第五章 相干光電檢測系統(tǒng)2

1、第五章第五章 相干檢測方法與系統(tǒng)相干檢測方法與系統(tǒng) 按光學變換系統(tǒng)將被測量轉(zhuǎn)換為光信息方式的不同，可將按光學變換系統(tǒng)將被測量轉(zhuǎn)換為光信息方式的不同，可將 光電檢測系統(tǒng)分為光電檢測系統(tǒng)分為非相干檢測系統(tǒng)非相干檢測系統(tǒng)和和相干檢測系統(tǒng)相干檢測系統(tǒng)。 第五章第五章 相干檢測方法與系統(tǒng)相干檢測方法與系統(tǒng) 非相干檢測系統(tǒng)非相干檢測系統(tǒng) 被測量被攜帶于光載波被測量被攜帶于光載波 的強度之中或加載于調(diào)制光的強度之中或加載于調(diào)制光 載波的振幅、頻率或者相位載波的振幅、頻率或者相位 變化之中，這樣的系統(tǒng)稱為變化之中，這樣的系統(tǒng)稱為 非相干檢測系統(tǒng)。非相干檢測系統(tǒng)。 相干檢測系統(tǒng)相干檢測系統(tǒng) 被測信息加載于光載波

2、被測信息加載于光載波 （只能是相干光源）的振幅、（只能是相干光源）的振幅、 頻率或者相位之中的系統(tǒng)稱頻率或者相位之中的系統(tǒng)稱 為相干檢測系統(tǒng)。為相干檢測系統(tǒng)。 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 1 1 干涉測量技術(shù)干涉測量技術(shù)2 2 光外差通信光外差通信3 3 多普勒測速多普勒測速 相干檢測就是利用光的相干性對光載波所攜帶的信相干檢測就是利用光的相干性對光載波所攜帶的信 息進行檢測和處理，它只有采用相干性好的激光器作為息進行檢測和處理，它只有采用相干性好的激光器作為 光源才能實現(xiàn)。所以從理論上講，相干檢測能準確檢測光源才能實現(xiàn)。所以從理論上講，相干檢測能準確檢測 到光波到光波振幅振幅、頻率頻率和和相位相位

3、所攜帶的信息。所攜帶的信息。但由于光波的但由于光波的 頻率很高，迄今為止的任何光電探測器都還不能直接感頻率很高，迄今為止的任何光電探測器都還不能直接感 受光波本身的振幅、相位、頻率及偏振的變化，而只能受光波本身的振幅、相位、頻率及偏振的變化，而只能 探測光的強度探測光的強度（注）。（注）。因此，光的這些特征參量最終都因此，光的這些特征參量最終都 須轉(zhuǎn)換為光強的變化進行探測。而這種轉(zhuǎn)換就必須通過須轉(zhuǎn)換為光強的變化進行探測。而這種轉(zhuǎn)換就必須通過 干涉測量技術(shù)。干涉測量技術(shù)。 根據(jù)產(chǎn)生干涉的光束間頻率關系可分為：根據(jù)產(chǎn)生干涉的光束間頻率關系可分為： 同頻干涉同頻干涉 外差干涉外差干涉 1 1 光學干

4、涉和干涉測量光學干涉和干涉測量 光學測量中，常需要利用相干光作為信息變換的載體，光學測量中，常需要利用相干光作為信息變換的載體， 將被測信息加載到光載波上，使光載波的特征參量隨被測信將被測信息加載到光載波上，使光載波的特征參量隨被測信 息變換。息變換。 光干涉光干涉是指可能相干的兩束或多束光波相疊加，它們的是指可能相干的兩束或多束光波相疊加，它們的 合成信號的光強度隨時間或空間有規(guī)律的變化。合成信號的光強度隨時間或空間有規(guī)律的變化。 干涉測量干涉測量的作用就是把光波的相位關系或頻率狀態(tài)以及的作用就是把光波的相位關系或頻率狀態(tài)以及 它們隨時間的變化關系以光強度的空間分布或隨時間變化的它們隨時間的

5、變化關系以光強度的空間分布或隨時間變化的 形式檢測出來。形式檢測出來。 以雙光束干涉為例，設兩相干平面波的振動以雙光束干涉為例，設兩相干平面波的振動E1(x,y)和和E2(x,y)分分 別為：別為： 兩束光合成時，所形成干涉條紋的強度分布兩束光合成時，所形成干涉條紋的強度分布I (x, y)可表示為：可表示為： 式中，式中， 是條紋光強的直流分量；是條紋光強的直流分量； 是條紋的對比度；是條紋的對比度； 是光頻差；是光頻差； 是相位差。是相位差。 1111 2222 ( , )exp( , ) ( , )exp( , ) E x yajtx y Ex yajtx y 22 1212 ( , )

6、2cos( , )I x yaaa atx y ( , )1( , )cos( , )A x yx ytx y 22 12 ( , )A x yaa 22 1212 ( , )2/()x ya aaa 12 12 ( , )( , )( , )x yx yx y 當兩束頻率相同的光（即單頻光）相干時，有當兩束頻率相同的光（即單頻光）相干時，有 ， 即即 ，此時，此時， 干涉條紋不隨時間變化，呈穩(wěn)定的空間分布。隨著相位干涉條紋不隨時間變化，呈穩(wěn)定的空間分布。隨著相位 差的變化，干涉差的變化，干涉 條紋強度的變化表現(xiàn)為有偏置的正弦分布。條紋強度的變化表現(xiàn)為有偏置的正弦分布。 可以看出，干涉條紋的強

7、度信息和被測量的相關參數(shù)相對應，可以看出，干涉條紋的強度信息和被測量的相關參數(shù)相對應， 對干涉條紋進行計數(shù)或?qū)l紋形狀進行分析處理，可以得到對干涉條紋進行計數(shù)或?qū)l紋形狀進行分析處理，可以得到 相應的被測信息。相應的被測信息。 12 0 ,1,cos,I x yA x yx yx y 當兩束光的頻率不同，干涉條紋將以當兩束光的頻率不同，干涉條紋將以 的角頻率隨時的角頻率隨時 間波動，形成光學拍頻信號，也叫外差干涉信號。如果兩間波動，形成光學拍頻信號，也叫外差干涉信號。如果兩 束光的頻率相差較大，超過光電檢測器件的頻響范圍，將束光的頻率相差較大，超過光電檢測器件的頻響范圍，將 觀察不到干涉條紋。

8、在兩束光的頻率相差不大觀察不到干涉條紋。在兩束光的頻率相差不大( 較小較小) 的情況下，采用光電檢測器件可以探測到干涉條紋信號，的情況下，采用光電檢測器件可以探測到干涉條紋信號， 并且可以通過電信號處理直接測量拍頻信號的頻差及相位并且可以通過電信號處理直接測量拍頻信號的頻差及相位 等參數(shù)，從而能以極高的靈敏度測量出相干光束本身的特等參數(shù)，從而能以極高的靈敏度測量出相干光束本身的特 征參量，形成外差檢測技術(shù)。征參量，形成外差檢測技術(shù)。 22 1212 ( , )2cos( , )I x yaaa atx y ( , )1( , )cos( , )A x yx ytx y 實際上，干涉條紋的強度取

9、決于相干光的相位差，而相位差實際上，干涉條紋的強度取決于相干光的相位差，而相位差 又取決于光傳輸介質(zhì)的折射率又取決于光傳輸介質(zhì)的折射率n對光的傳播距離對光的傳播距離ds的線積分，的線積分， 即即 對于均勻介質(zhì)，上式可簡化為：對于均勻介質(zhì)，上式可簡化為： 對上式中的變量對上式中的變量L和和n作全微分可得到相位變化量作全微分可得到相位變化量 0 0 2 L nds 0 /2nL )( 2 0 LnnL 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 1 1 干涉測量技術(shù)干涉測量技術(shù)2 2 光外差通信光外差通信3 3 多普勒測速多普勒測速 2 2 干涉測量技術(shù)中的調(diào)制和解調(diào)干涉測量技術(shù)中的調(diào)制和解調(diào) 一般干涉測量系統(tǒng)主要由光

10、源、干涉系統(tǒng)、干涉信號接收系一般干涉測量系統(tǒng)主要由光源、干涉系統(tǒng)、干涉信號接收系 統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)組成。從信息處理的角度來看，干涉測量實質(zhì)統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)組成。從信息處理的角度來看，干涉測量實質(zhì) 上是被測信息對光載波調(diào)制和解調(diào)的過程。各種類型的干涉儀或上是被測信息對光載波調(diào)制和解調(diào)的過程。各種類型的干涉儀或 干涉裝置是光頻載波的調(diào)制器和解調(diào)器。干涉裝置是光頻載波的調(diào)制器和解調(diào)器。 根據(jù)光調(diào)制器所調(diào)制的光載波的特征參量不同，調(diào)制技術(shù)可根據(jù)光調(diào)制器所調(diào)制的光載波的特征參量不同，調(diào)制技術(shù)可 以分為以分為振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制。 二二 基本干涉系統(tǒng)

11、及應用基本干涉系統(tǒng)及應用 能形成干涉現(xiàn)象的裝置是干涉儀，它的主要作用是，將光束能形成干涉現(xiàn)象的裝置是干涉儀，它的主要作用是，將光束 分成兩個沿不同路徑傳播的光束，在其中一路中引入被測量，產(chǎn)分成兩個沿不同路徑傳播的光束，在其中一路中引入被測量，產(chǎn) 生光程差后，再與另一路參考光重新合成為一束光，以便觀察干生光程差后，再與另一路參考光重新合成為一束光，以便觀察干 涉現(xiàn)象。涉現(xiàn)象。 1 1、典型的雙光束干涉系統(tǒng)、典型的雙光束干涉系統(tǒng) 21 22 sinrrd 21 22 sinrrd S 1 S 2 S d D x O P 1 r 2 r 干涉條紋干涉條紋 I I 光強分布 2 2、多光束干涉系統(tǒng)、多

12、光束干涉系統(tǒng) 2 2 2 2 4 1sin 2 1 a IE R R 各透射光波疊加干涉后的干涉強度分布為各透射光波疊加干涉后的干涉強度分布為 當平行反射面鍍以高反射膜層，即當平行反射面鍍以高反射膜層，即 時，時， ，可見，可見， 當當 時，光強時，光強 I I 幾乎為幾乎為0 0；而當滿足；而當滿足 條件時，條件時， I I 達到極大值達到極大值 。因此，多光束干涉的光強分布是由寬的暗。因此，多光束干涉的光強分布是由寬的暗 帶相間的明亮細條紋。帶相間的明亮細條紋。 1R 2 411RR sin20sin20 2 Ia A0 h i1 G G n2 i2 I3 I1 I1 I2 I2 I3 I

13、11 I22 I33 A 3 3、光纖干涉儀、光纖干涉儀 光纖邁克爾遜干涉儀光纖邁克爾遜干涉儀 光纖馬赫光纖馬赫 曾德干涉儀曾德干涉儀 光纖薩格納克干涉儀光纖薩格納克干涉儀 光纖楊氏干涉儀光纖楊氏干涉儀 光纖多光束光纖多光束F-P干涉儀干涉儀 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 1 1 干涉測量技術(shù)干涉測量技術(shù)2 2 光外差通信光外差通信3 3 多普勒測速多普勒測速 三三 同頻率相干信號的相位調(diào)制與檢測方法同頻率相干信號的相位調(diào)制與檢測方法 當兩束相干光束的頻率相同時，若被測量變化使當兩束相干光束的頻率相同時，若被測量變化使 相干光波的相位發(fā)生變化，再通過干涉作用把光波相相干光波的相位發(fā)生變化，再通過干涉作

14、用把光波相 位的變化變換為振幅的變化，這個過程稱為單頻光波位的變化變換為振幅的變化，這個過程稱為單頻光波 的相位調(diào)制。的相位調(diào)制。 22 1212 ( , )2cos( , )I x yaaa atx y ( , )1( , )cos( , )A x yx ytx y ,1,cos,I x yA x yx yx y 1 1 相位調(diào)制與檢測的原理相位調(diào)制與檢測的原理 干涉條紋的強度取決于相干光的相位差，而相位差又取決于光傳輸介干涉條紋的強度取決于相干光的相位差，而相位差又取決于光傳輸介 質(zhì)的折射率質(zhì)的折射率 n 對光的傳播距離對光的傳播距離ds 的線積分，即的線積分，即 0 0 2 L nds

15、0 /2nL )( 2 0 LnnL 光波傳輸介質(zhì)光波傳輸介質(zhì)折射率折射率和和光程長度光程長度的變化都將導致相干光的變化都將導致相干光相位相位的變化，從的變化，從 而引起干涉條紋強度的改變。干涉測量中就是利用這一特性改變光載波的特而引起干涉條紋強度的改變。干涉測量中就是利用這一特性改變光載波的特 征參量，以形成各種光學信息的。征參量，以形成各種光學信息的。 幾何距離、位移、角度、速度、溫度引起的熱膨脹幾何距離、位移、角度、速度、溫度引起的熱膨脹導致傳播距離導致傳播距離 改變；介質(zhì)成分、密度、環(huán)境溫度、氣壓以及介質(zhì)周圍電場、磁場引起折射改變；介質(zhì)成分、密度、環(huán)境溫度、氣壓以及介質(zhì)周圍電場、磁場引

16、起折射 率變化。率變化。 相位調(diào)制通常是利用不同形式的干涉儀，借助機械的、光學的、電子學相位調(diào)制通常是利用不同形式的干涉儀，借助機械的、光學的、電子學 的變換器件，將被測量的變化轉(zhuǎn)換為光路長度和折射率的變化，用于檢測的變換器件，將被測量的變化轉(zhuǎn)換為光路長度和折射率的變化，用于檢測 幾何和機械運動參量，分析物質(zhì)的理化特性。幾何和機械運動參量，分析物質(zhì)的理化特性。 2 2 干涉條紋的干涉條紋的檢測方法檢測方法 在相位調(diào)制檢測系統(tǒng)中，被測參量一般是通過改變干涉儀在相位調(diào)制檢測系統(tǒng)中，被測參量一般是通過改變干涉儀 中傳輸光的光程而引起對光的相位調(diào)制，由干涉儀解調(diào)出來的中傳輸光的光程而引起對光的相位調(diào)制

17、，由干涉儀解調(diào)出來的 信息是一幅干涉圖樣，它以干涉條紋的變化反映被測參量的信信息是一幅干涉圖樣，它以干涉條紋的變化反映被測參量的信 息。干涉條紋是由干涉場上光程差相同的場點的軌跡形成。干息。干涉條紋是由干涉場上光程差相同的場點的軌跡形成。干 涉條紋的形狀、間隔、顏色及位置的變化，均與光程的變化有涉條紋的形狀、間隔、顏色及位置的變化，均與光程的變化有 關，關，因此根據(jù)干涉條紋上述諸因素的變化可以進行長度、角度、因此根據(jù)干涉條紋上述諸因素的變化可以進行長度、角度、 平面度、折射率、氣體或液體含量、光學元件面形、光學系統(tǒng)平面度、折射率、氣體或液體含量、光學元件面形、光學系統(tǒng) 象差、光學材料內(nèi)部缺陷等

18、各種與光程有確定關系的幾何量和象差、光學材料內(nèi)部缺陷等各種與光程有確定關系的幾何量和 物理量的測量。物理量的測量。因此，如何檢測干涉條紋就變得十分有意義。因此，如何檢測干涉條紋就變得十分有意義。 干涉條紋檢測實際是檢測干涉條紋的光強度分布或其隨時間的干涉條紋檢測實際是檢測干涉條紋的光強度分布或其隨時間的 變化。變化。 基本的條紋檢測法包括條紋基本的條紋檢測法包括條紋光強檢測法光強檢測法、條紋比較法條紋比較法和和條條 紋跟蹤法紋跟蹤法。 干涉條紋光強檢測法干涉條紋光強檢測法 在干涉場中確定的位置上用光電元件直接檢測干涉條紋的在干涉場中確定的位置上用光電元件直接檢測干涉條紋的 光強變化稱為干涉條紋

19、光強檢測法。下圖給出了一維干涉測長光強變化稱為干涉條紋光強檢測法。下圖給出了一維干涉測長 的實例。為了獲得最佳的光電信號，要求有最大的交變信號幅的實例。為了獲得最佳的光電信號，要求有最大的交變信號幅 值和信噪比，這需要光學裝置和光電檢測器確保最佳工作條件，值和信噪比，這需要光學裝置和光電檢測器確保最佳工作條件， 盡可能地提高兩束光的相干度和光電轉(zhuǎn)換的混頻效率。盡可能地提高兩束光的相干度和光電轉(zhuǎn)換的混頻效率。 單頻光相干時，合成信號的瞬時光強為：單頻光相干時，合成信號的瞬時光強為： 22 1212 ,2cosI x yaaa at 0 ,1cos 2 L I x yIn 可見，可見，變化，變化，

20、隨之做周期變化。當隨之做周期變化。當變化變化時，時， 變化一個周期。若對變化一個周期。若對的變化進行計數(shù)，根據(jù)移動方向進行的變化進行計數(shù)，根據(jù)移動方向進行 加減運算，就可以測量出動鏡的移動距離。加減運算，就可以測量出動鏡的移動距離。 干涉條紋比較法干涉條紋比較法 如果采用兩束不同頻率的相干光源，各自獨立地組成干如果采用兩束不同頻率的相干光源，各自獨立地組成干 涉光路，使其中一束光頻為已知，另一束是未知的，則對應涉光路，使其中一束光頻為已知，另一束是未知的，則對應 共用測量反射鏡的同一位移，兩束光各自形成干涉條紋。經(jīng)共用測量反射鏡的同一位移，兩束光各自形成干涉條紋。經(jīng) 光電檢檢測后形成兩組獨立的

21、電信號，通過電信號頻率的比光電檢檢測后形成兩組獨立的電信號，通過電信號頻率的比 較可以計算出未知光波的波長。這種對應同一位移，比較不較可以計算出未知光波的波長。這種對應同一位移，比較不 同波長的兩個光束干涉條紋的變化差異的方法稱作干涉條紋同波長的兩個光束干涉條紋的變化差異的方法稱作干涉條紋 比較法。從這種原理出發(fā)，設計出了許多精確測量波長的波比較法。從這種原理出發(fā)，設計出了許多精確測量波長的波 長計。長計。 1 r x Bn M Nn 條紋比較法波長測量條紋比較法波長測量 原理圖原理圖 1 1半透半反鏡半透半反鏡 2 2，3 3圓錐角反射鏡圓錐角反射鏡 兩個鎖相振蕩器分別與兩個鎖相振蕩器分別與

22、 Dr 和和 Dx 輸出的光電信號輸出的光電信號Ur和和Ux同步，產(chǎn)生與同步，產(chǎn)生與r 和和x的干涉條紋同頻的整形脈沖信號。其中，與的干涉條紋同頻的整形脈沖信號。其中，與r 對應的脈沖信號經(jīng)對應的脈沖信號經(jīng)M倍頻器倍頻器 進行頻率倍頻，而與進行頻率倍頻，而與x 對應的信號則進行對應的信號則進行N倍分頻。利用脈沖開關，由倍分頻。利用脈沖開關，由N分頻分頻 信號控制信號控制M倍頻信號進行脈沖計數(shù)，最后由顯示器輸出。被測波長的計數(shù)按倍頻信號進行脈沖計數(shù)，最后由顯示器輸出。被測波長的計數(shù)按 下式進行：下式進行： 其中，其中，B為脈沖計數(shù)器的計數(shù)值，為脈沖計數(shù)器的計數(shù)值，n/n 是折射率的相對變化。是折

23、射率的相對變化。 干涉條紋跟蹤法干涉條紋跟蹤法 干涉條紋跟蹤法是一種平衡測量法。在干涉儀干涉條紋跟蹤法是一種平衡測量法。在干涉儀 測量鏡位置變化時，通過光電接收器實時地檢測出測量鏡位置變化時，通過光電接收器實時地檢測出 干涉條紋的變化。同時利用控制系統(tǒng)使參考鏡沿相干涉條紋的變化。同時利用控制系統(tǒng)使參考鏡沿相 應方向移動，以維持干涉條紋保持靜止不動。這時，應方向移動，以維持干涉條紋保持靜止不動。這時， 根據(jù)參考鏡位移驅(qū)動電壓的大小可直接得到測量鏡根據(jù)參考鏡位移驅(qū)動電壓的大小可直接得到測量鏡 的位移。的位移。 如下圖所示，表示了利用這種原理（如下圖所示，表示了利用這種原理（干涉條紋跟蹤法干涉條紋跟

24、蹤法）測量微）測量微 小位移的干涉測量裝置。這種方法能避免干涉測量的非線性影小位移的干涉測量裝置。這種方法能避免干涉測量的非線性影 響，并且不需要精確的相位測量裝置。但是跟蹤系統(tǒng)的固有慣響，并且不需要精確的相位測量裝置。但是跟蹤系統(tǒng)的固有慣 性限制了測量的快速性，因此只能測量性限制了測量的快速性，因此只能測量10kHz以下的位移變化。以下的位移變化。 條紋跟蹤法干涉系統(tǒng)示意圖條紋跟蹤法干涉系統(tǒng)示意圖 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 1 1 干涉測量技術(shù)干涉測量技術(shù)2 2 光外差通信光外差通信3 3 多普勒測速多普勒測速 四、四、 光外差檢測方法與系統(tǒng)光外差檢測方法與系統(tǒng) 相干檢測的主要方式是相干檢測的主

25、要方式是外差檢測外差檢測。光外差檢測在激光通信、。光外差檢測在激光通信、 雷達（測距、測速、測長）、外差光譜學、測振、激光陀螺及雷達（測距、測速、測長）、外差光譜學、測振、激光陀螺及 紅外物理等許多方面有著廣泛應用。紅外物理等許多方面有著廣泛應用。 光外差檢測與直接檢測相比，有檢測距離遠、檢測靈敏度光外差檢測與直接檢測相比，有檢測距離遠、檢測靈敏度 高高7-8個數(shù)量級、測量精度高等特點，但光外差檢測對光源的相個數(shù)量級、測量精度高等特點，但光外差檢測對光源的相 干性要求高，而且受大氣湍流效應的影響，目前遠距離外差檢干性要求高，而且受大氣湍流效應的影響，目前遠距離外差檢 測在大氣中應用受到限制，但

26、在測在大氣中應用受到限制，但在外層空間外層空間，特別是，特別是衛(wèi)星之間衛(wèi)星之間， 通信聯(lián)系已經(jīng)達到實用階段。通信聯(lián)系已經(jīng)達到實用階段。 1 1、 光外差光外差檢測原理檢測原理 光外差光外差檢測是利用兩束頻率不相同的相干光，在滿足檢測是利用兩束頻率不相同的相干光，在滿足波波 前匹配前匹配條件下，在光電檢測器上進行光學混頻。條件下，在光電檢測器上進行光學混頻。檢測器的輸檢測器的輸 出是頻率為兩光波頻差的拍頻信號，該信號包含有調(diào)制信號出是頻率為兩光波頻差的拍頻信號，該信號包含有調(diào)制信號 的振幅、頻率和相位特征。從理論上講，外差檢測能準確檢的振幅、頻率和相位特征。從理論上講，外差檢測能準確檢 測到這些

27、參量所攜帶的信息，比直接檢測具有更大的信息容測到這些參量所攜帶的信息，比直接檢測具有更大的信息容 量和更低的檢測極限。量和更低的檢測極限。 兩束平行的相干光在光電探測器表面形成相干光場，經(jīng)兩束平行的相干光在光電探測器表面形成相干光場，經(jīng) 光電檢測器后能輸出頻率為光電檢測器后能輸出頻率為L L- - s s 的差頻信號。 的差頻信號。 設信號光、本振光電場分別為：設信號光、本振光電場分別為： cos, cos LLLL SSSS EtAt EtAt 在光電檢測器光敏面上總的光電場為：在光電檢測器光敏面上總的光電場為： coscos SSSLLL E tAtAt 在混頻器上的平均光功率為：在混頻器

28、上的平均光功率為： 2 2 SL P tEtEtEt 則光電探測器輸出的光電流為：則光電探測器輸出的光電流為： 2 PSL ItP tEtEt e h 其中，其中， 為光電變換比例常數(shù)。為光電變換比例常數(shù)。 光電探測器輸出的光電流為：光電探測器輸出的光電流為： 第一、二項的平均值，即余弦函數(shù)平方的平均值等于第一、二項的平均值，即余弦函數(shù)平方的平均值等于1/2；第三；第三 項是和頻項，因為它的頻率太高而不能被光電探測器響應，平均項是和頻項，因為它的頻率太高而不能被光電探測器響應，平均 值為零；第四項是差頻項，它相對于光頻來說要緩慢得多，當差值為零；第四項是差頻項，它相對于光頻來說要緩慢得多，當差

29、 頻低于探測器的截止頻率時，才能被響應，則可得到通過以頻低于探測器的截止頻率時，才能被響應，則可得到通過以 為中心頻率的帶通濾波器的瞬時中頻電流為：為中心頻率的帶通濾波器的瞬時中頻電流為： 此即為光學外差信號表達式。此即為光學外差信號表達式。 IF 2 2222 coscos coscos PSL SssLLL SLLSLSSLLSLS ItPEtEt AtAt A AtA At cos IFSLLSLS ItA At 可見，外差信號的參量可見，外差信號的參量 可以表征信號光波的特征參量可以表征信號光波的特征參量 。 即即外差信號能以時序電信號的形式反映干涉場上各點處信號光波的外差信號能以時序

30、電信號的形式反映干涉場上各點處信號光波的 波動性質(zhì)波動性質(zhì)。即使信號光的參量受到被測信息調(diào)制，外差信號也能無。即使信號光的參量受到被測信息調(diào)制，外差信號也能無 畸變的精確復制這些信號。畸變的精確復制這些信號。 cos IFSLLSLS ItA At 則，在中頻濾波器輸出端，瞬時中頻信號電壓為：則，在中頻濾波器輸出端，瞬時中頻信號電壓為： cos IFSLLLSLS VtA A Rt 中頻輸出有效信號功率就是瞬時中頻功率在中頻周期內(nèi)的平均值：中頻輸出有效信號功率就是瞬時中頻功率在中頻周期內(nèi)的平均值： 2 2 2 IF IFSLL L V PP P R R 當當 L= S時，瞬時中頻電流為時，瞬時

31、中頻電流為： cos IFSLLS ItA A 2 2 2, 2 SS LL PA PA SLLSLS A A、 SSS A、 當當 L= S 時，瞬時中頻電流為時，瞬時中頻電流為： cos IFSLLS ItA A 這是外差檢測的特殊形式，稱為零差檢測。這是外差檢測的特殊形式，稱為零差檢測。 結(jié)論：結(jié)論： 差頻信號是由具有恒定頻率和恒定相位的相干光混頻得到差頻信號是由具有恒定頻率和恒定相位的相干光混頻得到 的，如果頻率、相位不恒定，無法得到確定的差頻光。因此，的，如果頻率、相位不恒定，無法得到確定的差頻光。因此， 激光是光外差檢測技術(shù)發(fā)展的前提基礎。激光是光外差檢測技術(shù)發(fā)展的前提基礎。 2

32、2、 光外差光外差檢測特性檢測特性 檢測能力強，可獲得全部信息檢測能力強，可獲得全部信息 光外差檢測光外差檢測可獲得有關光信號的全部信息，是可獲得有關光信號的全部信息，是 一種全息檢測技術(shù)。一種全息檢測技術(shù)。其輸出電流中包含有信號光的其輸出電流中包含有信號光的 振幅、頻率和相位的全部信息，也就是說，不僅振振幅、頻率和相位的全部信息，也就是說，不僅振 幅調(diào)制，而且頻率調(diào)制以及相位調(diào)制的光波所攜帶幅調(diào)制，而且頻率調(diào)制以及相位調(diào)制的光波所攜帶 的信息，通過光頻外差檢測方式均可實現(xiàn)解調(diào)。的信息，通過光頻外差檢測方式均可實現(xiàn)解調(diào)。 結(jié)論結(jié)論1 1：光外差檢測可獲得有關光信號的全部信息！光外差檢測可獲得有

33、關光信號的全部信息！ 光外差檢測轉(zhuǎn)換增益高光外差檢測轉(zhuǎn)換增益高 (a) 外差探測中，中頻輸出有效信號功率為：外差探測中，中頻輸出有效信號功率為： 2 2 2 IF IFSLL L V PP P R R (b) 直接探測中，探測器輸出的電功率為直接探測中，探測器輸出的電功率為: : 222 0 S PLL PI RP R 從物理過程的觀點看，直接探測是光功率包絡變換的檢波過程，從物理過程的觀點看，直接探測是光功率包絡變換的檢波過程， 而光頻外差檢測的光電轉(zhuǎn)換過程不是檢波，而是一種轉(zhuǎn)換過程，而光頻外差檢測的光電轉(zhuǎn)換過程不是檢波，而是一種轉(zhuǎn)換過程， 即把以即把以 為載頻的光頻信息轉(zhuǎn)換到以為載頻的光頻

34、信息轉(zhuǎn)換到以 為載頻的中頻電流上。為載頻的中頻電流上。 同樣光功率下，兩種方法所得信號光功率比為同樣光功率下，兩種方法所得信號光功率比為: : 0 2 IFL S PP G PP 結(jié)論結(jié)論2 2：光外差檢測具有天然的檢測微弱信號的能力！光外差檢測具有天然的檢測微弱信號的能力！ s IF 良好的濾波性能良好的濾波性能 在光外差檢測中，取差頻寬度作為信號處理器的通頻帶在光外差檢測中，取差頻寬度作為信號處理器的通頻帶f ， 則只有此頻帶內(nèi)的雜光可進入系統(tǒng)，對系統(tǒng)造成影響，而其它則只有此頻帶內(nèi)的雜光可進入系統(tǒng)，對系統(tǒng)造成影響，而其它 的雜光噪聲被濾掉。因此外差檢測系統(tǒng)不需濾光片，其效果也的雜光噪聲被濾

35、掉。因此外差檢測系統(tǒng)不需濾光片，其效果也 遠優(yōu)于直接檢測系統(tǒng)。遠優(yōu)于直接檢測系統(tǒng)。 例：目標沿光束方向運動速度例：目標沿光束方向運動速度V=15m/s，對于，對于10.6um CO2激光激光 信號，多普勒頻率信號，多普勒頻率fS為：為： 通頻帶通頻帶f1取為：取為： 而直接檢測加光譜濾光片時，設濾光片帶寬為而直接檢測加光譜濾光片時，設濾光片帶寬為1nm，所對應的帶，所對應的帶 寬，即通頻帶為：寬，即通頻帶為： 上述兩種情況的帶寬之比為：上述兩種情況的帶寬之比為： 2 1 SL V ff c 1 22 3 SLL VcV ffffMHz cc 9 3 21 6 3 10 10 3 10 ffHz

36、 18 219 2212 2 4 21122 3 10 103 10 10.6 10 cccc fffHz 2 sLSL fff 為了形成外差信號，要求信號光與本振光空間方向嚴格對準，為了形成外差信號，要求信號光與本振光空間方向嚴格對準， 而背景光入射方向是雜亂的，偏振方向不確定，不能滿足空間而背景光入射方向是雜亂的，偏振方向不確定，不能滿足空間 調(diào)準要求，不能形成有效的外差信號，因此，外差檢測能夠濾除調(diào)準要求，不能形成有效的外差信號，因此，外差檢測能夠濾除 背景光，有較強的空間濾波能力。背景光，有較強的空間濾波能力。 結(jié)論結(jié)論3：外差檢測對背景光有強抑制作用，具有良好的濾波性能！外差檢測對背

37、景光有強抑制作用，具有良好的濾波性能！ 信噪比損失小信噪比損失小 當不考慮檢測器本身噪聲影響，只考慮輸入背景噪當不考慮檢測器本身噪聲影響，只考慮輸入背景噪 聲的情況下，設信號光波為聲的情況下，設信號光波為ES(t)，背景光波為，背景光波為EB (t)，根，根 據(jù)前面討論的瞬時中頻電流表達式：據(jù)前面討論的瞬時中頻電流表達式： 可得到檢測器的輸出電流為：可得到檢測器的輸出電流為： 外差檢測器的輸出信噪比為外差檢測器的輸出信噪比為: 2 2 SL SSS nBB BL P PIPA IPAP P cos IFSLLSLS ItA At 2 IFSBL IPPP 結(jié)論結(jié)論4： 外差檢測器的輸出信噪比等

38、于輸入信噪比，輸出信噪比沒有損失！外差檢測器的輸出信噪比等于輸入信噪比，輸出信噪比沒有損失！ 最小可檢測功率最小可檢測功率 內(nèi)部增益為內(nèi)部增益為MM的光外差檢測器輸出有效信號功率為：的光外差檢測器輸出有效信號功率為： 2 2 22 CSLLSLL e PMP P RMP P R h 外差檢測系統(tǒng)遇到的噪聲與直接檢測系統(tǒng)遇到的噪聲基本相同，其中，外界外差檢測系統(tǒng)遇到的噪聲與直接檢測系統(tǒng)遇到的噪聲基本相同，其中，外界 輸入檢測器的噪聲及檢測器本身的噪聲通常都比較小，可消除。輸入檢測器的噪聲及檢測器本身的噪聲通常都比較小，可消除。 但檢測系統(tǒng)中的但檢測系統(tǒng)中的散粒噪聲散粒噪聲和和熱噪聲熱噪聲影響最大

39、，難以消除。外差檢測輸出的散影響最大，難以消除。外差檢測輸出的散 粒噪聲和熱噪聲表示為：粒噪聲和熱噪聲表示為： 2 24 nSBLdL e PM ePPPIfRkT f h MM是檢測器的內(nèi)增益，對于光導檢測器是檢測器的內(nèi)增益，對于光導檢測器M11000M11000； 對于光伏檢測器對于光伏檢測器M1M1； 對于光電倍增管對于光電倍增管M10M106 6 以上。以上。 PB為背景輻射功率，為背景輻射功率，Id為檢測器的暗電流，為檢測器的暗電流，f f為外差檢測的中頻帶寬。為外差檢測的中頻帶寬。 可見：可見： 外差檢測系統(tǒng)中的噪聲分別為由信號光、本振光和背景輻射所引外差檢測系統(tǒng)中的噪聲分別為由信

40、號光、本振光和背景輻射所引 起的散粒噪聲起的散粒噪聲，由檢測器暗電流所引起的散粒噪聲以及由檢測器和電路產(chǎn)，由檢測器暗電流所引起的散粒噪聲以及由檢測器和電路產(chǎn) 生的熱噪聲。生的熱噪聲。 因此，功率信噪比為：因此，功率信噪比為： 2 2 2 SLL p SLBdL e MP P R h SNR e M ePPPIfRkT f h 當本征功率當本征功率PL足夠大時，本征散粒噪聲遠超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋鹤銐虼髸r，本征散粒噪聲遠超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋?2 2 SLL S p LL e MP P R Ph SNR ehf M ePfR h 這就是光外差檢測系統(tǒng)中所這就是光外差檢測系統(tǒng)中所

41、能達到的最大信噪比極限，能達到的最大信噪比極限， 一般稱為光外差檢測的一般稱為光外差檢測的量子量子 檢測極限檢測極限或或量子噪聲限量子噪聲限。 2 2 22 CSLLSLL e PMP P RMP P R h 2 24 nSBLdL e PM ePPPIfRkT f h 為克服由信號光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的為克服由信號光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的 轉(zhuǎn)換增益，轉(zhuǎn)換增益，增大本振光功率增大本振光功率是有利的。但本振光本身也引起散粒是有利的。但本振光本身也引起散粒 噪聲，本振功率越大，噪聲也越大，使檢測系統(tǒng)信噪比反而降低。噪聲，本振功率越大，噪聲也越大，使檢測系統(tǒng)

42、信噪比反而降低。 因此，應合理選擇本振光功率，以便得到因此，應合理選擇本振光功率，以便得到最佳信噪比最佳信噪比和較大的和較大的中中 頻轉(zhuǎn)換增益。頻轉(zhuǎn)換增益。 引入引入最小可檢測功率（等效噪聲功率）最小可檢測功率（等效噪聲功率）NEP表示，在量子檢表示，在量子檢 測極限下，光外差檢測的測極限下，光外差檢測的NEP值為：值為： SNR時的信號光功率時的信號光功率: S p P SNR hf s hf PNEP (b) 在光電直接檢測系統(tǒng)的量子極限為：在光電直接檢測系統(tǒng)的量子極限為： 2hf NEP 這里面需要說明的是：這里面需要說明的是：直接檢測量子限是在理想光檢測器的理想直接檢測量子限是在理想光

43、檢測器的理想 條件下得到，實際中是無法實現(xiàn)量子極限的。而對于光外差檢測，條件下得到，實際中是無法實現(xiàn)量子極限的。而對于光外差檢測， 利用利用足夠的本振光足夠的本振光是容易實現(xiàn)的。是容易實現(xiàn)的。 結(jié)論結(jié)論5 5：檢測靈敏度高是光外差檢測的突出優(yōu)點：檢測靈敏度高是光外差檢測的突出優(yōu)點。 光外差檢測系統(tǒng)對檢測器性能的要求光外差檢測系統(tǒng)對檢測器性能的要求 外差檢測系統(tǒng)對檢測器要求一般比直接檢測對檢測器的外差檢測系統(tǒng)對檢測器要求一般比直接檢測對檢測器的 要求高得多，主要如下：要求高得多，主要如下： 響應頻帶寬。響應頻帶寬。 主要是因為采用多普勒頻移特性進行目標檢測時，頻移主要是因為采用多普勒頻移特性進行

44、目標檢測時，頻移 的范圍寬，要求檢測器的響應范圍要寬，甚至達上千兆的范圍寬，要求檢測器的響應范圍要寬，甚至達上千兆Hz。 均勻性好。均勻性好。 外差檢測中檢測器即為混頻器，在檢測器光敏面上信號外差檢測中檢測器即為混頻器，在檢測器光敏面上信號 光束和本振蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號，為達到在光敏面光束和本振蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號，為達到在光敏面 不同區(qū)域相同的外差效果，要求檢測器的光電性能在整個光不同區(qū)域相同的外差效果，要求檢測器的光電性能在整個光 敏面上都是一致。特別是用于跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測器。敏面上都是一致。特別是用于跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測器。 工作溫度高。工作溫度高。 在實驗室工

45、作時，工作溫度無嚴格要求。如果在室外或在實驗室工作時，工作溫度無嚴格要求。如果在室外或 空間應用時，要求選工作溫度高的檢測器。如空間應用時，要求選工作溫度高的檢測器。如HgCdTe紅外檢紅外檢 測器件。測器件。 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 1 1 干涉測量技術(shù)干涉測量技術(shù)2 2 光外差通信光外差通信3 3 多普勒測速多普勒測速 3 3 、光外差檢測條件、光外差檢測條件 光外差檢測只有在下列條件下才可能得到滿足：光外差檢測只有在下列條件下才可能得到滿足： 信號光波和本征光波信號光波和本征光波必須具有相同的模式結(jié)構(gòu)，必須具有相同的模式結(jié)構(gòu)，這意味著所這意味著所 用激光器應該單頻基模運轉(zhuǎn)。用激光器應該單頻

46、基模運轉(zhuǎn)。 信號光束和本振光束在光混頻面上信號光束和本振光束在光混頻面上光斑必須相互重合光斑必須相互重合，為了，為了 提供最大信噪比，它們的光斑直徑最好相等，因為不重合的提供最大信噪比，它們的光斑直徑最好相等，因為不重合的 部分對中頻信號無貢獻，只貢獻噪聲。部分對中頻信號無貢獻，只貢獻噪聲。 信號光波和本振光波的信號光波和本振光波的能流矢量必須盡可能保持同一方向能流矢量必須盡可能保持同一方向， 這意味著兩束光必須保持空間上的角準直。這意味著兩束光必須保持空間上的角準直。 在角準直，即傳播方向一致的情況下，兩束光的在角準直，即傳播方向一致的情況下，兩束光的波前面還必波前面還必 須曲率匹配，須曲率

47、匹配，即或者是平面，或者有相同曲率的曲面。即或者是平面，或者有相同曲率的曲面。 在上述條件都得到滿足時，有效的光混頻還要求在上述條件都得到滿足時，有效的光混頻還要求兩光波必須兩光波必須 同偏振，同偏振，因為在光混頻面上它們是矢量相加。因為在光混頻面上它們是矢量相加。 光外差檢測的空間條件光外差檢測的空間條件 普遍情況下，由于信號光與本振光波前有一失配角普遍情況下，由于信號光與本振光波前有一失配角，故信號光，故信號光 斜入射到光探測器表面，同一波前到達探測器光敏面的時間不斜入射到光探測器表面，同一波前到達探測器光敏面的時間不 同，可等效于在同，可等效于在x方向以速度方向以速度Vx 行進，所以在光

48、探測器光敏面不行進，所以在光探測器光敏面不 同點處形成波前相差，故可將信號光電場寫為：同點處形成波前相差，故可將信號光電場寫為： cos S SSSS X EtAtx V 式中，式中， 是信號光波矢在是信號光波矢在x方向的分量。由上圖可方向的分量。由上圖可 知，知， ，所以有，所以有 ,式中式中c為光速。為光速。 于是信號光電場可重寫為：于是信號光電場可重寫為： cos S SSSS X EtAtx V S x x K V sin S x KKsin c sin x c V 2 sin cos SSSS S EtAtx 入射到光電探測器光敏面的總電場為入射到光電探測器光敏面的總電場為 ： SL

49、 E tEtEt 光探測器輸出的瞬時光電流為光探測器輸出的瞬時光電流為： 2 22 2 22 22 2222 2 22 2 sin coscos 2 sin coscos 2 sin cos 2 sin cos dd pSssLLL sdd dd SssLLL sdd SLLSLS S SLLSLS S M IAtxAtdxdy d M AtxAt d A Atx A Atx dxdy 于是經(jīng)中頻濾波器后輸出的瞬時中頻電流為：于是經(jīng)中頻濾波器后輸出的瞬時中頻電流為： /2/2 2 /2/2 2 sin cos dd IFSLLSLS sdd M IA Atxdxdy d 因為因為Vx = c/

50、sin,所以瞬時中頻電流的大小與失配角所以瞬時中頻電流的大小與失配角有關。因子有關。因子 時，瞬時中頻電流達到最大值，即要求時，瞬時中頻電流達到最大值，即要求 ，也就是，也就是 失配角失配角0。 但是實際中但是實際中角很難調(diào)整到零。為了得到盡可能大的中頻輸出，角很難調(diào)整到零。為了得到盡可能大的中頻輸出， 總是希望因子總是希望因子 盡可能接近于盡可能接近于1，要滿足這一條件，只有，要滿足這一條件，只有 ，因此，因此 sin2 1 2 sx Sx dV dV 20 Sx dV 21 Sx dV= sin s d = 2 sin2 cos 2 sx IFSLLSLS Sx dVM IA At ddV

51、 對上式積分得到對上式積分得到： sin2 2 sx Sx dV dV 顯然，顯然，失配角與信號光波波長成正比，與光混頻器失配角與信號光波波長成正比，與光混頻器 的尺寸成反比，即波長越長，光電探測器尺寸越小，則的尺寸成反比，即波長越長，光電探測器尺寸越小，則 所容許的失配角就越大所容許的失配角就越大。 由此可見，光外差探測的空間準直要求十分苛刻。由此可見，光外差探測的空間準直要求十分苛刻。 波長越短，空間準直要求也越苛刻。所以在紅外波段光波長越短，空間準直要求也越苛刻。所以在紅外波段光 外差探測比可見光波段有利得多外差探測比可見光波段有利得多 。 外差檢測在空間上能很好的抑制背景噪聲，具有很外

52、差檢測在空間上能很好的抑制背景噪聲，具有很 好的空間濾波性能，但外差檢測要求嚴格的空間條件也好的空間濾波性能，但外差檢測要求嚴格的空間條件也 帶來了不便，即調(diào)準兩個光束很困難。帶來了不便，即調(diào)準兩個光束很困難。 舉例舉例: L=10.6m，檢測器光敏面，檢測器光敏面0.2cm，求，求多大？多大？ arcsin s d = 可見：要形成強的差頻信號，對信號光束和本振可見：要形成強的差頻信號，對信號光束和本振 光束的空間準直要求很嚴格。如此以來，使得背景光光束的空間準直要求很嚴格。如此以來，使得背景光 噪聲被濾掉。外差探測具有很好的空間濾波性能。同噪聲被濾掉。外差探測具有很好的空間濾波性能。同 時

53、，也增加了系統(tǒng)測量的難度。時，也增加了系統(tǒng)測量的難度。 解決辦法：采用聚焦透鏡降低空間準直要求。（解決辦法：采用聚焦透鏡降低空間準直要求。（本質(zhì)本質(zhì) 上是把不同傳播方向的信號光集中在一起上是把不同傳播方向的信號光集中在一起） 本質(zhì)上相當于把不同傳播方向的信號光束集中在一本質(zhì)上相當于把不同傳播方向的信號光束集中在一 起。失配角可由系統(tǒng)的視場角起。失配角可由系統(tǒng)的視場角r r 來決定。圖中，來決定。圖中， 本振光束被發(fā)散，以便使本振光束均勻的覆蓋光檢本振光束被發(fā)散，以便使本振光束均勻的覆蓋光檢 測器的光敏面。系統(tǒng)的視場角測器的光敏面。系統(tǒng)的視場角r r 為：為： f是透鏡的焦距，是透鏡的焦距，Dp

54、 是探測器光敏面直徑是探測器光敏面直徑 p r D f 故故 2.44 p ddr effrr p D DD D DD Dff 解得：解得： 2.44 2.44 p r effdr D DD D 而有效孔徑而有效孔徑Deff為：為： d effr p D DD D 可通過增大透鏡孔徑可通過增大透鏡孔徑Dr來增大有效孔徑來增大有效孔徑Deff ，但，但 透鏡孔徑透鏡孔徑 Dr與衍射光斑直徑與衍射光斑直徑Dd有關，衍射光斑直徑為：有關，衍射光斑直徑為： 2.44 d r f D D 舉例舉例: L=10.6m，檢測器光敏面，檢測器光敏面 Dp = 0.2cm，所采用會聚透鏡的，所采用會聚透鏡的 通

55、光孔徑通光孔徑Dr=10cm，f = 50cm，求，求r 多大？多大？ p r D f 光外差檢測的頻率條件光外差檢測的頻率條件 光外差檢測除了要求信號光和本振光必須保持空間準直以光外差檢測除了要求信號光和本振光必須保持空間準直以 外，還要求兩者具有高度的外，還要求兩者具有高度的單色性單色性和和頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度。 所謂光的單色性是指這種光只包含一種頻率或光譜線極窄所謂光的單色性是指這種光只包含一種頻率或光譜線極窄 的光。的光。 由于原子激發(fā)態(tài)總有一定的能級寬度及其它原因，光由于原子激發(fā)態(tài)總有一定的能級寬度及其它原因，光 譜線總有一定的寬度譜線總有一定的寬度 。 信號光和本振光的頻率漂移如不

56、能限制在一定范圍內(nèi)，則信號光和本振光的頻率漂移如不能限制在一定范圍內(nèi)，則 光外差檢測系統(tǒng)的性能就會變壞。因為，如果信號光頻率和本光外差檢測系統(tǒng)的性能就會變壞。因為，如果信號光頻率和本 振光頻率相對漂移很大，兩者頻率之差就有可能大大超過中頻振光頻率相對漂移很大，兩者頻率之差就有可能大大超過中頻 帶寬，導致光探測器之后的前置放大、中頻放大電路對中頻信帶寬，導致光探測器之后的前置放大、中頻放大電路對中頻信 號不能正常放大。所以，需要采取專門措施穩(wěn)定信號光和本振號不能正常放大。所以，需要采取專門措施穩(wěn)定信號光和本振 光的頻率和相位。光的頻率和相位。 F-P腔穩(wěn)頻、鎖模穩(wěn)頻、飽和吸收穩(wěn)頻等腔穩(wěn)頻、鎖模穩(wěn)

57、頻、飽和吸收穩(wěn)頻等 大氣湍流對外差探測的影響大氣湍流對外差探測的影響 大氣湍流是一種隨機現(xiàn)象，既反映在空間變量上，又反大氣湍流是一種隨機現(xiàn)象，既反映在空間變量上，又反 映在時間變量上。表現(xiàn)為空間各點的光波相位隨機變化，因映在時間變量上。表現(xiàn)為空間各點的光波相位隨機變化，因 而使相干面積大大減小，破壞空間相位條件，使外差接收功而使相干面積大大減小，破壞空間相位條件，使外差接收功 率降低，信噪比下降。率降低，信噪比下降。 應用光的干涉效應進行測量的方法稱為干涉測量應用光的干涉效應進行測量的方法稱為干涉測量 技術(shù)。干涉測量系統(tǒng)主要由技術(shù)。干涉測量系統(tǒng)主要由光源、干涉系統(tǒng)、信號接光源、干涉系統(tǒng)、信號接

58、 收系統(tǒng)收系統(tǒng)和和信號處理系統(tǒng)信號處理系統(tǒng)組成。組成。 根據(jù)測量對象和測量要求的不同而各有不同的組根據(jù)測量對象和測量要求的不同而各有不同的組 合，并由此形成了各種結(jié)構(gòu)形式的干涉儀。合，并由此形成了各種結(jié)構(gòu)形式的干涉儀。 優(yōu)點：測量精度高（以波長為單位）優(yōu)點：測量精度高（以波長為單位） 。 干涉測量基本原理：改變干涉儀中傳輸光的光程干涉測量基本原理：改變干涉儀中傳輸光的光程 而引起對光的相位調(diào)制，從而表現(xiàn)為對光強的調(diào)制。而引起對光的相位調(diào)制，從而表現(xiàn)為對光強的調(diào)制。 測量干涉條紋的變化即可得到被測參量的信息。測量干涉條紋的變化即可得到被測參量的信息。 干涉條紋是由干涉場上光程差相同的場點的軌跡干

59、涉條紋是由干涉場上光程差相同的場點的軌跡 形成。形成。 可進行可進行長度、角度、平面度、折射率、氣體或液長度、角度、平面度、折射率、氣體或液 體含量、光學元件面形、光學系統(tǒng)像差、光學材料內(nèi)體含量、光學元件面形、光學系統(tǒng)像差、光學材料內(nèi) 部缺陷部缺陷等幾何量和物理量的測量。等幾何量和物理量的測量。 激光干涉測長的基本原理激光干涉測長的基本原理 系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成： (a)激光光源激光光源 He-Ne氣體激光器，頻寬達氣體激光器，頻寬達103Hz， 相干長度可達相干長度可達300km (b)干涉系統(tǒng)干涉系統(tǒng) 邁克爾遜干涉原理，位移邁克爾遜干涉原理，位移-測量臂；測量臂； (c)光電顯微鏡光電顯微鏡

60、 給出起始位置，實現(xiàn)對被測長度或位移給出起始位置，實現(xiàn)對被測長度或位移 的精密瞄準，使干涉儀的干涉信號處理的精密瞄準，使干涉儀的干涉信號處理 部分和被測量之間實現(xiàn)同步。部分和被測量之間實現(xiàn)同步。 (d)干涉信號處理部分干涉信號處理部分 光電控制、信號放大、判向、細分及可光電控制、信號放大、判向、細分及可 逆計數(shù)和顯示記錄等。逆計數(shù)和顯示記錄等。 測量光束測量光束2和參考光束和參考光束1相互疊加干涉形相互疊加干涉形 成干涉信號。其明暗變化次數(shù)直接對應成干涉信號。其明暗變化次數(shù)直接對應 于測量鏡的位移，可表示為：于測量鏡的位移，可表示為： 2 LN 激光干涉測長的光路設置激光干涉測長的光路設置 1