直接探测和相干探测分解.pptx

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1、测距计时器放大、滤波、比较主波回波光学信号变换光电信号变换激光脉冲测距原理示意图电学信号变换光电信号变换与处理第1页/共108页光学信号变换 光电信号变换与处理光电信号变换电学信号变换教材第八章教材第九章教材第十章第2页/共108页人眼和探测器可以响应平均光功率平方律器件光电信号变换 光电探测器光信号电信号第3页/共108页光电信号变换 光电探测器光信号电信号光的频率：10141015Hz 探测器响应频率1010Hz 第4页/共108页光电信号变换 光电探测器光信号电信号响应平均光功率 直接探测响应光的频率 相干探测第5页/共108页光电信号变换 光电探测器光信号电信号入射光与探测器相互作用的

2、物理过程 第6页/共108页第第0909章章 直接探测和相干探测直接探测和相干探测 直接探测（平均光功率）相干探测（光的波动参数）探测方法的改进光电信号变换第7页/共108页9.1 9.1 直接探测直接探测9.1.1直接探测的基本原理9.1.3直接探测的应用举例Drirect Detection，又称为非相干探测装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测平均光功率（光强）9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离第8页/共108页1.直接探测基本物理过程：9.1.1直接探测的基本原理光 波：光功率：第9页/共108页1.直接探测基本物理过程：9.1.1直接探测的基本原理平方律器件：光波：光功

3、率：第10页/共108页1.直接探测基本物理过程：9.1.1直接探测的基本原理平方律器件：光波：第11页/共108页光场包络的频率1010Hz 光场的频率10141015Hz 1.直接探测基本物理过程：光电探测器响应光场包络平方律器件：9.1.1直接探测的基本原理第12页/共108页2.直接探测系统的信噪比1)信噪比定义：电信号功率和电噪声功率之比 9.1.1直接探测的基本原理第13页/共108页2.直接探测系统的信噪比9.1.1直接探测的基本原理1)信噪比定义：电流（电压）信噪比：功率信噪比：第14页/共108页2.直接探测系统的信噪比9.1.1直接探测的基本原理模拟信号系统：35，精度高时

4、10100信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标 数字脉冲系统：例如，光通信误码率0振动针孔Rt第36页/共108页1.1.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Rt第37页/共108页1.1.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Rt第38页/共108页1.1.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Rt第39页/共108页2.2.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、2、4、R

5、0 零频、（同相）、2、第40页/共108页3.3.鉴相器输出鉴相器输出U0R=0 零频、2、4、U0=0 R0 零频、（反相）、2、U0 0 零频、（同相）、2、Uo 0第41页/共108页4.4.鉴相器输出鉴相器输出波形波形Uot0Uot0TT=2/Uot0TT=2/R=0R0第42页/共108页第九章第九章 直接探测和相干探测直接探测和相干探测 直接探测（平均光功率）相干探测（光的波动参数）探测方法的改进光电信号变换第43页/共108页第第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：（非相干探测）相干探测：（光学外差探测）装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测光功率（

6、光强）。装置复杂，光源必须为相干光源，间接探测光波的振幅、频率和相位等参数。第44页/共108页9.2 相干探测相干探测9.2.1 相干探测的基本原理9.2.2 相干探测的条件9.2.3 相干探测的应用举例Coherent Detection 又称为光外差探测 第45页/共108页1.相干探测的物理过程原理框图 信号光s（本地、异地）参考光ru双频光波：9.2.1 9.2.1 相干探测的基本原相干探测的基本原理理第46页/共108页1.相干探测的物理过程原理框图 9.2.1 9.2.1 相干探测的基本原相干探测的基本原理理u波前匹配条件：空间条件频率条件偏振条件第47页/共108页1.相干探测

7、的物理过程原理框图 9.2.1 9.2.1 相干探测的基本原相干探测的基本原理理采用平方律探测器：（只响应平均功率）高灵敏度、高频响应、量子效率PMT，PIN-PD，A_PD u光学混频器：第48页/共108页1.相干探测的物理过程1)相干探测的输出信号信号光参考光第49页/共108页和 角 差 角 积 第50页/共108页1.相干探测的物理过程1)相干探测的输出信号信号光参考光第51页/共108页平方律探测器光混频输出Ihs为：10141015Hz1010Hz第52页/共108页1.相干探测的物理过程1)相干探测的输出信号探测器、放大器滤波器（中频输出）第53页/共108页 信 息 1.相干

8、探测的物理过程1)相干探测的输出信号特例：单频双光束干涉（频差为0）第54页/共108页讨论：相干探测的实质1.平方律探测器2.频率搬移10141015Hzs G107108 外差探测直接探测2.相干探测的基本特性第60页/共108页相干探测优点：信噪比高相干探测：直接探测：仅考虑信号光引起的散粒噪声限制 相干探测信噪比高？2.相干探测的基本特性第61页/共108页信号光电流、背景光电流和器件暗电流热噪声 散粒噪声仅考虑信号光电流引起的散粒噪声：直接探测的信噪比：2.相干探测的基本特性第62页/共108页外差探测：直接探测：仅考虑信号光引起的散粒噪声限制，即 外差探测与直接探测更容易满足条件相

9、干探测信噪比高？第63页/共108页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：（与直接探测对比）探测能力强转换增益高信噪比高滤波性好（空间滤波和光谱滤波）稳定性和可靠性高第64页/共108页 9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件1相干探测空间条件2相干探测频率条件3相干探测偏振条件满足波前匹配条件：第65页/共108页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失配角：9.2.2 相干探测的条件例：光电探测器的尺寸d为lmm，当s0.63m时 第66页/共108页1 1相干探测空间条件相干探测空间条件为什么需要角准直？探测器接收面上沿x方向各

10、点的相位差不同：9.2.2 相干探测的条件第67页/共108页为什么需要角准直？探测器接收面上沿x方向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没有相同的位相关系 导致混频输出电流信号减小第68页/共108页为什么需要角准直？探测器表面各点相位相同时：探测器表面各点相位不同时：输出信号最大值输出信号减小第69页/共108页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：例：d=1mm，s0.6328m失配角：可以证明：9.2.2 相干探测的条件第70页/共108页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：例：d=1mm，s0.6328m

11、失配角：可以证明：空间准直：条件苛刻 空间滤波9.2.2 相干探测的条件第71页/共108页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频谱分析仪 外差接收v，1041010Hz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 两束光取自同一激光器，由频偏取得本振光 专门措施：9.2.2相干探测的条件第72页/共108页3 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Ihs为：“代数和”？信号光与本振光的偏振方向一致 加检偏器获得偏振方向一致 9.2.2相干探测的条件第73页/共108页9.2.2 9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件1相干

12、探测空间条件2相干探测频率条件3相干探测偏振条件满足波前匹配条件：相干探测与直接探测相比？第74页/共108页9.2 相干探测相干探测9.2.1 相干探测的基本原理9.2.2 相干探测的条件9.2.3 相干探测的应用举例Coherent Detection 又称为光外差探测 第75页/共108页9.2.3 相干探测的应用举例相位调制频率调制干涉测量相干通信精密测长、测距、测速、测振动、测力、测应变、光谱分析，外层空间特别是卫星之间通信、光纤通中波分复用 接收解调，第76页/共108页9.2.3 相干探测的应用举例2.激光多普勒测速3.CO2激光外差通信1.激光干涉测量 第77页/共108页1.

13、激光干涉测量 1)单频激光测长 信号光参考光单频第78页/共108页1)单频激光测长 信号光参考光单频位移l1.激光干涉测量 第79页/共108页1)单频激光测长 例：取n=1,测量镜位移时观察到探测器的输出为：l =?1.激光干涉测量 第80页/共108页1)单频激光测长 信号光参考光 位移l局限性：不能判别移动方向1.激光干涉测量 第81页/共108页1)单频激光测长 光电探测器4,5相位差为/2参考光信号光判别移动方向：“参照物”1.激光干涉测量 第82页/共108页1)单频激光测长 判别移动方向：“参照物”1.激光干涉测量 正反移动方向波形 第83页/共108页1)单频激光测长 信号光

14、参考光缺点：空气的折射率n与当时的环境温度、湿度 及气压等因素有关，影响测量精度2.双频激光测长 1.激光干涉测量 第84页/共108页2)双频激光测长 双频激光干涉仪双频激光检偏器 滤波片 信号光 参考光 1.激光干涉测量 第85页/共108页2)双频激光测长 双频激光干涉仪光学差频信号 1.激光干涉测量 第86页/共108页2)双频激光测长 光学差频信号:积分器波数:位移测量公式：位移与空气的折射率n无关！1.激光干涉测量 第87页/共108页2)双频激光测长 双频激光干涉仪频差为150MHz，激光稳频精度为108时，测长精度0.1m3.二维干涉图测量 1.激光干涉测量 第88页/共108

15、页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 二维光强分布 亮条纹扩束1.激光干涉测量 第89页/共108页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 不平程度 相位分布基本思路：亮条纹 二维 干涉图样1.激光干涉测量 第90页/共108页表面形状分布 二维光强分布 亮条纹动态检测：精度 /100 静态检测：精度 /20 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.激光干涉测量 第91页/共108页一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.激

16、光干涉测量 第92页/共108页使参考光相位人为地随时间调制 二次相位调制 信号光相位受到被测物理量的调制称为 一次相位调制二次相位调制的定义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.激光干涉测量 第93页/共108页静止干涉图样亮条纹光学相位分布，计算机界面上是一幅静止的画面 静态检测光学相位分布变换为时序电信号相位动态检测一次相位调制：二次相位调制：（照相机）（摄像机）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.激光干涉测量 第94页/共108页3)二维干涉图测量二次相位调制的实现途径 二次相位调制 移动参考镜压电陶瓷：伸长（缩短）量 l

17、=kU Lr 参考镜第95页/共108页例：例：阶梯波阶梯波扫描干涉法扫描干涉法3)二维干涉图测量第96页/共108页阶梯波阶梯波扫描时的干涉图：扫描时的干涉图：干涉图样：时序信号：tI3)二维干涉图测量第97页/共108页阶梯波阶梯波扫描时的干涉图：扫描时的干涉图：干涉图样：时序信号：tI3)二维干涉图测量第98页/共108页例例 阶梯波扫描干涉法阶梯波扫描干涉法 物面凹凸 不平程度 相位分布3)二维干涉图测量基本思路：亮条纹 二维 干涉图样第99页/共108页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r的余弦函数 I(x,r)as2(x)+ar2+2as(x)arcoss(x）

18、cosr +2as(x)arsins(x）sinr 求解s表达式（1）3)二维干涉图测量第100页/共108页每次改变1/n周期采样p个周期令r在2周期内每次改变1/n周期，共采样p个周期，即 求解s表达式（2）3)二维干涉图测量第101页/共108页每次光电测量数值 求解s表达式（3）3)二维干涉图测量第102页/共108页 求解s表达式（4）3)二维干涉图测量第103页/共108页i.干涉面上任意一点x的光强分布都可以展开为参考光相位r的时序调制，即可将干涉空间图转换为时序信号：ii.被测光信息的相位s(x)可由下式计算得出，并由此确定面形的凹凸程度：3)二维干涉图测量第104页/共108

19、页如何得到相位分布：如何得到相位分布：光强空间分布10241024CCD面阵光强取样N X P次测量数据平均计算机曲线拟合相位分布3)二维干涉图测量第105页/共108页干涉图样亮条纹静态检测（精度 /20）动态检测（精度 /100）一次相位调制：二次相位调制：二次相位调制技术为干涉测量开辟了实时、数字式和高分辨率的新途径！1.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第106页/共108页本章小结：本章小结：1.直接探测是用探测器直接测量光强度（光通量）信息，噪声等效功率极限该方法设备简单，对光源的相干性无要求。像分析器实际中很难达到 2.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号来测量光波的幅度、频率和相位等信息，噪声等效功率极限实际中容易达到信噪比高、滤波性好等优点，要求满足空间、频率和偏振条件，设备较复杂，要求光源相干性好。相位调制检测（单一频分光，干涉测量）频率调制检测（运动参量、固定频移和直接调频）第107页/共108页感谢您的观看！第108页/共108页