外差检测方法的原理

‘壹’ 相干检测和光外差检测的区别与联系

相干检测和光外差检测的区别与联系是光外差探测是一种光频相干检测，是基于相干的参考光和入射信号光在光敏面上混频的原理实现的。利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强，用光波的相干原理，只能用相干光，叫相干检测，类似于无线电外茶检测，故又称光外差检测。

‘贰’ 什么是超再生、超外差

1、超再生是一种直放式接收机，是利用正反馈原理，把经过放大了的信息回馈到输入端，再放大、循环，信号本身不经过变频，直接进行处理，具有电路简单、灵敏度高、体积小，成本低等优点，也有灵敏度不稳定、选择性差、抗干扰能力差等缺点。所谓直放，是与超外差技术相对应的。也就是说信号本身不经过变频，直接进行处理。

2、超外差接收机中有一个振荡器叫本机振荡器。它产生的高频电磁波与所接收的高频信号混合而产生一个差频，这个差频就是中频。如要接收的信号是900KHZ.本振频率是1365KHZ.两频率混合后就可以产生一个465KHZ或者2265KHZ的差频。接收机中用LC电路选择465KHZ作为中频信号。超外差（superheterodyne）原是超声外差（supersonic heterodyne）的缩写，并非指本振源频率比信号频率高。

2、本振频率中有锁相环，数字分频、数字鉴相器等电路，保证极高的稳定度,否则会产生本振频率漂移；

3、都有锁相环电路来保证本振频率的稳定度；

4、一般采用稳定性好的晶体振荡器；

5、振荡频率高，易起振,振频稳，振幅高,振荡特性好；

6、本振电路多采用体积小、可靠性高的单片大规模集成数字频率合成器；

7、每一级电源都应有0.1μF或0.01 μF的旁路电容接地；

8、电源可数模分开供电，接地及屏蔽良好，本振输出端有带通滤波器，使本振输出杂波小。

‘叁’ 超外差的原理

超外差原理如图1。本地振荡器产生频率为f1的等幅正弦信号，输入信号是一中心频率为fc的已调制频带有限信号,通常f1>fc。这两个信号在混频器中变频，输出为差频分量,称为中频信号，fi=f1-fc为中频频率。图2表示输入为调幅信号的频谱和波形图。输出的中频信号除中心频率由fc变换到fi外，其频谱结构与输入信号相同。因此，中频信号保留了输入信号的全部有用信息。
超外差原理的典型应用是超外差接收机（图3）。从天线接收的信号经高频放大器（见调谐放大器）放大，与本地振荡器产生的信号一起加入混频器变频，得到中频信号，再经中频放大、检波和低频放大，然后送给用户。接收机的工作频率范围往往很宽，在接收不同频率的输入信号时，可以用改变本地振荡频率f1的方法使混频后的中频fi保持为固定的数值。
接收机的输入信号uc往往十分微弱（一般为几微伏至几百微伏），而检波器需要有足够大的输入信号才能正常工作。因此需要有足够大的高频增益把uc放大。早期的接收机采用多级高频放大器来放大接收信号，称为高频放大式接收机。后来广泛采用的是超外差接收机,主要依靠频率固定的中频放大器放大信号。
和高频放大式接收机相比，超外差接收机具有一些突出的优点。
①容易得到足够大而且比较稳定的放大量。
②具有较高的选择性和较好的频率特性。这是因为中频频率fi是固定的，所以中频放大器的负载可以采用比较复杂、但性能较好的有源或无源网络，也可以采用固体滤波器，如陶瓷滤波器（见电子陶瓷）、声表面波滤波器（见声表面波器件）等。
③容易调整。除了混频器之前的天线回路和高频放大器的调谐回路需要与本地振荡器的谐振回路统一调谐之外，中频放大器的负载回路或滤波器是固定的，在接收不同频率的输入信号时不需再调整。 超外差接收机的主要缺点是电路比较复杂，同时也存在着一些特殊的干扰，如像频干扰、组合频率干扰和中频干扰等(见混频器)。例如，当接收频率为fc的信号时，如果有一个频率为f婞=f1+fi的信号也加到混频器的输入端，经混频后也能产生|f1-f婞|=fi的中频信号,形成对原来的接收信号fc的干扰，这就是像频干扰。解决这个问题的办法是提高高频放大器的选择性，尽量把由天线接收到的像频干扰信号滤掉。另一种办法是采用二次变频方式。
二次变频超外差接收机的框图如图4。第一中频频率选得较高，使像频干扰信号的中心频率与有用输入信号uc的中心频率差别较大，使像频信号在高频放大器中受到显着的衰减。第二中频频率选得较低，使第二中频放大器有较高的增益和较好的选择性。
随着集成电路技术的发展，超外差接收机已经可以单片集成。例如，有一种单片式调幅-调频（AM/FM）接收机，它的AM/FM高频放大器、本地振荡器、 混频器、AM/FM中频放大器、AM/FM检波器、音频功率放大器以及自动增益控制(AGC)、自动频率控制(AFC)、调谐指示电路等(共700个元件)均集成在一个面积为2.4×3.1毫米2芯片上，它的工作电压范围为1.8～9伏，工作于调幅与调频方式的静态电流分别为3毫安和5毫安。

‘肆’ 超声波方面的外差法原理是什么

声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于20KHz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。

‘伍’ 外差检测与直接检测有何区别，有何优点

优点：使得对光系统的频率调制成为可能
外差接收机的灵敏度比直接检测接收机的灵敏度要高得多
缺点：设备复杂，成本更高

‘陆’ 外差式频谱仪是如何实现水平轴为频率轴的

频谱分析仪是利用频率域对信号进行分析、研究的一种测量仪器，对于信号分析来说它是不可少的，随着通讯技术的迅猛发展，越来越多的野外作业需要频谱仪的支持(频谱分析仪的种类)，如通讯发射机以及干扰信号的测量，频谱的监测，器件的特性分析等等，其应用领域广泛，并且各行各业、各个部门对频谱分析仪应用的侧重点也不尽相同。那么频谱分析仪的工作原理是什么呢?一般来说频谱分析仪的工作原理(数字万用表使用)可以从以下两个方面来说：
一是对信号进行时域的采集，然后对其进行傅里叶变换，将其转换成频域信号。我们把这种方法叫作动态信号的数学分析方法。特点是比较快，有较高的采样速率，较高的分辨率。即使是两个信号间隔非常近，用傅立叶变换也可将它们分辨出来。但由于其分析是用数字采样，所能分析信号的最高频率受其采样速率的影响，限制了对高频的分析。
目前来说，最高的分析频率只是在10MHz或是几十MHz，也就是说其测量范围是从直流到几十MHz。
科学发展到今天，我们可以用许多方法测量一个信号，不管它是什么信号。通常所用的最基本的仪器是示波器，观察信号的波形、频率、幅度等。但信号的变化非常复杂，许多信息是用示波器检测不出来的，如果我们要恢复一个非正弦波信号F，从理论上来说，它是由频率F1、电压V1与频率为F2、电压为V2信号的矢量迭加(见图1)。
从分析手段来说，示波器横轴表示时间，纵轴为电压幅度，曲线是表示随时间变化的电压幅度。这是时域的测量方法，如果要观察其频率的组成，要用频域法，其横坐标为频率，纵轴为功率幅度。这样，我们就可以看到在不同频率点上功率幅度的分布，就可以了解这两个(或是多个)信号的频谱。有了这些单个信号的频谱，我们就能把复杂信号再现、复制出来。这一点是非常重要的。
对于一个有线电视信号，它包含许多图像和声音信号，其频谱分布非常复杂。在卫星监测上，能收到多个信道，每个信道都占有一定的频谱成份，每个频率点上都占有一定的带宽。这些信号都要从频谱分析的角度来得到所需要的参数。
这种分析方法一般用于低频信号的分析，如声音，振动等。
二是靠电路的硬件去实现的，而不是通过数学变换。它通过直接接收，称为外差式频谱分析仪。
超外差式频谱分析仪的工作原理
现在所用的频谱分析仪多为超外差式，并采用多次变频(3～4次)，以降低中频频率，实现窄通带和高分辨力。超外差式频谱分析仪的基本工作原理如图下所示：
超外差式频谱分析仪的基本工作原理
输入信号与本振(LO)混频，产生中频(IF)信号经窄带中放被送到包络检波器，检波器输出信号被放大并使屏幕显示产生垂直偏转，扫描发生器保证屏幕显示的水平频率轴和本地振荡器调谐同步，它同时驱动水平偏转调谐LO。
在量测高频信号时，外差式频谱分析仪混波以后的中频因放大之故，能得到较高的灵敏度，且改变中频滤波器的频带宽度，能容易地改变频率的分辨率，但由于超外差式的频谱分析仪是在频带内扫瞄之故，因此，除非使扫瞄时间趋近于零，无法得到输入信号的实时(Real Time)反应，故欲得到与实时分析仪的性能一样的超外差式频谱分析仪，其扫瞄速度要非常之快，若用比中频滤波器之时间常数小的扫瞄时间来扫瞄的话，则无法得到信号正确的振幅，因此欲提高频谱分析仪之频率分辨率，且要能得到准确之响应，要有适当的扫瞄速度。
由以上之叙述，可以得知超外差式频谱分析仪无法分析瞬时信号(TransientSignal)或脉冲信号(Impulse Signal)的频谱，而其主要应用则在测试周期性的信号及其它杂散信号(Random Signal)的频谱。
超外差式频谱分析仪是用超外差接收机的方式来实现频谱分析的。最基本的核心部分是它的混频器。基本功能是将被测信号下变至中频21.4MHz，然后在中频上进行处理，得到幅度。在下变频的过程中，是由本振来实现下变频的。本振信号是扫描的，本振扫描的范围覆盖了所要分析信号的频率范围。所以调谐是在本振中进行的。全部要分析的信号都下变频到中频进行分析并得到谱频。
用超外差接收机的方式来实现频谱分析原理
这与日常所用的电视机、收音机的原理是一样的。但是有线电视输出信号范围很广，比如有50个频道播放。这50个信号是同时进入接收机的，其总功率是迭加的。而所看的电视节目只能是其中之一。同理，送入频谱仪的输入端口信号是所采集信号的总和，其中包括所要分析的特定信号，所输入到频谱仪的功率是总功率。由此要引入一个参数-最大烧毁功率。
这一值是1瓦或是+30dBm。也就是说输入到频谱仪的信号功率总和不能超过1瓦，否则将会烧毁仪器的衰减器和混频器。
例如，我们要监测一个卫星信号，假设其频率为12GHz，其功率可能只有-80dBm左右，这是很小的。但要知道输入信号是由很多信号迭加组成的，若是在其它某一频率上包括一个很强的信号，即使你没有看到这个大功率信号，若输入信号功率的总和大于1瓦，也是要烧毁频谱仪的，而其中的大功率信号并不是你所要分析的信号。这是我们在日常工作中需多加小心的，因为更换混频器的费用是很高的。
当然，频谱仪在输入信号时并没有直接将其接入混频器，而是首先接入一个衰减器。这不会影响最终的测量结果，完全是为了仪表内部的协调，如匹配、最佳工作点等等。它的衰减值是步进的，为0dB、5dB、10dB，最大为60dB。
还有的频谱仪是不能输入直流的，否则也会损坏器件。另外，还应注意不能有静电，因为静电的瞬时电压很高，容易把有源器件击穿。日常工作中把仪表接地就会有很好的效果，当然要有保护接地会更好。
在中频，所有信号的功率幅度值与输入信号的功率是线性关系。输入信号功率增大，它也增大，反之相同。所以我们检测中频信号是可行的。另外，为了有效检测，要有一个内部中频信号放大。混频器本身有差落衰减，本频和射频混频之后它并不是只有一个单一中频出来，它的中频信号非常丰富，所有这些信号都会从混频器中输出。在众多的谐波分量中，只对一个中频感兴趣。这就是前面所说的21.4MHz。这是在仪器器件中已做好的，用一个带通滤波器把中心频率设在21.4MHz，滤除其它信号，提取21.4MHz的中频信号。通过中频滤波器输出的信号，才是我们所要检测的信号。
滤波器在工作中有几个因素：中心频率是21.4MHz，固定不变，其30dB带宽可以改变。比如对广播信号来说，其带宽一般是几十kHz，若信号带宽是25kHz，中频的带宽一定要大于25kHz。这样，才能使所有的信号全部进来。如果太宽，就会混入其它信号;如果太窄，信号才进来一部分，或是低频成份，或是高频成份。这样信号是解调不出来的。
中频带宽设置根据实际工作的需要来决定的。当然它会影响其它很多因素，如底噪声、信号解调的失真度等。
经过中频滤波器的中频信号功率就是反应了输入信号的功率。检测的方法就是用一个检波器，将它变为电压输出，体现在纵轴的幅度。当然还要经过D/A转换和一些数据处理，加一些修正和一些对数、线性变换。这足以给我们带来信号分析上的许多方便。

‘柒’ 为什么光外差探测是全息探测

起着光学混频器（干涉）的作用。
光外差探测是一种光频相干检测，是基于相干的参考光和入射信号光在光敏面上混频的原理实现的。
光频外差探测是一种全息探测技术，这种探测技术可以探测光频电场的振幅、频率和相位所携带的信息。

‘捌’ 相干检测和光外差检测区别和联系

光学外差检测是一种光频相干检测。相干检测是一种信号的解调机制。利用调制信号的载波和接收到的已调信号相乘，然后通过低通滤波得到调制信号的检测方式。

‘玖’ 超声波局放

为了进行电机厂设备预防维护保养, 有许多次, 可透过一些简单型式的音频信号捕获设备聆听轴承声音, 而判定轴承磨损状况, 但由于只是聆听信号的音频成份, 此种类型的诊断结果将会十分粗糙, 因为, 无法察觉超声波范围内的微细变化而因此忽略了。当轴承声音在音频范围内听起来是不良的时候, 它已需立即作更换, 超声波检测提供一个可预测的诊断能力, 因此, 当超声波范围内开始有变化发生时, 仍有时间规划适当的维护保养工作。在测漏的领域里, 超声波提供快速精准的方法, 能找出微小的及严重的泄漏。由于超声波是短波信号, 一泄漏的超声波成份在泄漏位置检测到的会是最大声且最清楚。在嘈杂工厂类型的环境里, 超声波的观点更有用。
多数工厂内的环境声会阻碍一泄漏的低频成份, 因此, 使可听见的泄漏检测无用。
由于Ultraprobe不能反应低频声, 它将只听见泄漏的超声波成份, 而借着扫瞄测试区, 可快速找到泄漏位置。
电气放电如电弧、小电弧及电晕, 有强烈的超声波成份, 也许很快便可检测到, 就跟一般的测漏一样, 这些潜在的问题, 都可于嘈杂的工厂环境下使用Ultraprobe检测到。

特点：
1. 能够先于其它检测手段如红外检测而检测到早期的故障现象。
2. 便携式设备，携带方便，操作简单。
3. 通过长距探头LRM或超声波远距接收器UWC可以极大增加仪器的检测距离（UWC可以检测30米以上的距离）。
Ultraprobe 是一种多功能的超声波检测仪器，可探测、存储和分析超声波信息，从简单的泄漏检测到复杂的机械分析均可应用。根据检测环境的差异，提供各种量身定做的功能附件，适用特定的应用场合。超声波全功能部分放电/泄漏侦测器，可感测出电机厂运转设备故障、振动、泄漏及电气局部放电所产生的高频信号。它使用独特外差法（Heterodyn-ing）将这些讯号转换为音频信号，让使用者透过耳机来听到这些声音，并于显示上看到强度指示。外差法原理就像是收音机，可将信号准确地转换成声音，让人们容易地辨认及了解。使用超声波技术的优点就是容易理解、方便，超声波是一高频短波信号，此声波是不被人耳所直接听见，当我们透过超声波全功能侦测器可完全侦测到这些声音。其特性有以下优点：超声波具有方向性、超声波很容易作阻隔或遮蔽、超声波仪器能使用于噪音环境、超声波的变化可预知潜在的问题、超声波仪器操作容易。
Ultraprobe 10,000是世界上最先进的超声波检查系统。
Ultraprobe 10,000在电力行业的的典型应用：
适用于电力设备的检查，能远距离探测开关装置，变压器，绝缘装置，断路器，继电器，母线排等发生的电气放电，例如电弧，漏电或电晕以及泄漏等问题这种信号用Ultraprobe听起来像是油炸声或嗡嗡声，越靠近放电处，声音越大。配合使用附件UWC-9000（超声波集波器）可对架空电力线进行检测。
Ultraprobe 10,000 将超声波检测技术带入了全新领域。只要拥有了这套检测系统，您就可以进行状态分析、音频记录、数据存储和管理等多项工作。创造音频图象! 堪称世界上最先进的超声波检测系统。

‘拾’ 光电直接检测与光外差的区别和联系

光电检测方法光电检测方法 直接探测与外差探测系统光信号 接收器 滤波器光电 探测器 放大器 滤波器直接探测系统 光信号接收器 滤波器光电 探测器 激光器外差探测系统 直接检测 直接检测 光电探测器的基本功能是把入射到探测器上的光功率转换为相应的光电流 光电流是光电探测器对入射光功率的响应，如果传递的信息表现为光功率的变化，利用光电探测 器的直接光电转换功能就能实现信息的直接解调 光电探测器的平方律特性光电探测器的平方律特性 假定入射光的电场为是等幅正弦变化 ，那么光电探测器的输出功率 电输出功率正比于入射光功率的平方； 光电流正比于光电场振幅 的平方 信噪比 信噪比 ）<<1，则有直接探测方式不适宜输入信噪比小于1或微弱信号的探测 若（si/ni）>>1，则有输出信噪比等于输入信噪比之半，光电转换后的信躁比 损失不大，适宜于强光探测 直接探测直接探测—— ——提高输入信噪比的光学方法 提高输入信噪比的光学方法 光谱滤波：基于目标辐射的波长与背景辐射波长之间的差别，利用光谱滤波法 消除背景辐射的干扰 场镜：在调制盘及探测器之间插入一个透镜，它能把视场边缘的光线折向 光轴，使得焦平面上每一点发出的光 线都充满探测器； 外差检测外差检测 该方法将包含有被测信息的相干光调制波 相干光调制波和作为基 准的本机振荡光波 本机振荡光波，在满 足波前匹配 波前匹配条件下在光电 探测器上进行混频 混频。探测 器输出的是频率为两光波 光频差的拍频信号 拍频信号 该信号包含有调制信号的调制信号的 振幅 振幅、频率和相位。通过 检测拍频信号最终调制出 被传送的信号 基本原理基本原理 量子效率；:光子能量； 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。 当差频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。 光探测器输出的光电流混频后的频谱 混频后的频谱 两束光频率必须足够接近，差频信号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 才能处于探测器的通频带范围内 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 转换增益高：外差探测时经过光电接收器输出的电流幅值为 是信号光和本征光的功率外差检测与直接检测的性能比较 外差检测与直接检测的性能比较 同样信号光功率下，光外差探测和直接探测得到 的信号功率比为 G为转换增益 相干探测中本征光的功率P 远大于接收到的信号光功率P ,通常是高几个数量级，因此G可高达10 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