直接探測和相干探測

1、00cos(2)EEvt人眼和探測器人眼和探測器可以可以響應(yīng)平均光功率響應(yīng)平均光功率20E 平方律器件平方律器件光光電電信號變換信號變換 光電光電探測器探測器光信號光信號電信號電信號光光電電信號變換信號變換 光電光電探測器探測器光信號光信號電信號電信號光的頻率：光的頻率：10141015Hz 00cos(2)EEvt探測器響應(yīng)頻率探測器響應(yīng)頻率1010Hz 光電信號變換光電信號變換 光電光電探測器探測器光信號光信號電信號電信號00cos(2)EEvt響應(yīng)平均光功率響應(yīng)平均光功率 直接探測直接探測響應(yīng)光的頻率響應(yīng)光的頻率 相干探測相干探測第第0909章章 直接探測和相干探測直接探測和相干探測 直

2、接探測直接探測 （平均光功率）（平均光功率） 相干探測相干探測 （光的波動參數(shù)）（光的波動參數(shù)） 探測方法的改進(jìn)探測方法的改進(jìn)光電信號變換光電信號變換9.1 9.1 直接探測直接探測9.1.1直接探測的基本原理直接探測的基本原理9.1.3直接探測的應(yīng)用舉例直接探測的應(yīng)用舉例Drirect Detection ，又稱為非相干探測，又稱為非相干探測裝置簡單，光源為裝置簡單，光源為相干光源相干光源或或非相干光源非相干光源，只能探測平均只能探測平均光功率（光強(qiáng)）光功率（光強(qiáng)）9.1.2* 直接探測系統(tǒng)的視場和作用距離直接探測系統(tǒng)的視場和作用距離光波：光波： 光功率：光功率： 平方律器件：平方律器件：s

3、sss( )sin()E tat人眼和探測器可以人眼和探測器可以響應(yīng)平均光功率響應(yīng)平均光功率2)(ssat 2)(ssatSI1.1.直接探測基本物理過程：直接探測基本物理過程： 光場包絡(luò)光場包絡(luò)的的頻率頻率1010Hz 光場光場的頻率的頻率10141015Hz 光電探測器光電探測器響應(yīng)光場包絡(luò)響應(yīng)光場包絡(luò)dss1( )ISV t平方律器件：平方律器件：設(shè)光柵的柵距P40m相對移動的速度V =1cm/s半導(dǎo)體激光器,波長 =890nm例例1 1 比較光場頻率和光強(qiáng)度信號的變化頻率光強(qiáng)度信號的變化頻率f = ？光場頻率 v =? 2.直接探測系統(tǒng)的信噪比直接探測系統(tǒng)的信噪比1)信噪比定義：信噪比

4、定義： 2sLsdB1/222nLn10lg20lgI RISNRi Ri電電信號功率和信號功率和電電噪聲功率之比噪聲功率之比 9.1.19.1.1直接探測的基本原理直接探測的基本原理22ssLs22nnLnPI RISNRPi Ri2sU2sInnuUSNRiISNR或或模擬信號系統(tǒng)：模擬信號系統(tǒng)：35， 精度高時(shí)精度高時(shí)10100信噪比信噪比是衡量光電探測系統(tǒng)質(zhì)量好壞的一個(gè)是衡量光電探測系統(tǒng)質(zhì)量好壞的一個(gè)重要指標(biāo)重要指標(biāo) 數(shù)字脈沖系統(tǒng)：數(shù)字脈沖系統(tǒng)：例如，光通信誤碼率例如，光通信誤碼率10-9 要求信噪比要求信噪比20dB提高系統(tǒng)信噪比的基本途徑：提高系統(tǒng)信噪比的基本途徑：光學(xué)方法光學(xué)方法

5、，如場鏡、光錐、浸沒透鏡如場鏡、光錐、浸沒透鏡 應(yīng)用光學(xué)應(yīng)用光學(xué)電學(xué)方法電學(xué)方法，如濾波、低噪聲放大、弱信如濾波、低噪聲放大、弱信 號檢測號檢測第十章第十章熱力學(xué)方法熱力學(xué)方法，制冷降低探測器噪聲制冷降低探測器噪聲 信號光電流信號光電流、背景光電流和器件暗電流、背景光電流和器件暗電流熱噪聲熱噪聲 散粒噪聲散粒噪聲2) 直接探測的直接探測的信噪比極限信噪比極限：以光電二極管為例以光電二極管為例 22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiii最理想情況，只有最理想情況，只有信號信號光電流引起的散粒噪聲光電流引起的散粒噪聲2nSS2ieIfsd2SNRhvf直接探測的直接探測

6、的量子極限量子極限 最理想情況，只有最理想情況，只有信號光電流信號光電流引起的散粒噪聲引起的散粒噪聲（忽略嗎？忽略嗎？） 直接探測的直接探測的量子極限量子極限 2) 直接探測的直接探測的信噪比極限：信噪比極限：22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiiisd2SNRhvf2nSS2ieIf2.直接探測系統(tǒng)的信噪比直接探測系統(tǒng)的信噪比直接探測的直接探測的量子極限量子極限 量子極限的另一種表達(dá)是：量子極限的另一種表達(dá)是：直接探測的直接探測的噪聲等效功率噪聲等效功率 例：例：為為1，f為為1Hz，2h，已很接近單個(gè)光子的，已很接近單個(gè)光子的能量能量h。 實(shí)際上，幾乎不可能？

7、實(shí)際上，幾乎不可能？sd2SNRhvfd2hv fNEP9.1 9.1 直接探測直接探測9.1.1直接探測的基本原理直接探測的基本原理9.1.3直接探測的應(yīng)用舉例直接探測的應(yīng)用舉例Drirect Detection ，又稱為非相干探測，又稱為非相干探測裝置簡單，光源為裝置簡單，光源為相干光源相干光源或或非相干光源非相干光源，只能探測平均只能探測平均光功率（光強(qiáng)）光功率（光強(qiáng)）9.1.2* 直接探測系統(tǒng)的視場和作用距離直接探測系統(tǒng)的視場和作用距離9.1.39.1.3直接探測的應(yīng)用舉例直接探測的應(yīng)用舉例激光制導(dǎo)、飛行物自動跟蹤激光制導(dǎo)、飛行物自動跟蹤激光穩(wěn)頻、機(jī)器人視覺激光穩(wěn)頻、機(jī)器人視覺幾何量（

8、長度、位移幾何量（長度、位移）表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕）光學(xué)參量（吸收、反射光學(xué)參量（吸收、反射）電磁量（電流、電場、磁場電磁量（電流、電場、磁場）應(yīng)用于測量：應(yīng)用于測量：應(yīng)用于控制：應(yīng)用于控制：特點(diǎn)：特點(diǎn)：信息加載信息加載輻通量（光強(qiáng)）輻通量（光強(qiáng)）幾何量（長度、位移幾何量（長度、位移）表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕）光學(xué)參量（吸收、反射光學(xué)參量（吸收、反射）電磁量（電流、電場、磁場電磁量（電流、電場、磁場）輻通量輻通量（幅度、（幅度、頻率頻率、相位、相位）9.1.39.1.3直接探測的應(yīng)用舉例直接探測的應(yīng)用舉例例例1. 1.

9、 光電磁場測量光電磁場測量磁場光通量（磁場光通量（幅度幅度）磁場磁場振動方向旋轉(zhuǎn)角度振動方向旋轉(zhuǎn)角度 光通量幅度光通量幅度9.1.39.1.3直接探測的應(yīng)用舉例直接探測的應(yīng)用舉例例例2. 2. 光柵莫爾條紋測位移光柵莫爾條紋測位移mcos(2)xPt精度已可達(dá)精度已可達(dá)0.1m/m 位移光通量（位移光通量（頻率頻率）9.1.39.1.3直接探測的應(yīng)用舉例直接探測的應(yīng)用舉例光通量的頻率測量光通量的頻率測量光電轉(zhuǎn)速表光柵位移傳感器 測測“幅度幅度”與與“頻率頻率”方法，方法，測量精度測量精度的比較：的比較：基準(zhǔn)精度基準(zhǔn)精度測量精度測量精度基準(zhǔn)穩(wěn)定方法基準(zhǔn)穩(wěn)定方法幅度幅度10-310-410-210

10、-3模擬量穩(wěn)定電路頻率頻率10-610-810-510-7晶振，數(shù)字鎖相環(huán)現(xiàn)代光電測量中常優(yōu)先考慮采用頻率測量法！ 例例3. 3. 光電測距光電測距光電光波測距光電光波測距發(fā)射光波發(fā)射光波接收光波接收光波距離光通量（距離光通量（相位相位）002/tD c9.1.39.1.3直接探測的應(yīng)用舉例直接探測的應(yīng)用舉例第第09章章 直接探測和相干探測直接探測和相干探測直接探測：直接探測：（非相干探測）（非相干探測） 相干探測：相干探測： （光學(xué)外差探測）（光學(xué)外差探測） 裝置簡單，光源為裝置簡單，光源為相干光源相干光源或或非相干光非相干光源源，只能探測，只能探測光功率（光強(qiáng)）光功率（光強(qiáng)）。 裝置復(fù)雜，

11、光源必須為裝置復(fù)雜，光源必須為相干光源相干光源，間接，間接探測探測光波的振幅、頻率和相位光波的振幅、頻率和相位等參數(shù)。等參數(shù)。9.2 相干探測相干探測9.2.1 相干探測的基本原理相干探測的基本原理9.2.2 相干探測的條件相干探測的條件9.2.3 相干探測的應(yīng)用舉例相干探測的應(yīng)用舉例Coherent Detection 又稱為又稱為光外差探測光外差探測 1. 相干探測的物理過程相干探測的物理過程原理框圖原理框圖 9.2.1 9.2.1 相干探測的基本原理相干探測的基本原理信號光信號光s （異地）（異地）參考光參考光r（本地）本地）u雙頻（不同光波長）光波：雙頻（不同光波長）光波：以一般情況為

12、例：在同一方向上傳播、振動方向相以一般情況為例：在同一方向上傳播、振動方向相同、振幅不同、頻率差相差很小的兩束單色光同、振幅不同、頻率差相差很小的兩束單色光1)1)合成的光強(qiáng)得到信號輸出合成的光強(qiáng)得到信號輸出ssss( )sin()E tatrrrr( )sin()E tat信號光信號光參考光參考光平方律探測器光混頻電流信號為：平方律探測器光混頻電流信號為： )()cos(2)()(222rsrsrsrsrShstaaaaStEtESI 參見竺子民，參見竺子民，物理光學(xué)物理光學(xué)，P119 經(jīng)帶通濾波選頻經(jīng)帶通濾波選頻)()cos(2rsrsrshstaaSI 平均光電流為幅值的有效值平均光電流

13、為幅值的有效值rsrshsaaSaaSI222 相速度相速度群速度群速度參見梁銓廷，參見梁銓廷，物理光學(xué)物理光學(xué)，P63 頻譜分析頻譜分析類似類似DSB調(diào)制調(diào)制拍頻等于拍頻等于兩光頻差兩光頻差包絡(luò)頻率包絡(luò)頻率等于兩光等于兩光頻差的頻差的1/2n參考：雙邊帶調(diào)制（DSB）2rsH H H 2rsc 2rsmH 探測器濾波器（中頻輸出）探測器濾波器（中頻輸出） srsr特例：單頻雙光束干涉（頻差為特例：單頻雙光束干涉（頻差為0 0）零差探測）零差探測)cos(2 taaSIrshss G107108 注意：功率為幅值有效值的平方注意：功率為幅值有效值的平方)cos(2 taaSIrshssrsrs

14、rssrsLdsLhsaaaaaaSaaSRIRIG 88422222242222222 外差探測外差探測直接探測直接探測信號光電流、背景光電流和器件暗電流信號光電流、背景光電流和器件暗電流熱噪聲熱噪聲 散粒噪聲散粒噪聲僅考慮僅考慮信號光電流信號光電流引起的散粒噪聲：引起的散粒噪聲：直接探測的信噪比：直接探測的信噪比：sd2hSNRf22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiii2nSS2ieIf相干探測優(yōu)點(diǎn)之三：相干探測優(yōu)點(diǎn)之三：信噪比高信噪比高外差探測：外差探測： 僅考慮強(qiáng)的本地光引起的散粒噪聲限制，即僅考慮強(qiáng)的本地光引起的散粒噪聲限制，即 外差探測的量子探測極限外

15、差探測的量子探測極限fhfehefeSfeSSfeSaaSfeSaaSIISNRsssrrsrrsrrsnhsh 4)(4428222222222222fhSNRsh 4相干探測：相干探測： 直接探測：直接探測： 僅考慮信號光引起的散粒噪聲限制僅考慮信號光引起的散粒噪聲限制 fNEP2hdsd2hSNRf相干探測相干探測信噪比高，最小可探測功率更小信噪比高，最小可探測功率更小fhSNRsh 4fhNEPh 4 9.2.2 9.2.2 相干探測的條件相干探測的條件1 1相干探測空間條件相干探測空間條件2 2相干探測頻率條件相干探測頻率條件3 3相干探測偏振條件相干探測偏振條件滿足滿足波前匹配條件

16、波前匹配條件： 為什么需要為什么需要角準(zhǔn)直角準(zhǔn)直？ 信號光和本振光在空間上的信號光和本振光在空間上的角準(zhǔn)直（共軸）角準(zhǔn)直（共軸）1 1 相干探測空間條件相干探測空間條件)cos(2 taaSIrshs探測器表面各點(diǎn)探測器表面各點(diǎn)相位相位相同相同時(shí)：時(shí)：探測器表面各點(diǎn)探測器表面各點(diǎn)相位相位不同不同時(shí)：時(shí)：輸出電流信號輸出電流信號最大最大輸出電流信號輸出電流信號減小減小處處相等處處相等 處處不相等處處不相等 探測器接收面上沿探測器接收面上沿x方向方向各點(diǎn)的相位不同各點(diǎn)的相位不同信號光和本振光的波前在光混頻器表面上信號光和本振光的波前在光混頻器表面上沒有相同的位相關(guān)系沒有相同的位相關(guān)系 導(dǎo)致混頻輸出

17、電流信號減小導(dǎo)致混頻輸出電流信號減小123xsinx2s 本振光束隨本振光束隨x x分布的相位差：分布的相位差： rrrrtcosatE 本振光束：本振光束： x x點(diǎn)的響應(yīng)電流為：點(diǎn)的響應(yīng)電流為： xtcosatErrrr 則：則： dxxtcosaadirsrS 光敏面總響應(yīng)電流為：光敏面總響應(yīng)電流為： 2d2dsintcosaadxdyxtcosaairsrSrsrSAd Ad為探測器的面積，為探測器的面積，d為為x方向的長度。方向的長度。 當(dāng)當(dāng)12d2dsin 時(shí)，中頻電流時(shí)，中頻電流i最大最大 即即 2d2dsin 外差探測的空間相位條件：外差探測的空間相位條件：002d 12d 或

18、或 sin2r 又又dsinr darcsinr 或或 有：有： 例：例：d=1mm，s0.6328m失配角：失配角： ds 例：例：d=1mm，s10.6m失配角：失配角： 69 定義：中頻輸出比最大值小定義：中頻輸出比最大值小10%10%時(shí)的主光線夾角為失配角時(shí)的主光線夾角為失配角33 對長波探測有利對長波探測有利 空間濾波空間濾波 2 2相干探測頻率條件相干探測頻率條件混頻器選通放大器觀察儀器高頻示波器高頻示波器頻譜分析儀頻譜分析儀 外差接收外差接收v，1041010Hz信號光和本振光的頻率漂移？信號光和本振光的頻率漂移？ 采用高單色性和頻率穩(wěn)定度的激光源采用高單色性和頻率穩(wěn)定度的激光源

19、 兩束光取自同一激光器，由頻偏取得本振光兩束光取自同一激光器，由頻偏取得本振光 專門措施：專門措施： 9.2.2相干探測的條件相干探測的條件 )()cos(2)()(222rsrsrsrsrShstaaaaStEtESI 平方律探測器光混頻輸出平方律探測器光混頻輸出Ihs為：為： “代數(shù)和” ？信號光與本振光的偏振方向一致信號光與本振光的偏振方向一致 加檢偏器加檢偏器獲得偏振方向一致獲得偏振方向一致 3 3 相干探測偏振條件相干探測偏振條件9.2 相干探測相干探測9.2.1 相干探測的基本原理相干探測的基本原理9.2.2 相干探測的條件相干探測的條件9.2.3 相干探測的應(yīng)用舉例相干探測的應(yīng)用

20、舉例Coherent Detection 又稱為又稱為光外差探測光外差探測 9.2.3 相干探測的應(yīng)用舉例相干探測的應(yīng)用舉例hssrcos()ISa at 相位調(diào)制相位調(diào)制頻率調(diào)制頻率調(diào)制ssrs00vvvv，干涉測量干涉測量相干通信相干通信精密測長、測距、測速、測振動、精密測長、測距、測速、測振動、測力、測應(yīng)變、測力、測應(yīng)變、光譜分析光譜分析， 外層空間特別是衛(wèi)星之間通信、外層空間特別是衛(wèi)星之間通信、光纖通中波分復(fù)用光纖通中波分復(fù)用 接收解調(diào)，接收解調(diào)， 9.2.3 相干探測的應(yīng)用舉例相干探測的應(yīng)用舉例2.2.激光多普勒測速激光多普勒測速3.CO3.CO2 2激光外差通信激光外差通信1.1.

21、激光干涉測量激光干涉測量 )()cos(2rsrsrshstaaSI 1.1.激光干涉測量激光干涉測量 1)單頻激光測長單頻激光測長 信號光信號光參考光參考光單頻單頻2 / 2nl位移位移l cos2rshsaaSI)()cos(2rsrsrshstaaSI n=12()Nm1) 單頻激光測長單頻激光測長 例：例：取取n=1, 測量鏡位移時(shí)觀察到探測器測量鏡位移時(shí)觀察到探測器的輸出為：的輸出為：2 / 2nl2()Nml = ?1.1.激光干涉測量激光干涉測量 局限性：局限性： 不能判別移動方向不能判別移動方向 cos2rshsaaSI1)單頻激光測長單頻激光測長 光電探測器光電探測器4,54

22、,5相位差為相位差為/2/2參考光參考光信號光信號光判別移動方向：判別移動方向：“參照物參照物”1.1.激光干涉測量激光干涉測量 1)單頻激光測長單頻激光測長 判別移動方向判別移動方向：“參照物參照物”1.1.激光干涉測量激光干涉測量 正反移動方向波形正反移動方向波形 1) 單頻激光測長單頻激光測長 信號光信號光參考光參考光2 / 2 n l缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：空氣的空氣的折射率折射率n與當(dāng)時(shí)的與當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度環(huán)境溫度、 濕度濕度 及及氣壓氣壓等因素有關(guān)，影響測量精度等因素有關(guān)，影響測量精度2. 雙頻激光測長雙頻激光測長 1.1.激光干涉測量激光干涉測量 2) 雙頻激光測長雙頻激光測長 雙頻激光干涉儀

23、雙頻激光干涉儀雙頻激光雙頻激光檢偏器檢偏器 濾波片濾波片 信號光信號光 參考光參考光 1.1.激光干涉測量激光干涉測量 2) 雙頻激光測長雙頻激光測長 雙頻激光干涉儀雙頻激光干涉儀2v 光學(xué)差頻信號光學(xué)差頻信號 1.1.激光干涉測量激光干涉測量 2) 雙頻激光測長雙頻激光測長 2v光學(xué)差頻信號光學(xué)差頻信號: : 積分器波數(shù)積分器波數(shù): : 位移測量公式：位移測量公式：2LN位移與位移與空氣的折射率空氣的折射率n無關(guān)！無關(guān)！02dtLNv t1.1.激光干涉測量激光干涉測量 2) 雙頻激光測長雙頻激光測長 雙頻激光干涉儀雙頻激光干涉儀頻差為頻差為150MHz，激光穩(wěn)頻精度為激光穩(wěn)頻精度為108時(shí)

24、，時(shí)，測長精度測長精度0.1m3. 二維干涉圖測量二維干涉圖測量 1.1.激光干涉測量激光干涉測量 3)3)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析表面形狀分布表面形狀分布 二維光強(qiáng)分布二維光強(qiáng)分布 亮條紋亮條紋擴(kuò)束擴(kuò)束1.1.激光干涉測量激光干涉測量 壓電陶瓷：伸長（縮短）量壓電陶瓷：伸長（縮短）量 l = kU Lr 3)3)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析 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：亮條紋亮條紋 二維二維 干涉圖樣干涉圖樣),(yxs1.1.激光干涉測量激光干涉測量 表面形狀分布表面形狀分布 二維光

25、強(qiáng)分布二維光強(qiáng)分布 亮條紋亮條紋Sr動態(tài)檢測：動態(tài)檢測：精度精度 /100 靜態(tài)檢測：靜態(tài)檢測：精度精度 /20/20 二次相位調(diào)制二次相位調(diào)制 3)3)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析1.1.激光干涉測量激光干涉測量 Sr一次相位調(diào)制一次相位調(diào)制二次相位調(diào)制二次相位調(diào)制3)3)波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析1.1.激光干涉測量激光干涉測量 使參考光相位人為地隨時(shí)間調(diào)制使參考光相位人為地隨時(shí)間調(diào)制 二次二次相位調(diào)制相位調(diào)制 信號光相位受到被測物理量的調(diào)制稱為信號光相位受到被測物理量的調(diào)制稱為 一次相位調(diào)制一次相位調(diào)制二次相位調(diào)制的二次相位調(diào)制的

26、定義定義Sr3)3)波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析1.1.激光干涉測量激光干涉測量 靜止干涉圖樣靜止干涉圖樣亮條紋亮條紋光學(xué)相位分布光學(xué)相位分布，計(jì)算機(jī)界計(jì)算機(jī)界面上是一幅靜止的畫面面上是一幅靜止的畫面 靜態(tài)檢測靜態(tài)檢測光學(xué)相位分布變換為時(shí)序光學(xué)相位分布變換為時(shí)序電信號相位電信號相位動態(tài)檢測動態(tài)檢測一次相位調(diào)制一次相位調(diào)制：二次相位調(diào)制二次相位調(diào)制：（照相機(jī)）（照相機(jī)）（攝像機(jī)）（攝像機(jī)）rS3)3)波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析1.1.激光干涉測量激光干涉測量 3)3)二維干涉圖測量二維干涉圖測量二次相位調(diào)制的二次相位調(diào)制的實(shí)現(xiàn)途徑實(shí)現(xiàn)途徑

27、 二次相位調(diào)制sr 移動參考鏡壓電陶瓷：伸長（縮短）量壓電陶瓷：伸長（縮短）量 l = kU Lr 參考鏡參考鏡例：例：階梯波階梯波掃描干涉法掃描干涉法3)3)二維干涉圖測量二維干涉圖測量階梯波階梯波掃描時(shí)的干涉圖：掃描時(shí)的干涉圖：干涉圖樣：干涉圖樣：時(shí)序信號：時(shí)序信號：tI3)3)二維干涉圖測量二維干涉圖測量例例 階梯波掃描干涉法階梯波掃描干涉法 物面凹凸物面凹凸 不平程度不平程度 相位分布相位分布sr3)3)二維干涉圖測量二維干涉圖測量基本思路：基本思路：亮條紋亮條紋 二維二維 干涉圖樣干涉圖樣),(yxs011( ,)( )( )cos( )sinrrrI xUxU xm x只分析一維的

28、情況干涉面上任一點(diǎn)x的光強(qiáng)度： 將上式看作是將上式看作是r的余弦函數(shù)的余弦函數(shù) I(x, r)as2(x)+ar2+2as(x)arcoss(x）cosr +2as(x)arsins(x）sinr 求解求解s表達(dá)式（表達(dá)式（1 1）3)3)二維干涉圖測量二維干涉圖測量22srsrrs( )( )( )2cos( )I xaxaxa ax011( ,)( )( )cos( )sinrrrI xUxU xm x每次改變每次改變1/n周期周期采樣采樣p個(gè)周期個(gè)周期令令r在在2周期內(nèi)每周期內(nèi)每次改變次改變1/n周期，共周期，共采樣采樣p個(gè)周期，即個(gè)周期，即rj2() 1,2,3.,jjnpn 求解求解

29、s表達(dá)式（表達(dá)式（2 2）3)3)二維干涉圖測量二維干涉圖測量220sr11( )( ,)( )nprjjUxI xaxanp011( ,)( )( )cos( )sinrrrI xUxU xm x1ss12( )( ,)cos2( )cos( )nprjrjrjUxI xax axnp1ss12( )( ,)sin2( )sin( )nprjrjrjmxI xax axnp每次每次光電光電測量數(shù)值測量數(shù)值 求解求解s表達(dá)式（表達(dá)式（3 3）3)3)二維干涉圖測量二維干涉圖測量1ss12( )( ,)cos2( )cos( )nprjrjrjU xI xa x axnp1ss12( )( ,)

30、sin2( )sin( )nprjrjrjm xI xa x axnp 求解求解s表達(dá)式（表達(dá)式（4 4）3)3)二維干涉圖測量二維干涉圖測量s11( )arctan( )/( )xm xU x9-73，9-78式物理意義i.i.干涉面上干涉面上任意一點(diǎn)任意一點(diǎn)x的光強(qiáng)分布的光強(qiáng)分布都可以展開為都可以展開為參考光相位參考光相位r r的時(shí)序調(diào)制的時(shí)序調(diào)制，即可將，即可將干涉空間圖干涉空間圖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為換為時(shí)序信號時(shí)序信號：ii.ii.被測被測光信息的相位光信息的相位s s( (x) )可由下式計(jì)算得出，可由下式計(jì)算得出，并由此并由此確定面形的凹凸程度：確定面形的凹凸程度：011( ,)( )( )c

31、os( )sinrrrI xU xU xm x3)3)二維干涉圖測量二維干涉圖測量s11( )( )/( )xarctg m xUx如何得到相位分布：如何得到相位分布： 光強(qiáng)空間分布1024102410241024CCDCCD面陣面陣光強(qiáng)取樣N X X P次次測量測量數(shù)據(jù)平均計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)曲線擬合曲線擬合相位分布3)3)二維干涉圖測量二維干涉圖測量干涉圖樣亮條紋靜態(tài)檢測（精度精度 /20 ）動態(tài)檢測動態(tài)檢測（精度精度 /100 ）一次相位調(diào)制一次相位調(diào)制：二次相位調(diào)制二次相位調(diào)制：二次相位調(diào)制技術(shù)二次相位調(diào)制技術(shù)為干涉測量開辟了實(shí)時(shí)、為干涉測量開辟了實(shí)時(shí)、數(shù)字式和高分辨率的新途徑！數(shù)字式和高分辨

32、率的新途徑！rs 1. 1.激光干涉測量激光干涉測量 3)3)波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析 1. 1.激光干涉測量激光干涉測量 一種改進(jìn)的泰曼一種改進(jìn)的泰曼- -格林干涉儀格林干涉儀 雙頻平面外差干涉測量系統(tǒng)雙頻平面外差干涉測量系統(tǒng)單頻平面干涉單頻平面干涉 /100/100雙頻平面干涉雙頻平面干涉 /1000/10003)3)波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析波前相位調(diào)制與二維干涉圖分析9.2.3 相干探測的應(yīng)用舉例相干探測的應(yīng)用舉例2.2.激光多普勒測速激光多普勒測速* *3.CO3.CO2 2激光外差通信激光外差通信1.1.激光干涉測量激光干涉測量 hssrcos()

33、ISa at 9.2.3 相干探測應(yīng)用舉例相干探測應(yīng)用舉例3. CO2激光外差通信激光外差通信光通信光通信光纖通信光纖通信大氣光通信大氣光通信半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制直接探測直接探測COCO2 2激光器激光器光波光波頻率或相位調(diào)制頻率或相位調(diào)制相干探測相干探測9.2.3 相干探測的應(yīng)用舉例相干探測的應(yīng)用舉例COCO2 2激光外差通信激光外差通信頻率或者相位調(diào)制頻率或者相位調(diào)制 相干探測相干探測 外層空間星際通信外層空間星際通信9.2.3 相干探測的應(yīng)用舉例相干探測的應(yīng)用舉例光纖通信光纖通信強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制 直接探測直接探測 應(yīng)應(yīng)用用 相干探測相干探測9.2.3 相干探測的應(yīng)用舉例相干探測的應(yīng)用舉例相干探測相干探測可用于光纖通信中可用于光纖通信中波分復(fù)用波分復(fù)用 接收解調(diào)接收解調(diào)發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端12n強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制復(fù)用相干接收相干接收相干接收12n光纖9.2.3 相干探測的應(yīng)用舉例相干探測的應(yīng)用舉例中國科學(xué)院研究生院中國科學(xué)院研究生院博士學(xué)位論文博士學(xué)位論文光纖水聽器關(guān)鍵技術(shù)研究光纖水聽器關(guān)鍵技術(shù)研究倪 明 光纖水聽器是一種建立在光纖、光電子技術(shù)基光纖水聽器是一種建立在光纖、光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下聲信號傳感器。它通過高靈敏度的光纖礎(chǔ)上的水下聲信號傳感器。它通過高靈敏度的光纖相干檢測，將水聲信