第5章--光電直接檢測系統(tǒng)要點

1、直接檢測系統(tǒng)（光強調(diào)制）莫爾條紋測長儀激光測距儀激光準直大氣污染檢測系統(tǒng)光外差檢測系統(tǒng)激光干涉測長儀（相位調(diào)制）多普勒測速（頻率調(diào)制）光外差通信第五章 光電直接檢測系統(tǒng)7/17/20221光電檢測系統(tǒng)分類主動系統(tǒng)/被動系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長分)點探測/面探測系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分)模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號處理方式分)直接檢測/光外差檢測系統(tǒng)(按光波對信號的攜帶方式分)7/17/20222相干檢測，光源：相干光源原理：利用光的振幅、頻率、相位攜帶信息， 檢測時需要用光波相干原理。調(diào)制方法：光振幅調(diào)制、相位調(diào)制，頻率調(diào)制測量精度（靈敏度）更高，作用距離更遠。非相干

2、檢測，光源：非相干或相干光源原理：利用光強度攜帶信息，將光強度轉(zhuǎn)換為 電信號，解調(diào)電路檢出信息。調(diào)制方法：光強度調(diào)制、偏振調(diào)制直接檢測是一種簡單實用的方法。光外差檢測直接檢測光電檢測系統(tǒng)7/17/202235.1 光電直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理光電直接檢測系統(tǒng)是將待光信號直接入射到光檢測器光敏面上，光檢測器響應(yīng)光輻射強度（幅度）并輸出相應(yīng)的電流和電壓。檢測系統(tǒng)經(jīng)光學(xué)天線或直接由檢測器接收光信號，前端還可經(jīng)過頻率濾波（濾光片）和空間濾波(光圈)等處理。強度調(diào)制器光學(xué)天線光學(xué)通道接收天線及光電檢測器光電信號處理器光源信號發(fā)射機背景噪聲場接收機電路噪聲回收的信息強度調(diào)制直接檢測模型7/17/2022

3、45.1 光電直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理入射光信號為：5-1光場平均光功率為：表示的時間平均值；5-2光檢測器輸出電流為：稱為光電變換比例常數(shù)5-37/17/20225光檢測器的平方律特性：光電流正比于光電場振幅的平方，電輸出功率正比于入射光功率的平方。5.1 光電直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理若光檢測器負載電阻RL，則光檢測器輸出電功率為：5-4如果入射光是調(diào)幅波，即其中d(t)為調(diào)制信號，可推導(dǎo)出光檢測器的輸出電流為:5-5式中第一項為直流項，若光檢測器輸出端有隔直電容，則輸出光電流只包含第二項，稱為包絡(luò)檢測。5-67/17/202265.2 光電直接檢測系統(tǒng)的基本特性5.2.1 直接檢測系統(tǒng)

4、的信噪比衡量模擬系統(tǒng)好壞及靈敏度光檢測器輸出的總功率包括信號電功率和噪聲功率，可表示為：5-7考慮到信號和噪聲的獨立性，有：5-8由信噪比定義，輸出功率信噪比為：5-97/17/202275.2.1 直接檢測系統(tǒng)的信噪比說明輸出信噪比是輸入信噪比的平方，可見，直接檢測系統(tǒng)不適用于輸入信噪比小于1或微弱光信號的檢測。輸出信噪比是輸入信噪比的一半。即經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，信噪比損失了3dB。實際應(yīng)用中可以接受。可見，直接檢測方法不能改善輸入信噪比，適宜不是很微弱的光信號檢測。但這種方法簡單，易于實現(xiàn)，可靠性高，成本低，得到廣泛應(yīng)用。(1)若，則有：5-10(2) 若，則有：5-117/17/202285.

5、2.2 直接檢測系統(tǒng)的檢測極限及趨近方法考慮直接檢測系統(tǒng)中存在的所有噪聲，則輸出噪聲總功率為：分別為信號光、背景光和暗電流引起的散粒噪聲。為負載電阻和放大器的熱噪聲之和。5-12輸出信噪比為：5-137/17/202295.2.2 直接檢測系統(tǒng)的檢測極限 當熱噪聲是直接檢測系統(tǒng) 的主要噪聲源時，直接檢測系統(tǒng)受熱噪聲限制，信噪比為：5-14 當散粒噪聲遠大于熱噪聲時，直接檢測系統(tǒng)受散粒噪聲限 制，信噪比為：5-15 當背景噪聲是直接檢測系統(tǒng)的主要噪聲源時，直接檢測系統(tǒng) 受背景噪聲限制，信噪比為：5-167/17/2022105.2.2 直接檢測系統(tǒng)的檢測極限假定光波長=0.7m，檢測器的量子效率

6、（量子效率=光生電子數(shù)/入射光子數(shù)。 ）=1，測量帶寬f=1，由上式得到系統(tǒng)在量子極限下的最小可檢測功率為 當入射信號光波所引起的噪聲為直接檢測系統(tǒng)的主要噪聲源時，直接檢測系統(tǒng)受信號噪聲限制，這時信噪比為：5-17該式為直流檢測在理論上的極限信噪比，稱為直接檢測系統(tǒng)的量子極限，又稱量子限靈敏度。若用等效噪聲功率NEP值表示，在量子極限下，直接檢測系統(tǒng)理論上可測量的最小功率為：5-187/17/202211在實際直接檢測系統(tǒng)中，很難達到量子極限檢測。實際系統(tǒng)總會有背景噪聲、檢測器和放大器的熱噪聲。背景限信噪比可以在激光檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)，是因為激光光譜窄，加濾光片很容易消除背景光，實現(xiàn)背景限信噪比。

7、系統(tǒng)趨近于量子極限意味著信噪比的改善，可行方法是在光電檢測過程中利用光檢測器的內(nèi)增益獲得光電倍增，如光電倍增管。當倍增很大時，熱噪聲可忽略，同時加致冷、屏蔽等措施減小暗電流及背景噪聲，光電倍增管可達到散粒噪聲限。在特殊條件下可趨近于量子限。但倍增管也會帶入噪聲，增益過程中使噪聲增加。在直接檢測中，光電倍增管、雪崩管的檢測能力較高，采用有內(nèi)部高增益的檢測器可使直接檢測系統(tǒng)趨近于檢測極限。對于光電導(dǎo)器件，主要噪聲為產(chǎn)生復(fù)合噪聲（極限散粒噪聲），光電導(dǎo)器件極限信噪比低，NEP較大。5.2.2 直接檢測系統(tǒng)的檢測極限7/17/2022125.2.3 直接檢測系統(tǒng)的視場角直接檢測系統(tǒng)視場角檢測器物鏡視場

8、角表示系統(tǒng)能檢測到的空間范圍，是檢測系統(tǒng)的性能指標之一。對于檢測系統(tǒng)，被測物看作是在無窮遠處，且物方與像方介質(zhì)相同。當檢測器位于焦平面上時，其半視場角為：從觀察角度講，希望視場角愈大愈好，即大檢測器面積或減小光學(xué)系統(tǒng)的焦距，但對檢測器會帶來不利影響： 增加檢測器面積意味著增大系統(tǒng)噪聲。因為對大多數(shù)檢測器，噪聲功率和面積的平方根成正比。 減小焦距使系統(tǒng)的相對孔徑(鏡頭的有效孔徑和焦距之比 )加大，引入系統(tǒng)背景輻射噪聲，使系統(tǒng)靈敏方式下降。因此在系統(tǒng)設(shè)計時，在檢測到信號的基礎(chǔ)上盡可能減小系統(tǒng)視場角。5-197/17/2022135.3 直接檢測系統(tǒng)的距離方程光電檢測系統(tǒng)的靈敏度在不同的用途時，靈敏

9、度的表達形式不同，在對地測距、搜索和跟蹤等系統(tǒng)中，通常用“檢測距離”來評價系統(tǒng)的靈敏度。對于其他系統(tǒng)的靈敏度亦可用距離方程推演出來。直接檢測系統(tǒng)分為被動檢測和主動檢測系統(tǒng)，其距離方程不同。下面分別進行推導(dǎo)。強度調(diào)制器光學(xué)天線光學(xué)通道接收天線及光電檢測器光電信號處理器光源信號發(fā)射機背景噪聲場接收機電路噪聲回收的信息7/17/2022141、被動檢測系統(tǒng)的距離方程被動檢測過程示意圖大氣傳播接收光學(xué)系統(tǒng)信號處理接收機接收信息光電檢測被測目標7/17/202215設(shè)被測目標的光譜輻射強度為經(jīng)大氣傳播后到達接收光學(xué)系統(tǒng)表面的光譜輻射照度 為：入射到檢測器上的光譜功率 為：根據(jù)目標輻射強度最大的波段范圍及

10、所選取檢測器光譜響應(yīng)范圍共同決定選取的12的輻射波段，可得到檢測器的輸出信號電壓為：5-211、被動檢測系統(tǒng)的距離方程7/17/2022161、被動檢測系統(tǒng)的距離方程 都是波長的復(fù)雜函數(shù)，難有確切的解析表達式。通常作如下簡化處理：式中 取1為被測距離L在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的平均透過率1。 光學(xué)系統(tǒng)的透過率0對光譜響應(yīng)范圍內(nèi)平均值。 把檢測器的光譜響應(yīng)帶看成是一個矩形帶寬。即在響應(yīng)范圍內(nèi)為 常數(shù)RV，在其它區(qū)域為零。根據(jù)物體的溫度T查表，可計算出在考查波段范圍內(nèi)的黑體輻射強度， 再乘以物體的平均比輻射率，可得到物體在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的輻射強度Ie。將上述值代入5-22式，可得：令檢測器的方均根噪聲電壓

11、為Vn，則它的輸出信噪比為：5-227/17/2022175-23即：5-24又因為：5-25將上式代入5-24，可得：5-26式中Ad為檢測器面積；f為系統(tǒng)的帶寬；D*為檢測器的歸一化檢測度；AoIe=P0是入射到接收光學(xué)系統(tǒng)的平均功率?？紤]到系統(tǒng)的調(diào)制特性，入射到探測器上的有效功率為：S()為調(diào)制信號的功率譜7/17/202218為清楚地看出系統(tǒng)各部件對檢測距離的影響，把調(diào)制特性考慮為對入射功率的利用系數(shù)km，則上式改寫為：5-27第一個括號是目標輻射特性及大氣透過率對檢測距離的影響；第二個括號和第三個括號分別表示光學(xué)系統(tǒng)及檢測器件特性對作用距離的影響；第四個括號是信息處理系統(tǒng)對作用距離的

12、影響。7/17/202219大氣傳播接收光學(xué)系統(tǒng)信號處理接收機回收信息光電檢測強度調(diào)制器發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)光源信號發(fā)射機反射目標2、主動檢測距離方程主動檢測過程示意圖7/17/202220主動檢測系統(tǒng)的光源主要為激光光源。令其發(fā)射功率為Ps()；發(fā)射束發(fā)散立體角為；發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過率為01()，經(jīng)調(diào)制的光能利用率為km，則發(fā)射機發(fā)射的功率PT()為：激光在大氣中傳播時，能量若為按指數(shù)規(guī)律衰減，令衰減系數(shù)為k()，經(jīng)傳播距離L后光斑面積為SL=L2，光斑SL的輻射照度Ee為：設(shè)在距光源L處有一目標，其反射面積為Sa。普通情況下把反射體看作是朗伯反射，即在半球內(nèi)均勻反射，其反射系數(shù)為r。在此條件下，單位

13、立體角的反射光輻射強度Ie() 為：2、主動檢測距離方程7/17/202221假定接收機和發(fā)射機在一處，能量仍為按指數(shù)規(guī)律衰減，衰減系數(shù)為k()，光學(xué)系統(tǒng)接收功率為：式中，D0為光學(xué)系統(tǒng)接收口徑；=D02/4L2為接收系統(tǒng)的立體角。如果接收光學(xué)系統(tǒng)的透過率為02()，則檢測器上接收到的總功率為：式中:檢測器上的輸出電壓為：7/17/202222式中：RV()為檢測器相對光譜響應(yīng)度，將5-25式代入上式得距離L為：如果目標反射面積Sa等于光斑照射面積L2，則上式可化為：可知，影響檢測距離的因素很多，發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)的大氣特性以及目標反射特性都將影響檢測距離。在前面計算距離時，在被動檢測系統(tǒng)中，

14、由于光譜范圍寬，大氣衰減作用以透過率表示，而在主動檢測系統(tǒng)中，絕大多數(shù)系統(tǒng)是以激光做光源，激光光譜較窄，用衰減系數(shù)表示，其物理意義是等價的。7/17/2022235.4 直接檢測系統(tǒng)的舉例計量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。光敏元件可以是光敏二極管，也可以是光電池。透射式光柵一般是用光學(xué)玻璃或不銹鋼做基體，在其上均勻地刻劃出間距、寬度相等的條紋，形成連續(xù)的透光區(qū)和不透光區(qū)。5.4.1 莫爾條紋測長儀在檢測技術(shù)中常用的是計量光柵。計量光柵主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象，常用于位移測量，有很高的分辨力，可優(yōu)于0.1m。 黑白光柵7/17/202224計

15、量光柵由標尺光柵（主光柵）和指示光柵組成，標尺光柵和指示光柵的刻線寬度和間距完全一樣。將指示光柵與標尺光柵疊合在一起，兩者之間保持很小的間隙（0.05mm或0.1mm）。在長光柵中標尺光柵固定不動，而指示光柵安裝在運動部件上，所以兩者之間可以形成相對運動。在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊和在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角，光柵節(jié)距（刻線間距）為P。在兩光柵的刻線（透光區(qū)）重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。這種亮帶和暗帶形成明暗相間的條紋稱為莫爾條紋.莫爾條紋是周期性函數(shù)。 計量光柵7/17/202225

16、橫向莫爾條紋特征當指示光柵沿x軸（例如水平方向）自左向右移動時，莫爾條紋的亮帶和暗帶將順序不斷地掠過光敏元件。光敏元件“觀察”到莫爾條紋的光強變化近似于正弦波變化。光柵移動一個柵距P，光強變化一個周期。由于光柵的刻線非常細微，很難分辨到底移動了多少個柵距，而利用莫爾條紋具有放大作用，當光柵移動了一個節(jié)距時P，莫爾條紋移動了一個寬度B。且滿足關(guān)系式： 7/17/202226莫爾條紋有如下特征： 1）平均效應(yīng)：莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線不均勻引起的誤差。 2）對應(yīng)關(guān)系：當指示光柵沿與柵線垂直的方向作相對移動時，莫爾條紋則沿光柵刻

17、線方向移動（兩者的運動方向相互垂直）；指示光柵反向移動，莫爾條紋亦反向移動。3）放大作用：莫爾條紋的間距B是放大了的光柵柵距P，它隨著指示光柵與主光柵刻線夾角而改變。越小，B越大，相當于把微小的柵距P擴大了 倍。由此可見，計量光柵起到光學(xué)放大器的作用。如=20，就放大172倍，便于光電器件測量。7/17/202227誤差的平均效應(yīng)光電元件對光柵的柵距誤差具有消差作用。莫爾條紋由光柵的大量刻線形成, 對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用, 幾條刻線的柵距誤差或斷裂對莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。能在很大程度上消除短周期誤差的影響。 例柵距W=0.02mm, 接收元件尺寸1010mm2,在10mm范圍內(nèi)

18、有500條刻線參與工作，某幾條刻線誤差對莫爾條紋位置和形狀基本無影響。7/17/202228莫爾條紋的特征放大作用放大倍數(shù)為 1/,越小, B越大。例如=0.1時 =0.1=0.12/360 =0.00175432radW=0.02mm BH=11.4592mm。7/17/202229例，對25線/mm的長光柵而言，P0.04mm，若=0.016rad，則B=2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的間隔，但無法分辨0.04mm的間隔。 計量光柵的光學(xué)放大作用與安裝角度有關(guān)，而與兩光柵的安裝間隙無關(guān)。莫爾條紋的寬度必須大于光敏元件的尺寸，否則光敏元件無法分辨光強的變化。 4）莫爾條紋移過的條紋

19、數(shù)與光柵移過的刻線數(shù)相等。例如，采用100線/mm光柵時，若光柵移動了x mm（也就是移過了100 x條光柵刻線），則從光電元件面前掠過的莫爾條紋也是100 x條。由于莫爾條紋比柵距寬得多，所以能夠被光敏元件所識別。將此莫爾條紋產(chǎn)生的電脈沖信號計數(shù)，就可知道移動的實際距離了。7/17/202230光電傳感器輸出信號波形當光柵相對位移一個柵距時，莫爾條紋移動一個條紋寬度，相應(yīng)照射在光電池上的光強度發(fā)生一個周期的變化，使輸出電信號周期變化，其輸出波形如圖： 由此可知，只要計算輸出電壓的周期數(shù)，便可測出位移量。從而實現(xiàn)了位移量向電量的轉(zhuǎn)換。在一個周期內(nèi)，輸出波形的變化是位移在一個柵距內(nèi)變化的余弦函數(shù)

20、，每一周期對應(yīng)一個柵距。但是如果只用一個光電元件，其輸出信號還存在兩個問題： 辨向問題：用一個光電元件無法辨別運動方向； 精度低；分辨力只為一個柵距P。7/17/202231辨向原理： 用兩個光電元件相距B/4安裝（相當于相差90空間角，B: 2=B/4: /2），如圖所示，可以解決辨向問題。 當條紋上移時，V2落后于V1 90。 當條紋下移時，V2超前于V1 90。 因此，由V1、V2之間的相位關(guān)系可以 判別運動方向。7/17/202232四倍頻細分判向原理工作臺進行長度測量時,指示光柵的移動距離為 x=NP+ 其中P為光柵節(jié)距,N為指示光柵移動距離中包含的光柵線對數(shù); 為小于一個光柵節(jié)距的

21、小數(shù). 最簡單的形式是以指示光柵移過的光柵對數(shù)N直接進行計數(shù).當使用一個光電池通過判斷信號周期的方法來進行位移測量時，最小分辨力為1個柵距。為了提高測量的精度，提高分辨力，可使柵距減小，即增加刻線密度。另一種方法是在雙光電元件的基礎(chǔ)上，利用電子學(xué)的方法,把莫爾條紋的一個周期進行再細分,于是可以讀出小數(shù)部分,使系統(tǒng)的分辨能力提高.電子細分可分到幾十分之一到百分之一. 7/17/202233常見的四倍頻細分判向原理：經(jīng)過信號調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對信號進行細分，其電路框圖如圖所示，在1個條紋周期內(nèi)放置4個光電二極管，在1個周期內(nèi)輸出4個脈沖，相位差互差90度，每一個脈沖反映了1/4個莫爾條紋周期的長度，系統(tǒng)分辨

22、力提高4倍。 7/17/202234莫爾條紋的應(yīng)用莫爾條紋測長儀分長光柵和圓光柵兩種，光刻密度相同，通常為25，50，100，250條/mm。被廣泛地應(yīng)用于： 光柵數(shù)顯表光柵傳感器在位置控制中的應(yīng)用軸環(huán)式數(shù)顯表機械測長和數(shù)控機床中。7/17/202235 代表性產(chǎn)品： 德國Heidenhain（海德漢）：封閉式：量程3000mm，分辨力0.1 m開放式：量程1440mm，分辨力0.01m開放式：量程270mm 分辨力1nm英國Renishaw（雷尼紹）： 量程：任意分辨力： 0.1 m 0.01 m中國長春光機所： 量 程：1000mm 分辨力：0.01 m7/17/2022365.4.2 激

23、光測距儀1、 脈沖激光測距儀脈沖激光測距利用了激光的發(fā)散角小，能量空間相對集中的優(yōu)點。同時還利用了激光脈沖持續(xù)時間極短，能量在時間上相對集中的特點。因此瞬時功率很大，般可達兆瓦級。由于上述兩點，脈沖激光測距在有反射器的情況下，可以達到極遠的測程；進行近距離(幾公里)測量時，如果測量精度要求不高，不必使用反射器，利用被測目標對脈沖激光的反射取得反射信號，也可以進行測距。 7/17/202237 在1處產(chǎn)生的激光，經(jīng)過待測的路程射向2處。在2處裝有向1處反射的裝置，1處至2處間的距離D是待測的。如果在1處有一種裝置，它能夠測出脈沖激光從1處到達2處再返回1處所需要的時間t，則 式中 c 為光的傳播

24、速度。脈沖激光測距的工作原理7/17/202238它由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、控制電路、時鐘脈沖振蕩器以及計數(shù)顯示電路等組成.7/17/202239 由光電器件得到的電脈沖，經(jīng)放大器以后，輸出一定形狀的負脈沖至控制電路。由參考信號產(chǎn)生的負脈沖A(圖(d)經(jīng)控制電路去打開電子門。這時振蕩頻率一定的時鐘振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖，可以通過電子門進入計數(shù)顯示電路，計時開始。當反射回來經(jīng)整形后的測距信號B到來時，關(guān)閉電子門，計時停止。計數(shù)和顯示的脈沖數(shù)如圖(g)所示。從計時開始到計時停止的時間正比于參考信號與測距信號之間的時間。 則被測距離為：7/17/2022402、 相位激光測距儀測距用的調(diào)制光波形

25、如圖所示，若其調(diào)制頻率為f，光速為c，則波長可由式=c/f求出。光波每前進一個波長相當于相位變化了2則距離D可表示為：“光尺”測量距離原理圖測距時，調(diào)制激光照在合作目標上，被反回接收經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后得到相同的電信號，與光源的驅(qū)動電壓相比較，測得相位差，由相位差可算得所測距離。7/17/202241為了便于理解測距儀的測相系統(tǒng)對光波往返二倍距離后的相位移進行測量，圖中說明了光波在距離L上往返后的相位變化。如果設(shè)光波從A到A點的傳播過程中相位變化(又稱為相位移)為，則由圖看出，被測距離為： 由上分析可知，如果測得光波相位移中2的整數(shù)N和小數(shù)n，就可以確定出被測距離值，所以調(diào)制光波可以被認為是一把“光尺”，其波長就是相位式激光測距儀的“測尺”長度。7/17/202242式中當N等于0時， 可由檢相器檢出，得被測距離，但當N不等于0時，N的大小不能確定，