第11章_外差检测系统解读

管道内水流流层研究； 流速分布／亚音速或超音速气流／旋流的测量 大气远距离测量； 风速测量 可燃气体火焰的流体力学研究； 水洞、风洞和海流测量
2019/1/22
2）双纵模He-Ne激光器——频差约600MHz（较大） 3）光学机械移频
当干涉仪中的参考镜以匀速v 沿光轴方向移动时，则垂直入射的
反射光将产生的频移为 2v / 。
如果圆偏振光通过一个旋转中的半波片，则透射光将产生两倍于
半波片旋转频率f 的频移，即 v 2 f 。
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多普勒效应的应用
美国霍普金斯大学利用多普勒效应 对苏联第一颗人造卫星进行了跟踪 试验，科学家发现，当卫星在近地 点时信号频率就增加，远地点时信 号频率就降低。因为卫星轨道是已 知的，所以接收卫星信号的接收机 不论处于何方，它的位置都能被测 定。
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光波的多普勒效应
光外差探测系统
光外差探测在激光通信、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7~8个数量级。 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。

As AL cos[L s t s L ] As AL cosL s t L s
: 量子效率；h :光子能量； L :s 差频。 S q / h；


式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1／2。 第三项（和频项）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频项）相对光频 而言，频率要低得多。 L s / 2 当差频 L s / 2 低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为 的光电流输出。

式中 k1 2 / 1 和k2 2 / 2为波数， 1 和2 为
初位相。
这二列波叠加的结果为：
x 1 2 Es {2 E cos[ (t ) ]} 2 c 2 1 2 x 1 2 cos[ (t ) ] 1 2 c / 1 2 c 2
iC t As AL cos L s
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。
外差检测与直接检测的性能比较
• 探测能力强：光波的振幅、相位及频率的变化 都会引起光电探测器的输出，因此外差探测不 仅能够检测出振幅和强度调制的光波信号，而 且可以检测出相位和频率调制的光信号
基本特性
fs fL
(8.1 - 16)
外差探测具有更窄的接收带宽，即对背景光有良好
的滤波性能。
• 滤波性能好
– 形成外差信号，要求信号光和本征信号空间严 格对准，而背景光入射方向是杂乱无章的，偏 振方向也不确定，不能满足外差空间调准要求， 不能形成有效的外差信号，因此该方法可以滤 掉背景光 – 同时通过检测通道的通频带刚好覆盖有用的外 差信号的频谱范围，这样杂散光形成的拍频信 号也可以被滤掉
那么测出这个低频的波速，也就测出了光速。
问题5：如何将光信号变成含低频成份的“光 拍”信号？
原理：根据振动叠加原理，两列速度相 同、振面相同、频差较小而同向传播的简谐
波的叠加即形成拍。
设有两列振幅相同、频率分别为f1和f2，且 频差△f= f1-f2很小的二列波：
E1 E cos(1t k1 x 1 ) E2 E cos( 2t k2 x 2 )

•
q / h ； :
两束光频率必须足够接近，差频信号才能处于探测器的通 频带范围内

滞后。用接收机将来自发射机的参照信号Ue sin2πf0t与上述反射 信号混合后，进行超外差检波，则可得到如下式那样的具有两
频率之差，即fD
ud
Ud
s
in
2f
Dt
4f0r
c
（11-6）
第11章 微 波 传 感 器
因此，根据测量到的差拍信号频率，可测定相对速度。但是， 用此方法不能测定距离。为此考虑发射频率稍有不同的两个电 波f1和f2，这两个波的反射波的多卜勒频率也稍有不同。 若测 定这两个多卜勒输出信号成分的相位差为ΔΦ，则可利用下式 求出距离r：
第11章 微 波 传 感 器
由 微 波 振 荡 器 产 生 的 振 荡 信 号 需 要 用 波 导 管 （ 管 长 为 10 cm以上，可用同轴电缆）传输，并通过天线发射出去。为了使 发射的微波具有尖锐的方向性，天线要具有特殊的结构。常用 的天线如图11-1所示，其中有喇叭形天线（图（a） 、（b））、 抛物面天线（图（c）、（d））、 介质天线与隙缝天线等。
第11章 微 波 传 感 器
第11章 微 波 传 感 器
11.1 微波概述 11.2 微波传感器的原理和组成 11.3 微波传感器的应用
第11章 微 波 传 感 器
11.1 微波概述
微波是波长为1 mm～1 m的电磁波，可以细分为三个波段： 分米波、厘米波、毫米波。微波既具有电磁波的性质，又不同于 普通无线电波和光波的性质，是一种相对波长较长的电磁波。微 波具有下列特点：
微波温度传感器最有价值的应用是微波遥测，将它装在航 天器上，可以遥测大气对流层的状况，可以进行大地测量与探 矿，可以遥测水质污染程度，确定水域范围，判断植物品种等。
第11章 微 波 传 感 器

样品检测技巧与注意事项
检测方法选择
根据样品类型和检测需求选择合适的检测方法。
仪器校准
检测仪器应定期进行校准，以确保检测结果的准 确性。
试剂与耗材质量
试剂和耗材应符合质量要求，避免因耗材问题导 致检测结果失真。
数据处理与分析技巧与注意事项
1 2
数据输入
数据输入应准确无误，且应进行核对和校验。
数据处理方法
根据检测需求选择合适的数据处理方法，如统计 、回归分析等。
3
数据解读
对处理后的数据进行解读，以得出检测结果和结 论。
报告生成与审核技巧与注意事项
报告格式规范
报告应符合规范要求，包括标题、摘要、目录 等部分。
数据展示
数据应清晰明了，可采用图表、表格等形式展 示。
审核流程
报告应经过严格的审核流程，确保其准确性和可靠性。
检验系统广泛应用于制造业、医疗保健、食品药品、环境保护等领域。它能够对 各种产品、过程和环境进行测量和评估，帮助企业提高产品质量和生产效率。
检验系统的限制
检验系统也存在一些限制，如检测精度和可靠性、检测成本和时间等方面的限制 。此外，不同行业和领域对检验系统的需求和要求也不同，因此需要根据具体情 况进行选择和应用。
检验系统操作指导 课件
目 录
• 检验系统概述 • 检验系统操作流程 • 检验系统操作技巧与注意事项 • 检验系统常见问题及解决方案 • 检验系统操作实例分析
01
检验系统概述
检验系统的定义与作用
检验系统定义
检验系统是指用于实验、检测和数据分析的系统，它能够提供对产品、过程或 环境的测量和评估。
检验系统的作用
报告存档
将检验报告和相关数据资料存档备查。

航天外测系统
第1页，共42页。
一个例子是：当一辆紧急的火车（汽车）鸣着喇叭以相 当高的速度向着你驶来时，声音的音调（频率）由于波的 压缩（较短波长）而增加。当火车（汽车）远离你而去时 ，这声音的音调（频率）由于波的膨胀（较长波长）而减 低。
第2页，共42页。
2 多普勒频率与径向速度的关系
假设多普勒发射机发射脉冲的工作频率为fT，目标与发射机的距离为R，
T T
信号传播时间的测定
第23页，共42页。
4测距码测距原理②
• 利用测距码测距的必要条件
– 必须了解测距码的结构
• 利用测距码进行测距的优点
– 采用的是CDMA（码分多址 ）技术
每颗GPS卫星都采用特定的 伪随机噪声码
– 易于捕获微弱的卫星信号
– 可提高测距精度
– 便于对系统进行控制和管理 （如AS）
航天飞行器测速的技术思路：多普勒频率测量——经向速度——飞行速度
•
R fd
f
fT
c
fT
4.4
•
R
XXR
X• YYR
•
Y
Z
ZR
•
Z
SR
SR
SR
4.5
1
• • •2
V X2Y2Z2
4.6
•多普勒测速系统有多种形式，按电磁波辐射源位置不同分为单向和 双向多普勒测速系统；按信号源发射的频率个数分为单频和双频测速 系统。
微弱信号的捕获
第24页，共42页。
5伪距测量的特点
• 优点
– 无模糊度
• 缺点
– 精度低
第25页，共42页。
4.5 角度测量
测控系统的任务是对飞行器进行测量和控制，而要实现此目标，首先要通过 一种手段，使天线的波束对准飞行目标，以便使天线能感应到来自目标的电磁波 。测试工具就是运用雷达。

滤光片
M
v
Q
BS
uv
PMT
ei
Q es
进入光阑由透镜会聚到光电倍增 管的光电阴极上的有两束频率相 近的光，发生干涉。
参考光模式
双缝 屏幕
S1
P
S1
S2
δ=0
P 中央亮纹
S2
由于从S1S2发出的光是振动情况完
全相同，又经过相同的路程到达P点，
其中一条光传来的是波峰，另一条
传来的也一定是波峰，其中一
条光传来的是波谷,另一条传来的也一定是波谷,在P点激起的
振动总是波峰与波峰相遇或波谷与波谷相遇,振幅A＝A1+A2为 最大,P点总是振动加强的地方,故应出现亮纹,这一条亮纹叫中 央亮纹.
19世纪末光电效应现象使得 爱因斯坦在20世纪初提出了 光子说：光具有粒子性
波动说
光的干涉---预备知识复习
干涉现象是波动独有的特征，如果光真的 是一种波，就必然会观察到光的干涉现象．
思考1：如果我们先假设光是一种 波，那么按照我们所学的波动知 识，光要发生干涉现象需要满足 什么条件？
（频率相同）
光外差检测：可见光的频率很高（１０１４ Hz)，一般光电器件不能响应，也就无法直接 检测多普勒频移．因此，需要光外差的方法：
概念—声波多普勒效应
一辆汽车在我们身旁急 驰而过，车上喇叭的音调有 一个从高到低的突然变化； 站在铁路旁边听列车的汽笛 声也能够发现，列车迅速迎 面而来时音调较静止时为高， 而列车迅速离去时则音调较 静止时为低。此外，若声源 静止而观察者运动，或者声 源和观察者都运动，也会发 生收听频率和声源频率不一 致的现象。这种现象称为多 普勒效应。
讨论：明和暗为什么相间（依次出现）呢？

(3.1 - 7) (3.1 - 8)
从上式可以得出如下结论： (1) 若si/ni<<1, 则有
2
so no
si ni
(3.1 - 9)
输出信噪比近似等于输入信噪比的平方。 这说明直 接探测方式不适宜于输入信噪比小于1或者微弱信号的探 测。 实际上， 要想对弱光信号实施直接探测， 还必须在 探测体制上进行改革， 这个问题我们在后面分节中将进 行专门讨论。
除背景干扰的效果， 并使光学系统的信噪比为最大。
现举一例说明光谱滤光的作用。 图3.2 - 1示出了飞机涡轮
喷气发动机辐射的光谱曲线a， 典型的地面背景辐射的光谱辐射
通量密度曲线b， 大气透过率曲线c及某型号光电探测器光谱响
应曲线d， 根据这些曲线关系， 选择滤波片的截止波长λ1和λ2。
从图3.2 - 1可看出， 目标辐射通量相对值在0.8以上的波
的计算也和场镜直径的计算方法一致。 它的小端直径为探测器的
直径。 长度l与锥角β的大小要设计合理， 否则有的光线还未传播
到小端就被折返回大端， 如图3.2 - 5所示。
显然， 锥顶角2β与半视场角ω(即光线在光锥端面上的入
射角θ)以及光线与第一反射线的入射角i1的关系为
(90°-β)+(90°-i1)+(90°-θ)=180°
长区域约在2.7~5 μm的范围内， 而背景辐射通量相对值在0.2以
下的波长约在2.6~4.5 μm的范围内。 于是， 把滤光片的短波截
止波长选在大于2.7 μm处， 长波截止波长选在小于4.5 μm处。
因为在大于4.5 μm和小于2.7 μm的范围内， 目标辐射通量在减
小， 背景辐射通量急剧上升。 最后选定滤光片的截止波长为2.8

一 卿 培 训13
测量系统的统计特性
通常使用测量数据的统计特性来衡量测量系统的质量： Discrimination 分辨力(ability to tell things apart) ; Bias 偏倚; Repeatability 重复性; Reproducibility再现性 ; Linearity 线性 ;
操作者C
再现性是由不同的评价人，采 用相同的测量仪器，测量同一 零件的同一特性时测量平均值 的变差。
操作者A
再現性
操作者B
一 卿 培 训21
一个好的测量系统的特性
测量正确的特性 准确性 精确性
一 卿 培 训22
准确性： 偏倚 稳定性 线性
如何保证准确性
一 卿 培 训23
精确性： 重复性 再现性
一 卿 培 训38
举例-偏倚
一个制造工程师在评价一个用来监控生产过程的新的测 量系统。测量装置分析表明没有线性问题，所以工程师 只评价了测量系统偏倚。在已记录过程变差基础上从测 量系统操作范围内选择一个零件。这个零件经全尺寸检 验测量以确定其基准值。而后这个零件由领班测量15次 。
一 卿 培 训39
计量型测量系统的分析方法 1）偏倚 2）稳定性 3）线性 4）重复性和再现性（R&R
） 计数型测量系统的分析方法
1）小样法 2）大样法
一 卿 培 训2
人 测机 量法 的环 测重量要性
原料
PROCESS
测量 结果
测量
合格 不合格
测量的重要性:
如果测量出现问题，那么合格的产品可能被判为不合格， 因此，要保证测量结果的准确性和可信度。
测量系统的概念
所有对正确反映所测量的对象特性有影响的因素都属 于测量系统一部分

频率跟踪法：
混频器差频中频放大 鉴频器误差电压压 控振荡器改变fL
1、干涉测量技术 应用光的干涉效应进行测量的方法称为干涉 测量技术。 干涉测量系统主要由光源、干涉系统、信号 接收系统和信号处理系统组成。 优点：测量精度高（以波长为单位）
干涉测量基本原理：改变干涉仪中传输 光的光程而引起对光的相位调制，从而 表现为光强的调制。测量干涉条纹的变 化即可得到被测参量的信息。
干涉条纹是由于干涉场上光程差相同的 场点的轨迹形成。
可进行长度、角度、平面度、折射率、 气体或液体含量、光学元件面形、光学 系统像差、光学材料内部缺陷等几何量 和物理量的测量。
1） 激光干涉测长的基本原理 系统组成： (a)激光光源 (b)干涉系统 (c)光电显微镜 (d)干涉信号处理部分
位移 L N
解决方法：判别计数。当测量镜正向移动 时所产生的脉冲为加脉冲；反之为减脉 冲。
判向计数： 正向移动：
正向：1324 同理可得 反向：1423
位移长度为： L N
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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，光发射系统及接收系统两大部分组 成。
发射系统：
稳频原理: 发射波长增加，光通量亦增，输出电压 增大，压电陶瓷使腔长缩短，发射频率 提高，波长减短；反之，则波长加长
滤光片的滤光曲线
接收系统:
3、多卜勒测速 1）多卜勒测速原理
He-Ne激光器是经稳频后的单模激光，焦 点处光强分布为高斯分布。
焦点处干涉场条纹分布：
干涉条纹间距为：
i
2
1
sin
2
干涉条纹的空间频率为：
f
1
2 sin
2
i
当散射粒子以速度v，与条 纹垂线夹角为方向通过时， 则颗粒散射的光强频率为：