动距离。②干涉条纹比较法如果采用两束不同频率的相干光源，各自独立地组成干涉光路，使其中一束光频为已知，另一束是未知的，则对应共用测量反射镜的同一位移，两束光各自形成干涉条纹。经光电检检测后形成两组独立的电信号，通过电信号频率的比较可以计算出未知光波的波长。这种对应同一位移，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。1rxBnMNn条纹比较法波长测量原理图1－半透半反镜2，3－圆锥角反射镜两个锁相振荡器分别与Dr和Dx输出的光电信号Ur和Ux同步，产生与λr和λx的干涉条纹同频的整形脉冲信号。其中，与λr对应的脉冲信号经M倍频器进行频率倍频，而与λx对应的信号则进行N倍分频。利用脉冲开关，由N分频信号控制M倍频信号进行脉冲计数，最后由显示器输出。被测波长的计数按下式进行：其中，B为脉冲计数器的计数值，Δn/n是折射率的相对变化。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。这时，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。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。条纹跟踪法干涉系统示意图第五章相干检测方法与系统主要内容：一相干检测的基本原理1光学干涉和干涉测量2干涉测量技术中的调制与解调二基本干涉系统及应用1典型的双光束干涉系统2多光束干涉系统3光纤干涉仪三同频相干信号的相位调制与检测方法1相位调制与检测原理2同频相干信号的检测方法四光外差检测方法与系统1光外差检测原理2光外差检测特性3光外差检测条件五光电直接检测系统举例1干涉测量技术2光外差通信3多普勒测速四、光外差检测方法与系统相干检测的主要方式是外差检测。光外差检测在激光通信、雷达（测距、测速、测长）、外差光谱学、测振、激光陀螺及红外物理等许多方面有着广泛应用。光外差检测与直接检测相比，有检测距离远、检测灵敏度高7-8个数量级、测量精度高等特点，但光外差检测对光源的相干性要求高，因此受大气湍流效应的影响，目前远距离外差检测在大气中应用受到限制，但在外层空间，特别是卫星之间，通信联系已经达到实用阶段。1、光外差检测原理光外差检测是利用两束频率不相同的相干光，在满足波前匹配条件下，在光电检测器上进行光学混频。检测器的输出是频率为两光波频差的拍频信号，该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位特征。从理论上讲，外差检测能准确检测到这些参量所携带的信息，比直接检测具有更大的信息容量和更低的检测极限。两束平行的相干光在光电探测器表面形成相干光场，经光电检测器后能输出频率为υL-υs的差频信号。设信号光、本振光电场分别为：cos,cosLLLLSSSSEtAtEtAt在光电检测器光敏面上总的光电场为：coscosSSSLLLEtAtAt在混频器上的平均光功率为：22SLPtEtEtEt则光电探测器输出的光电流为：2PSLItPtEtEteh其中，为光电变换比例常数。光电探测器输出的光电流为：第一、二项的平均值，即余弦函数平方的平均值等于1/2；第三项是和频项，因为它的频率太高而不能被光电探测器响应，平均值为零；第四项是差频项，它相对于光频来说要缓慢得多，当差频低于探测器的截止频率时，才能被响应，则可得到通过以为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：此即为光学外差信号表达式。IF22222coscoscoscosPSLSssLLLSLLSLSSLLSLSItPEtEtAtAtAAtAAtcosIFSLLSLSItAAt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