文档详情

第三篇 相干光信号变换方法.ppt

发布:2018-06-13约2.42万字共173页下载文档
文本预览下载声明
第三章 相干光信号变换方法 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 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。 各类型的光干涉现象是利用光波传输信息的基础。 光干涉: 是指可能相干的二束或多束光波相重叠,它们的合成光波随其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。 在测量光路中,U0(a0,ν0,φ0)受到被测信号的调制。如果被测信号是位移δ(x),则引起光频载波的相位变化Δφ,称作相位调制,形成Us(a0,ν0,φ0±Δφ)的调相信号。 非相干探测和相干探测 为了用光电方法检测和解调出光载波所载荷的信息,通常采用两种探测方式,即非相干探测和相干探测。非相干探测指的是当将信号光波直接投射到光电检测器件的光敏面时,检测器只响应入射于其上的平均光功率,无论是对相干光或非相干光,检测系统只能检测出由光强度调制所形成的信号,这种方式也称直接探测。与此相对应的,相干探测能响应相干光波的波动性质,检测输出的电信号能间接表征光波的振幅、频率、相位或与之有关的信息。它的主要方式是外差探测。 在只考虑受光电器件暗电流散粒噪声限制的直流探测中,信噪比为 SNRP=(q/2IdΔf)(η/hν)2P2s 利用上式,设SNRP=1,可计算直接探测情况下的最小可测入射功率Pdmin为 Pdmin=(2hν/η)(ΔfId/q)1/2 2.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。 此时探测器的输出信号变成 Ihs=Kasa0cos(2πΔνt+Δφ) 式中,Δφ=φs-φ0为双频光波的相位差。 即为光学外差信号表达式。 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、ν0、φ0不变的前提下,外差信号的振幅Kasa0、频率Δν=νs-ν0和相位Δφ=φs-φ0可以表征信号光波的特征参量as、νs和φs,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。 入射光束经不同次数的反射后分别透射,以平行光形式输出,由光电探测器接收,因此是多光束干涉。相干光强的变化表示为 I=I0/{1+[4R2/(1-R)2]sin2(φ/2)} 及 φ=4πnd/λ0 式中,F=4R2/(1-R)2称作精细度系数,可表征干涉条纹的锐度(如图b);是相邻反射光束间的相位差;I0是平均光强度;d为平面镜间隔;λ0为真空波长;n为反射镜间介质折射率。 由后一式可见,被测变量的调制作用可以通过改变d和n实现,后者可用更换平面镜之间的气体等方式进行。此外也可实现高分辨率波长变化的测量,其分辨率可达2×l0-5nm。光学干涉仪的共同特点是相干光在空气中传播,环境温度的改变会引起空气折射率的扰动;大气湍流和声波干扰也会导致光程的变化,降低了工作可靠性和测量精度。 图b为马赫-泽德干涉仪 图c为萨纳克干涉仪 图d为法布里-珀罗干涉仪。 光纤本身作为被测参量的敏感元件直接置于被测环境中,通过不同的物理效应感知被测参量的变化,形成光纤中光波相位、频率、振幅、偏振态的改变。与光学干涉仪相比,这种调制作用是通过光纤的内在性能达到的。 其中图a的条纹图形法是在干涉条纹分布的1/4周期位
显示全部
相似文档