空間變光信號

1、非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇空間變化光信號空間變化光信號光學圖像的掃描光學圖像的掃描光度變換光度變換幾何參量的檢測幾何參量的檢測空間編碼空間編碼線值測量線值測量軸向測距軸向測距圖像掃描圖像掃描機械法機械法光束式光束式電子式電子式實體掃描實體掃描運動物體運動物體靜止物體靜止物體空間搜索空間搜索簡單光學目標空間定位簡單光學目標空間定位像分析像分析幾何中心檢測法幾何中心檢測法亮度中心定位法亮度中心定位法光學像分解光學像分解掃描調(diào)制掃描調(diào)制象限檢測器象限檢測器非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇一、簡單光學目標的形位檢測簡單光學目標通常由點、線、平面等簡單規(guī)

2、則圖形組成。包括刻線、狹縫、十字簡單光學目標通常由點、線、平面等簡單規(guī)則圖形組成。包括刻線、狹縫、十字線、光斑、成像系統(tǒng)得到的遠處物體的彌散園及工業(yè)規(guī)則圖形等。線、光斑、成像系統(tǒng)得到的遠處物體的彌散園及工業(yè)規(guī)則圖形等。測量的目的是確定目標相對基準坐標的角度或位置偏差。在實際的光電工程中很測量的目的是確定目標相對基準坐標的角度或位置偏差。在實際的光電工程中很多對象可以制作或簡化成簡單的光學目標。例如，許多幾何量的形位測量就常常多對象可以制作或簡化成簡單的光學目標。例如，許多幾何量的形位測量就常常利用被測物體與其背景間的光學反差來確定物體邊緣輪廓。而大多數(shù)的物體輪廓，利用被測物體與其背景間的光學反

3、差來確定物體邊緣輪廓。而大多數(shù)的物體輪廓，特別是工業(yè)圖形都是相對簡單和規(guī)則的。此外，在對星體、飛行物等遠處活動目特別是工業(yè)圖形都是相對簡單和規(guī)則的。此外，在對星體、飛行物等遠處活動目標的跟蹤測量中，也需要將它們看作是在廣闊背景上的一個或多個獨立的輻射光標的跟蹤測量中，也需要將它們看作是在廣闊背景上的一個或多個獨立的輻射光斑來確定該點源的空間坐標。因此，簡單光學目標的測量是物體空間狀態(tài)檢測的斑來確定該點源的空間坐標。因此，簡單光學目標的測量是物體空間狀態(tài)檢測的重要方面。測定目標相對基準的角度偏差和位置偏差在生產(chǎn)、科研和軍事中有廣重要方面。測定目標相對基準的角度偏差和位置偏差在生產(chǎn)、科研和軍事中有

4、廣泛的應用。例如大尺寸工件的安裝與加工、高速公路和鋼軌的自動鋪設、地下隧泛的應用。例如大尺寸工件的安裝與加工、高速公路和鋼軌的自動鋪設、地下隧道的自動掘進等工程中采用的自動準直測量；精密小尺寸測量中的目標對準和位道的自動掘進等工程中采用的自動準直測量；精密小尺寸測量中的目標對準和位置偏移測量；現(xiàn)代天文望遠鏡中的光電導星；軍事應用中的激光制導和激光定向置偏移測量；現(xiàn)代天文望遠鏡中的光電導星；軍事應用中的激光制導和激光定向等都是這些方面的典型應用。等都是這些方面的典型應用。非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇)(21210 xxxGdxxBdxxBBBxx00)()(0光學目標的

5、幾何中心和亮度中心光學目標和其襯底間的光光學目標和其襯底間的光學反差構成了物體的外形學反差構成了物體的外形輪廓，輪廓尺寸的中心位輪廓，輪廓尺寸的中心位置稱作它的幾何中心置稱作它的幾何中心光學目標的亮度分布是光輻射能量沿光學目標的亮度分布是光輻射能量沿空間的分布。將物體按輻射能量相等空間的分布。將物體按輻射能量相等的標準分割為兩部分，其中心位置稱的標準分割為兩部分，其中心位置稱作亮度中心作亮度中心非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇 (一)幾何中心檢測法通過分析被測物體在像面上的幾何中心相對于像面基準的偏移情況，從而確定該物體在空間位置的方法稱作像分析非相干檢測非相干檢測南京理

6、工大學南京理工大學 何勇何勇n 1雙通道差分調(diào)制式像分析器21UUU)(00 xhExhExhE02txhEUmsin2txxmsinttxhEUmmsinsin2非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇n 2單通道掃描調(diào)制式像分析器成像光路增設了周期振動的光學零件(如棱鏡反射鏡、光楔等)或振動狹縫，使像面上的目標像相對狹縫作周期振動。這時透過狹縫的光通量形成隨時間周期性變化的光載波。目標像的位移信息將由于像分析而調(diào)制到載波上去，從而產(chǎn)生各種調(diào)制的光信號。這種使目標像和測光窗口之間相對掃描運動的像分析器稱作掃描調(diào)制型像分析器。非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇

7、非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇光電對準n1.光度式光電顯微鏡非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇光電對準n（1）單管對準原理設狹縫寬設狹縫寬a與刻線像寬與刻線像寬e相等，當刻線像相等，當刻線像中心與狹縫中心相對位置不同時，穿過中心與狹縫中心相對位置不同時，穿過狹縫進入光電管的光通量分別為狹縫進入光電管的光通量分別為min、 a、 max,由于光電元件的輸出取由于光電元件的輸出取決于光通量，故上述不同位置的相應輸決于光通量，故上述不同位置的相應輸出電壓為出電壓為Umin、Ua、Umax,經(jīng)放大后經(jīng)放大后由電表讀出。取電壓的最小值為零點，由電表讀出。取電壓

8、的最小值為零點，即當電表指示即當電表指示Umin時，認為刻線像中時，認為刻線像中心與狹縫中心重合，此即對準位置。但心與狹縫中心重合，此即對準位置。但實際上在測量過程中由于各種因累的影實際上在測量過程中由于各種因累的影響，如：刻線質(zhì)量不一致、成像質(zhì)量、響，如：刻線質(zhì)量不一致、成像質(zhì)量、電源電壓的波動、電子元件的老化等，電源電壓的波動、電子元件的老化等，使使值與相應的電壓值與相應的電壓U不穩(wěn)定，因而導不穩(wěn)定，因而導致對準誤差。致對準誤差。非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇光電對準n（2）雙管差動式的原理兩狹縫的長度和寬度應相等，且等于刻兩狹縫的長度和寬度應相等，且等于刻線像的寬

9、度。這樣當刻線像未進入狹縫線像的寬度。這樣當刻線像未進入狹縫時，通過兩狹縫的光通量應相等，兩光時，通過兩狹縫的光通量應相等，兩光電管輸出的電壓相等。兩狹縫有一相位電管輸出的電壓相等。兩狹縫有一相位差，即兩狹縫的空間位置應是并排的，差，即兩狹縫的空間位置應是并排的，它們的中心距一般應等于縫寬。這樣，它們的中心距一般應等于縫寬。這樣，當?shù)骄€像在狹縫面上掃描時，位于狹縫當?shù)骄€像在狹縫面上掃描時，位于狹縫平面上的兩光電管產(chǎn)生的光電信號相位平面上的兩光電管產(chǎn)生的光電信號相位正好相差正好相差180。非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇光電對準 由于采用差值信號，所以許多影響單由于采用差值

10、信號，所以許多影響單管式的不穩(wěn)定因素可以相互抵消，由于管式的不穩(wěn)定因素可以相互抵消，由于它們的影響相同從它們的影響相同從1變到變到2，相應的差，相應的差值曲線也從值曲線也從1變?yōu)樽優(yōu)?，但是零點沒有改，但是零點沒有改變，對準點不改變。差動原理是一種消變，對準點不改變。差動原理是一種消除誤差的有效方法。除誤差的有效方法。 光度式光電顯微鏡的優(yōu)點是機械結構光度式光電顯微鏡的優(yōu)點是機械結構簡單，連續(xù)工作穩(wěn)定性好。簡單，連續(xù)工作穩(wěn)定性好。非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇光電對準n2.相位式光電顯微鏡非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇光電對準n光電信號的波形圖非

11、相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇光電對準n2.自準直望遠鏡非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇光電對準非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇光電對焦n1、光度式自動調(diào)焦系統(tǒng) 光度式自動調(diào)焦系統(tǒng)光度式自動調(diào)焦系統(tǒng)非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇光電對焦n2、斜光束自動調(diào)焦系統(tǒng)斜光束自動調(diào)焦原理圖斜光束自動調(diào)焦原理圖非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇光電對焦n光電自動調(diào)焦光學系統(tǒng)光電自動調(diào)焦光學系統(tǒng)非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇光電對焦光電復合窗視場圖光電復合窗視場圖非相干檢測非

12、相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇光電對焦n3、動態(tài)光電定焦系統(tǒng)像散法原理像散法原理非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇光電對焦偏心輔助光束法偏心輔助光束法非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇光電對焦刀口法原理刀口法原理非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇（二）亮度中心檢測法將來自被測目標的光輻射通量相對于系統(tǒng)的測量基準軸分解到不同坐標象限上，再根據(jù)這些圖像在各象限上能量分布的比例，檢測出目標的亮度中心位置。這種確定目標空間位置的方法稱作象限分解法。適用于該種方法的目標可以是遠處的宏觀物體，如星體、飛行物等，在經(jīng)過成像系統(tǒng)的輕度離焦

13、后可看作是一彌散圓，或者是由主動照明產(chǎn)生的標準圖形形成的規(guī)則像。非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇n1 光學像分解光學像分解是在光學系統(tǒng)中附加各種分光元件使入射光束分別向確定的不同方向傳播，再在各自終端安裝上有單一光敏面的光電元件。非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇n(1)中心孔式x/y方向位置偏移x/y方向角度偏移非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇n(2)分光式x/y方向位置偏移x/y方向角度偏移x/y方向位置偏移x/y方向角度偏移非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇n(3)反射式x/y方向位置偏移x/y方向角度偏

14、移非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇n(4)全息分光式x/y方向位置偏移x/y方向角度偏移非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇n2 象限探測器 多象限探測器有許多種形式。例二象限、四象限的光電倍增管、八象限的半導體光電探測器、能連續(xù)給出光點二維坐標模擬信號的半導體光電位量傳感器圖PSD。非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇二、復雜光學圖像的掃描檢測n（一）掃描的基本原理和分類 1.光學圖像的掃描光電掃描技術:用一個窄視場的光學系統(tǒng)和一個光電檢測通道，按一定的時間順序和軌跡串行逐點掃視目標物像空間的各點時，能獲得瞬時值與被測目標的光學參數(shù)成

15、比例的時序電信號。掃描方法能以單一個窄視場的光電檢測通道實現(xiàn)大范圍的圖像拾取，它既具有寬廣的觀察測量范圍，又具有較高的空間頻率和灰度等級的分辨能力。非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇n2最簡單的直線掃描)()(111xfxEtvx11)()()(111tvSfxSfSEt)()()(1tvSfKtKtU)()()(1tvSfKKtUKtBbbtvx22)()(),(122tvSfKKKtBKtxEbEE),(),(22122xvvSfKKKtxEbE),(221xvvkf非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇n3掃描系統(tǒng)的分類和工作參數(shù)(1)具有單一光敏面檢

16、測器的掃描；n按檢測接收器類型(2)有陣列式接收器的掃描。非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇(1)直線掃描，對指定兩點間的線段進行掃描讀取，也稱行掃描；n按瞬時視場在空間的掃描軌跡(2)光柵掃描，在進行一維直線掃描的同時進行另一正交方向的掃描； (3)圓周掃描，沿圓心位置和半徑為任意的圓周進行掃描；(4)隨機掃描，包括掃描軌跡為螺旋線型、梅花型或按圖形邊緣跟蹤以及中心位置為隨機的不同大小的光柵掃描等；(5)沿圓柱面上的螺旋線掃描或沿圓面的空間掃描。非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇 (2)光學機械掃描，例如多面體反射鏡按實現(xiàn)掃描的物理方法(3)利用衍射光

17、柵或全息光柵的掃描；(4)電磁場控制的電子束偏轉掃描；(5)利用電光、磁光和聲光效應的掃描；(6)利用CCD的移位電場掃描 (1)機械掃描，例如轉鼓和平板掃描；非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇(1)圖片掃描，指對二維的平面圖形掃描；按掃描的應用目標(2)實體掃描，指對三維物體的實體圖像掃描；(3)搜索掃描，指對地一空、空一地的空間光學目標的掃描。非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇n描述掃描裝置的基本參數(shù)掃描周期掃描周期TK:掃描給定視場并使掃描線恢復初始位置所需的時間。掃描給定視場并使掃描線恢復初始位置所需的時間。掃描線密度掃描線密度d和空間分辨率和空

18、間分辨率F：掃描裝置能分辨的最小寬度稱作掃描線密度。：掃描裝置能分辨的最小寬度稱作掃描線密度。能分辨的單位長度內(nèi)的最高黑白線對數(shù)稱作掃描裝置的空間頻率。表示裝置分能分辨的單位長度內(nèi)的最高黑白線對數(shù)稱作掃描裝置的空間頻率。表示裝置分辨圖形細節(jié)的能力辨圖形細節(jié)的能力掃描變換的直線性和動態(tài)范圍：輸出圖像信號的幾何畸變和灰度畸變低于容許掃描變換的直線性和動態(tài)范圍：輸出圖像信號的幾何畸變和灰度畸變低于容許限度內(nèi)的最大輸入光度和輸出電平。限度內(nèi)的最大輸入光度和輸出電平。圖像信號的頻帶寬度：取決于掃描線寬和掃描頻率。圖像信號的頻帶寬度：取決于掃描線寬和掃描頻率。掃描數(shù)據(jù)率：單位時間內(nèi)掃描裝置所能發(fā)送的圖像數(shù)

19、據(jù)總數(shù)掃描數(shù)據(jù)率：單位時間內(nèi)掃描裝置所能發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)總數(shù)掃描精度：指時序的圖像信號與圖像的光密度空間分布的正確對應關系掃描精度：指時序的圖像信號與圖像的光密度空間分布的正確對應關系非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇(二)、圖像掃描掃描技術的一個重要應用方面是用作光學圖片的分解與合成，掃描技術的一個重要應用方面是用作光學圖片的分解與合成，稱作圖像掃描。它在現(xiàn)在的電視傳真、復制、計算機圖像輸入稱作圖像掃描。它在現(xiàn)在的電視傳真、復制、計算機圖像輸入設備、印刷分色制版、雕版等有關圖像的生成、處理等行業(yè)中設備、印刷分色制版、雕版等有關圖像的生成、處理等行業(yè)中有很大的實用性?？捎米鲌D

20、像掃描的裝置有各種形式，大致可有很大的實用性。可用作圖像掃描的裝置有各種形式，大致可分為：機械掃描、電子束掃描和光束掃描。分為：機械掃描、電子束掃描和光束掃描。非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇1、機械掃描非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇2、電子束掃描非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇3、激光束掃描 隨著電光學和信息光學的發(fā)展，繼電子束掃描之后，光束掃描技術表現(xiàn)出誘人的應用活力。借助使有良好指向性的激光束按一定規(guī)律偏轉的方法相繼研制出了激光大屏幕電視，激光束顯示系統(tǒng)，激光閱讀和印刷機、復印機等圖像裝置。此外，光束掃描也適用于高密度光

21、信息存貯器的寫入和讀出以及激光聲像光盤等存貯技術中。 使激光束掃描的裝置稱作光束掃描器或光學掃描器。目前，用得最多的有四種類型：多面反射鏡轉鼓；檢流計振鏡；聲光偏轉器和全息光柵掃描器。非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇（1）多面反射鏡轉鼓柱形多面體非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇（2）檢流計振鏡非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇（3）聲光偏轉器非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇（4）全息光柵掃描器非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇（三）、實體掃描實體掃描大致可分為：n對直線運動物體的掃描n對靜

22、止物體的掃描n對空間特定目標的搜索掃描非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇n1 直線運動物體的掃描 （1）光學飛象掃描方式非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇（2）光學飛點掃描方式非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇（3）光學混合掃描方式非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇 2 靜 止物體的掃描非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理工大學 何勇何勇 3 空間搜索掃描 在地一空、空一地對運動目標的探測和跟蹤中，為了發(fā)現(xiàn)輻射目標，不得不在很大的空間范圍內(nèi)進行搜索。但是，通常的目標相對于廣闊的背景是極小的，若同時觀察整個區(qū)域，顯然會增加背景噪聲引起的假信息。因此，對于此類既要在指定的區(qū)域內(nèi)有較高的空間分辨能力又要有盡可能大的搜索范圍的檢測問題，需要采用具有小的瞬時視場角的光學系統(tǒng)，使之在每一瞬間只針對一小部分搜索空間，同時按一定規(guī)律不斷運動以保證觀察到大范圍的空間區(qū)域，這是搜索掃描的一個特點。 搜索掃描系統(tǒng)的基本要求是：搜索空間區(qū)域的時間要短；目標處于瞬時視場內(nèi)的時間要長，以便獲得必要的有用信息，能保證對角坐標的高分辨本領；結構簡單、工作可靠、重量輕、尺寸小等。非相干檢測非相干檢測南京理工大學南京理