光学调频连续波干涉技术

第1章 光学调频连续波干涉介绍 1

1.1 发展历史 2

1.2 光学FMCW干涉及其特性 4

第2章 光学调频连续波干涉原理 7

2.1 物理光学概述 7

2.2 光学FMCW干涉 15

2.2.1 锯齿波光学FMCW干涉 19

2.2.2 三角波光学FMCW干涉 25

2.2.3 正弦波光学FMCW干涉 29

2.3 多光束光学FMCW干涉 33

2.4 多波长光学FMCW干涉 35

第3章 光学调频连续波干涉的光源 39

3.1 光源介绍 39

3.2 激光原理 40

3.2.1 发光物质中的能级 40

3.2.2 光吸收和光发射 41

3.2.3 激活介质和粒子数反转 43

3.2.4 光学谐振器和激光模式 46

3.2.5 频率调制 50

3.3 半导体激光器（激光二极管） 55

3.3.1 半导体中的能带 55

3.3.2 半导体中光的吸收和辐射 58

3.3.3 半导体激光器的激活介质和粒子数反转 59

3.3.4 半导体激光器的光谐振和模式 66

3.3.5 半导体激光器的频率调制 68

3.3.6 半导体激光器的驱动电路 71

3.3.7 激光器噪声、频率漂移和反馈光效应 72

第4章 光学调频连续波干涉探测器 75

4.1 光学探测器简介 75

4.2 半导体光电二极管 77

4.2.1 PN型光电二极管 78

4.2.2 PIN型光电二极管 81

4.2.3 雪崩光电二极管（APD） 82

4.3 光电二极管偏置和信号放大 84

4.4 探测过程中的噪声 87

第5章 光学调频连续波干涉相干理论 89

5.1 光源频率带宽的影响 89

5.2 光学FMCW波的相干性 94

5.3 光源相位噪声的影响 96

第6章 光学调频连续波干涉仪 99

6.1 光学FMCW干涉仪的结构 99

6.2 迈克尔逊FMCW干涉仪 103

6.3 马赫-泽德FMCW干涉仪 106

6.4 法布里-珀罗FMCW干涉仪 107

第7章 光纤调频连续波干涉仪 108

7.1 光纤简介 108

7.1.1 单模光纤 112

7.1.2 双折射光纤 113

7.2 光纤器件简介 116

7.2.1 光纤定向耦合器 117

7.2.2 光纤偏振器 120

7.2.3 光纤偏振控制器 122

7.2.4 光纤连接器 123

7.2.5 光纤对接 126

7.3 光纤迈克尔逊FMCW干涉仪 128

7.4 光纤马赫-泽德FMCW干涉仪 130

7.5 光纤法布里-珀罗FMCW干涉仪 132

第8章 多路复用光纤FMCW干涉仪 134

8.1 频分复用光纤FMCW干涉仪 134

8.2 时分复用光纤FMCW干涉仪 137

8.3 时频复用光纤FMCW干涉仪 139

8.4 相干复用光纤FMCW干涉仪 140

第9章 光纤调频连续波干涉传感器 143

9.1 光纤传感器简介 143

9.2 光纤FMCW干涉位移传感器 145

9.2.1 反射式单模光纤FMCW位移传感器 145

9.2.2 多路反射式单模光纤FMCW位移传感器 148

9.3 光纤FMCW干涉应变传感器 165

9.3.1 双折射光纤在拉伸力下的属性 165

9.3.2 双折射光纤FMCW应变传感器 168

9.3.3 反射式双折射光纤FMCW应变传感器 172

9.4 光纤FMCW干涉应力传感器 176

9.4.1 双折射光纤在垂直力作用下的表现 176

9.4.2 透射分布式双折射光纤FMCW应力传感器 178

9.4.3 反射分布式双折射光纤FMCW应力传感器 180

9.5 光纤FMCW干涉温度传感器 183

9.5.1 反射式单模光纤FMCW温度传感器 183

9.5.2 多路反射式单模光纤FMCW温度传感器 185

9.6 光纤FMCW干涉旋转传感器（陀螺仪） 185

9.6.1 光纤陀螺仪的原理 186

9.6.2 单模光纤FMCW陀螺仪 194

9.6.3 差分单模光纤FMCW陀螺仪 196

9.6.4 双折射光纤FMCW陀螺仪 197

9.6.5 差分双折射光纤FMCW陀螺仪 199

第10章 光学调频连续波干涉信号处理 203

10.1 频率测量 204

10.1.1 时间固定周期计数法 204

10.1.2 数值固定周期计数法 206

10.1.3 脉冲填充法 208

10.2 相位测量 209

10.2.1 脉冲填充法 210

10.2.2 锁相环法 211

10.2.3 数字信号处理法 212

参考文献 213