《相干光光电信号变换方法.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《相干光光电信号变换方法.ppt（57页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、,各种干涉现象都是以光波为基础的信号变换过程。作为实际的载体，光波载荷了被测信息，它的特征参量与被处理的长度、距离、角度、面形、微位移、运动方向和速度、传输介质物理属性等信息存在着严格的内在联系，表现出随时间和空间变化的外观特性。利用光电方法对光波的各种干涉现象进行检测和处理，最终解算出被测几何参量和物理参量的技术统称作光电干涉测量技术。随着现代光学和光电子技术的发展，光电干涉技术以其潜在的生命力在信息科学中崭露头角，取得了长足的进展。本章将介绍几种物理变换的光电方法，着重讨论相干光信息的调制和检测技术。,光学干涉和相干光信息分类 外差探测 相干光的相位调制和检测 相干光的频率调制和检测,光学
2、干涉和相干光信息分类,1光学干涉和干涉测量,利用相干光作信息传输或检测，需要将被测信息载荷到光载波上，使光载波的特征参量随被测信息变化。但是由于光波波动频率很高，到目前为止各类光探测器尚不能直接感知光波本身的振幅、相位、频率、偏振的变化。所以在大多数情况下要利用光的干涉现象将这些特征参量转化为光强度的变化或转化为光探测器能敏感的较低频率的光电载波信号。因此各类型的光干涉现象是利用光波传输信息的基础。所谓光干涉是指可能相干的二束或多束光波相重叠，它们的合成光波随时间的相位关系表现出不同的光强度空间分布或时序变化的现象。干涉测量的基本作用在于把光波的相位关系或频率状态以及它们随时间的变化以光强度空
3、间分布或光强度随时间变化的形式检测出来，这个作用有时称作相幅变换。,以双光束干涉为例，设二相干波面波振幅U1(x,y)和U2(x,y)分别为,U1(x,y)a1exp-j1t+1(x,y),U2(x,y)a2exp-j2t+2(x,y),式中，a1、a2为光波的振幅，1、2为角频率，1、2为初始相位。,当它们合成时，所形成干涉条纹的强度分布I(x,y)可表示成,I(x,y)a21+a22+2a1a2cost+(x,y),A(x,y)1+(x,y)cost+(x,y),式中，A(x,y)a21+a22是条纹的光强直流分量， (x,y)2a1a2/(a21+a22)是条纹的对比度， 1-2是光频差
4、， (x,y)1(x,y)-2(x,y)是相位差。,当二光束光频相同即单频光相干时，有12或0，此时干涉条纹不随时间改变，呈稳定的空间分布，上式变成 I(x,y)A(x,y)1+(x,y)cos(x,y),单频光束干涉条纹的强度分布 双光束干涉 b) 多光束干涉,表明单一频率双光束干涉时，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如下图a所示。以此为基础的干涉测量形成了干涉条纹检测技术。图b为多光束干涉时的条纹光强分布,当两光束频率不同时，由于光频率约1015Hz，而目前光电检测器件的频率响应不超过1010Hz，因此对频率相差较大的二束相干光，将观察不到干涉的交流分量，但频差较
5、小的二束双频光相干，检测器可检测到干涉条纹以的角频率在波动，形成了光学拍频信号。这就是外差干涉现象。采用电信号处理器可以直接测量光拍信号的各种参量，从而能以极高的灵敏度测量出相干光束本身的特征参量，形成了新型的外差检测技术。,条纹干涉强度取决于相干光的相位差,(2/)(Ln+nL),表明光传播介质折射率和光程长度的变化都将导致相干光相位的变化，从而引起干涉强度的改变。这一性质被用于改变光载波的特征参量，以形成各种光学信息。实际上有许多参量能造成光程差的改变，例如几何距离、位移、速度、温度引起的热膨胀等会引起传播距离的改变；介质的成份、密度、影响密度的温度、压力以及电场、磁场、介质的电光和磁光效
6、应、应力引起的光弹效应等都能引起折射率的变化。从物体表面反射光波的波面分布可以确定物体的形状。因此，从这个意义上讲光学干涉技术是一种能检测非光学参量的传感技术。能形成干涉现象的装置是干涉仪，它的主要机能是将光束分割成两个不同的支路，由外屏引入光程差后再重新合成借以观测干涉现象,2干涉测量中的调制和解调,从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是被测信息对光频载波的调制和解调的过程。各种类型的干涉仪或干涉装置是光频载波的调制器和解调器。所谓光调制是将一个携带信息的信号叠加到光载波上。能完成这一调制作用的装置称作光调制器。光调制器能使光载波的特征参量如振幅、相位、频率、偏振、波谱分布等随被测信号的变化
7、而改变。相对应的光调制技术分为光振幅调制（AM）、相位调制（PM）、频率调制（FM）、偏振调制（POM）和光波谱调制（SM）。解调是调制的相反过程，它能从被调制的光载波中以与被测参量成比例的光强信号或电信号形式检测出被测参量。解调器可以是光学的、电子的或光电混合的。,干涉仪是光学调制器和解调器的组合 a) 原理示意图 b) 等效方框图,以最常见的迈克尔逊干涉仪来说明干涉仪是光学调制器和解调器的组合。 干涉仪中的单色光源是相干光载波的信号发生器，它产生振幅为a0，频率为0，初相位为0的光载波信号，用U0(a0,0,0)表示，载波信号分两路引入干涉仪。在参考光路中光载波作为基准保持其原有的参量。在
8、测量光路中，U0(a0,0,0)受到被测信号的调制。如果被测信号是位移(x)，则引起光频载波的相位变化，称作相位调制，形成Us(a0,0,0)的调相信号。若被测信号是运动速度(t)，则引起光频载波的频率偏移，称作频率调制，产生Us(a0,0,0)的调频信号。 已调制的光频波在干涉面上和来自参考光路的参考光波重新合成，形成具有稳定干涉图样（在测位移情况下）或确定光拍频率（在测速情况下）的输出信号。以干涉条纹的相位分布或光拍的时序变化表征出被测量的特征。,3相干光信息分类,光学干涉形成了各种各样的光学现象，这种以光波的时空相干性为基础，在被测量（传输或处理）信息的调制下，光载波所表现出的各种形式的
9、光强度空间分布或时间变化统称为相干光信息。它的形成和检测过程实质上是光载波受信息调制和已调制光被解调再现为原信息的过程。,相干光信息可以按多种方式分类。,1）按物理效应分类为：双光束和多光束干涉条纹和干涉图、衍射图和莫尔拓扑图、散射图、全息照相和全息干涉及计算全息图、散斑照相和散斑干涉图、傅里叶变换、光学外差或零差效应。,2）按被测目标的表面性质分：带协作镜面靶和粗糙表面被测目标,3）按相干光的频率分为：单一频率双光束干涉、单一频率多光束干涉、双频率双光束干涉，多频率多光束等。,4）按相干场的时空范围分为：相干场限制在局部空间随时间变化的干涉、在二维平面内发生的空间干涉（干涉图）、在二维平面内
10、发生的随时间变化的干涉。,5）按调制解调的类型分为：相位调制（PM）、频率调制（FM）、振幅调制（AM）、偏振调制（POM）、光波谱调制（SM）。,相干光学信息的类型,1外差探测的原理和特性,在无线电电子学中广泛使用外差接收技术。被信息调制的高频载波在接收端与有一定频差的本机振荡信号相混频，得到频率为二者之差的中频信号，该信号保持了调制信号的特征，通过检测中频信号能最终解调出被传送的信息。这种方法引伸到光频干涉中发展成各种形式的光学外差干涉技术。,光学外差探测是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光学混频。探测器的输出是频率为二光波光频
11、差的拍频信号。该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位特征。与非相干探测相比，这种方式也称作相干探测。下图给出了光学外差探测的原理示意图。,外差探测,光学外差探测原理示意图 a) 原理图 b) 频谱分布,1）光学外差探测原理,在图a中，设入射混频的信号光波复振幅Us和参考光波复振幅U0的形式分别为,Us(t)assin(st+s),U0(t)a0sin(0t+0),式中，s2s和020是二光波的角频率，s和0是对应的光波频率。,采用平方律探测器进行光混频后，探测器的输出Ihs为,IhsK|Us(t)+U0(t)|2 KU2s(t)+U20(t)+2U0(t)Us(t) (K/2)a2s+a20-
12、a2scos(2st+2s) -a20cos(20t+20)-2a0ascos(s+0)t+(s+0) +2a0ascos(s-0)t+(s-0),式中，K为探测器的光电灵敏度。,由式可见混频后的光电信号包含直流分量、二倍参考光频和二倍信号光频分量以及参考光和信号光的和频和差频分量。它们的频谱分布表示在图b中。其中的倍频项与和频项不能被光电器件接收，只有当0和s足够接近使频差s-0处于探测器的通频带f范围内才能被响应。此时探测器的输出信号变成,IhsKasa0cos(2t+),式中，s-0为双频光波的相位差。,上式即为光学外差信号表达式。,调幅信号及其外差信号的频谱变换,在外差干涉系统中，参考
13、光束（又称本机振荡光束或简称本振光）是二相干光的光频率和相位的比较基准。信号光可以是由本振光分束后经调制形成，也可以采用独立的相干光源保持与本振光波的频率跟踪和相位同步。前者多用于干涉测量，后者用于相干通讯。不论哪种方式，由上式可知在保持本振光的a0、0、0不变的前提下，外差信号的振幅Kasa0、频率s-0和相位s-0可以表征信号光波的特征参量as、s和s，也就是说外差信号能以时序电信号的形式反映相干场上各点处信号光波的波动性质。即使是信号光的参量受被测信息调制，外差信号也能无畸变地精确复制这些调制信号。这一点可以用简单的调幅信号加以说明。设信号光振幅as受频诸如上图中的调制信号F(t)的调幅
14、，则上式中的as(t)为,as(t)A01+F(t)A01+ cos(nt+n),式中，A0是调制信号的振幅；mn、n和n分别是调制信号各频谱分量的调制度、角频率和相位。将上式代入原式中，可得外差信号为,IhsKa0A01+ cos(nt+n)cos(t+)Ka0A0cos(t+) +Ka0A0 cos(+n)t+(+n) +Ka0A0 cos(-n)t+(-n),它的频谱分布表示在上图中的对应位置上。由图及上式可见信号光波振幅上所载荷的调制信号双道带地转换到外差信号上去。对于其它种调制方式也有类似的结果。这是直接探测所不可能达到的。,2）光学外差探测的特性,a）探测能力强。外差探测不仅能检测
15、出振幅和强度调制的光波,而且可以检测相位和频率调制的光波，因此是一种测试光的波动特性的有力方法。,b）探测灵敏度高。外差探测中光电检测器输出电流幅值Ihsm为,IhsmKa0as2K,式中，P0和Ps分别是信号和本振光的功率。,信号转换功率比G为 GI2hs/I2ds4K2PsP0/K2P2s4P0/Ps 通常G可以高达107108。,c）信噪比高。外差信号电流均方功率 为,2(q/h)2PsP0,对于受限于散粒噪声的检测器，考虑到关系P0Ps， 噪声的均方功率 为,2qf(q/h)P0,所以外差探测信噪比S/N为 S/N / P0/hf 最小可测入射功率Phmin可计算为 Phminfh/,
16、与直接探测情况相比较，有 Pdmin/Phmin2(Id/fq) /2 通常，PhminPdmin，例如Id100pA，f100Hz时，有Phmin0.2l0-3Pdmin，这表明外差探测可以检测到更小的入射功率，特别是在检测器件暗电流Id较大和信道通频带f较窄的情况下外差探测具有更大的优越性。,d）有空间滤波能力。为了形成外差信号，对信号光和本振光要求较高的波前匹配条件。例如空间对准、偏振相同等。如果背景辐射杂散光：入射方向杂乱，偏振状态不确定。不能满足这些条件，则不能形成有效的外差信号。所以外差探测有较强的空间滤波能力。,e）有光谱滤波能力。只要二相干光波频率是稳定的，当检测通道的通频带刚
17、好覆盖有用外差信号的频谱范围，则在此通带外的杂光即使形成拍信号也将被滤掉。因此外差探测系统即使不加光谱滤光片其效果也比加滤光片的直接探测好得多。,f）检测的稳定性和可靠性高。外差信号通常是交变的射频或中频信号，并且多采用频率和相位调制，即使被测参量为零，载波信号仍保持稳定的幅度。对这种交流的测量系统，系统直流分量的漂移和光信号幅度的涨落不直接影响检测性能，能稳定可靠地工作。,3）实现外差探测的匹配条件 尽管外差探测具有许多优点，但为获得最佳的外差信号，要求相干光束满足一定的条件。,a）参于混频的信号光和本振光应是理想相干的单频单模光，要有稳定的振荡频率和相位。通常两光束取自同一激光器，通过频率
18、偏移器取得本振光或经被测信息调制得到信号光。在外差通讯时，光发射和接收不在同一地点的情况下，要求本振光对信号光载波保持频率跟踪。 b）在光混频器上信号光与本振光要求偏振方向一致。,c）信号光与本振光要求空间波前匹配，即要求空间调准（准直、共轴），波面吻合垂直入射于光混频表面。二光束入射角偏斜应满足关系 0/l 式中，0是本振光波长，l是光电探测器光敏面尺寸。 d）光电探测器应有灵敏度均匀的光敏表面，足够的高频响应和稳定的量子效率。外差探测通常采用光电倍增管、PIN管和雪崩光电管等。,4）外差信号的检测,外差信号的频率范围取决于本振光和信号光的频差。通常为104到1010Hz数量级。主要检测光拍
19、信号的方法包括：用电子示波器或中、高频频谱分析仪测试信号波形或频谱分量；经选通放大器放大外差信号后用时域微分鉴频、斜率鉴频或相位鉴频等常用电子装置测定外差拍频；对于射频外差信号，采用射频混频的电信号外差接收，转换为较低频信号后进行频率测量。,相干光的相位调制和检测,单频光相位调制和条纹检测,典型的光学干涉仪相位调制原理示意图 a迈克尔逊、b泰曼、c马赫-泽德、d萨纳克、e法布里-珀罗,光纤干涉仪,光纤干涉仪相位调制 a迈克尔逊干涉仪，图b马赫-泽德干涉仪，图c萨纳克干涉仪，图d法布里-珀罗干涉仪,单频光波面的相位调制,可作波面相位调制的干涉仪 a) 泰曼-格林干涉仪 b) 米勒干涉仪 c) 斐
20、索干涉仪,相干光的频率调制和检测,在前面介绍了光学外差探测的原理和特性，它被广泛应用于光电干涉测量中，称作外差检测或光学差频检测。为了形成差频检测必要的光频差，工程上采用了各种频率调制技术。根据光频差的获得和差频信号检测方式的不同，差频检测大致可分作三种类型：,1）参量调频法,被测参量直接对参考光波的频率进行调制形成与参考光有一定频差的信号光。检测差频信号的频率或相位可以测定被测参量值。这种方式当被测参量为零时光频差为零，故有时称作零差检测。,运动物体能改变入射于其上的波动性质（例如波动频率），这种现象称作多普勒效应，其中对入射光波频率的改变称作光学多普勒效应。对光学多普勒现象的分析表明：频率
21、为f0的单色光作用到以速度运动的散射物体上，被物体散射的光波频率fs会产生附加的频率偏移f，称作多普勒频移。f 和散射方向有关，其数值表示为,ffs-f0(1/)(rs-r0),式中，是物体运动速度矢量；rs-r0是散射接收方向rs和光束入射方向r0的单位矢量差，称作多普勒强度方向。该式表明：多普勒频移的大小等于散射物体的运动速度在多普勒强度方向上的分量和入射光波长的比值（如下图a）。,1光学多普勒效应和运动差频检测,光学多普勒效应 多普勒频移 b) rs-r0 c) 一般情况,在特殊情况下，当rs-r0时（如图b），有(rs-r0)-2r0，代入上式有 f-(2/)r02|/ 这正是迈克尔逊
22、干涉仪用作速度测量时的情况。利用光学多普勒效应形成的运动频移可以测量物体的运动参数包括位移、速度和加速度等。典型的应用是激光多普勒速度计和流速计。,当激光束照射流动的散射粒子时，被运动粒子散射的激光受粒子流动速度的频率调制，得到如前式的运动频移。为检测光学差频数值，可利用光学外差法将散射前后或不同散射方向的激光在光电检测器上混频，以获得与运动速度有关的拍频信号。这种利用光学多普勒效应和光外差技术的测速装置称激光多普勒测速仪。,在一般情况下，若和r0的夹角为，r0和rs夹角为（如图c），前式变成 f(2/)sin(/2)sin(+/2) 这是多普勒测速的基本公式。当rs和r0相对对称布置并且满足
23、+/290时，上式变成简单的形式 f(2/)sin(/2) 或 f/2sin(/2) 上式表示被测速度和频差值f成正比。例如对于0.4880m的氩激光，当8.5，被测264m/s时，f77MHz。,2萨纳克效应和转动差频,当封闭的光路相对于惯性空间有一转动角速度时，顺时针光路和逆时针光路之间将形成与转速成正比的光程差L，其数值满足关系 L(4A/c)cos 式中，c为光速，A为封闭光路包围的面积，为角速度矢量与面积A的法线间的夹角。 当光路平面垂直于时，上式简化为 L(4A/c) 这种闭合光路的反向光路光程差随转速改变的现象称作萨纳克效应。,图a给出这一效应的图解说明，可以看出当光路以顺时针转
24、动时，从光路上一点M发出的顺时针光束CW在绕光路一周重新回到M点时要多走一段光程，而反时针光束CCW却少走一段光程，于是形成了光程差。这种光程差的量值甚微，例如采用A100cm2的环形光路对地球自转的速度为E7.3l0-5rad/s，相应的L仅为10-12cm。只有利用环形干涉仪或环形激光器才有可能通过检测双向光路的微小频差得到这一角速度。,萨纳克效应的转动光程差和环形激光器 a) 萨纳克效应 b) 激光陀螺 c) 方框图,三个或三个以上反射镜组成的激光谐振腔使光路转折形成闭合环路。这种激光器称作环形激光器（图b）。在环形激光器中，激光束的基频纵模频率00q可表示为 00qqc/L 式中，c为
25、光速，L为腔长，q为正整数。 此式表明激光谐振腔长L和光频之间有比例关系，即 /L/L 式中，是与光程差L对应的光频差即f，可得 f(4A/L) 此式即为环形激光器的测角速度公式。为了计算实际转角，可对光频差计数累加积分，其波数值N即为 Nt0fdt(4A/L) 这就是环形激光器的测角公式。,小型化的环形激光器及相应的光学差频检测装置组成了激光陀螺。它可以感知相对惯性空间的转动，在惯性导航中作为光学陀螺仪使用。此外，作为一种测角装置，它是一种以物理定律为基准的客观角度基准，有很高的测角分辨率，在360角度范围内有0.050.1的测量精度。 转动效应在相反方向光路中分别引起的光频率的增减是一种非
26、互易效应。类似的现象也发生在电场和磁场对环形激光的相互作用。由于非互易效应引起的光学频差是双向的，因此，在这种干涉测量中，参考波同样受到调制而不再保持恒定，光频差是二束测量光波的混频形成的，它的信息调制过程表示在图c中，这种外差检测方式称作互差式。,（2）固定频移法,使用频移器件使参考光波相对信号光形成一固定的频率偏移，或利用双频光源形成有一定频差的两束相干光束，被测信号对其中一束光波进行调制（调频或调相），检测差频信号可以测定被测参量值。这种方法有时称作光学超外差。,塞曼效应 b) 声光效应c) 旋转波片d) 旋转光栅 1-声光器件 2-激励换能器3、5-/4波片4-半波片6-透镜7-光栅盘
27、8-电动机,几种常用的器件偏频法,（1）塞曼效应激光频移 如图a所示，利用永久磁铁或螺线管在He-Ne激光器中形成轴向磁场，它使单模激光分裂成左右圆偏振的两个分量。二偏振光间存在频差，数值取决于外加磁场的强度和谐振腔品质因数。通常，几个高斯的磁场强度可得到2MHz到300kHz的频差。,（2）声光效应激光频移 如图b所示，在声光器件1中以频率为f的超声波交变信号激励换能器2，在透明介质内形成折射率的周期变化。当激光平行入射到介质内将产生零级和1级衍射光，一级衍射光与零级衍射光频率相差f，可分别作为参考光和信号光。声光偏频所需的控制功率较低，频差可达100MHz，变换效率为80%。,（3）旋转波
28、片激光频移 如图c所示，线偏振激光通过/4波片3后输出圆偏振光。再通过以转动角频率旋转的半波片4和固定的/4波片5，所输出的偏振光可得到2的角频移。半波片转速由电动机控制，频差受限在23kHz以下，变换效率为90%以上。,（4）旋转光栅激光频移 如图d所示，激光由透镜6聚焦在光栅盘7的刻线上，透射光被分作零级和1级衍射。光栅盘由电动机8带动旋转。若光栅上光点处的线速度为，光栅刻线间距为d，则1级衍射光发生f/d的频移。频移稳定性与转速有关。频差可达20MHz。变换效率一般为20%。,利用可进行频率调制的激光器（如半导体激光器）产生随时间变化的调频参考光束。被测参量对其中一束光波作二次调制。检测
29、外差信号可解调出被测参量值。,(3)直接光频调制,近年来，小型、坚固、低功耗的半导体激光器（LD）作为新型的相干光源得到了迅速的发展。它具有良好的工作特性，当注入电流改变时，激光器的振荡频率（或波长）能直接变化，因而可以实现光波频率随注入电流的直接调制，称作直接光频调制。利用这一性质已研制出小型、宽带、高速、高精度的波面形状、位移、距离和光频变化的测量装置。,在半导体激光器中，谐振腔应满足谐振条件 (2/m)nL 式中，是激光波长，n为折射率，L为谐振腔长，m为整数。 当注入电流变化i 时，引起谐振腔温度变化T为 TRi 式中，R是谐振腔热阻。,T的变化引起腔长L和折射率n的改变，由前式知最终
30、引起激光波长的改变为 (2/m)(L +n )T 其中， ，利用式TRi上式简化为 (/m) Rii (/n) R,此处/i称作电流波长调制系数。对于780nm的GaAlAs半导体激光器，有n3.5， 4l0-4/，R0.07/mA，相应的6l0-3m/A。 由波长和频率的关系可将上式变换为光频差表达式 -(c/2)-(c/2)iKmi Km-(c/2) 式中，Km/i称作电流频率调制系数。对于780nm，在1MHz以下的低频范围，Km(17)l03GHz/A。连续的光频率变化被限制在一个跳模间隔内，最大变频范围为max5070GHz。,这三种方法的光学差频信号的形成及检测过程表示在下图所示的信号流程图中，从图中可看出它们的调制和检测的特征。,典型光学差频检测的信号流程图,参量调频法,固定频移法,直接调频法,