【正文】 映在空間變量上，又反映在時間變量上。表現(xiàn)為空間各點(diǎn)的光波相位隨機(jī)變化，因而使相干面積大大減小，破壞空間相位條件，使外差接收功率降低，信噪比下降。 五 光電直接檢測系統(tǒng)舉例 1 干涉測量技術(shù) 應(yīng)用光的干涉效應(yīng)進(jìn)行測量的方法稱為干涉測量技術(shù)。干涉測量系統(tǒng)主要由 光源、干涉系統(tǒng)、信號接收系統(tǒng) 和 信號處理系統(tǒng) 組成。 根據(jù)測量對象和測量要求的不同而各有不同的組合，并由此形成了各種結(jié)構(gòu)形式的干涉儀。 優(yōu)點(diǎn)：測量精度高（以波長為單位） 。 干涉測量基本原理：改變干涉儀中傳輸光的光程而引起對光的相位調(diào)制，從而表現(xiàn)為對光強(qiáng)的調(diào)制。測量干涉條紋的變化即可得到被測參量的信息。 干涉條紋是由干涉場上光程差相同的場點(diǎn)的軌跡形成。 可進(jìn)行 長度、角度、平面度、折射率、氣體或液體含量、光學(xué)元件面形、光學(xué)系統(tǒng)像差、光學(xué)材料內(nèi)部缺陷 等幾何量和物理量的測量。 ① 激光干涉測長的基本原理 系統(tǒng)組成： (a)激光光源 HeNe氣體激光器，頻寬達(dá) 103Hz， 相干長度可達(dá) 300km (b)干涉系統(tǒng) 邁克爾遜干涉原理，位移 測量臂； (c)光電顯微鏡 給出起始位置，實現(xiàn)對被測長度或位移的精密瞄準(zhǔn)，使干涉儀的干涉信號處理部分和被測量之間實現(xiàn)同步。 (d)干涉信號處理部分 光電控制、信號放大、判向、細(xì)分及可逆計數(shù)和顯示記錄等。 測量光束 2和參考光束 1相互疊加干涉形成干涉信號。其明暗變化次數(shù)直接對應(yīng)于測量鏡的位移，可表示為： 2LN??② 激光干涉測長的光路設(shè)置 7.位相板 12. 光闌 14. 透鏡 干涉光路的設(shè)置： ③ 干涉信號的方向判別與計數(shù) 誤差原因：外界干擾因素的影響，使測量鏡在正向移動過程中產(chǎn)生一些偶然的反向移動。單純計數(shù)，測量結(jié)果是正反移動的總和。 解決方法：判別計數(shù)。當(dāng)測量鏡正向移動時所產(chǎn)生的脈沖為加脈沖；反之為減脈沖 。 在干涉系統(tǒng)中通過移相方法，得到兩路相互差 π /2的干涉條紋光強(qiáng)信號，這兩路干涉信號經(jīng)過兩個光電探測器接收后，得到與干涉信號相對應(yīng)的兩路相差 π /2的電信號：正弦信號和余弦信號。這兩路信號經(jīng)放大、整形、倒相變成四路方波信號，再經(jīng)過微分電路，得到四個相位依次相差 π /2的脈沖。 將脈沖按測量鏡的正向移動時相位的排列次序為 4，反向位移時相位的排列次序為 3，在后面的脈沖電路上根據(jù)脈沖 1后面是 3或是 4可判別是正向脈沖還是反向脈沖，實現(xiàn)判向目的。 判向計數(shù)： 正向移動： 正向： 1 3 2 4 同理可得 反向： 1 4 2 3 位移長度為： 8LN??2 光外差通信 光外差通信基本上都是采用 CO2激光器做光源，因為其發(fā)射波長 。由光發(fā)射系統(tǒng)及接收系統(tǒng)兩大部分組成。 穩(wěn)頻原理： 發(fā)射波長偏離標(biāo)準(zhǔn)波長，輸出光通量發(fā)生變化，經(jīng)濾光片 3，探測器 4轉(zhuǎn)換為電信號，輸出電壓變化，諧放后送至自動頻率跟蹤放大器，壓電陶瓷使腔長伸縮，改變發(fā)射頻率。 發(fā)射系統(tǒng)： CO2 激光器、穩(wěn)頻回路、光學(xué)發(fā)射天線 濾光片的濾光曲線 接收系統(tǒng) : 為得到穩(wěn)定差頻信號，避免被傳輸信息失真度增大，本振也需要穩(wěn)頻。 原理：穩(wěn)頻控制信號取自視頻信號，鑒頻器 17輸出信號，經(jīng)頻率跟蹤濾波器 18濾波放大后，控制壓電陶瓷，改變諧振腔腔長，使激光頻率穩(wěn)定。 3 多普勒測速 ① 多普勒 測速原理 HeNe激光器是經(jīng)穩(wěn)頻后的單模激光，焦點(diǎn)處光強(qiáng)分布為高斯分布。 激光測速的原理是： 測量通過激光束的示蹤粒子的多普勒信號，再根據(jù)速度與多普勒頻率的關(guān)系得到粒子速度。測得了粒子的速度，也就是流動的速度。 激光測速的最主要的優(yōu)點(diǎn)是 : 對流動沒有任何擾動，測量的精度高，測速范圍寬，而且由于多普勒頻率與速度是線性關(guān)系，和該點(diǎn)的溫度，壓力沒有關(guān)系，是目前世界上速度測量精度最高的儀器。 條紋 模型 f x z y z y y x 測速原理： 激光光束的光強(qiáng)分布為高斯分布，在透鏡 L1 后的焦點(diǎn)附近高斯光束束腰的波前為平面波，兩光束在焦點(diǎn)附近空間范圍內(nèi)相交得到平行的干涉條紋；而在遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的空間范圍相交干涉條紋為弧形。干涉條紋間距為 : 12 si n2i ????干涉條紋的空間頻率（單位長度內(nèi)條紋明暗對數(shù)）為： 當(dāng)散射粒子在平行干涉條紋的平面內(nèi)運(yùn)動時，散射的光波強(qiáng)度隨干涉場及流速面變化，若顆粒運(yùn)動速度為 υ，運(yùn)動方向與條紋垂線的夾角為 β（如圖），則顆粒散射的光強(qiáng)頻率為： ? ?2 si n1 2fi????2c o s s in c o s2sf f v v????? ? ? ?如果粒子運(yùn)動方向與干涉場垂直時，？？？ ② 輸出波形分析 在光電倍增管上接收到的輸出信號是一種包絡(luò)波形，包絡(luò)與光強(qiáng)分布及粒子大小有關(guān)。包絡(luò)的形成是因為光斑中光強(qiáng)的分布為高斯型。包絡(luò)的幅度不包括速度信息，反映速度信息的是包絡(luò)的頻率。 一個粒子流過，且粒子直徑比干涉條紋寬度小很多時 一個粒子流過，且粒子直徑比干涉條紋寬度大時 一個粒子的隨機(jī)信號 10個粒子的隨機(jī)信號 ③ 速度信號的獲取 兩種測流速方法：一頻譜分析法、頻率跟蹤法。 2c o s s in c o s2sf f v v????? ? ? ??a? 頻譜分析法： 光電倍增管輸出信號經(jīng)濾波后為： 本地振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號為： 外差振蕩信號： 差頻信號分量為： ? ? ? ?c o s 2s s s sV t V f t????? ? ? ?c o s 2L L L LV t V f t????? ? ? ? ? ? ? ?22c o s 2 c o s 2s L s s s L L LV t V t V f t V f t? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?c o s 2S L s L L s L sV t V V f f t? ? ?? ? ? ????? 將此差頻信號放入中頻放大器。中頻放大器的中心頻率為 f0，帶 寬很窄，當(dāng)差頻信號的頻率 fL fS= f0時，中頻放大器有較大的差頻 信號輸出，其它頻率受到掃描電壓發(fā)生器控制。 掃描電壓由低到高變化時，壓控振蕩器的頻率從低到高變化， 其變化與外加電壓呈線性關(guān)系。當(dāng)掃描電壓為適當(dāng)頻率時，使 fL fs =f0，中頻放大器輸出一個較大的信號，此信號經(jīng)過檢波平 滑后可由 XY記錄儀畫出頻率分析的結(jié)果。 由于 f0已知， fL可由掃描曲線得到，因而可計算得到 fS，再由 得到速度 v。 2c o s s in c o s2sf f v v????? ? ? ? 由于中頻放大器的帶寬很窄，放大器的響應(yīng)時間 τ=Δ1/f 較長， 因而信號的變化必須很緩慢，即只能測量出多粒子的平均速度， 無法得到瞬時速度。 ?b? 頻率跟蹤法： 混頻器 差頻 中頻放大 鑒頻器 誤差電壓 壓控振蕩器改變 fL 外差信號 VLL的差頻頻率 f0經(jīng)過中頻放大器放大，輸出信號到頻率鑒別器。鑒頻器輸出特性如下圖，信號頻率偏離 f0時，壓控振蕩器跟蹤信號頻率的瞬時變化。 特點(diǎn)： 非接觸測量，精度高，用于生物、血管中血流速測量。 f?f??Vf0fO激光多普勒測速的特點(diǎn) : ●動態(tài)響應(yīng)快 ●空間分辨率高 ●流速測量范圍寬 ●測量精度高 激光多普勒測速的應(yīng)用 : ◆管道內(nèi)水流流層研究； ◆流速分布／亞音速或超音速氣流／旋流的測量 ◆大氣遠(yuǎn)距離測量； ◆風(fēng)速測量 ◆可燃?xì)怏w火焰的流體力學(xué)研究； ◆水洞、風(fēng)洞和海流測量