直接探测和相干探测-PPT精选课件.ppt

1、光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering课程主要内容四大部分：课程主要内容四大部分：理论基础理论基础光电信号光电信号变换与处理变换与处理光辐射源光辐射源光电探测器光电探测器光电系统光电系统分析设计分析设计光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering测距测距计时计时器器放大、滤波、放大、滤波、比较比较主波主波回波回波光学信号变换光学信号变换光电信号变换光电信号变换激光脉冲测距原理示意图激光脉冲测距原理示意图电学信号变换电学

2、信号变换光电信号变换与处理光电信号变换与处理光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering光学信号变换光学信号变换 光电信号光电信号变换与处理变换与处理光电信号变换光电信号变换电学信号变换电学信号变换教材第八章教材第八章教材第九章教材第九章教材第十章教材第十章00cos(2)EEvt人眼和探测器人眼和探测器可以可以响应平均光功率响应平均光功率20E 平方律器件平方律器件光光电电信号变换信号变换 光电光电探测器探测器光信号光信号电信号电信号光光电电信号变换信号变换 光电光电探测器探测器光信号光信号电信号电信号光的

3、频率：光的频率：10141015Hz 00cos(2)EEvt探测器响应频率探测器响应频率1010Hz 光电信号变换光电信号变换 光电光电探测器探测器光信号光信号电信号电信号00cos(2)EEvt响应平均光功率响应平均光功率 直接探测直接探测响应光的频率响应光的频率 相干探测相干探测00cos(2)EEvt光光电电信号变换信号变换 光电光电探测器探测器光信号光信号电信号电信号入射光与探测器相互作用的物理过程入射光与探测器相互作用的物理过程 光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第第0909章章 直接探

4、测和相干探测直接探测和相干探测 直接探测直接探测 （平均光功率）（平均光功率）相干探测相干探测 （光的波动参数）（光的波动参数）探测方法的改进探测方法的改进光电信号变换光电信号变换9.1 9.1 直接探测直接探测9.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理9.1.3直接探测的应用举例直接探测的应用举例Drirect Detection，又称为非相干探测，又称为非相干探测装置简单，光源为装置简单，光源为相干光源相干光源或或非相干光源非相干光源，只能探测平均只能探测平均光功率（光强）光功率（光强）9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离直接探测系统的视场和作用距离222sssss1()sin()

5、2tata平均1.1.直接探测基本物理过程：直接探测基本物理过程：9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理ssss()sin()E tat光光 波：波：光功率：光功率：2ssdd0()()nEttI AAZ222sssss1()sin()2tata平均1.1.直接探测基本物理过程：直接探测基本物理过程：9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理平方律器件：平方律器件：ssss()sin()E tat光波：光波：光功率：光功率：2d sss12ISS a1.1.直接探测基本物理过程：直接探测基本物理过程：9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理平方律

6、器件：平方律器件：ssss()sin()E tat光波：光波：dss1()ISVt2d sss12ISS a光场包络光场包络的的频率频率1010Hz 光场光场的频率的频率10141015Hz 1.1.直接探测基本物理过程：直接探测基本物理过程：光电探测器光电探测器响应光场包络响应光场包络dss1()ISPV t平方律器件：平方律器件：9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理设光栅的栅距P40m相对移动的速度V=1cm/s半导体激光器,波长=890nm例例1 1 比较光场频率和光强度信号的变化频率光强度信号的变化频率f=？光

7、场频率 v=?2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比1)信噪比定义：信噪比定义：22ssLs22nnLnPI RISNRPi Ri 2sLsdB1/222nLn10lg20lgI RISNRi Ri电电信号功率和信号功率和电电噪声功率之比噪声功率之比 9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理1)信噪比定义：信噪比定义：2sLsdB1/222nLn10lg20lgI RISNRi Ri电流（电压）信噪比：电流（电压）信噪比：功率信噪比：功率信噪比：2sU2sInnuUSNRi

8、ISNR或或2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理模拟信号系统：模拟信号系统：35，精度高时精度高时10100信噪比信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标重要指标 数字脉冲系统：数字脉冲系统：例如，光通信误码率例如，光通信误码率 0(t)t例例4.4.像分析器与目标的空间定位像分析器与目标的空间定位2)2)扫描调制式像分析器扫描调制式像分析器 x像振动像振动 x 0 x0振动针孔振动针孔Rt1.1.振动针孔调制器的工作特性振动针孔调制器的工作特性 （定位特性）（定位特性）RR0振动针孔Rt1.

9、1.振动针孔调制器的工作特性振动针孔调制器的工作特性 （定位特性）（定位特性）RR0振动针孔振动针孔Rt1.1.振动针孔调制器的工作特性振动针孔调制器的工作特性 （定位特性）（定位特性）RR0振动针孔振动针孔Rt2.2.转轴表面跳动时针孔转轴表面跳动时针孔 光通量的波形图：光通量的波形图：RUcttttR=0 零频、零频、2、4、R0 零频零频、（同相）、（同相）、2、3.3.鉴相器输出鉴相器输出U0R=0 零频、零频、2、4、U0=0 R0 零频、零频、（反相）、（反相）、2、U0 0 零频、零频、（同相）、（同相）、2、Uo 0 KUUUUtSinU)t(Ucic00mc4.4.鉴相器输出

10、鉴相器输出波形波形Uot0Uot0TT=2/Uot0TT=2/R=0R0光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第九章第九章 直接探测和相干探测直接探测和相干探测 直接探测直接探测 （平均光功率）（平均光功率）相干探测相干探测 （光的波动参数）（光的波动参数）探测方法的改进探测方法的改进光电信号变换光电信号变换光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第第09章章 直接探测和相干探测直接探测和相干探测直接探测：直接探测

11、：（非相干探测）（非相干探测）相干探测：相干探测：（光学外差探测）（光学外差探测）装置简单，光源为装置简单，光源为相干光源相干光源或或非相干光非相干光源源，只能探测，只能探测光功率（光强）光功率（光强）。装置复杂，光源必须为装置复杂，光源必须为相干光源相干光源，间接，间接探测探测光波的振幅、频率和相位光波的振幅、频率和相位等参数。等参数。光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering9.2 相干探测相干探测9.2.1 相干探测的基本原理相干探测的基本原理9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件9.2.3 相干探

12、测的应用举例相干探测的应用举例Coherent Detection 又称为又称为光外差探测光外差探测 1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程原理框图原理框图 信号光s（本地、异地）参考光ru双频光波：9.2.1 9.2.1 相干探测的基本原理相干探测的基本原理1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程原理框图原理框图 9.2.1 9.2.1 相干探测的基本原理相干探测的基本原理u波前匹配条件：波前匹配条件：空间条件空间条件频率条件频率条件偏振条件偏振条件1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程原理框图原理框图 9.2.1 9.2.1 相干探测的基本原理相干探测的基本原理采用平方律采用平方律探测

13、器探测器：（只响应平均功率）（只响应平均功率）高灵敏度、高频响应、量子效率高灵敏度、高频响应、量子效率PMT，PIN-PD，A_PD u光学混频光学混频器：器：222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|()()2()()cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程1)1)相干探测的输出信号相干探测的输出信号ssss()sin()E tatrrrr()sin()E tat信号光信号光参考光参考光2cos121sin)cos()

14、cos(21sinsinsinsincoscos)cos(sinsincoscos)cos(2和和 角角 差差 角角 积积 222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|()()2()()cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程1)1)相干探测的输出信号相干探测的输出信号ssss()sin()E tatrrrr()sin()E tat信号光信号光参考光参考光222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrs

15、r|()()|()()2()()cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at平方律探测器光混频输出平方律探测器光混频输出Ihs为：为：10141015Hz1010Hz222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|()()2()()cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程1)1)相干探测的输出信号相干探测的输出信号hssrcos()IS

16、a at 探测器、放大器滤波器（中频输出）探测器、放大器滤波器（中频输出）222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|()()2()()cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程1)1)相干探测的输出信号相干探测的输出信号探测器、放大器滤波器（中频输出）探测器、放大器滤波器（中频输出）相干探测拍频信号输出相干探测拍频信号输出 （虚拟波形演示）（虚拟波形演示）相干探测拍频信号输出相干探测拍频信号输出 （虚拟波形演示）（虚拟波形

17、演示）222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|()()2()()cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()ISEtEtS EtEtEt EtSaaatata ata at相干探测拍频信号输出相干探测拍频信号输出 （虚拟波形演示）（虚拟波形演示）222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|()()2()()cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()ISEtEtS EtEtEt EtSaaatata ata at启动虚拟仪器启动虚拟仪器LabVIEW8.6仿真信号仿真信号相干探测

18、拍频信号输出相干探测拍频信号输出 （虚拟波形演示）（虚拟波形演示）222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|()()2()()cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()ISEtEtS EtEtEt EtSaaatata ata at启动虚拟仪器启动虚拟仪器LabVIEW8.6仿真信号仿真信号222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|()()2()()cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at1.相干探测

19、的物理过程相干探测的物理过程1)1)相干探测的输出信号相干探测的输出信号探测器、放大器滤波器（中频输出）探测器、放大器滤波器（中频输出）相干探测拍频信号输出相干探测拍频信号输出虚拟波形动态演示虚拟波形动态演示 信信 息息 1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程1)1)相干探测的输出信号相干探测的输出信号hssrcos()ISa at srsr特例：单频双光束干涉（频差为特例：单频双光束干涉（频差为0 0）讨论：讨论：相干探测的实质相干探测的实质222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|()()2()()cos(22)cos(22)22cos()()2c

20、os()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at1.1.平方律探测器平方律探测器2.2.频率搬移频率搬移sr10141015Hzs G107108 外差探测外差探测直接探测直接探测hsmrsrs2ISa aShssrcos()ISa at 22hsmsrr222dsss44ISGIS 2.相干探测的基本特性相干探测的基本特性相干探测优点：相干探测优点：信噪比高信噪比高相干探测：相干探测：直接探测：直接探测：仅考虑信号光引起的仅考虑信号光引起的散粒噪声限制散粒噪声限制 fNEP2hdsd2hSNRf相干探测相干探测信噪比高？信噪比高？P217shhSNRff

21、NEPhh2.相干探测的基本特性相干探测的基本特性信号光电流、背景光电流和器件暗电流信号光电流、背景光电流和器件暗电流热噪声热噪声 散粒噪声散粒噪声仅考虑仅考虑信号光电流信号光电流引起的散粒噪声：引起的散粒噪声：直接探测的信噪比：直接探测的信噪比：sd2hSNRf2nT2nD2nB2nSiiii，22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiii2.相干探测的基本特性相干探测的基本特性外差探测：外差探测：直接探测：直接探测：仅考虑信号光引起的散粒噪声限制，即仅考虑信号光引起的散粒噪声限制，即 sd2hSNRfshhSNRf2NT2ND2NB2NSiiii，外差探测与直接探测

22、更容易满足条件外差探测与直接探测更容易满足条件相干探测相干探测信噪比高？信噪比高？2.相干探测的基本特性相干探测的基本特性相干探测相干探测优点优点：（与直接探测对比）（与直接探测对比）探测能力强探测能力强转换增益高转换增益高信噪比高信噪比高滤波性好滤波性好（空间滤波和光谱滤波）（空间滤波和光谱滤波）稳定性和可靠性高稳定性和可靠性高光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering 9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件1 1相干探测空间条件相干探测空间条件2 2相干探测频率条件相干探测频率条件3 3相

23、干探测偏振条件相干探测偏振条件满足满足波前匹配条件波前匹配条件：1 1相干探测空间条件相干探测空间条件信号光和本振光在空间上的信号光和本振光在空间上的角准直角准直41失配角：失配角：9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件例：例：光电探测器光电探测器的尺寸的尺寸d为为lmm，当当s0.63m时时 1 1相干探测空间条件相干探测空间条件为什么需要为什么需要角准直角准直？探测器接收面上沿探测器接收面上沿x方向方向各点的相位差各点的相位差不同不同：sssss2 sin()sin()E tatx9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件为什么需要为什么需要角准直角准直？探测器接收

24、面上沿探测器接收面上沿x方向方向各点的相位不同各点的相位不同信号光和本振光的波前在光混频器表面上信号光和本振光的波前在光混频器表面上没有相同的位相关系没有相同的位相关系 导致混频输出电流信号减小导致混频输出电流信号减小为什么需要为什么需要角准直角准直？探测器表面各点探测器表面各点相位相位相同相同时：时：探测器表面各点探测器表面各点相位相位不同不同时：时：输出信号输出信号最大值最大值输出信号输出信号减小减小1 1相干探测空间条件相干探测空间条件信号光和本振光在空间上的角准直：信号光和本振光在空间上的角准直：ssind例：例：d=1mm，s0.6328m41失配角：失配角：可以证明：可以证明：9.

25、2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件1 1相干探测空间条件相干探测空间条件信号光和本振光在空间上的角准直：信号光和本振光在空间上的角准直：ssind例：例：d=1mm，s0.6328m41失配角：失配角：可以证明：可以证明：空间准直：空间准直：条件苛刻条件苛刻 空间滤波空间滤波9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件2 2相干探测频率条件相干探测频率条件混频器选通放大器观察仪器高频示波器高频示波器频谱分析仪频谱分析仪 外差接收外差接收v，1041010Hz信号光和本振光的频率漂移？信号光和本振光的频率漂移？采用高单色性和频率稳定度的激光源采用高单色性和频率稳定度的激光源

26、 两束光取自同一激光器，由频偏取得本振光两束光取自同一激光器，由频偏取得本振光 专门措施：专门措施：9.2.2相干探测的条件相干探测的条件222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|()()2()()cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at3 3相干探测偏振条件相干探测偏振条件平方律探测器光混频输出平方律探测器光混频输出Ihs为：为：“代数和”？信号光与本振光的偏振方向一致信号光与本振光的偏振方向一致 加检偏器加检偏器获得偏振方向一致获得偏振方向一致 9.2.2

27、相干探测的条件相干探测的条件9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件1 1相干探测相干探测空间条件空间条件2 2相干探测相干探测频率条件频率条件3 3相干探测相干探测偏振条件偏振条件P214 P214 满足波前匹配条件：满足波前匹配条件：相干探测相干探测与与直接探测直接探测相比？相比？光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering9.2 相干探测相干探测9.2.1 相干探测的基本原理相干探测的基本原理9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件9.2.3 相干探测的应用举例相干探测的应用举例Cohere

28、nt Detection 又称为又称为光外差探测光外差探测 9.2.3 相干探测的应用举例相干探测的应用举例hssrcos()ISa at 相位调制相位调制频率调制频率调制ssrs00vvvv，干涉测量干涉测量相干通信相干通信精密测长、测距、测速、测振动、精密测长、测距、测速、测振动、测力、测应变、测力、测应变、光谱分析光谱分析，外层空间特别是卫星之间通信、外层空间特别是卫星之间通信、光纤通中波分复用光纤通中波分复用 接收解调，接收解调，9.2.3 相干探测的应用举例相干探测的应用举例2.2.激光多普勒测速激光多普勒测速3.CO3.CO2 2激光外差通信激光外差通信1.1.激光干涉测量激光干涉

29、测量 hssrcos()ISa at 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 1)单频激光测长单频激光测长 hssrcos()ISa at 信号光信号光参考光参考光单频单频hsrscosISa a2/2nl1)单频激光测长单频激光测长 信号光信号光参考光参考光单频单频hsrscosISa a2/2nl2()Nm位移位移l1.1.激光干涉测量激光干涉测量 1)单频激光测长单频激光测长 例：例：取取n=1,测量镜位移时观察到探测器测量镜位移时观察到探测器的输出为：的输出为：hsrscosISa a2/2nl2()Nml =?1.1.激光干涉测量激光干涉测量 1)单频激光测长单频激光测长 信号光信号光参考

30、光参考光2/2 n l2()Nm 位移位移l局限性：局限性：不能判别移动方向不能判别移动方向1.1.激光干涉测量激光干涉测量 1)单频激光测长单频激光测长 光电探测器光电探测器4,54,5相位差为相位差为/2/2参考光参考光信号光信号光判别移动方向：判别移动方向：“参照物参照物”1.1.激光干涉测量激光干涉测量 1)单频激光测长单频激光测长 判别移动方向判别移动方向：“参照物参照物”1.1.激光干涉测量激光干涉测量 正反移动方向波形正反移动方向波形 1)单频激光测长单频激光测长 信号光信号光参考光参考光2/2 n l缺点：缺点：空气的空气的折射率折射率n与当时的与当时的环境温度环境温度、湿度湿

31、度 及及气压气压等因素有关，影响测量精度等因素有关，影响测量精度2.双频激光测长双频激光测长 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 2)双频激光测长双频激光测长 双频激光干涉仪双频激光干涉仪双频激光双频激光检偏器检偏器 滤波片滤波片 信号光信号光 参考光参考光 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 2)双频激光测长双频激光测长 双频激光干涉仪双频激光干涉仪2v 光学差频信号光学差频信号 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 2)双频激光测长双频激光测长 2v光学差频信号光学差频信号:积分器波数积分器波数:位移测量公式：位移测量公式：2LN位移与位移与空气的折射率空气的折射率n无关！无关！02dtLNv t

32、1.1.激光干涉测量激光干涉测量 2)双频激光测长双频激光测长 双频激光干涉仪双频激光干涉仪频差为频差为150MHz，激光稳频精度为激光稳频精度为108时，时，测长精度测长精度0.1m3.二维干涉图测量二维干涉图测量 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 3)3)波前调制相位与二维干涉图分析波前调制相位与二维干涉图分析表面形状分布表面形状分布 二维光强分布二维光强分布 亮条纹亮条纹扩束扩束1.1.激光干涉测量激光干涉测量 3)3)波前调制相位与二维干涉图分析波前调制相位与二维干涉图分析 物面凹凸物面凹凸 不平程度不平程度 相位分布相位分布sr基本思路：基本思路：亮条纹亮条纹 二维二维 干涉图样干涉

33、图样),(yxs1.1.激光干涉测量激光干涉测量 表面形状分布表面形状分布 二维光强分布二维光强分布 亮条纹亮条纹Sr动态检测：动态检测：精度精度 /100 静态检测：静态检测：精度精度 /20/20 二次相位调制二次相位调制 3)3)波前调制相位与二维干涉图分析波前调制相位与二维干涉图分析1.1.激光干涉测量激光干涉测量 Sr一次相位调制一次相位调制二次相位调制二次相位调制3)3)波前相位调制与二维干涉图分析波前相位调制与二维干涉图分析1.1.激光干涉测量激光干涉测量 使参考光相位人为地随时间调制使参考光相位人为地随时间调制 二次二次相位调制相位调制 信号光相位受到被测物理量的调制称为信号光

34、相位受到被测物理量的调制称为 一次相位调制一次相位调制二次相位调制的二次相位调制的定义定义Sr3)3)波前相位调制与二维干涉图分析波前相位调制与二维干涉图分析1.1.激光干涉测量激光干涉测量 静止干涉图样静止干涉图样亮条纹亮条纹光学相位分布光学相位分布，计算机界计算机界面上是一幅静止的画面面上是一幅静止的画面 静态检测静态检测光学相位分布变换为时序光学相位分布变换为时序电信号相位电信号相位动态检测动态检测一次相位调制一次相位调制：二次相位调制二次相位调制：（照相机）（照相机）（摄像机）（摄像机）rS3)3)波前相位调制与二维干涉图分析波前相位调制与二维干涉图分析1.1.激光干涉测量激光干涉测量

35、 3)3)二维干涉图测量二维干涉图测量二次相位调制的二次相位调制的实现途径实现途径 二次相位调制sr 移动参考镜压电陶瓷：伸长（缩短）量压电陶瓷：伸长（缩短）量 l =kU Lr 参考镜参考镜例：例：阶梯波阶梯波扫描干涉法扫描干涉法3)3)二维干涉图测量二维干涉图测量阶梯波阶梯波扫描时的干涉图：扫描时的干涉图：干涉图样：干涉图样：时序信号：时序信号：tI3)3)二维干涉图测量二维干涉图测量阶梯波阶梯波扫描时的干涉图：扫描时的干涉图：干涉图样：干涉图样：时序信号：时序信号：tI3)3)二维干涉图测量二维干涉图测量例例 阶梯波扫描干涉法阶梯波扫描干涉法 物面凹凸物面凹凸 不平程度不平程度 相位分布

36、相位分布sr3)3)二维干涉图测量二维干涉图测量基本思路：基本思路：亮条纹亮条纹 二维二维 干涉图样干涉图样),(yxs011(,)()()cos()sinrrrI xUxU xm x只分析一维的情况干涉面上任一点x的光强度：将上式看作是将上式看作是r的余弦函数的余弦函数 I(x,r)as2(x)+ar2+2as(x)arcoss(x）cosr +2as(x)arsins(x）sinr 求解求解s表达式（表达式（1 1）3)3)二维干涉图测量二维干涉图测量22srsrrs()()()2cos()I xaxaxa ax011(,)()()cos()sinrrrI xUxU xm x每次改变每次改

37、变1/n周期周期采样采样p个周期个周期令令r在在2周期内每周期内每次改变次改变1/n周期，共周期，共采样采样p个周期，即个周期，即rj2()1,2,3.,jjnpn 求解求解s表达式（表达式（2 2）3)3)二维干涉图测量二维干涉图测量220sr11()(,)()nprjjUxI xaxanp011(,)()()cos()sinrrrI xUxU xm x1ss12()(,)cos2()cos()nprjrjrjUxI xax axnp1ss12()(,)sin2()sin()nprjrjrjmxI xax axnp每次每次光电光电测量数值测量数值 求解求解s表达式（表达式（3 3）3)3)二

38、维干涉图测量二维干涉图测量1ss12()(,)cos2()cos()nprjrjrjU xI xa x axnp1ss12()(,)sin2()sin()nprjrjrjm xI xa x axnp 求解求解s表达式（表达式（4 4）3)3)二维干涉图测量二维干涉图测量s11()arctan()/()xm xU x9-73，9-78式物理意义i.i.干涉面上干涉面上任意一点任意一点x的光强分布的光强分布都可以展开为都可以展开为参考光相位参考光相位r r的时序调制的时序调制，即可将，即可将干涉空间图干涉空间图转转换为换为时序信号时序信号：ii.ii.被测被测光信息的相位光信息的相位s s(x)可

39、由下式计算得出，可由下式计算得出，并由此并由此确定面形的凹凸程度：确定面形的凹凸程度：011(,)()()cos()sinrrrI xU xU xm x3)3)二维干涉图测量二维干涉图测量s11()()/()xarctg m xUx如何得到相位分布：如何得到相位分布：光强空间分布1024102410241024CCDCCD面阵面阵光强取样N X X P次次测量测量数据平均计算机计算机曲线拟合曲线拟合相位分布3)3)二维干涉图测量二维干涉图测量干涉图样亮条纹静态检测（精度精度 /20）动态检测动态检测（精度精度 /100）一次相位调制一次相位调制：二次相位调制二次相位调制：二次相位调制技术二次相

40、位调制技术为干涉测量开辟了实时、为干涉测量开辟了实时、数字式和高分辨率的新途径！数字式和高分辨率的新途径！rs 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 3)3)波前相位调制与二维干涉图分析波前相位调制与二维干涉图分析动态检测动态检测（精度精度 /100）二次相位调制二次相位调制：1.1.激光干涉测量激光干涉测量 激光陀螺：激光陀螺：基片基片0.08nm膜片膜片0.8nm双频平面干涉法双频平面干涉法3)3)波前相位调制与二维干涉图分析波前相位调制与二维干涉图分析 1.1.激光干涉测量激光干涉测量 一种改进的泰曼一种改进的泰曼-格林干涉仪格林干涉仪 双频平面外差干涉测量系统双频平面外差干涉测量系统单频平

41、面干涉单频平面干涉 /100/100双频平面干涉双频平面干涉 /1000/10003)3)波前相位调制与二维干涉图分析波前相位调制与二维干涉图分析光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering9.2.3 相干探测的应用举例相干探测的应用举例2.2.激光多普勒测速激光多普勒测速*3.CO3.CO2 2激光外差通信激光外差通信1.1.激光干涉测量激光干涉测量 hssrcos()ISa at 光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineeri

42、ng9.2.3 相干探测应用举例相干探测应用举例3.CO2激光外差通信激光外差通信光通信光通信光纤通信光纤通信大气光通信大气光通信半导体激光器半导体激光器强度调制强度调制直接探测直接探测COCO2 2激光器激光器光波光波频率或相位调制频率或相位调制相干探测相干探测9.2.3 相干探测的应用举例相干探测的应用举例COCO2 2激光外差通信激光外差通信频率或者相位调制频率或者相位调制 相干探测相干探测 外层空间星际通信外层空间星际通信9.2.3 相干探测的应用举例相干探测的应用举例光纤通信光纤通信强度调制强度调制 直接探测直接探测 应应用用 相干探测相干探测光电科学与工程学院光电科学与工程学院Co

43、llege Of Optoelectric Science and Engineering9.2.3 相干探测的应用举例相干探测的应用举例相干探测相干探测可用于光纤通信中可用于光纤通信中波分复用波分复用 接收解调接收解调发送端发送端接收端接收端12n强度调制强度调制强度调制复用相干接收相干接收相干接收12n光纤9.2.3 相干探测的应用举例相干探测的应用举例中国科学院研究生院中国科学院研究生院博士学位论文博士学位论文光纤水听器关键技术研究光纤水听器关键技术研究倪 明 光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光纤础上

44、的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换成光信号，并通过光纤相干检测，将水声信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。光纤水听器主传至信号处理系统提取声信号信息。光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的监测。它既可用于底声学特性、目标声学特性等的监测。它既可用于海洋、陆地石油天然气勘探，也可用于海洋、陆地海洋、陆地石油天然气勘探，也可用于海洋、陆地地震波检测以及海洋环境检测，它又是现代海军反地震波检测以及海洋环境检测，它又是现代海军反潜作战及水下兵器试验的先进检测手

45、段。潜作战及水下兵器试验的先进检测手段。9.2.3 相干探测的应用举例相干探测的应用举例Michelson干涉光纤水听器 光纤水听器光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光纤相干检测，水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理将水声信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。系统提取声信号信息。9.3 探测方法的改进探测方法的改进*9.3.1 9.3.1 平衡探测平衡探测灵敏度提高一倍灵敏度提高一倍9.3 探测方法的改进探测方法的改进*9.3.2 9

46、.3.2 光光前置前置放大器放大器光放大器在结构上光放大器在结构上是一个没有反馈或是一个没有反馈或反馈较小的激光器反馈较小的激光器 sG作用：作用：全光全光通信；直接探测具有通信；直接探测具有相干探测的灵敏度相干探测的灵敏度激光激光912 图图929所示的是一测定透明物体相位分布的相位显微所示的是一测定透明物体相位分布的相位显微镜，由镜，由马赫泽德干涉仪马赫泽德干涉仪组成。图中的组成。图中的L1和和L2是显微物镜，是显微物镜，被测物体放置在物镜焦面上。测量光的偏振方向与纸面垂直。被测物体放置在物镜焦面上。测量光的偏振方向与纸面垂直。P1是是/4波片，波片，P2是偏振片和是偏振片和/4波片组合件

47、，后者相对前者的波片组合件，后者相对前者的偏振轴有偏振轴有45o倾斜，组合件以角速度倾斜，组合件以角速度旋转，试说明该装置的工旋转，试说明该装置的工作原理。作原理。解答解答1:1:相敏相敏检波器检波器UiUca1cos(t+x)a2cos(t)a1cos(-)t+x)a2cos(+)t+-a3cos(t)a3cos(t)cos(tt)/2/4P1P2/4x解答解答2:2:Ui=K1 a1a2 cos(2t+x)=Uim cos(2t+x)Uc=Kc(a3)2cos2(t)=.Kc a3cos2t=Ucm cos2tU0=(1/2)Uim Ucm cosx=Kcosxx=2nL/相敏相敏检波器检

48、波器UiUcx本章小结：本章小结：d2/NEPhv f 1.直接探测直接探测是用探测器直接测量是用探测器直接测量光强度（光通量）信息光强度（光通量）信息，噪，噪声等效功率极限声等效功率极限该方法该方法设备简单设备简单，对光源的，对光源的相干性无要求相干性无要求。像分析器像分析器实际中实际中很难很难达到达到 2.相干探测相干探测是利用信号光和本征光在探测器上混合产生拍频信是利用信号光和本征光在探测器上混合产生拍频信号来测量号来测量光波的幅度、频率和相位等信息光波的幅度、频率和相位等信息，噪声等效功率极限，噪声等效功率极限/hfhNEP实际中实际中容易容易达到达到信噪比高、滤波性好等优点，要求满足空间、频率和偏振条件，信噪比高、滤波性好等优点，要求满足空间、频率和偏振条件，设备较复杂设备较复杂，要求光源，要求光源相干性好相干性好。相位相位调制检测（单一频分光，干涉测量）调制检测（单一频分光，干涉测量）频率频率调制检测（运动参量、固定频移和直接调频）调制检测（运动参量、固定频移和直接调频）