光电检测技术-Ch07

Chapter7:相干变换与检测方法1相干变换与检测方法7.1相干变换与检测的原理7.2相干信号的相位调制与检测7.3相干光外差检测原理Chapter7:相干变换与检测方法2相干变换与检测方法7.1相干变换与检测的原理7.2相干信号的相位调制与检测7.3相干光外差检测原理Chapter7:相干变换与检测方法37.1相干变换与检测原理•光的干涉就是利用可能相干的两束和多束光波相叠加，它的合成的光强度随着时间或空间有规律的变化•干涉测量的作用就是光波的相位关系或频率状态以及它们随时间变化关系以光强度的空间分布或时间变化的形式检测出来一、光学干涉和干涉测量Chapter7:相干变换与检测方法4S1S2PyxtiyxtieayxEeayxE,22,112211,~),(~yxtyxyxAyxtaaaayxI,cos,1,,cos2,212221干涉条纹的强度分布当频率相同的光相干时，干涉条纹不随时间改变，呈现稳定的空间分布；随着相位差的变化，干涉条纹强度的分布表现为有偏置的正弦分布当两束光的频率不同，干涉条纹将以角频率随时间波动，形成外差信号Chapter7:相干变换与检测方法5干涉与相位延迟和对比度的关系2221,aayxA2221212,aaaayx条纹光强的直流分量条纹光强的对比度AIChapter7:相干变换与检测方法6二、干涉测量中的调制和解调•干涉测量实质上是被测信息对光载波的调制和解调的过程•调制技术根据所调制的光载波的特征参量不同，可以分为振幅调制、相位调制、频率调制、偏振调制和光波长调制。•解调是指能从被调制的光载波中以与被测参量成正比例的光强度信号或电信号形式检测出被测量。Chapter7:相干变换与检测方法7干涉仪的等效框图),,(000va载波器解调器参考光路调制器被测参量单色光源测量光路U0),,(000va),,(000vvaLtL/vChapter7:相干变换与检测方法8迈克尔逊干涉仪调制器LrLs激光器光学隔离器光电检测器参考镜测量镜)(tv)(t),,(cos2),,(212221tyxaaaatyxIChapter7:相干变换与检测方法9相干变换与检测方法7.1相干变换与检测的原理7.2相干信号的相位调制与检测7.3相干光外差检测原理Chapter7:相干变换与检测方法107.2相干信号的相位调制与检测一、相位调制的干涉系统对于均匀介质，光相位的变化为nL2LnnL2引起光程发生变化的参量有：几何距离、位移、角度、速度、温度引起的热膨胀等引起折射率发生变化的参量有：介质成分、密度、环境温度、介质周围电场、磁场等当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转变为振幅的变化——单频光波相位调制。相位调制的干涉仪有：迈克尔逊干涉仪、吉曼干涉仪、马赫-泽德干涉仪、萨古纳克干涉仪和法布里-珀罗干涉仪Chapter7:相干变换与检测方法11典型光学干涉仪激光器固定镜分束镜2分束镜1测量镜检测器马赫-泽德干涉仪激光器测量镜传感器固定镜d检测器法布里-珀罗干涉仪2sin1412220RRIIn输出分束镜有两束干涉光输出；回馈到激光器的散射光较少；可移动测量镜引入被测位移。04nd相邻反射光束间的相位差平面镜之间相对位移；平面镜内介质折射率Chapter7:相干变换与检测方法12二、干涉条纹的测量方法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测量干涉条纹的光强度变化L激光器光电检测器参考镜测量镜I1I2i单频光相干时，合成信号的瞬时光强为用的平均值等效该积分值),,(cos2),,(212221tyxaaaatyxIdttaaaatI0212221)(cos12)(00cos)(cos1dttt0Chapter7:相干变换与检测方法13条纹光强检测法00cos)(cos1dtttaaaatI0212221cos2)(0sin2siniLnc1.光的单色性对相干度的影响2.光源的光束发散角的影响式中，比例因子Γ称为两光束的相干度；Γ越大，光强随相位的变化越明显；Γ=0时，合成光强只有直流成分，与相位无关202sinLc00cos)(cos1dttChapter7:相干变换与检测方法14•光电检测器把光信号转变为电信号。光电信号的质量不仅取决于干涉条纹的相干度，而且取决于接收器光阑和条纹宽度D之间的比例关系。•在任一位置x=x0处，光电检测器的输出Is0为光电接收器的接收孔径光阑与条纹宽度的关系xDaaaaxI2cos2)(212221x02122210212221021222122/2/2/02cos22cossin22cos200xDaaaaKhlxDDlDlaaaaKhldxxDaaaadyKIhhlxlxs10sinDlc条纹光强检测法lhβ称作光电转换混频效率；Chapter7:相干变换与检测方法15当l/D→0,β=1时光电信号交变分量幅度最大;当l=D,β=0时；光电信号只有直流分量。021222102cossin2xDDlDlaaaaKhlIs为了增大β，可以通过减少l值或者加大条纹宽度D的方法。条纹光强检测法Chapter7:相干变换与检测方法16二次相位调制与干涉图分析波面相位调制迈克尔逊干涉仪、米勒干涉仪、斐索干涉仪22000(,)2cos(,)rrrIxyaaaxaxy将光束扩束成平面波照射到被测物体上，干涉场是一组二维干涉图；通过对干涉图的分析，可以获得折射率分布和物体变形量。Chapter7:相干变换与检测方法17二次相位调制与干涉图分析阶梯波扫描干涉法使用压电陶瓷驱动装置将参考光束的相位进行调制将参考光束的相位进行人为随时间进行调制，使干涉图上各点处的光学相位变换为相应点时序信号的相位。Chapter7:相干变换与检测方法18看成φr的函数，可以表示直流分量和基波分量的傅里叶级数形式阶梯波扫描干涉法rrrxUxUxUxIsincos),(210)(cos2)(00220xaxaaaxIrrrnpjnjrj,2,12考虑一维情况，干涉面上任意一点x的光强可表示为令φr在2π周期内每次改变1/n周期，共采样p个周期，即rtChapter7:相干变换与检测方法19阶梯波扫描干涉法rjrjrxUxUxUxIsincos),(210220011212,cos2,sinrnprjrjjnprjrjjUxaxaUxIxnpUxIxnp10)sincos(2)(nnntnbtnaaty傅里叶展开级数令φrj对应的干涉强度为则各系数表示为：tdtntfTbtdtntfTadttfTaTTnTTnTTsin2cos212/2/2/2/2/2/0上式是干涉场亮度变化周期函数的最佳拟合，则被测物体表面相位信息为021xarctgUxUxChapter7:相干变换与检测方法20相干变换与检测方法7.1相干变换与检测的原理7.2相干信号的相位调制与检测7.3相干光外差检测原理Chapter7:相干变换与检测方法217.3相干光外差检测原理•该方法将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混频。探测器输出的是频率为两光波光频差的拍频信号•该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位。通过检测拍频信号最终调制出被传送的信号。Chapter7:相干变换与检测方法22一、光学外差检测原理•设入射信号光波的振幅和参考光波的振幅分别为•由光电探测器的平方律特性，输出光电流为)sin()()sin()(0000tatUtatUssss)(cos2)(cos2)22cos()22cos(2)()(2)()()()(00000000202202020220ssssssssssssshstaataatataaaKtUtUtUtUKtUtUKIChapter7:相干变换与检测方法23•使只有频差信号处于探测器的通频带范围内，则倍频信号及和频项不能被光电器件接受探测器的输出：其中为双频光波的相位差，上式为光学外差信号表达式。•保持本征信号不变的情况下，外差信号的振幅、频率和相位可以表征信号光波的特征参量，也就是外差信号能够无畸变复制调制信号的特征。)2cos(0ftaKaIshs0ssI0s0ss220f混频后的频谱Chapter7:相干变换与检测方法24以调幅信号为例•设信号光振幅as受调制信号F(t)的调制，即•将其代入到外差信号表达式中，得到MnnnnstmAtFAta100cos1)(1)()()(cos2)()(cos2cos)cos()cos(110010000100nnMnnnnMnnMnnnnhstmAKatmAKatAKattmAKaI从中可以看到，信号光波振幅上所载荷的调制信号的双边带转换到外差信号上。Chapter7:相干变换与检测方法25零差信号•若使本征光频率和信号光频率相同，则零差探测的信号表达式如下：•同样，如果调幅信号光，则零差信号)cos(0aKaIshs)cos(2)cos(2)cos(110000nnMnnnnMnnhstmtmAKaAKaI表明零差信号也可以无畸变获得信号的原形，只包含了本征光振幅的影响MnnnnstmAtFAta100cos1)(1)(Chapter7:相干变换与检测方法26光外差检测的特点•探测能力强：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，因此外差探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信号•转换增益高：外差探测时经过光电接收器输出的电流幅值为率是信号光和本征光的功和0002PPPPKaKaIssshsmChapter7:相干变换与检测方法27同样信号光功率下，光外差探测和直接探测得到的信号功率比为G为转换增益相干探测中本征光的功率P0远大于接收到的信号光功率PS，通常是高几个数量级，因此G可高达107~108数量级。sssdshsPPPKPPKIIG022022244光外差检测的特点Chapter7:相干变换与检测方法28•信噪比高光外差检测的特点sshsPPhqPKPI020222外差信号电流均方功率022PhqfqIn散粒噪声fhPSNRh0fhPhmin外差探测可以检测到更小的入射功率，有利于弱光信号的检测。Chapter7:相干变换与检测方法29•滤波性能好•形成外差信号，要求信号光和本征信号空间严格对准，而背景光入射方向是杂乱无章的，偏振方向也不确定，不能满足外差空间调准要求，不能形成有效的外差信号，因此该方法可以滤掉背景光。•同时通过检测通道的通频带刚好覆盖有用的外差信号的频谱范围，这样杂