【正文】 光電傳感與檢測(cè)技術(shù) 第五章 相干檢測(cè)方法與系統(tǒng) 按光學(xué)變換系統(tǒng)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光信息方式的不同，可將光電檢測(cè)系統(tǒng)分為 非相干檢測(cè)系統(tǒng) 和 相干檢測(cè)系統(tǒng) 。 第五章 相干檢測(cè)方法與系統(tǒng) 非相干檢測(cè)系統(tǒng) 被測(cè)量被攜帶于光載波的強(qiáng)度之中或加載于調(diào)制光載波的振幅、頻率或者相位變化之中，這樣的系統(tǒng)稱為非相干檢測(cè)系統(tǒng)。 相干檢測(cè)系統(tǒng) 被測(cè)信息加載于光載波（只能是相干光源）的振幅、頻率或者相位之中的系統(tǒng)稱為相干檢測(cè)系統(tǒng)。 第 五 章 相干檢測(cè)方法與系統(tǒng) 主要內(nèi)容： 一 相干檢測(cè)的基本原理 1 光學(xué)干涉和干涉測(cè)量 2 干涉測(cè)量技術(shù)中的調(diào)制與解調(diào) 二 基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用 1 典型的雙光束干涉系統(tǒng) 2 多光束干涉系統(tǒng) 3 光纖干涉儀 三 同頻相干信號(hào)的相位調(diào)制與檢測(cè)方法 1 相位調(diào)制與檢測(cè)原理 2 同頻相干信號(hào)的檢測(cè)方法 四 光外差檢測(cè)方法與系統(tǒng) 1 光外差檢測(cè)原理 2 光外差檢測(cè)特性 3 光外差檢測(cè)條件 五 光電直接檢測(cè)系統(tǒng)舉例 1 干涉測(cè)量技術(shù) 2 光外差通信 3 多普勒測(cè)速 相干檢測(cè)就是利用光的相干性對(duì)光載波所攜帶的信息進(jìn)行檢測(cè)和處理，它只有采用相干性好的激光器作為光源才能實(shí)現(xiàn)。所以從理論上講，相干檢測(cè)能準(zhǔn)確檢測(cè)到光波 振幅 、 頻率 和 相位 所攜帶的信息。 但由于光波的頻率很高，迄今為止的任何光電探測(cè)器都還不能直接感受光波本身的振幅、相位、頻率及偏振的變化，而只能探測(cè)光的強(qiáng)度 （注）。 因此，光的這些特征參量最終都須轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)的變化進(jìn)行探測(cè)。而這種轉(zhuǎn)換就必須通過(guò)干涉測(cè)量技術(shù)。 一 相干檢測(cè)的基本原理 根據(jù)產(chǎn)生干涉的光束間頻率關(guān)系可分為： 同頻干涉 外差干涉 1 光學(xué)干涉和干涉測(cè)量 光學(xué)測(cè)量中，常需要利用相干光作為信息變換的載體，將被測(cè)信息加載到光載波上，使光載波的特征參量隨被測(cè)信息變換。 光干涉 是指可能相干的兩束或多束光波相疊加，它們的合成信號(hào)的光強(qiáng)度隨時(shí)間或空間有規(guī)律的變化。 干涉測(cè)量 的作用就是把光波的相位關(guān)系或頻率狀態(tài)以及它們隨時(shí)間的變化關(guān)系以光強(qiáng)度的空間分布或隨時(shí)間變化的形式檢測(cè)出來(lái)。 以雙光束干涉為例，設(shè)兩相干平面波的振動(dòng) E1(x,y)和 E2(x,y)分別為： 兩束光合成時(shí)，所形成干涉條紋的強(qiáng)度分布 I (x, y)可表示為： 式中， 是條紋光強(qiáng)的直流分量； 是條紋的對(duì)比度； 是光頻差； 是相位差。 1 1 1 12 2 2 2( , ) e x p { [ ( , ) ] }( , ) e x p { [ ( , ) ] }E x y a j t x yE x y a j t x y????? ? ??? ? ? ??221 2 1 2( , ) 2 c o s [ ( , ) ]I x y a a a a t x y??? ? ? ? ?( , ) { 1 ( , ) c o s [ ( , ) ] }A x y x y t x y? ? ?? ? ? ?2212( , )A x y a a??221 2 1 2( , ) 2 / ( )x y a a a a? ??12? ? ?? ? ? 12( , ) ( , ) ( , )x y x y x y? ? ???①當(dāng)兩束頻率相同的光（即單頻光）相干時(shí)，有 ， 即 ，此時(shí)， 干涉條紋不隨時(shí)間變化，呈穩(wěn)定的空間分布。隨著相位差的變化，干涉 條紋強(qiáng)度的變化表現(xiàn)為有偏置的正弦分布?？梢钥闯觯缮鏃l紋的強(qiáng)度信息和被測(cè)量的相關(guān)參數(shù)相對(duì)應(yīng)，對(duì)干涉條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)或?qū)l紋形狀進(jìn)行分析處理，可以得到相應(yīng)的被測(cè)信息。 12???0???? ? ? ? ? ? ? ?? ?, , 1 , c o s ,I x y A x y x y x y???? ???? ② 當(dāng)兩束光的頻率不同，干涉條紋將以 的角頻率隨時(shí) 間波動(dòng)，形成光學(xué)拍頻信號(hào)，也叫外差干涉信號(hào)。如果兩 束光的頻率相差較大，超過(guò)光電檢測(cè)器件的頻響范圍，將 觀察不到干涉條紋。在兩束光的頻率相差不大 ( 較小 ) 的情況下，采用光電檢測(cè)器件可以探測(cè)到干涉條紋信號(hào)， 并且可以通過(guò)電信號(hào)處理直接測(cè)量拍頻信號(hào)的頻差及相位 等參數(shù)，從而能以極高的靈敏度測(cè)量出相干光束本本身的 特征參量，形成外差檢測(cè)技術(shù)。 ????實(shí)際上，干涉條紋的強(qiáng)度取決于相干光的相位差，而相位差又取決于光傳輸介質(zhì)的折射率 n對(duì)光的傳播距離 ds的線積分，即 對(duì)于均勻介質(zhì)，上式可簡(jiǎn)化為： 對(duì)上式中的變量 L和 n作全微分可得到相位變化量 002??? ??Lnds0/2 ??? nL?)(20LnnL ????? ???2 干涉測(cè)量技術(shù)中的調(diào)制和解調(diào) 一般干涉測(cè)量系統(tǒng)主要由光源、干涉系統(tǒng)、干涉信號(hào)接收系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)組成。從信息處理的角度來(lái)看，干涉測(cè)量實(shí)質(zhì)上是被測(cè)信息對(duì)光載波調(diào)制和解調(diào)的過(guò)程。各種類型的干涉儀或干涉裝置是光頻載波的調(diào)制器和解調(diào)器。 根據(jù)光調(diào)制器所調(diào)制的光載波的特征參量不同，調(diào)制技術(shù)可以分為振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制。 二 基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用 能形成干涉現(xiàn)象的裝置是干涉儀，它的主要作用是，將光束分成兩個(gè)沿不同路徑傳播的光束，在其中一路中引入被測(cè)量，產(chǎn)生光程差后，再與另一路參考光重新合成為一束光，以便觀察干涉現(xiàn)象。 典型的雙光束干涉系統(tǒng) ? ?2122 s inr r d??????? ? ? ?? ?2122 s inr r d??????? ? ? ?S 1S2Sd D x O ?P 1r2r? 干涉條紋 I 光強(qiáng)分布 多光束干涉系統(tǒng) ? ?222241 sin21aIERR??? ???各透射光波疊加干涉后的干涉強(qiáng)度分布為 當(dāng)平行反射面鍍以高反射膜層，即 時(shí)， ，可見(jiàn)， 當(dāng) 時(shí)，光強(qiáng) I 幾乎為 0；而當(dāng)滿足 條件時(shí)， I 達(dá)到極大值 。因此，多光束干涉的光強(qiáng)分布是由寬的暗 帶相間的明亮細(xì)條紋。 1R? ? ?24 1 1RR?? ?s in 2 0??? ? ?s in 2 0???2Ia?A0 h i1 G G’ n2 i2 I3 I1’ I1 I2’ I2 I3’ I11 I22 I33 A’ 光纖干涉儀 光纖邁克爾遜干涉儀 光纖馬赫 ?曾德干涉儀 光纖薩格納克干涉儀 光纖楊氏干涉儀 光纖多光束 FP干涉儀 三 同頻率相干信號(hào)的相位調(diào)制與檢測(cè)方法 當(dāng)兩束相干光束的頻率相同時(shí)，若被測(cè)量變化使相干光波的相位發(fā)生變化，再通過(guò)干涉作用把光波相位的變化變換為振幅的變化，這個(gè)過(guò)程稱為單頻光波的相位調(diào)制。 1 相位調(diào)制與檢測(cè)的原理