第五章光電檢測系統(tǒng)

第五章光電檢測系統(tǒng)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)紅外系統(tǒng)多用于軍事,有大氣窗口,需要特種探測器可見光系統(tǒng)多用于民用點探測/面探測系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分)用單元探測器接受目標的總輻射功率用面接受元件測量目標的光強分布模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號處理方式分)直接檢測/相干檢測系統(tǒng)(按光波對信號的攜帶方式分)主動系統(tǒng)通過信息調(diào)制光源,或者光源發(fā)射的光受被測物體調(diào)制.返回被動系統(tǒng)光信號來自被測物體的自發(fā)輻射返回直接檢測/相干檢測直接檢測:

無論是相干或非相干光源，都是利用光源發(fā)射的光強攜帶信息。光電探測器直接把接受到的光強的變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化，然后，用解調(diào)電路檢出所攜帶的信息。相干檢測:

利用光波的振幅、頻率、相位攜帶信息，而不是光強。因為用光波的相干原理，只能用相干光。類似于無線電外茶檢測，故又稱光外差檢測。光電檢測系統(tǒng)的信噪比信噪比：與靈敏度相關(guān)誤碼率：

“0”和“1”出現(xiàn)錯誤的概率

直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理將待測光信號直接入射到光探測器光敏面，光探測器響應于光輻射強度輸出相應的電流或電壓。光探測器的平方律特性光電流正比于光電場振幅的平方輸出的電功率正比于入射光功率的平方系統(tǒng)的基本特性信噪比：表征檢測系統(tǒng)的靈敏度

PS:輸入信號光功率,Pn:

噪聲功率

檢測距離：是系統(tǒng)靈敏度的另外一種評價指標，與發(fā)射和接收系統(tǒng)的大氣特性以及目標的反射特性有關(guān)．直接檢測系統(tǒng)的視場角表征系統(tǒng)能“觀察”到的空間范圍系統(tǒng)的視場角越大越好．但是增大檢測器面積使系統(tǒng)的噪聲增大；減小焦距使系統(tǒng)的相對孔徑加大．系統(tǒng)的通頻帶寬度檢測系統(tǒng)要求Δf保持原由信號的調(diào)制信息．確定系統(tǒng)頻帶寬度的幾種方法：等效矩形帶寬頻譜曲線下降３dB的帶寬包含９０％能量的帶寬頻帶寬度越寬，通過信號的能量越大，系統(tǒng)的噪聲功率也越大．fS為信號光波，fL為本機振蕩光波，這兩束相干光入射到探測器表面進行混頻，形成相干光場。經(jīng)探測器變換后，輸出信號中包含的差頻信號，故又稱相干探測。

光外差檢測設(shè)入射到探測器上的信號光場為：

本機振蕩光場為：

入射到探測器上的總光場為：

基本原理

；:量子效率；:光子能量；:差頻。式中第一、二項為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1／2。第三項（和頻項）是余弦函數(shù)的平均值為零。而第四項（差頻項）相對光頻而言，頻率要低得多。當差頻低于光探測器的截止頻率時，光探測器就有頻率為的光電流輸出。

光探測器輸出的光電流光外差檢測的特性

可獲得全部信息：不僅可探測振幅和強度調(diào)制的光信號，還可探測頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號，即在光探測器輸出電流中包含有信號光的振幅、頻率和相位等全部信息；轉(zhuǎn)換效率高：轉(zhuǎn)換增益可高達１０７－１０８，對微弱信號的探測有利．光外差檢測的特性

可獲得全部信息：不僅可探測振幅和強度調(diào)制的光信號，還可探測頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號，即在光探測器輸出電流中包含有信號光的振幅、頻率和相位等全部信息。轉(zhuǎn)換效率高：轉(zhuǎn)換增益可高達１０７－１０８，對微弱信號的探測有利。差頻信號是由具有恒定頻率（近于單頻）和恒定相位的相干光混頻得到的，只有激光才能實現(xiàn)外差探測。

光外差檢測的特性良好的濾波性能

取差頻信號為信息處理器的通頻帶，可以過濾頻帶外的雜散光；而直接探測中，所有的雜散光都被接收信噪比損失小檢測靈敏度高例如：量子效率為１，Δf為１Hz，則外差檢測的靈敏度極限為１個光子系統(tǒng)對探測器性能的要求光外差檢測對探測器的要求比直接檢測高響應頻帶寬均勻性好工作溫度高

光電檢測系統(tǒng)的類型直接檢測光外差檢測(相干檢測)典型的光電檢測系統(tǒng)第五章光電檢測系統(tǒng)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)直接檢測的基本原理直接檢測(非相干檢測): 都是利用光源發(fā)射的光強攜帶信息,直接把接受到的光強變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化。直接檢測的基本特性光探測器的平方律特性光電流正比于光電場振幅的平方輸出的電功率正比于入射光功率的平方信噪比：表征檢測系統(tǒng)的靈敏度視場角: 表征系統(tǒng)能“觀察”到的空間范圍通頻帶寬度: 頻帶寬度越寬，通過信號的能量越大，系統(tǒng)的噪聲功率也越大檢測距離：是系統(tǒng)靈敏度的另外一種評價指標．返回光外差檢測的基本原理利用光波的振幅、頻率、相位攜帶信息，而不是光強。兩束相干光入射到探測器表面進行混頻，形成相干光場,又稱相干檢測。只有激光才能進行相干檢測。輸出信號中包含的差頻信號,因此稱光外差檢測輸出的中頻功率正比于信號光和本振光功率的乘積。光外差檢測的特性光探測器的輸出包含有信號光的全部信息：振幅、頻率和相位等；轉(zhuǎn)換效率高，檢測靈敏度高（比直接檢測高７－８數(shù)量級），對微弱信號的探測有利（盡管信號光功率小，但是本振光功率大）良好的濾波性能

信噪比損失小檢測靈敏度高檢測距離遠對探測器的要求比直接檢測高光外差檢測的空間和頻率條件空間條件：

θ:兩束光的夾角，l：檢測器光敏面線度．

波長越短或口經(jīng)越大，要求相位差角θ越小，越難滿足要求．頻率條件：

要求信號光和本振光具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定性。如何獲得單頻光和穩(wěn)頻光？信號光與本振光并非平行而成一夾角θ5.3典型的光電檢測系統(tǒng)你所知道的光電檢測系統(tǒng)???你能講一講光電檢測系統(tǒng)???你能評一評光電檢測系統(tǒng)???典型的光電檢測系統(tǒng)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環(huán)境污染檢測系統(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5.3.1莫爾條紋測長儀莫爾條紋的原理將兩塊光柵(節(jié)距分別為P1和P2)疊加在一起,并且兩者的柵線成很小的角度θ,透過光柵能看到如圖所示的明暗相間的莫爾條紋.這就是莫爾條紋的光強調(diào)制作用．長光柵莫爾條紋的形式橫向條紋:P1=P2,θ很小;縱向條紋:P1~P2,θ=0;斜條紋:P1~P2,θ很小.莫爾條紋演示縱向條紋橫向條紋莫爾條紋的特性光柵的節(jié)距比光的波長大很多.莫爾條紋的寬度B（mm)、光柵的節(jié)距P(mm)和夾角θ(rad)之間的關(guān)系為：當兩光柵沿垂直于柵線的方向相對移動時，莫爾條紋將沿平行于柵線的方向移動．光柵每移動一個節(jié)距Ｐ，莫爾條紋移動一個寬度Ｂ．因為θ很小，放大倍數(shù)Ｋ很大．例如:θ=20’,K=172斜向條紋莫爾條紋測長儀兩塊光柵：一塊為指示光柵與工作臺固定．一塊為長光柵．工作臺前后移動的距離由兩塊光柵形成的莫爾條紋進行計數(shù)得到．指示光柵相對移動一個節(jié)距，莫爾條紋變化一周．指示光柵移動的距離為：

Ｎ：指示光柵移動距離中包含的光柵線對數(shù)，δ：小于１個光柵節(jié)距的小數(shù)．簡單光柵讀數(shù)頭１：燈，２：聚光鏡，３：指示光柵，４：長光柵，５：光電探測器莫爾條紋測長儀光電探測器接收到的明暗變化的光信號轉(zhuǎn)換成電信號；通過對莫爾條紋的直接測量，可以測的光柵的位移量；在較寬的莫爾條紋間隔內(nèi)安放細分裝置進行細分，可讀取位移的分數(shù)，提高測量的靈敏度和精度．光柵輸出信號波形莫爾條紋測長儀的應用工業(yè)自動化中的核心測控部件小型智能化的長度測試儀器，用于對長度、直徑、厚度、表面形狀、粗糙度等多種參數(shù)的測量。新一代的計量測試工具某些幾何量計量檢測儀器的核心轉(zhuǎn)換系統(tǒng)某些物理量的計量檢測儀器的核心轉(zhuǎn)換系統(tǒng)納米級測量的重要儀器非接觸在線測量控制儀器5.3.2激光測距儀激光測距儀的類型脈沖激光測距儀相位激光測距儀激光測距儀的特點測程遠、測量精度高結(jié)構(gòu)小巧、攜帶方便快速、非接觸式距離測量激光對點準確受氣象條件影響較大激光測距儀廣泛應用于工業(yè)、國防軍事、科學技術(shù)。一、脈沖激光測距儀測距原理：由激光器對被測目標發(fā)射一個光脈沖，然后接受目標反射回來的光脈沖，通過測量光脈沖往返所經(jīng)過的時間來計算出目標的距離。測距儀原理： 由激光發(fā)射系統(tǒng)、接受系統(tǒng)，門控電路、時鐘脈沖振蕩器和計數(shù)器等組成。脈沖激光測距儀的原理框圖脈沖激光測距儀發(fā)射系統(tǒng)接收系統(tǒng)接收光學系統(tǒng)光電探測器低噪聲寬帶放大器整形電路門控電路時鐘脈沖振蕩器計數(shù)顯示器激光器：LD，ND：YAG（調(diào)Q/鎖模）電源發(fā)射望遠系統(tǒng)物鏡小孔光闌干涉濾光片激光器發(fā)射激光脈沖被分為兩部分：參考信號和回波信號?；夭}沖經(jīng)光電探測器變換成電信號，再經(jīng)放大和整形后，將電子門打開，使通過電子門的時鐘脈沖進入計數(shù)器開始計時；當回波脈沖（負與門）到來時，關(guān)閉電子們。在參考和回波脈沖之間計數(shù)器所接收到的時鐘脈沖個數(shù)代表來被測距離。時鐘頻率越高，測量的分辨率越高。但分辨率最終取決于激光脈沖的上升時間。脈沖測距波形二、相位激光測距儀相位測距原理：

相位激光測距是用無線電波段的頻率，對激光束進行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離。

若調(diào)制光角頻率為ω，在待測量距離D上往返一次產(chǎn)生的相位延遲為φ，則對應時間t可表示為：

t=φ/ω距離L可表示為式中：

φ——信號往返測線一次產(chǎn)生的總的相位延遲。

ω——調(diào)制信號的角頻率，ω=2πf。N：測線所包含調(diào)制波長個數(shù)。ΔN：測線所包含不足波長的小數(shù)部分。

λ：稱為測尺長，又稱“光尺”。相位延遲：被測距離：距離的測量變成了測線所包含波長個數(shù)和不足一個波長的小數(shù)部分的測量。測量信號相位的方法都不能確定出相位的整周期數(shù)N，只能測定不足2π的尾數(shù)N。由于N值不確定，距離L就成為多值解。測程長，精度低；反之，精度高，則測程短解決方法：用兩個頻率的波（兩個不同的光尺）進行測量，一個用來測量距離的大數(shù)，另一個用于精確測量距離的尾數(shù)。就可以既擴大測程又保證精度。如果需要還可以用更多的頻率測量。差頻相位檢測原理■調(diào)制頻率越高,測量精度越高.但是,一般相位計工作在低頻區(qū).■差頻后兩信號都工作在低頻區(qū),但相位差仍保持高頻信號的相位差φs.差頻后:相位激光測距儀的原理精主振f1(高頻)和粗主振f2(低頻)，由開關(guān)控制依次對發(fā)光管供電進行兩次測相檢相器只能工作于較低頻率，故設(shè)立精本振頻率f1-fc，粗本振頻率f2-fc基準混頻器對本振電壓和主振電壓進行混頻外差，進行外差，輸出低頻fc的基準電壓信號混頻器對本振電壓和輸出信號進行混頻外差，輸出低頻fc的信號電壓信號與基準電壓的有相同的頻率,但相位差仍保持高頻信號的相位差.由相檢計檢出相位差.兩次測相的結(jié)果輸入計算電路計算得到測量結(jié)果。相位激光測距儀的原理圖5.3.3激光多普勒測速頻率調(diào)制：運動物體的反射或散射光發(fā)生多普勒頻移而改變光的頻率。光外差檢測：可見光的頻率很高（１０１４Hz)，一般光電器件不能響應，也就無法直接檢測多普勒頻移．因此，需要光外差的方法： 同一光源的兩束相干光以一定的條件投射到光電探測器表面進行混頻，就能在輸出的電信號中得到兩束光的差頻．激光多普勒測速的原理激光束經(jīng)分光鏡分成兩束，一束經(jīng)透鏡會聚測點，被該處正以速度V運動的微粒向四面八方散射，散射光發(fā)生了頻移，頻率為（ν＋νＤ）。另一束經(jīng)濾光片衰減后也由透鏡會聚于測點，有一部分穿越測點作為參考光束，頻率為ν。進入光