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1、第五章第五章常用信息检测系统常用信息检测系统n5.1光电直接探测系统光电直接探测系统n一、光电直接探测系统的基本工作原理一、光电直接探测系统的基本工作原理平均光功率为平均光功率为n二、光电直接探测系统的特性参数二、光电直接探测系统的特性参数n1直接探测系统的灵敏度直接探测系统的灵敏度n(1)模拟系统灵敏度模拟系统灵敏度n模拟系统的模拟系统的灵敏度灵敏度可用可用信噪比信噪比的值来评的值来评价系统性能。价系统性能。n如果光探测器的入射光功率中包含信号如果光探测器的入射光功率中包含信号光功率光功率(Ps)和噪声功率和噪声功率(Pn)，则光探测则光探测器输出电功率为器输出电功率为输出信噪比等于输入信噪
2、比的平方，输出倍噪比输出信噪比等于输入信噪比的平方，输出倍噪比更低，没有实用意义。更低，没有实用意义。输出信噪比等于输入信噪比一半。输出信噪比等于输入信噪比一半。n(2)数字系统灵敏度数字系统灵敏度n数字系统灵敏度一数字系统灵敏度一般用般用误码率误码率评价它评价它的性能。的性能。误码率误码率只要知道只要知道信噪比信噪比 的值，就可由误差的值，就可由误差函数中得知误码率的值。函数中得知误码率的值。n(2)直接探测系统的极限灵敏度直接探测系统的极限灵敏度n光伏型及光发射器件的极限灵敏度光伏型及光发射器件的极限灵敏度称为直接探测系统的极限灵敏度，也称量子限灵称为直接探测系统的极限灵敏度，也称量子限灵
3、敏度。光学系统接收到的光功率敏度。光学系统接收到的光功率Pdm。有时，又把最小可探测功率有时，又把最小可探测功率Pmin称为灵敏度。称为灵敏度。n光导探测器直接探测系统的灵敏度光导探测器直接探测系统的灵敏度n光导探测器的主要噪声为复合噪声，它光导探测器的主要噪声为复合噪声，它是一种散粒噪声，它和偏置电流成比例，是一种散粒噪声，它和偏置电流成比例，因而它的灵敏度与具体使用条件有关。因而它的灵敏度与具体使用条件有关。但可以肯定，光导探测器的极限灵敏度但可以肯定，光导探测器的极限灵敏度比光伏器件及光电倍增管的极限灵敏度比光伏器件及光电倍增管的极限灵敏度要低，所需理想的最小可探测功率大。要低，所需理想
4、的最小可探测功率大。n2直接探测系统的视场角直接探测系统的视场角n视场角亦是直接探测系统的性能指标视场角亦是直接探测系统的性能指标之一。它表示系统能之一。它表示系统能“观察观察”到的空间到的空间范围。范围。n半视场角半视场角视场角立体角视场角立体角为为从观察范围，即从发现目标的观点考虑，希望视场角从观察范围，即从发现目标的观点考虑，希望视场角愈大愈好。增大视场角愈大愈好。增大视场角时，或增大探测器面积或时，或增大探测器面积或减小光学系统的焦距。这两方面对探测系统的影响减小光学系统的焦距。这两方面对探测系统的影响都不利，都不利，第一，增加探测器的面积意味着增大系统的噪声。因第一，增加探测器的面积
5、意味着增大系统的噪声。因为对大多数探测器而言，其噪声功率和面积的平方为对大多数探测器而言，其噪声功率和面积的平方根成正比；根成正比；第二，减小焦距使系统的相对孔径加大，这也是不允第二，减小焦距使系统的相对孔径加大，这也是不允许的。另一方面视场角加大后引入系统的背景辐射许的。另一方面视场角加大后引入系统的背景辐射也增加，使系统灵敏度下降。也增加，使系统灵敏度下降。n3、系统的通频带宽度、系统的通频带宽度频带宽度频带宽度f 是光电探测系统的重要指标之一。探是光电探测系统的重要指标之一。探测系统要求测系统要求f 应保存原有信号的调制信息，应保存原有信号的调制信息，并使系统达到最大输出功率信噪比。并使
6、系统达到最大输出功率信噪比。系统按传递信号能力，可有以下几种方法确定系系统按传递信号能力，可有以下几种方法确定系统频带宽度统频带宽度(1)等效矩形带宽等效矩形带宽令令I()为信号的频谱，则信号的能量为为信号的频谱，则信号的能量为n(2)频谱曲线下降频谱曲线下降3dB的带宽的带宽代入代入n(3)包含包含90能量的带宽能量的带宽n输入信号为矩形波时，通过不同带通滤波器的输入信号为矩形波时，通过不同带通滤波器的波形，波形，n曲线曲线1f =0.250n曲线曲线2f =0.50n曲线曲线3f =0.10n曲线曲线4f =40n三、直接探测系统的距离方程三、直接探测系统的距离方程n1被动探测系统的距离方
7、程被动探测系统的距离方程n设被测目标的光谱辐射强度为设被测目标的光谱辐射强度为Ic，经大气传播经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐照度为后到达接收光学系统表面的光谱辐照度为式中，式中，1为被测距离为被测距离L内的大气光谱透过率，内的大气光谱透过率，L为目标到光电探测系统的距离。入射到探测器上为目标到光电探测系统的距离。入射到探测器上的光谱功率为的光谱功率为式中，式中，A0，0分别为接收光学系统的入射孔径面积及光谱透分别为接收光学系统的入射孔径面积及光谱透过率。过率。式中，式中，Ad为探测器面积，为探测器面积，f 为系统的带宽为系统的带宽,D*为探测器的为探测器的归一化探测度。归一化探测度。
8、光电探测系统的距离光电探测系统的距离n2.主动探测距离方程主动探测距离方程n主动探测系统的光源主要为激光光源。主动探测系统的光源主要为激光光源。令其发射功率为令其发射功率为Ps()；发射束发散立发射束发散立体角为体角为1,发射光学系统透过率为发射光学系统透过率为01()，经调制的光能利用率为经调制的光能利用率为km。，。，则则n四、直接探测方式中常用的几种检测方法四、直接探测方式中常用的几种检测方法n1.直接作用法直接作用法n运用直接作用法测试的优点是装置简单，价格便运用直接作用法测试的优点是装置简单，价格便宜。其缺点是系统性能受元器件参数变化的影响，宜。其缺点是系统性能受元器件参数变化的影响
9、，灵敏度受周围环境及电压波动的影响较大，因而灵敏度受周围环境及电压波动的影响较大，因而精度和稳定性稍差。精度和稳定性稍差。n2差动作用法差动作用法为进一步提高测量精度，希望两光电二极管有完全为进一步提高测量精度，希望两光电二极管有完全一致的性能，可采用图一致的性能，可采用图57(b)的系统，光源光线照的系统，光源光线照在由电动机带动的恒速旋转的盘上，盘的半边是反在由电动机带动的恒速旋转的盘上，盘的半边是反射镜可以反射光线，另一半可以透射光线。使测量射镜可以反射光线，另一半可以透射光线。使测量通道和参考通道的光通置交替投射到光电器件上通道和参考通道的光通置交替投射到光电器件上.n3补偿测量法补偿
10、测量法补偿法测量原理是：由待测物理量控制的补偿法测量原理是：由待测物理量控制的光通量变化所引起的信号，可用光学或光通量变化所引起的信号，可用光学或电学的补偿器补偿掉，补偿置可由与补电学的补偿器补偿掉，补偿置可由与补偿器连接在一起的读数系统显示出来，偿器连接在一起的读数系统显示出来，补偿器的补偿量值事先可用标准器进行补偿器的补偿量值事先可用标准器进行精确标定。精确标定。n4脉冲测量法脉冲测量法如果受待测物理量控制的光通量连续作用于光探如果受待测物理量控制的光通量连续作用于光探测器，通过测量光探测器输出信号来获得被测测器，通过测量光探测器输出信号来获得被测量参数的方法通常称为连续测量法。量参数的方
11、法通常称为连续测量法。受被测物理量控制的光通量断续地作用在光探测受被测物理量控制的光通量断续地作用在光探测器上，光探测器输出电脉冲，其脉冲参数器上，光探测器输出电脉冲，其脉冲参数(脉脉冲频率、脉冲持续时间、脉冲的数目等冲频率、脉冲持续时间、脉冲的数目等)随被随被测物理量变化，电脉冲经过放大后由测量仪表测物理量变化，电脉冲经过放大后由测量仪表或计数器读出，这种方法称为脉冲法或断续作或计数器读出，这种方法称为脉冲法或断续作用用n五、光电直接探测典型系统五、光电直接探测典型系统1莫尔条纹测长仪莫尔条纹测长仪(1)测长原理测长原理若两块光栅若两块光栅(其中一块称为主光栅，另一其中一块称为主光栅，另一块
12、叫指示光栅块叫指示光栅)互相重叠，并使它们的栅互相重叠，并使它们的栅线之间形成一个较小的夹角，当光栅对线之间形成一个较小的夹角，当光栅对之间有一相对运动时，透过光栅对看另之间有一相对运动时，透过光栅对看另一边的光源，就会发现由一组垂直于光一边的光源，就会发现由一组垂直于光栅运动方向的明暗相栅运动方向的明暗相间的条纹移动，这间的条纹移动，这就形成莫尔条纹。就形成莫尔条纹。P标尺光栅图5-18莫尔条纹设主光栅的节距为设主光栅的节距为P1，指示光栅的节距为指示光栅的节距为P2，光栅光栅A的刻线方程的刻线方程为为， xi = i P1指示光栅指示光栅B的到线的到线j与与t轴交点的坐标为轴交点的坐标为
13、xj = j P2/cos莫尔条纹莫尔条纹1是由光栅是由光栅A、B各各ij刻线的交点连接而成刻线的交点连接而成所以莫尔条纹的方程是所以莫尔条纹的方程是莫尔条纹莫尔条纹(i = j)的斜率为的斜率为莫尔条纹莫尔条纹1的方程可表示为的方程可表示为同样可求得莫尔条纹同样可求得莫尔条纹2和和3的方程：的方程：由上述三方程可以得出结论；莫尔条纹是周期函数，由上述三方程可以得出结论；莫尔条纹是周期函数，其周期其周期T：叫作莫尔条纹的宽度叫作莫尔条纹的宽度B莫尔条纹具有如下特点：莫尔条纹具有如下特点：1.放大作用放大作用用用B（mm）表表示示莫莫尔尔条条纹纹的的宽宽度度，P(mm)表表示示栅栅距距，(rad
14、)为为光光栅栅线线纹纹之之间间的夹角，的夹角，莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度B与与角角成成反反比比，越越小小，放放大倍数越大。大倍数越大。2.均化误差作用均化误差作用莫莫尔尔条条纹纹是是由由光光栅栅的的大大量量刻刻线线共共同同组组成成，例例如如，200条条/mm的的光光栅栅，10mm宽宽的的光光栅栅就就由由2000条条线线纹纹组组成成，这这样样栅栅距距之之间间的的固固有有相相邻邻误误差差就就被被平平均均化化了了，消消除除了了栅栅距距之之间间不不均均匀匀造造成成的误差。的误差。3.莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例当当光光栅栅尺尺移移动动一一个个栅栅距距P 时时，莫莫尔尔
15、条条纹纹也也刚刚好好移移动动了了一一个个条条纹纹宽宽度度B。只只要要通通过过光光电电元元件件测测出出莫莫尔尔条条纹纹的的数数目目，就就可可知知道道光光栅栅移移动动了了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。(2)四倍频细分判向四倍频细分判向原理原理电子细分方式用电子细分方式用于莫尔条纹测长中于莫尔条纹测长中有好几种四倍频有好几种四倍频细分是普通应用的细分是普通应用的一种。一种。(3)置零信号置零信号要知道测长的绝对数要知道测长的绝对数值，必须在测长的值，必须在测长的起始点给计数器以起始点给计数器以置零信号，这样计置零信号，这样计数器最后的指示值数器最
16、后的指示值就反映了绝对测量就反映了绝对测量值。值。2光电直接探测在遥感方面的应用光电直接探测在遥感方面的应用顾名思义，遥感是从遥远的地方感知、测顾名思义，遥感是从遥远的地方感知、测量并识别目标特性的一门科学技术。具量并识别目标特性的一门科学技术。具体说，它是从高空体说，它是从高空(飞机或卫星上飞机或卫星上)根据根据物体发射和反射电磁波的差异来探知地物体发射和反射电磁波的差异来探知地物物(包括地表层及地层内包括地表层及地层内)的结构。的结构。遥感技术目前广泛地用于对地形精确测绘、遥感技术目前广泛地用于对地形精确测绘、地球资源勘探、农作物生长状况监测及地球资源勘探、农作物生长状况监测及军事侦察等方
17、面。军事侦察等方面。遥感技术是一门综合性很强的技术，它的遥感技术是一门综合性很强的技术，它的发展依赖于光学技术、红外技术、激光发展依赖于光学技术、红外技术、激光技术、计算机技术、信息处理技术及国技术、计算机技术、信息处理技术及国家工业化程度的发展。家工业化程度的发展。3.光电直接探测在监测环境污染光电直接探测在监测环境污染方面的应用方面的应用探测环境污染的程度已是人们十分关心的探测环境污染的程度已是人们十分关心的问题。对于大气中的污染物质如问题。对于大气中的污染物质如CO、CO2,SO2等有害物质，它们对红外辐等有害物质，它们对红外辐射都有确定的吸收波段，如表射都有确定的吸收波段，如表51所列
18、。所列。利用气体分析仪可调量出它们在空气中利用气体分析仪可调量出它们在空气中的浓度。的浓度。C02气体分析仪的工作原理。气体分析仪的工作原理。干涉滤光片的透过波长为干涉滤光片的透过波长为4.3um4脉冲激光测距仪脉冲激光测距仪距离的光电测量主要有两种方法：脉冲法距离的光电测量主要有两种方法：脉冲法测距和相位法测距。脉冲激光测距仪在测距和相位法测距。脉冲激光测距仪在近地面使用时主要的缺点是受气象条件近地面使用时主要的缺点是受气象条件的影响较大的影响较大(与雷达测距相比与雷达测距相比)。两种方。两种方法相比较，相位法测距精度更高。法相比较，相位法测距精度更高。(1)测距原理测距原理由激光器对被测目
19、标发射一个光脉冲，然由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收目标反射回来的光脉冲，通过测后接收目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来算出目标量光脉冲往返所经过的时间来算出目标的距离。的距离。地面炮兵用脉冲激光测距仪地面炮兵用脉冲激光测距仪6光电相位测距仪光电相位测距仪(1)相位测距原理相位测距原理(2)相位测距仪原理相位测距仪原理仪器采用半导体发光管作为光源，它出射的光通量近似地仪器采用半导体发光管作为光源，它出射的光通量近似地与注入的驱动电流成正比。当驱动电流为某频率的正弦电与注入的驱动电流成正比。当驱动电流为某频率的正弦电流时，发光二极管输出光通量流时，发光二极管输出光通
20、量(光强度光强度)也为正弦变化，其也为正弦变化，其初始相位与驱动电流同相。初始相位与驱动电流同相。出射光波经发射光学系统准直后射向合作目标。出射光波经发射光学系统准直后射向合作目标。由合作目标反射回来的光波经接收物镜后会聚由合作目标反射回来的光波经接收物镜后会聚于光电二极管上，转换为正弦电压信号于光电二极管上，转换为正弦电压信号相位计的测量信号相位相位计的测量信号相位相位计的基准信号相位相位计的基准信号相位相位计测得相位差相位计测得相位差5.2光外差探测系统光外差探测系统n光外差探侧在激光通信、雷达、测长、测速、光外差探侧在激光通信、雷达、测长、测速、测振、光谱学等方面都很有用。其探测原理与测
21、振、光谱学等方面都很有用。其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似。光外差探测微波及无线电外差探测原理相似。光外差探测与光直接探测比较，其测量精度要高与光直接探测比较，其测量精度要高78个数个数量级。量级。n激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的相干性，因而目前远距离外差探测在大气中应相干性，因而目前远距离外差探测在大气中应用受到限制，但在外层空间特别是卫星之间通用受到限制，但在外层空间特别是卫星之间通信联系已达到实用阶段。信联系已达到实用阶段。一、光外差探测原理一、光外差探测原理光外差探测与直接探测相比较有许光外差探测与直接探测相比较有许多优点，在直
22、接探测中由于光的振动频多优点，在直接探测中由于光的振动频率高达率高达210137.51014Hz，振动周期振动周期T为为510-141.310-15s(可见光到中近红可见光到中近红外外)，而探测器响应时间最短，而探测器响应时间最短10-10s,它它只能响应其平均能量或平均功率。只能响应其平均能量或平均功率。在直接探测中在直接探测中，设光波动的圆频率为，设光波动的圆频率为，振幅为振幅为A，则光波则光波f(t)写成写成平均功率平均功率fs为信号光波，为信号光波，fL为本机振荡为本机振荡(本振本振)光波，这两光波，这两束平面平行的相干光，经过分光镜和可变光阑入束平面平行的相干光，经过分光镜和可变光阑
23、入射到探测器表面进行混频，形成相干光场。经探射到探测器表面进行混频，形成相干光场。经探测器变换后测器变换后,输出信号中包含输出信号中包含fcfsfL的差的差频信号故又称相干探测频信号故又称相干探测.，入射到探测器上的总光场为，入射到探测器上的总光场为由于光探测器的响应与光电场的平方成正比，所以光探由于光探测器的响应与光电场的平方成正比，所以光探测器的光电流为测器的光电流为式中：式中：是光电变换系数，是光电变换系数，为量子效率为量子效率h为光子能量，为光子能量，c=L-s称为差额。称为差额。上式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于上式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于12。第三项第三项
24、(和和频项频项)是余弦函数的平均值，应为零。是余弦函数的平均值，应为零。而第四项而第四项(差频项差频项)相对光频而言，频率要低得多。当差频相对光频而言，频率要低得多。当差频c/2低于低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为c/2的光电流输出。的光电流输出。（见见MCAD演示演示）n外差探测不仅可探测振幅和强度调外差探测不仅可探测振幅和强度调制的光信号，还可探测频率调制及制的光信号，还可探测频率调制及相位调制的光信号。这是外差探测相位调制的光信号。这是外差探测的的第一个优点第一个优点。二、光外差探测特性二、光外差探测特性1、转换增益转换增益光探测器输出
25、电流振幅为光探测器输出电流振幅为在直接探测中，输出信号电流的振幅在直接探测中，输出信号电流的振幅外差转换增益外差转换增益由于在外差探测中，本机振荡光功率由于在外差探测中，本机振荡光功率PL比信号光功率大几个比信号光功率大几个数量级，所以，外差转换增益可以高达数量级，所以，外差转换增益可以高达107108。由此。由此看出，外差探测灵敏度比直接探测灵敏度高看出，外差探测灵敏度比直接探测灵敏度高107108倍。倍。这是外差探侧的这是外差探侧的第二个优点第二个优点。2光谱滤波性能光谱滤波性能如果取差频信号宽度如果取差频信号宽度c/2=L-s/2为信息为信息处理器的通频带处理器的通频带f，那么只有与本机
26、振荡光那么只有与本机振荡光束混频后在此频带内的杂光可以进入系统，束混频后在此频带内的杂光可以进入系统，其他杂光所形成的噪声均被信号处理器滤掉。其他杂光所形成的噪声均被信号处理器滤掉。因此，外差探测系统中不需要加光谱滤光片，因此，外差探测系统中不需要加光谱滤光片，其效果甚至比加滤光片的直接探测系统还好其效果甚至比加滤光片的直接探测系统还好得多。得多。外差探测对背景光有强抑制作用。这是光外差外差探测对背景光有强抑制作用。这是光外差探测的探测的第三个优点第三个优点。3外差探测信噪比外差探测信噪比如果入射到探测器上的光场不仅存在信号光波如果入射到探测器上的光场不仅存在信号光波Ps，还存在背景光波还存在
27、背景光波Pb，输出信噪比为输出信噪比为说明外差探测的输出信噪比等于信号光波和背景说明外差探测的输出信噪比等于信号光波和背景光波振幅的比值，输人信噪比等于输出信噪比，光波振幅的比值，输人信噪比等于输出信噪比，输出信躁比没有任何损失。这是外差探测的输出信躁比没有任何损失。这是外差探测的第第四个优点四个优点。n但是，当本振光功率足够大时，本振光但是，当本振光功率足够大时，本振光产生的散粒噪声远大于其他噪声。本振产生的散粒噪声远大于其他噪声。本振光功率继续增大时，由本振光所产生的光功率继续增大时，由本振光所产生的散粒噪声随之增大，从而使光外差探测散粒噪声随之增大，从而使光外差探测系统的倍噪比降低。系统
28、的倍噪比降低。n所以，在实际的光外差探测系统中要合所以，在实际的光外差探测系统中要合理选择本振光功率的大小，以便得到最理选择本振光功率的大小，以便得到最佳信噪比和较大的中频转换增益。佳信噪比和较大的中频转换增益。四、光外差探测典型系统四、光外差探测典型系统1干涉测量技术干涉测量技术(1)激光干涉测长的基本原理激光干涉测长的基本原理(2)激光干涉测长仪的光路没置激光干涉测长仪的光路没置该光路中，使用该光路中，使用角锥棱镜角锥棱镜代替了平面反射镜作为反代替了平面反射镜作为反射器，一方面避免了反射光束反馈回激光器而对射器，一方面避免了反射光束反馈回激光器而对激光器带来的不利影响，另一方面由于角锥棱镜
29、激光器带来的不利影响，另一方面由于角锥棱镜的特点，使得出射光束与入射光束平行，而棱镜的特点，使得出射光束与入射光束平行，而棱镜绕任一转轴的转动均不影响出射光束的方向，当绕任一转轴的转动均不影响出射光束的方向，当它绕光学中心转动的角度不大时，它对光程的影它绕光学中心转动的角度不大时，它对光程的影响可以忽赂。响可以忽赂。角锥棱镜的形状相当于立方体切下来的一个角角锥棱镜的形状相当于立方体切下来的一个角，它，它的三个内表面作为光学反射面并相互垂直。当光的三个内表面作为光学反射面并相互垂直。当光从基面入射，可在三个直角面上依次反射，仍从从基面入射，可在三个直角面上依次反射，仍从基面出射。出射光线与入射光
30、线总保持平行。基面出射。出射光线与入射光线总保持平行。(3)干涉信号的方向判别与计数干涉信号的方向判别与计数5.3光纤传感器检测系统光纤传感器检测系统n光纤是光纤是20世纪后半叶的重要发明之一。世纪后半叶的重要发明之一。它与激光器、半导体光电探测器一起构它与激光器、半导体光电探测器一起构成了新的光学技术，即光电子学新领域。成了新的光学技术，即光电子学新领域。光纤的最初研究是为了通讯；由于光纤光纤的最初研究是为了通讯；由于光纤具有许多新的特性，因此在其他领域也具有许多新的特性，因此在其他领域也发展了许多新的应用，其中之一就是构发展了许多新的应用，其中之一就是构成光纤传感器。成光纤传感器。一、光纤
31、的基本原理一、光纤的基本原理 光纤波导的原理光纤波导的原理光纤光纤(fiber)传光的纤维波导或光导纤维的简称。传光的纤维波导或光导纤维的简称。纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套光纤传光原理光纤传光原理全反射全反射 n1 1n22 入射角入射角 法线法线n1 1n2 2临界角临界角arcsinarcsin ( n ( n2 2 / n/ n1 1 ) )光纤传光与数值孔径光纤传光与数值孔径n0200n2n1数值孔径：数值孔径：n2n1多模阶跃光纤nr多模梯度光纤n2n1单模梯度光纤n单模光纤和多模光纤单模光纤和多模光纤二、光纤的特性二、光纤的特性光光纤纤的的衰衰减减(或或损损耗耗)和和色色散
32、散(或或带带宽宽)是是描描述光纤传输特性的两个重要参量。述光纤传输特性的两个重要参量。衰减的概念衰减的概念由由于于损损耗耗的的存存在在，在在光光纤纤中中传传输输的的光光信信号号，不不管管是是模模拟拟信信号号还还是是数数字字脉脉冲冲，其其幅幅度度都都要要减减小小。光光纤纤的的损损耗耗在在很很大大程程度上决定了系统的传输距离。度上决定了系统的传输距离。在光纤内传输的光功率在光纤内传输的光功率P随距离随距离z的变化，可以用下式表示的变化，可以用下式表示式中，式中，是损耗是损耗(衰减衰减)系数。系数。设设长长度度为为L(km)的的光光纤纤，输输入入光光功功率率为为Pi，输输出出光功率应为光功率应为Po
33、=Piexp(-L)习习惯惯上上的的单单位位用用dB/km，损损耗耗(衰衰减减)系系数数=n色散的概念色散的概念n色散色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。模模式式色色散散是是由由于于不不同同模模式式的的时时间间延延迟迟不不同同而而产产生生的的，它它取取决决于于光光纤纤的的折折射射率率分分布布，并并和光纤材料折射率的波长特性有关和光纤材料折射率的波长特性有关.材材料料色色
34、散散是是由由于于光光纤纤的的折折射射率率随随波波长长而而改改变变，以以及及模模式式内内部部不不同同波波长长成成分分的的光光(实实际际光光源源不不是是纯纯单单色色光光)，其其时时间间延延迟迟不不同同而而产产生生的的。这这种种色色散散取取决决于于光光纤纤材材料料折折射射率率的的波波长长特特性性和和光光源源的谱线宽度。的谱线宽度。波波导导色色散散是是由由于于波波导导结结构构参参数数与与波波长长有有关关而而产产生生的的，它它取取决决于于波波导导尺尺寸寸和和纤纤芯芯与与包包层层的的相相对对折射率差。折射率差。三、光纤传感器分类三、光纤传感器分类n光纤传感器按传感原理可分为光纤传感器按传感原理可分为功能型
35、功能型和和非功能非功能型型。n功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以也称纤作为敏感元件，所以也称传感型光纤传感器传感型光纤传感器，或或全光纤传感器全光纤传感器。n非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号所以也称为自远处或难以接近场所的光信号所以也称为传光型传感器传光型传感器或或混合型传感器混合型传感器。光纤传感器按被调制的光波参数不同可分光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为为强度调制光
36、纤传感器强度调制光纤传感器相位调制光纤传感器相位调制光纤传感器频率调制光纤传感器频率调制光纤传感器偏振调制光纤传感器偏振调制光纤传感器波长波长(颜色颜色)调制光纤传感器调制光纤传感器四、光调制与解调技术四、光调制与解调技术n光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上,完成这一过程的器件称为调制器。n调制器能使载波光波的参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的振幅、位相、频率、偏振、波长等。承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器系统解调，然后检测出所需要的信息。1强度调制与解调微弯效应光强度调制技术微弯效应光强度调制技术原 理利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹在两块具周期性
37、波纹的微弯析构成的变形器中构成调制器。从波导理论的观点来看，当光纤发生弯曲时，传输光会有一部分泄漏到包层中去，这种泄漏是光纤内发生模式耦合的结果，这些耦合模变为辐射模，造成传播光能量的损耗。n纤芯中的光向包层逸出的原因从几何光学来说是由于全反射条件的破坏造成的，从波导理论来说则是光纤的弯曲引起了各种传导模式的耦合，则形成耦合模式被送入包层中去产生辐射模。微微弯弯调调制制示示意意图图定定 量量 分分 析析微弯效应造成的损耗可写成如下形式式中为齿距，为齿数目，为变形幅度，为纤芯半径，为光纤外半径，为内外层折射率差值。其中任何一个参数改变都会起到光强调制的作用。在实际问题里，变形器及光纤参数全部固定
38、时，则可认为实 际 测 量 框 图n利用这种调制技术可以直接测量位移的变化量(变形器上的变形板位移的大小决定光强的衰减程度),而间接测量的量则可包括温度，压力，振动，应变等。探测器脱模器脱模器脱模器的作用n这里脱模器的作用是在进入探测器之前消除掉进入包层中的光以保证只有纤芯中的光才能传到变形器和探测器。n其方法是在几厘米长的包层外边表面上刷上黑漆，这就可以以乎完全吸收掉传入包层中的光（或者剥去外包层置于折射率匹配的小盒中）。其它类型其它类型n被测物体移动引起光纤变形，曲率半径随之改变，引起辐射模。其其它它类类型型n将 光 纤绕 成 多圈 螺 旋管 状 ，增 加 变形 长 度以 提 高灵敏度。微
39、 弯 型 水 听 器n多模光纤绕于带有螺纹的铝管螺纹谷内不会发生变形，而通过纵向槽的那部分光纤将由于外部压力而变形，如果这种压来来自于声波，则可依此原理制成水听器。脱模器脱模器探测器探测器光 强 度 的 外 调 制 技 术n上述微弯调制技术属于内调制，属于功能性调制技术，它是利用光纤本身特性的改变来实现光调制的。n所谓外调制技术，是指调制环节发生在光纤以前的部分，光纤本身的性质并不改变，它只起到传光的作用。此时的光纤分为两部分，即输入光纤和输出光纤，或发送光纤和接收光纤，由于接收光强与接收光纤的端面的法向方面有关，于是接收光纤的端面可以视为接收信号。反射型光强外调制传感器反射型光强外调制传感器
40、na、原理n由输入光纤出射的光投射到反射面上，其反射光的一部分进入输出光纤，进入多少与反射面位置有关。输入光纤输出光纤反射面定 量 分 析反射镜面的移动方向是与光纤探头端面垂直的，反射镜面在其背面距离处形成输入光纤的虚象，因此，光强调制作用是与虚光纤和输出光纤的耦合相联系的。设两光纤皆为阶跃折射率光纤，芯径为，数值孔径为，两光纤垂直距离为，并定义反射型光强外调制传感器示意反射型光强外调制传感器示意图图2ad2r输出光纤输出光纤输入光纤的镜像检 测 范 围则则当当距距离离时时，两两光光纤纤的的耦耦合合为为零零，无反射光进入输出光纤；无反射光进入输出光纤；当时，两光纤耦合最强，输出光强达最大值，此
41、时输入光纤的像发出的光维底面积将输出光纤端面积全部遮盖，是一个常数，光维底面积为因此最大检测范围是即检测位移的范围在和之间。遮光型光强外调制技术遮光型光强外调制技术n上上面面所所言言为为反反射射式式，除除此此之之外外还还有有遮遮光光式式，一一种种办办法法是是将将发发射射光光纤纤和和接接收收光光纤纤对对准准，光光强强调调制制信信号号加加在在移移动动的的遮遮光光板板上上；另另一一种种方方法法是是直直接接移移动动接接收收光光纤纤。这这两两种种方方式式都都是是使使接接收收光光纤纤只只能能收收到到发发送送光光纤纤发发出出的的部分光，从而实现光调制。部分光，从而实现光调制。遮光型光强外调制技术遮光型光强外
42、调制技术n用这种办法可以测用这种办法可以测量位移、压力、温量位移、压力、温度等物理量，这些度等物理量，这些物理量的变化都可物理量的变化都可使光强减弱由于闸使光强减弱由于闸式要使两光纤距离式要使两光纤距离大一些，因此光损大一些，因此光损耗较大，但它可固耗较大，但它可固定两光纤，因而使定两光纤，因而使用可靠。用可靠。光闸输入光纤输出光纤折射率光强度调制技术折射率光强度调制技术（反射系数式光强调制技术）（反射系数式光强调制技术）n反反射射系系数数与与两两介介质质的的折折射射率率有有关关，利利用用折折射射率率的的变变化化来来改改变变反反射射系系数数，则则可可达达到到调调制制光光强强的的目目的的，下下图
43、图给给出出了了一一种种典典型装置：型装置：光源探测器信号处理调制器调调制制部部分分细细节节全反射面调调制制机机理理n由光纤左端入射的光，一部分沿光路返回到探由光纤左端入射的光，一部分沿光路返回到探测器。调制机理是：测器。调制机理是：n光纤左端有两个反射面，其中底面的为全反射光纤左端有两个反射面，其中底面的为全反射面（镀膜而成），两反射面搭接，斜面反射面面（镀膜而成），两反射面搭接，斜面反射面与折射率为的介质接触，调节斜面反射镜的角与折射率为的介质接触，调节斜面反射镜的角度使纤芯光经反射后能垂直入射到全反射面上，度使纤芯光经反射后能垂直入射到全反射面上，则纤芯光入射到斜反射面时能够部分地透射到则
44、纤芯光入射到斜反射面时能够部分地透射到的介质中去，由费涅尔公式描述：的介质中去，由费涅尔公式描述：其中其中为强度反射系数，为强度反射系数，为为入入射射角角。可可见见，若若介介质质由由于于压压力力或或温温度度的的变变化化引引起起微微小小变变化化，则则会会导导致致反反射射系系数数的的变变化化，从从而而导导致致反反射射光光强强的的改改变变，利利用用此原理可设计温度或压力传感器。此原理可设计温度或压力传感器。2、偏振调制与解调n许许多多物物理理效效应应都都会会影影响响或或改改变变光光的的偏偏振振状状态态，采采用用这这些些效效应应可可设设计计偏偏振振调调制制器器，下下面面介介绍绍一一种种典典型效应。型效
45、应。n法法拉拉弟弟发发现现，许许多多物物质质在在磁磁场场的的作作用用下下可可使使穿穿过过它它的的平平面面偏偏振振光光的的偏偏振振方方向向旋旋转转（在在光光的的传传播播方方向向上上加加上上强强磁场时）磁场时）法拉弟效应（磁致旋光效应）法拉弟效应（磁致旋光效应）d振动面旋转的角度振动面旋转的角度由经验公式给出：由经验公式给出：式中式中为静磁通量，为静磁通量，为光所穿越的媒质为光所穿越的媒质长度，长度，是比例因子，称是比例因子，称费尔德常数费尔德常数，一种，一种特定媒质的特定媒质的费尔德常数费尔德常数随频率和温度而变。随频率和温度而变。实际例子对于气体，约为，固体和液体为的量级。如对于1厘米长的样品
46、，高斯的磁场，此时振动面将转动。利用法拉第效应测磁场实实 验验 装装 置置 图图调制电压恒定磁场起偏器起偏器线线偏偏振振光光从从左左面面进进入入晶晶体体，横横向向的的直直流流磁磁场场使使YIG晶晶体体在在此此方方向向上上引引起起磁磁化化饱饱和和，而而总总的的磁磁化化强强度度矢矢量量（由由恒恒定定磁磁场场和和线线圈圈磁磁场场所所引引起起）可可以以改改变变方方向向，它它对对晶晶体体轴轴的的倾倾斜斜角角度度正正比比于于线圈中的调制电流。线圈中的调制电流。因因为为法法拉拉弟弟旋旋转转依依赖赖于于磁磁化化强强度度的的轴轴向向分分量量，所所以以线线圈圈电电源源控控制制了了角角，检检偏偏器器按按照照马马吕吕
47、定定律律把把这这一一偏偏振振调调制制转转换换为为振振幅幅调调制制。也也就就是是说说，要要传传递递的的信信息息作作为为调调制制电电压压加加在在线线圈圈上上，则则出出射的激光束以振幅变化的形式携带着信息。射的激光束以振幅变化的形式携带着信息。这样，为了获得更大的法拉弟效应，可以将放在磁场中的法拉弟材料做成平行六面体，使通光面对光线方向稍偏离垂直位置，并将两面镀层反射膜，只留入口和出口，这样，若光束在其间反射次后出射，则有效旋光厚度为，则偏振面的旋转角度将提高倍。高反射膜3、相位调制与解调一、一、n利利用用光光相相位位调调制制来来测测量量某某些些物物理理量量的的开开发发应应用用已已有有一一百百多多年
48、年的的历历史史，不不过过一一般般以以空空间间作作为为干干涉涉光光路路的的干干涉涉仪仪体体积积大大，环环境境条条件件要要求求严严格格，调调整整也也困难，因此限制了在工业中的应用。困难，因此限制了在工业中的应用。n光光导导纤纤维维的的出出现现为为光光学学干干涉涉仪仪开开辟辟了了广广阔阔的的天天地地，因因为为用用光光纤纤代代替替自自由由空空间间作作为为干干涉涉光光路路有有两两个个突突出出的的优优点点：一一是是减减少少了了干干涉涉仪仪安安装装和和校校准准的的固固有有困困难难，可可使使仪仪器器小小型型化化，块块体体化化。二二是是可可以以用用加加长长光光纤纤的的方方法法使使干干涉涉光光路路对对环环境境参参
49、数数的的响响应应灵灵敏敏度增加。度增加。调 制 原 理n光光纤纤中中传传导导的的光光，其其相相位位变变化化取取决决于于处处界界物物理理量产生的光纤波导的下面三个参数的变化。量产生的光纤波导的下面三个参数的变化。n光纤物理长度的变化光纤物理长度的变化n（轴轴向向应应变变伸伸长长、热热膨膨胀胀引引起起的的伸伸长长、泊泊松松比比变化引起长度伸长）变化引起长度伸长）n光光纤纤折折射射系系数数及及分分布布的的变变化化（温温度度引引起起、光光弹效应）弹效应）n光纤横截面几何尺寸的变化光纤横截面几何尺寸的变化（压力、热膨胀）（压力、热膨胀）为为简简化化分分析析，假假定定分分析析折折射射率率沿沿其其截截面面分
50、分布布不不变变化化，则则光光相相位位调调制制只只由由光光纤纤长长度度、折折射率大小和横截面尺寸产生。射率大小和横截面尺寸产生。光纤中传播光相位变化可以表示为光纤中传播光相位变化可以表示为轴向长度变化轴向长度变化产生的相位移产生的相位移折射率变化折射率变化产生的相位移产生的相位移光纤直径变化光纤直径变化产生的相位移产生的相位移其中其中此此三三个个因因素素中中产产生生的的相相移移表表达达式式比比较较复复杂杂，与与有有关关，其其大大小小取取决决于于光光纤纤的的结结构。构。（为光纤轴向应变）外外施施参参量量与与光光相相位位的的关关系系可可由由被被测测量量产产生生的的光光纤纤参参量量变变化化来来求求得得
51、，下下面面以以温温度度来来说说明明。外外施施温温度度对对光光纤纤的的热热影影响响是是最最简简单单的的情情况况。此此时时可可只只考考虑虑温温度度对对长长度度和和折折射射率率变变化化而而忽忽略略温温度度引引起的直径变化。则起的直径变化。则相位解调原理相位解调原理两两束束相相干干光光束束(信信号号光光束束和和参参考考光光束束)同同时时照照射射在在一一光光电电探探测测器器上上，光光电电流流的的幅幅值值将将与与两两光光束束的的相相位位差成函数关系：差成函数关系：光电探测器对合成光束的强度发生响应。设自由空间的光电探测器对合成光束的强度发生响应。设自由空间的阻抗为阻抗为Zo，则入射到光电探测器光敏面则入射
52、到光电探测器光敏面Ad的功率为的功率为n最终探测信号电流为最终探测信号电流为上式括号中的后三项相当于光频的电流变化，光电探测器不能上式括号中的后三项相当于光频的电流变化，光电探测器不能响应如此高频率的变化，可以忽略。因此上式可简化为响应如此高频率的变化，可以忽略。因此上式可简化为n可见，通过于涉现象能把光束之间的相可见，通过于涉现象能把光束之间的相位差转变为光强变化。当位差转变为光强变化。当E1=E1=E/2时，时，可进可进步简化为：步简化为：几种干涉测量仪与光纤干涉传感器原理几种干涉测量仪与光纤干涉传感器原理迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪n单单色色光光经经分分束束器器分分为为光光强强相相等等的
53、的两两束束光光：一一束束射射向向固固定定反反射射镜镜，然然后后反反射射到到分分束束器器，被被其其透射部分，由探测器接收；透射部分，由探测器接收；n另另一一束束入入射射到到可可移移动动反反射射镜镜上上，然然后后反反射射回回分分束器，经分束器反射的部分也传到探测器束器，经分束器反射的部分也传到探测器；n当当光光程程差差小小于于激激光光器器的的相相干干长长度度时时，传传到到探探测测器的两束光则产生干涉。器的两束光则产生干涉。迈克尔逊干涉仪示意图激光器固定反射镜探测器可移动反射镜调制器两相干光的位相差为两相干光的位相差为式中式中为空气中的光传播常数，为空气中的光传播常数，为两相干光的光程差。为两相干光
54、的光程差。可可见见，可可移移动动反反射射镜镜每每移移动动长长度度，光光探探测测器器的的输输出出就就从从最最大大值值变变到到最最小小值值，再再变变到到最最大大值值，变变化化一一个个周周期期。如如果果使使用用激激光光，它它能能检检测的位移大致为测的位移大致为，即，即的位移。的位移。马赫泽德干涉仪示意图马赫泽德干涉仪示意图固定反射镜固定反射镜光源探测器探测器可移动反射镜可移动反射镜传感器与迈克尔逊干涉仪之区别与迈克尔逊干涉仪之区别n1.它没有光返回到激光器，利于激光它没有光返回到激光器，利于激光器减少不稳定噪声；器减少不稳定噪声；n2.从分束器向上也可以获得两束光，从分束器向上也可以获得两束光，一为
55、参考光的反射，一为信号光的一为参考光的反射，一为信号光的透射，若需要，可利用这两束光透射，若需要，可利用这两束光获得第二个输出信号。获得第二个输出信号。塞格纳克干涉仪塞格纳克干涉仪光源探测器塞格纳克干涉仪的特点塞格纳克干涉仪的特点n这这种种干干涉涉仪仪的的特特点点是是，激激光光束束分分为为干干涉涉和和透透射射两两束束沿沿相相反反方方向向传传播播，最最后后汇汇合合到到分分束束器器回回到到探测器。探测器。n在在这这种种干干涉涉仪仪中中，任任何何一一块块反反射射镜镜在在垂垂直直表表面面的的方方向向上上移移动动，两两束束光光的的光光源源变变化化皆皆相相等等，因因此不会在探测器上探测到光强之变化。此不会
56、在探测器上探测到光强之变化。n但但是是，当当将将此此装装置置置置于于一一个个可可绕绕垂垂直直于于光光束束平平面面轴轴旋旋转转的的平平台台上上时时，由由于于塞塞格格纳纳克克效效应应，两两束传播方向相反的光就会有不同的延迟。束传播方向相反的光就会有不同的延迟。若若平平台台以以时时针针方方向向以以速速度度转转动动，则则在在顺顺时时针针方方向向传传播播的的光光较较反反时时针针方方向向延延迟迟大大，此此相相位位延延迟迟可可表为表为式中式中旋转角速度，旋转角速度，光路围成的面积，光路围成的面积，光速，光速，真空光波长。真空光波长。这这样样，通通过过检检测测相相位位变变化化，可可知知旋旋转转速速度度，这这种
57、种技术是设计导航系统中环形光纤陀螺的基础。技术是设计导航系统中环形光纤陀螺的基础。4.法布里珀罗 干涉干涉仪仪光源传感器探测器法布里一珀罗干涉仪的特点法布里一珀罗干涉仪的特点它它由由两两块块半半透透半半反反的的平平行行放放置置的的反反射射镜镜组组成成，通通常常反反射射率率达达95以以上上。激激光光入入射射干干涉涉仪仪后后在在两两个个反反镜镜间间做做多多次次往往返返反反射射，透透射射出出来来的的平平行行光光束束由由探探测测器器接接收收。它它与与前前三三种种的的主主要要区区别别在在于于前前面面都都是是双双光光束束干干涉涉，此此为为多多光光束束干干涉涉，此此时时在在探探测测器器上上观观察察到到的干涉
58、光路的变化为的干涉光路的变化为式中式中为反射率，为反射率，为为相邻光束间的位相差相邻光束间的位相差可见，当可见，当一定时，干涉光强随一定时，干涉光强随而变，当而变，当时时，干干涉涉光光强强有有最最大大值值，当当时时，干干涉涉光光强强有有最最小小值值。透射的干涉光强最大与最小之比为透射的干涉光强最大与最小之比为。可可见见，越越大大，干干涉涉光光强强变变化化愈愈显显著著，分分辨辨率率愈愈高高，这这是是此此技技术术的的最最大大特特点点，它它是是最最灵灵敏敏的的位位移移测测量量装装置。置。五、光纤传感器实例五、光纤传感器实例1、光纤液位传感器、光纤液位传感器n2、光纤电流传感器、光纤电流传感器传感器适
59、用于高压输电线大电流的测量传感器适用于高压输电线大电流的测量医用内窥镜医用内窥镜医医用用内内窥窥镜镜的的示示意意图图如如左左下下图图所所示示。它它由由末末端端的的物物镜镜、光光纤纤图图像像导导管管（传传像像束束）、顶顶端端的的目目镜镜和和控控制制手手柄柄组组成成。照照明明光光是是通通过过图图像导管外层光纤照射到被观察物体上，反射光通过传像束输出。像导管外层光纤照射到被观察物体上，反射光通过传像束输出。 由于光纤柔软，自由度大、末端通过手柄控制能偏转，传输图由于光纤柔软，自由度大、末端通过手柄控制能偏转，传输图像失真小，因此，它是检查和诊断人体内各部位疾病和进行某些外像失真小，因此，它是检查和诊断人体内各部位疾病和进行某些外科手术的重要仪器。科手术的重要仪器。
