光电检测系统PPT学习课件

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1、第 四 章 非 相 干 检 测 方 法 与 系 统 牛牛文库文档分享 按 光 学 变 换 系 统 将 被 测 量 转 换 为 光 信 息 方 式 的 不 同 ， 可 将 光 电 检 测 系 统 分 为 相 干检 测 系 统 和 非 相 干 检 测 系 统 。第 四 章 非 相 干 检 测 方 法 与 系 统 被 测 量 被 携 带 于 光 载 波 的 强 度之 中 或 加 载 于 调 制 光 载 波 的 振 幅 、 频率 或 者 相 位 变 化 之 中 ， 这 样 的 系 统 称为 非 相 干 检 测 系 统 。 被 测 信 息 加 载 于 光 载 波 （ 只 能是 相 干 光 源 ） 的 振

2、 幅 、 频 率 或 者 相 位之 中 的 系 统 称 为 相 干 检 测 系 统 。非 相 干 检 测 系 统 相 干 检 测 系 统 牛牛文库文档分享 主 要 内 容 ： 牛牛文库文档分享 1 光 电 检 测 系 统 分 类 根 据 系 统 中 光 源 来 源 不 同 ,系 统 可 分 为 主 动 系 统 和 被 动 系 统 。 如 果 被 测 信 息 通 过 调 制 光 源 的 电 压 或 电流 ， 把 信 息 加 载 到 光 载 波 上 ， 而 发 射 调 制光 ， 或 者 用 人 工 光 源 照 射 目 标 再 进 行 光 电变 换 ， 然 后 由 光 电 接 收 系 统 接 收 的

3、 系 统 ，称 为 主 动 光 电 系 统 。 如 果 光 电 系 统 所 接 收 的 信 号 完全 来 自 于 被 测 对 象 的 自 发 辐 射 ,而不 用 人 工 光 源 照 明 的 系 统 ， 则 称 为被 动 光 学 系 统 。（ 1） 根 据 光 源 来 源 分 类 牛牛文库文档分享 主 动 测 量 系 统(a) 被 测 量 调 制 光 载 波 的 主 动 系 统 (b)反 射 式 的 主 动 系 统 牛牛文库文档分享 被 动 测 量 系 统 被 动 式 光 电 检 测 系 统 牛牛文库文档分享 （ 2） 根 据 光 源 是 否 相 干 分 类A 若 光 信 息 为 光 强 ， 即

4、 被 测 量 被 携 带 于 光 载 波 的 强 度 之 中 ， 不 论 光 源 是 相 干 光源 还 是 非 相 干 光 源 ， 这 时 光 电 器 件 只 直 接 接 收 光 强 度 变 化 ， 最 后 用 解 调 的 方法 检 出 被 测 信 息 ， 这 种 方 法 组 成 的 系 统 称 为 直 接 检 测 光 电 系 统 。B 若 光 信 息 加 载 于 非 相 干 光 源 的 光 载 波 的 振 幅 、 频 率 或 者 相 位 变 化 之 中 ， 这 样所 组 成 的 系 统 则 称 为 非 相 干 检 测 系 统 。 非 相 干 检 测 系 统 通 常 把 直 接 检 测 光 信

5、 息 的 光 强 （ 或 叫 光 功 率 ） 以 及 检 测 非 相 干 光 调 制 频 率、 振 幅 、 相 位 的 方 法 统 称 为 非 相 干 检 测 。 牛牛文库文档分享 相 干 检 测 系 统 如 果 光 源 是 相 干 光 源 ， 但 用 光 调 制 的 方 法 使 被 测 信 息 加 载 于 调 制 光 的 幅度 、 频 率 或 相 位 之 中 ， 然 后 用 光 电 解 调 的 方 法 从 调 制 光 的 幅 度 、 频 率 或 相 位之 中 检 测 出 被 测 信 息 的 系 统 称 为 相 干 检 测 系 统 。 牛牛文库文档分享 （ 1） 光 电 变 换 的 目 的 将

6、 待 测 信 息 加 载 到 光 载 波 上 进 而 形 成 光 电 接 收 器 件 易 于 接 收 的 光 电 信 号 。 改 善 系 统 的 时 间 或 空 间 分 辨 率 和 动 态 品 质 ， 提 高 传 输 效 率 和 检 测 精 度 。 改 善 系 统 的 信 噪 比 ， 提 高 工 作 可 靠 性 。2 光 电 变 换 方 法 牛牛文库文档分享 （ 2） 光 电 变 换 的 方 法变 换 方 法 光 学 原 理 应 用 范 围 几 何 光 学法 透 射 、 反 射 、 折 射 、 散 射 、 遮光 、 光 学 成 像 等 非 相 干 光 学 现象 或 方 法 光 开 关 、 光

7、学 编 码 、 光 扫 描、 瞄 准 定 位 、 光 准 直 、 外 观 质 量 检测 、 测 长 测 角 、 测 距 等 物 理 光 学法 干 涉 、 衍 射 、 散 斑 、 全 息 、 波长 变 换 、 光 学 拍 频 、 偏 振 等 相干 光 学 现 象 或 方 法 莫 尔 条 纹 、 干 涉 计 量 、 全 息 计 量 、散 斑 计 量 、 外 差 干 涉 、 外 差 通 信 、光 谱 分 析 、 多 谱 勒 测 速 等 光 电 子 学法 电 光 效 应 、 声 光 效 应 、 磁 光 效应 、 空 间 光 调 制 、 光 纤 传 光 与传 感 等 光 调 制 、 光 偏 转 、 光

8、开 关 、 光 通 信、 光 记 录 、 光 存 储 、 光 显 示 等 牛牛文库文档分享 1、 直 接 检 测 系 统 的 基 本 原 理 所 谓 直 接 检 测 是 将 携 带 有 待 测 量 的 光 信 号 直 接 入 射 到 探 测 器 光 敏 面 ， 光 探 测 器 响应 于 光 辐 射 强 度 而 输 出 相 应 的 电 流 或 电 压 。 检 测 系 统 可 经 光 学 天 线 或 直 接 由 探 测 器 接 收 光 信 号 ， 在 其 前 端 还 可 以 经 过频 率 滤 波 和 空 间 滤 波 处 理 。 接 收 到 的 光 信 号 入 射 到 光 探 测 器 的 光 敏 面

9、 上 。 同 时 ，光 学 天 线 也 接 收 到 背 景 辐 射 ， 并 与 信 号 光 一 起 入 射 到 探 测 器 光 敏 面 上 。 牛牛文库文档分享 2、 直 接 检 测 系 统 的 基 本 特 性（ 1） 光 探 测 器 的 平 方 律 特 性 入 射 光 波 的 光 电 场 为 ： 入 射 光 的 平 均 光 功 率 为 ： 光 电 探 测 器 输 出 的 电 流 为 ： 为 光 电 变 换 比 例 常 数 ， 即 光 电 灵 敏 度 。 )cos()( wtAtE s 2222 21)cos()( ss AwtAtEP 221 sP API eh 牛牛文库文档分享 若 光 探

10、 测 器 的 负 载 电 阻 为 ， 则 光 探 测器 输 出 的 电 功 率 为 ：光 电 探 测 器 的 平 方 律 特 性 包 含 有 两 层 含 意 ：其 一 是 光 电 流 正 比 于 光 场 振 幅 的 平 方 ；其 二 是 输 出 电 功 率 正 比 于 入 射 光 功 率 的 平 方 。 LLPP RPheRIS 222 )( LR 牛牛文库文档分享 如 果 入 射 光 信 号 为 强 度 调 制 光 ， 调 制 信 号 为 d(t)， 即 调 制 的 入 射 光 信 号 的 强 度 为 P1+d(t)， 那 么 光 电 探 测器 输 出 的 光 电 流 为 ： 式 中 ， 第

11、 一 项 为 直 流 电 平 ， 可 以 用 隔 直 电 容 隔 掉 ； 第 二 项 为 所 需 要 的 信 号 ，即 光 载 波 的 包 络 检 测 。 )(1)(1 tdPhetdPI P 牛牛文库文档分享 (2) 直 接 检 测 系 统 的 信 噪 比 衡 量 模 拟 系 统 好 坏 及 灵 敏 度光 检 测 器 输 出 的 总 功 率 包 括 信 号 电 功 率 和 噪 声 功 率 ， 可 表 示 为 ： 22 nsLnoo PPRhePP 考 虑 到 信 号 和 噪 声 的 独 立 性 ， 有 ： 22 sLo PRheP 22 2 nnsLno PPPRheP 由 信 噪 比 定

12、义 ， 输 出 功 率 信 噪 比 为 ： nsnsnns snoop PPPPPPP PPPSNR 212 222 牛牛文库文档分享 nsnsnns snoop PPPPPPP PPPSNR 212 222 说 明 输 出 信 噪 比 是 输 入 信 噪 比 的 平 方 ， 可 见 ， 直 接 检 测 系 统 不 适 用 于 输 入 信 噪 比 小 于 1或 微 弱 光 信号 的 检 测 。输 出 信 噪 比 是 输 入 信 噪 比 的 一 半 。 即 经 过 光 电 转 换 ， 信 噪 比 损 失 了 3dB。 实 际 应 用 中 可 以 接 受 。可 见 ， 直 接 检 测 方 法 不

13、能 改 善 输 入 信 噪 比 ， 适 宜 不 是 很 微 弱 的 光 信 号 检 测 。 但 这 种方 法 简 单 ， 易 于 实 现 ， 可 靠 性 高 ， 成 本 低 ， 得 到 广 泛 应 用 。 若 1ns PP ， 则 有 ： 2nsp PPSNR 5-10 若 1ns PP ， 则 有 ： nsp PPSNR 21 牛牛文库文档分享 在 数 字 式 光 电 检 测 系 统 中 ， 噪 声 对 系 统 的 影 响 常 使 用 “ 误 码 率 ”来 衡 量 。 误 码 率 仍 然 与 信 噪 比 有 关 ， 信 噪 比 高 ， 误 码 率 低 ， 由 噪 声的 概 率 分 布 规 律

14、 考 虑 “ 概 率 问 题 ” 来 衡 量 。 牛牛文库文档分享 直 接 检 测 系 统 的 检 测 极 限 及 趋 近 方 法考 虑 直 接 检 测 系 统 中 存 在 的 所 有 噪 声 ， 则 输 出 噪 声 总 功 率 为 ：LNTNDNBNSno RiiiiP _2_2_2_2 _ 2_2_2 , NDNBNS iii 和 分 别 为 信 号 光 、 背 景 光 和 暗 电 流 引 起 的 散 粒 噪 声 。_2NTi 为 负 载 电 阻 和 放 大 器 的 热 噪 声 之 和 。 _2_2_2_2 22 NTNDNBNS snoop iiii PhePPSNR 输 出 信 噪 比

15、 为 ： 牛牛文库文档分享 _2_2_2_2 22 NTNDNBNS snoop iiii PhePPSNR 当 热 噪 声 是 直 接 检 测 系 统 的 主 要 噪 声 源 时 ， 直 接 检 测 系 统 受 热 噪 声 限 制 ， 信 噪 比 为 ： 2 24 sp Le h PSNR kT f R 热 当 散 粒 噪 声 远 大 于 热 噪 声 时 ， 直 接 检 测 系 统 受 散 粒 噪 声 限 制 ， 信 噪 比 为 ： 2 2_ _ _2 2 2sp NS NB NDe h PSNR i i i 当 背 景 噪 声 是 直 接 检 测 系 统 的 主 要 噪 声 源 时 ， 直

16、 接 检 测 系 统 受 背 景 噪 声 限 制 ， 信 噪 比 为 ： 2 2 222 s sp BBe h P PSNR e h f Pe f Ph 背 牛牛文库文档分享 假 定 光 波 长 =0.7m， 检 测 器 的 量 子 效 率 =1， 测 量 带 宽 f=1， 由 上 式 得 到 系 统 在 量子 极 限 下 的 最 小 可 检 测 功 率 为 18min 10P W 当 入 射 信 号 光 波 所 引 起 的 噪 声 为 直 接 检 测 系 统 的 主 要 噪 声 源 时 ， 直 接 检 测 系 统 受 信 号 噪 声 限 制 ， 这 时 信 噪 比 为 ： 2 sp PSNR

17、 h f 信该 式 为 直 流 检 测 系 统 在 理 论 上 的 极 限 信 噪 比 ， 称 为 直 接 检 测 系 统 的 量 子 极 限 ， 又称 量 子 限 灵 敏 度 。若 用 等 效 噪 声 功 率 NEP值 表 示 ， 在 量 子 极 限 下 ， 直 接 检 测 系 统 理 论 上 可 测 量 的 最 小功 率 为 ： 2h fNEP 量 牛牛文库文档分享 在 实 际 直 接 检 测 系 统 中 ， 很 难 达 到 量 子 极 限 检 测 。 实 际 系 统 总 会 有 背 景 噪 声 、 检测 器 和 放 大 器 的 热 噪 声 。背 景 限 信 噪 比 可 以 在 激 光 检

18、 测 系 统 中 实 现 ， 是 因 为 激 光 光 谱 窄 ， 加 滤 光 片 很 容 易消 除 背 景 光 ， 实 现 背 景 限 信 噪 比 。系 统 趋 近 于 量 子 极 限 意 味 着 信 噪 比 的 改 善 ， 可 行 方 法 是 在 光 电 检 测 过 程 中 利 用 光检 测 器 的 内 增 益 获 得 光 电 倍 增 ， 如 光 电 倍 增 管 。 当 倍 增 很 大 时 ， 热 噪 声 可 忽 略 ， 同 时加 致 冷 、 屏 蔽 等 措 施 减 小 暗 电 流 及 背 景 噪 声 ， 光 电 倍 增 管 可 达 到 散 粒 噪 声 限 。 在 特 殊条 件 下 可 趋

19、近 于 量 子 限 。 但 倍 增 管 也 会 带 入 噪 声 ， 增 益 过 程 中 使 噪 声 增 加 。在 直 接 检 测 中 ， 光 电 倍 增 管 、 雪 崩 管 的 检 测 能 力 较 高 ， 采 用 有 内 部 高 增 益 的 检 测器 可 使 直 接 检 测 系 统 趋 近 于 检 测 极 限 。 对 于 光 电 导 器 件 ， 主 要 噪 声 为 产 生 复 合 噪 声（ 极 限 散 粒 噪 声 ） ， 光 电 导 器 件 极 限 信 噪 比 低 ， NEP较 大 。 牛牛文库文档分享 直 接 检 测 系 统 视 场 角D uf d检 测 器物 镜视 场 角 表 示 检 测

20、系 统 能 检 测 到 的 空 间 范 围 ， 是检 测 系 统 的 性 能 指 标 之 一 。 对 于 检 测 系 统 ， 被 测 物看 作 是 在 无 穷 远 处 ， 且 物 方 与 像 方 介 质 相 同 。 当 检测 器 位 于 焦 平 面 上 时 ， 其 半 视 场 角 为 ：或 视 场 角 立 体 角 为 ： 2fAd从 观 察 角 度 讲 ， 希 望 视 场 角 愈 大 愈 好 ， 即 增 大 检 测 器 面 积 或 减 小 光 学 系 统 的 焦 距 ， 但 对 检 测 器 会 带 来不 利 影 响 ： 增 加 检 测 器 面 积 意 味 着 增 大 系 统 噪 声 。 因 为

21、 对 大 多 数 检 测 器 ， 噪 声 功 率 和 面 积 的 平 方 根 成 正 比 。 减 小 焦 距 使 系 统 的 相 对 孔 径 加 大 ， 引 入 系 统 背 景 辐 射 噪 声 ， 使 系 统 灵 敏 方 式 下 降 。结 论 ： 因 此 在 系 统 设 计 时 ， 在 检 测 到 信 号 的 基 础 上 尽 可 能 减 小 系 统 视 场 角 。fd2(3)直 接 检 测 系 统 的 视 场 角 牛牛文库文档分享 (4) 系 统 的 通 频 带 宽 度 I 0I 0O 1 频 带 宽 度 f是 光 电 检 测 系 统 的 重 要 指 标 之 一 。 检 测 系 统 要 求 f

22、应 保 存 原 有 信 号 的 调 制 信 息 ， 并 使 系统 达 到 最 大 输 出 功 率 信 噪 比 。 系 统 按 传 递 信 号 能 力 ， 可 有 以 下 几 种 方 法 确 定 系 统 频 带 宽 度 。当 输 入 信 号 为 矩 形 波 时 ， 通 过 对 不 同 带 通 滤 波 器 的 波 形 的 分 析 ， 可 知 ， 要 使 系 统 可 以 复 现 输 入 信 号波 形 ， 要 求 系 统 带 宽 f： 当 输 入 信 号 为 调 幅 波 时 ， 一 般 情 况 下 取 频 带 宽 度 为 其 包 络 （ 边 频 ） 频 率 的 2倍 。如 果 是 调 频 波 ， 则

23、要 求 滤 波 器 加 宽 频 带 宽 度 ， 保 证 有 足 够 的 边 频 分 量 通 过 系 统 。04f1. 等 效 矩 形 带 宽 ：2. 频 谱 曲 线 下 降 3dB的 带 宽3. 包 含 90%能 量 的 带 宽 1 00.06 02 62.0f 03 牛牛文库文档分享 3 直 接 检 测 系 统 的 距 离 方 程光 电 检 测 系 统 的 灵 敏 度 在 不 同 的 用 途 时 ， 灵 敏 度 的 表 达 形 式 不 同 ， 在 对 地 测 距 、搜 索 和 跟 踪 等 系 统 中 ， 通 常 用 “ 检 测 距 离 ” 来 评 价 系 统 的 灵 敏 度 。 对 于 其

24、他 系 统 的灵 敏 度 亦 可 用 距 离 方 程 推 演 出 来 。直 接 检 测 系 统 分 为 被 动 检 测 和 主 动 检 测 系 统 ， 其 距 离 方 程 不 同 。 下 面 分 别 进 行推 导 。 强度调制器 光学天线 光学通道 接收天线及光电检测器 光电信号处理器光源 信号发射机 背景噪声场 接收机电路噪声 回收的信息 牛牛文库文档分享 (1) 被 动 检 测 系 统 的 距 离 方 程被 动 检 测 过 程 示 意 图 大气传播eE接收光学系统信号处理 接收机接收信息 光电检测 L 被测目标eI光 谱 辐 射 强 度L传 播 距 离大 气 光 谱 透 过 率 1VR光

25、谱 响 应 度 00A入 射 孔 径 面 积光 谱 透 过 率 牛牛文库文档分享 (1) 被 动 检 测 系 统 的 距 离 方 程设 被 测 目 标 的 光 谱 辐 射 强 度 为 eI经 大 气 传 播 后 到 达 接 收 光 学 系 统 表 面 的 光 谱 辐 射 照 度 为 ： eE21LIE ee 的 距 离为 目 标 到 光 电 检 测 系 统内 的 大 气 光 谱 透 过 率 ；为 被 测 距 离L L1入 射 到 检 测 器 上 的 光 谱 功 率 为 ： eP 002100 ALIAEP eee 透 过 率为 接 收 光 学 系 统 的 光 谱 孔 径 面 积为 接 收 光

26、学 系 统 的 入 射10A根 据 目 标 辐 射 强 度 最 大 的 波 段 范 围 及 所 选 取 检 测 器 光 谱 响 应 范 围 共 同 决 定 选 取 的 1 2的 辐 射 波 段 ， 可得 到 检 测 器 的 输 出 信 号 电 压 为 ： 2121 0120 dRILAdRPV VeVes 为 检 测 器 的 光 谱 响 应 度VR (1) 牛牛文库文档分享 1 0e VI R 、 、 、 取 1 为 被 测 距 离 L在 光 谱 响 应 范 围 内 的 平 均 透 过 率 1。 光 学 系 统 的 透 过 率 0 对 光 谱 响 应 范 围 内 平 均 值 。 把 检 测 器

27、 的 光 谱 响 应 带 看 成 是 一 个 矩 形 带 宽 。 即 在 响 应 范 围 内 1W， 即 莫 尔 现 象 具 有 使 栅 距 放 大 的 作 用 。 因 此 ， 读出 莫 尔 条 纹 的 数 目 比 读 光 栅 刻 线 的 数 目 要 方 便 得 多 。 通 过 光 栅 栅 距 的 位 移 和 莫 尔 条 纹 位 移 的 对 应 关 系 ， 就 可 以 容 易 地 测 量 莫 尔 条 纹 移 动 数 ， 获 取 小 于 光 栅 栅 距 的 微 小 位 移 量 。 牛牛文库文档分享 莫 尔 条 纹 光 学 放 大 作 用 举 例 有 一 直 线 光 栅 ， 每 毫 米 刻 线 数

28、 为 50， 主 光 栅 与 指 示 光 栅 的 夹 角 1.8， 则 ： 分 辨 力 =栅 距 W =1mm/50=0.02mm=20m （ 由 于 栅 距 很 小 ， 因 此 无 法 观 察 光 强 的 变 化 ） 莫 尔 条 纹 的 宽 度 是 栅 距 的 32倍 ： L W / = 0.02mm/（ 1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由 于 较 大 ， 因 此 可 以 用 小 面 积 的 光 电 池 “ 观 察 ” 莫 尔 条 纹 光 强 的变 化 。 牛牛文库文档分享 A 长 光 栅 莫 尔 条 纹条 纹 宽 度 ： WWB )2/s

29、in(2W-栅 距 ， a-线 宽 ， b-缝 宽W=a+b ， a=b=W/2 特 例 ： 当 =0, w1=w2 B= 光 闸 莫 尔 条 纹 当 =0, w1w2 纵 向 莫 尔 条 纹均 匀 刻 线主 光 栅指 示 光 栅 夹 角 明 暗 相 间 条 纹 莫 尔 条 纹移 动 牛牛文库文档分享 长光栅莫尔条纹 播 放 动 画 牛牛文库文档分享 长光栅光闸莫尔条纹 播 放 动 画 牛牛文库文档分享 莫 尔 条 纹 特 性 ： 方 向 性 ： 垂 直 于 角 平 分 线 ， 当 夹 角 很 小 时 与 光 栅 移 动 方 向 垂 直同 步 性 ： 光 栅 移 动 一 个 栅 距 莫 尔 条

30、 纹 移 动 一 个 间 距 一 方 向 对 应放 大 性 ： 夹 角 很 小 BW 光 学 放 大 提 高 灵 敏 度可 调 性 ： 夹 角 条 纹 间 距 B 灵 活准 确 性 ： 大 量 刻 线 误 差 平 均 效 应 克 服 个 别 /局 部 误 差 提 高 精 度 牛牛文库文档分享 B 圆光栅莫尔条纹光栅 - 径向光栅、切向光栅、环形光栅 径向圆光栅 切向圆光栅 牛牛文库文档分享 径向光栅的圆弧形莫尔条纹两块径向光栅 - 栅距角相同/不大偏心量光栅不同区域，栅线交角不同- 圆弧形莫尔条纹 （不同曲率半径）条纹宽度 - 随位置变化偏心垂直位置上- 条纹近似垂直于栅线偏心方向上- 条纹近

31、似平行于栅线- 横向莫尔条纹- 纵向莫尔条纹 其他位置 - 斜向莫尔条纹实际应用特例 - 光闸莫尔条纹（同心、栅距角相同）主光栅（一个栅距角）- 透光量（一个周期） 莫尔条纹 - 圆弧形、 环形、辐射形 牛牛文库文档分享 切向光栅的环形莫尔条纹两块切向光栅 -栅距角相同/切线圆半径不同/同心叠合环形莫尔条纹 - 以光栅中心为圆心的同心圆簇条纹宽度 - 随条纹位置变化应用：高精度角度测量和分度- 全光栅平均效应优点： 环形光栅的辐射形莫尔条纹两块环形光栅（相同）- 栅线相对/不大的偏心量辐射形莫尔条纹 - 条纹近似直线/呈辐射状特点：条纹数目/位置 - 偏心量大小/ 圆心连线方向光栅旋转 - 条

32、纹数目/位置（不变）偏心量（一个栅距）- 莫尔条纹数目增加一条（一个象限内）应用：主轴偏移、晃动 牛牛文库文档分享 播 放 中 圆弧莫尔条纹 播 放 动 画 牛牛文库文档分享 光闸莫尔条纹 播 放 动 画 牛牛文库文档分享 环形莫尔条纹 播 放 动 画播 放 中 牛牛文库文档分享 单 击 准 备 演 示 辐射形莫尔条纹 播 放 动 画 牛牛文库文档分享 计 量 光 栅 可 分 为 透 射 式 光 栅 和 反 射 式 光栅 两 大 类 ， 均 由 光 源 、 光 栅 副 、 光 敏 元 件 三大 部 分 组 成 。 光 敏 元 件 可 以 是 光 敏 二 极 管 ，也 可 以 是 光 电 池 。

33、 透 射 式 光 栅 一 般 是 用 光 学玻 璃 或 不 锈 钢 做 基 体 ， 在 其 上 均 匀 地 刻 划 出间 距 、 宽 度 相 等 的 条 纹 ， 形 成 连 续 的 透 光 区和 不 透 光 区 。1 莫 尔 条 纹 测 长 仪在 检 测 技 术 中 常 用 的 是 计 量 光 栅 。 计 量 光 栅 主 要 是 利 用 光 的 透 射 和 反 射 现 象 ， 常用 于 位 移 测 量 ， 有 很 高 的 分 辨 力 ， 可 优 于 0.1m。 黑 白 光 栅 牛牛文库文档分享 莫尔条纹光栅原理 构成： 主光栅-标尺光栅，定光栅； 指示光栅-动光栅 牛牛文库文档分享 计 量 光

34、 栅 由 标 尺 光 栅 （ 主 光 栅 ） 和 指 示 光 栅 组 成 ， 标 尺 光 栅 和 指 示 光 栅 的 刻线 宽 度 和 间 距 完 全 一 样 。 将 指 示 光 栅 与 标 尺 光 栅 叠 合 在 一 起 ， 两 者 之 间 保 持 很 小的 间 隙 （ 0.05mm或 0.1mm） 。 在 长 光 栅 中 标 尺 光 栅 固 定 不 动 ， 而 指 示 光 栅 安 装 在运 动 部 件 上 ， 所 以 两 者 之 间 可 以 形 成 相 对 运 动 。 在 透 射 式 直 线 光 栅 中 ， 把 主 光 栅 与指 示 光 栅 的 刻 线 面 相 对 叠 和 在 一 起 ，

35、中间 留 有 很 小 的 间 隙 ， 并 使 两 者 的 栅 线 保持 很 小 的 夹 角 ， 光 栅 节 距 为 P。 在 两 光栅 的 刻 线 重 合 处 ， 光 从 缝 隙 透 过 ， 形 成亮 带 ； 在 两 光 栅 刻 线 的 错 开 处 ， 由 于 相互 挡 光 作 用 而 形 成 暗 带 。 莫 尔 条 纹 是 周期 性 函 数 。 计 量 光 栅 主 光 栅指 示 光 栅 牛牛文库文档分享 这 种 亮 带 和 暗 带 形 成 明 暗 相 间 的 条 纹 称 为 莫 尔 条 纹 ， 条 纹 方 向 与 刻 线 方 向 近似 垂 直 。 通 常 在 光 栅 的 适 当 位 置 安

36、装 光 敏 元 件 ， 即 可 检 测 到 亮 暗 变 化 。 当 指 示 光 栅 沿 x轴 （ 例 如 水 平 方 向 ） 自 左向 右 移 动 时 ， 莫 尔 条 纹 的 亮 带 和 暗 带 将 顺序 自 下 而 上 不 断 地 掠 过 光 敏 元 件 （ 在 演 示中 就 是 我 们 的 眼 睛 ） 。 光 敏 元 件 “ 观 察 ”到 莫 尔 条 纹 的 光 强 变 化 近 似 于 正 弦 波 变 化 。光 栅 移 动 一 个 栅 距 P， 光 强 变 化 一 个 周 期 。 由 于 光 栅 的 刻 线 非 常 细 微 ， 很 难 分 辨 到 底 移 动 了 多 少 个 栅 距 ， 而

37、 利 用 莫 尔 条 纹具 有 放 大 作 用 ， 当 光 栅 移 动 了 一 个 节 距 时 P， 莫 尔 条 纹 移 动 了 一 个 宽 度 B。 且 满 足关 系 式 ： sinPB 牛牛文库文档分享 莫 尔 条 纹 有 如 下 特 征 ： 1） 平 均 效 应 ： 莫 尔 条 纹 是 由 光 栅 的 大 量 刻 线 共 同 形 成 的 ， 对 光 栅 的 刻 划 误 差 有平 均 作 用 ， 从 而 能 在 很 大 程 度 上 消 除 光 栅 刻 线 不 均 匀 引 起 的 误 差 。 2） 对 应 关 系 ： 当 指 示 光 栅 沿 与 栅 线 垂 直 的 方 向 作 相 对 移 动

38、 时 ， 莫 尔 条 纹 则 沿 光栅 刻 线 方 向 移 动 （ 两 者 的 运 动 方 向 相 互 垂 直 ） ； 指 示 光 栅 反 向 移 动 ， 莫 尔 条 纹 亦反 向 移 动 。 在 图 中 ， 当 指 示 光 栅 向 右 移 动 时 ， 莫 尔 条 纹 向 上 运 动 。 3） 放 大 作 用 ： 莫 尔 条 纹 的 间 距 是 放 大 了 的 光 栅 栅 距 ， 它 随 着 指 示 光 栅 与 主 光 栅刻 线 夹 角 而 改 变 。 越 小 ， B 越 大 ， 相 当 于 把 微 小 的 栅 距 P扩 大 了 1/sin 倍 。由 此 可 见 ， 计 量 光 栅 起 到 光

39、 学 放 大 器 的 作 用 。 牛牛文库文档分享 例 ， 对 25线 /mm的 长 光 栅 而 言 ， P 0.04mm， 若 =0.016rad， 则 B = 2.5mm.， 光敏 元 件 可 以 分 辨 2.5mm的 间 隔 ， 但 无 法 分 辨 0.04mm的 间 隔 。 计 量 光 栅 的 光 学 放 大 作 用 与 安 装 角 度 有 关 ， 而 与 两 光 栅 的 安 装 间 隙 无 关 。 莫 尔条 纹 的 宽 度 必 须 大 于 光 敏 元 件 的 尺 寸 ， 否 则 光 敏 元 件 无 法 分 辨 光 强 的 变 化 。 4） 莫 尔 条 纹 移 过 的 条 纹 数 与

40、光 栅 移 过 的 刻 线 数 相 等 。 例 如 ， 采 用 100线 /mm光 栅时 ， 若 光 栅 移 动 了 x mm（ 也 就 是 移 过 了 100 x条 光 栅 刻 线 ） ， 则 从 光 电 元 件 面 前 掠过 的 莫 尔 条 纹 也 是 100 x条 。 由 于 莫 尔 条 纹 比 栅 距 宽 得 多 ， 所 以 能 够 被 光 敏 元 件 所识 别 。 将 此 莫 尔 条 纹 产 生 的 电 脉 冲 信 号 计 数 ， 就 可 知 道 移 动 的 实 际 距 离 了 。 牛牛文库文档分享 光 电 传 感 器 输 出 信 号 波 形 当 光 栅 相 对 位 移 一 个 栅

41、距 时 ， 莫 尔 条 纹 移 动 一 个 条 纹 宽 度 ， 相 应 照 射 在 光 电 池 上 的光 强 度 发 生 一 个 周 期 的 变 化 ， 使 输 出 电 信 号 周 期 变 化 ， 其 输 出 波 形 如 图 ： 由 此 可 知 ， 只 要 计 算 输 出 电 压 的 周 期 数 ， 便 可 测 出 位 移 量 。 从 而 实 现 了 位 移 量 向 电量 的 转 换 。 在 一 个 周 期 内 ， 输 出 波 形 的 变 化 是 位 移 在 一 个 栅 距 内 变 化 的 余 弦 函 数 ， 每一 周 期 对 应 一 个 栅 距 。但 是 如 果 只 用 一 个 光 电 元

42、件 ， 其 输 出 信 号 还 存 在 两 个 问 题 ： 辨 向 问 题 ： 用 一 个 光 电 元 件 无 法 辨 别 运 动 方 向 ； 精 度 低 ； 分 辨 力 只 有 一 个 栅 距 P。 牛牛文库文档分享 辨向原理： 用两个光电元件相距B/4安装（相当于相差90空间角，B: 2=B/4: /2），如图所示，可以解决辨向问题。 当 条 纹 上 移 时 ， V2落 后 于 V1 90 。 当 条 纹 下 移 时 ， V2超 前 于 V1 90 。 因 此 ， 由 V1、 V2之 间 的 相 位 关 系 可 以 判 别 运 动 方 向 。 牛牛文库文档分享 细分技术（解决精度问题） 当

43、使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移测量时，最小分辨力为1个栅距。为了提高测量的精度，提高分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分，其电路框图如图所示。 4P 牛牛文库文档分享 莫 尔 条 纹 的 应 用莫 尔 条 纹 测 长 仪 分 长 光 栅 和 圆 光 栅 两 种 ， 光 刻 密 度 相 同 ， 通 常 为 25， 50， 100，250条 /mm。 被 广 泛 地 应 用 于 ： 1. 光 栅 数 显 表2. 光 栅 传 感 器 在 位 置 控 制 中 的 应 用3. 轴 环 式 数 显 表4. 机 械 测 长 和

44、 数 控 机 床 中 。 牛牛文库文档分享 代表性产品： 德国Heidenhain（海德汉）： 封闭式：量程3000mm，分辨力0.1 m开放式：量程1440mm，分辨力0.01m开放式：量程270mm 分辨力1nm英国Renishaw（雷尼绍）： 量程：任意分辨力： 0.1 m 0.01 m 中国长春光机所： 量 程：1000mm 分辨力：0.01 牛牛文库文档分享 2 激 光 测 距 仪(1) 脉 冲 激 光 测 距 仪脉 冲 激 光 测 距 利 用 了 激 光 的 发 散 角 小 ， 能 量 空 间 相 对 集 中 的优 点 。 同 时 还 利 用 了 激 光 脉 冲 持 续 时 间 极

45、 短 ， 能 量 在 时 间 上 相 对集 中 的 特 点 。 因 此 瞬 时 功 率 很 大 ， 般 可 达 兆 瓦 级 。 由 于 上 述 两点 ， 脉 冲 激 光 测 距 在 有 反 射 器 的 情 况 下 ， 可 以 达 到 极 远 的 测 程 ；进 行 近 距 离 (几 公 里 )测 量 时 ， 如 果 测 量 精 度 要 求 不 高 ， 不 必 使 用反 射 器 ， 利 用 被 测 目 标 对 脉 冲 激 光 的 反 射 取 得 反 射 信 号 ， 也 可 以进 行 测 距 。 牛牛文库文档分享 在 1处 产 生 的 激 光 ， 经 过 待 测 的 路 程 射 向 2处 。 在 2

46、处 装 有 向 1处 反 射 的 装 置 ，1处 至 2处 间 的 距 离 D是 待 测 的 。 如 果 在 1处 有 一 种 装 置 ， 它 能 够 测 出 脉 冲 激 光 从 1处 到 达 2处 再 返 回 1处 所 需 要 的 时 间 t， 则 式 中 c 为 光 的 传 播 速 度 。脉冲激光测距的工作原理 2/tcD 牛牛文库文档分享 取 样 器激 光 器测 器光 电 检时 钟 振 荡 器 电 子 门 计 数 器控 制 电 路放 大 电 路 整 形 电 路 复 原 电 路 发 射 光 束回 波 光 束启 动 按 钮小 孔 光 阑干 涉 滤 光 片脉 冲 测 距 仪 原 理 方 块 图

47、它 由 脉 冲 激 光 发 射 系 统 、 接 收 系 统 、 控 制 电 路 、 时 钟 脉 冲 振 荡 器 以 及 计 数 显 示电 路 等 组 成 . 牛牛文库文档分享 由光电器件得到的电脉冲，经放大器以后，输出一定形状的负脉冲至控制电路。由参考信号产生的负脉冲A(图(d)经控制电路去打开电子门。这时振荡频率一定的时钟振荡器产生的时钟脉冲，可以通过电子门进入计数显示电路，计时开始。当反射回来经整形后的测距信号B到来时，关闭电子门，计时停止。计数和显示的脉冲数如图(g)所示。从计时开始到计时停止的时间正比于参考信号与测距信号之间的时间。 则被测距离为： 取 样 器激 光 器测 器光 电 检

48、时 钟 振 荡 器 电 子 门 计 数 器控 制 电 路放 大 电 路 整 形 电 路 复 原 电 路 发 射 光 束回 波 光 束启 动 按 钮小 孔 光 阑干 涉 滤 光 片脉 冲 测 距 仪 原 理 方 块 图2/ ncD 牛牛文库文档分享 (2) 相 位 激 光 测 距 仪测 距 用 的 调 制 光 波 形 如 图 所 示 ， 若 其 调 制 频 率 为f， 光 速 为 c， 则 波 长 可 由 式 =c/f求 出 。 光 波 每 前 进 一 个 波 长 相 当 于 相 位 变 化 了2 则 距 离 D可 表 示 为 ： 2, nnND “ 光 尺 ” 测 量 距 离 原 理 图发 射

49、接 收 回 波 强 调 制正 弦 光 棱 镜合 作 目 标0D D测 距 时 ， 调 制 激 光 照 在 合 作 目 标 上 ，被 反 回 接 收 经 光 电 转 换 后 得 到 相 同 的 电信 号 ， 与 光 源 的 驱 动 电 压 相 比 较 ， 测 得相 位 差 ， 由 相 位 差 可 算 得 所 测 距 离 。 牛牛文库文档分享 为 了 便 于 理 解 测 距 仪 的 测 相 系 统 ,对 光 波 往返 二 倍 距 离 后 的 相 位 移 进 行 测 量 ， 图 中 说 明 了光 波 在 距 离 L上 往 返 后 的 相 位 变 化 。如 果 设 光 波 从 A到 A点 的 传 播

50、过 程 中 相 位 变化 (又 称 为 相 位 移 )为 ， 则 由 图 看 出 ， 被 测 距离 为 ： nNLnND s 2 fcLn s 22,2 由 上 分 析 可 知 ， 如 果 测 得 光 波 相 位 移 中 2的 整 数 N和 小 数 n， 就 可 以 确 定 出 被 测距 离 值 ， 所 以 调 制 光 波 可 以 被 认 为 是 一 把 “ 光 尺 ” ， 其 波 长 就 是 相 位 式 激 光 测 距 仪的 “ 测 尺 ” 长 度 。 牛牛文库文档分享 式 中 当 N等 于 0时 ， fc，LLnLnD sss 2222 可 由 检 相 器 检 出 ， 得 被 测 距 离

51、， 但 当 N不 等 于 0时 ， N的 大 小 不 能 确 定， 出 现 测 量 误 差 。 目 前 的 相 位 测 距 仪 只 可 测 相 位 尾 数 ， 不 能 求 整 周 期 数 N， 因 此 在 测 距 离 较 长 时 ， 选 用 较 低 的 测 尺 频 率 便 会 有 很 大 的 误 差 （ 多 值 解 ） ，而 且 由 于 仪 器 存 在 测 量 误 差 ， 选 用 大 的 测 尺 长 度 愈 大 测 距 误 差 越 大 。 解 决 方 法就 是 采 用 几 个 精 度 不 同 的 “ 光 尺 ” 配 合 使 用 。 即 除 了 基 本 测 尺 长 度 L外 ， 再 选一 个 或

52、 几 个 辅 助 测 尺 Lsb， 然 后 将 各 测 尺 的 测 距 读 数 组 合 起 来 得 到 单 一 的 和 准 确的 距 离 值 。 例 如 ： 选 用 两 把 测 尺 ， 其 中 基 本 测 尺 Lsa=1000m， 辅 助 尺 Lsb=10m， 可 用 它 来测 量 某 一 段 长 度 为 386.57m。 / 2 sD N n L N n 牛牛文库文档分享 相 位 测 距 仪 原 理 11 fT精 主 振 22 fT粗 主 振2R粗 本 振1R精 本 振 关开 关开 转 换光 路发 光 二 极 管管 放 大 器光 电 二 级me令指 混 频 器基 准 混 频 器信 号检 相运

53、 算显 示re 发 射 物 镜接 收 物 镜 目 标合 作如 图 采 用 两 个 测 尺 ， 长 度 分 别 为 10m和1000m， 对 应 的 精 度 分 别 为 1cm和 1m。 取相 应 的 频 率 为 f1=15MHz和 f2=150kHz。 由 开 关 依 次 控 制 发 光 二 极 管 供 电， 发 射 测 距 信 号 ， 进 行 两 次 测 距 。 而最 后 比 较 驱 动 信 号 和 光 电 二 极 管 输 出信 号 的 检 相 器 只 能 工 作 在 较 低 频 率 。因 而 需 要 将 高 频 电 压 转 换 到 低 频 电 压。 所 以 在 电 路 有 又 设 两 个

54、本 振 信 号 发 生 器 ， 频 率 分 别 为 ：与 主 振 频 率 分 别 通 过 基 准 和 信 号 混 频 器 进 行 外 差 ， 输 出 fC的 低 频 基 准 电 压 和 信 号 电 压 。 信 号 电 压 和 基 准电 压 都 降 为 4kHz， 但 其 相 位 仍 保 持 高 频 信 号 的 相 位 。 这 两 个 信 号 进 入 检 相 电 路 检 出 相 位 差 ， 最 后 进 入 计算 电 路 计 算 ， 将 f1和 f2两 次 测 量 结 果 在 计 算 电 路 综 合 以 后 ， 显 示 出 来 。 cR ff 11 2 cR ff 22 2 kHzfc 牛牛文库文

55、档分享 11 fT精 主 振 22 fT粗 主 振2R粗 本 振1R精 本 振 关开 关开 转 换光 路发 光 二 极 管管 放 大 器光 电 二 级me令指 混 频 器基 准 混 频 器信 号检 相运 算显 示re 发 射 物 镜接 收 物 镜 目 标合 作。 它 的 相 位 为 ：相 位 计 的 测 量 信 号 信 号 混 频 ， 产 生在 信 号 混 频 器 中 与 本 振光 检 测 器 输 出 信 号为 的 信 号 的 相 位返 回 后 由 光 检 测 器 接 收 射 镜测 量 光 束 经 合 作 目 标 反信 号 的 相 位 为则 发 光 二 极 管 发 射 主 振 ，和率 分 别

56、为例 ： 主 振 频 率 和 本 振 频msTT TT RTett , RsTRTm t 其 相 位 为 ： ，相 位 计 的 测 相 基 准 信 号混 频 器 中 混 频 后 产 生 的主 振 和 本 振 信 号 在 基 准 re RTRTr t 位 差 是 一 样 的 。 号 的 相和 直 接 测 量 高 频 调 制 信个 低 频 信 号 的 相 位 差可 见 ， 差 频 后 得 到 的 两 s为 消 除 内 部 光 学 及 电 子 学 系 统 的 误 差 ， 在 测 量 之 前 ， 把 三 角 棱 镜 放 大 发 光 二 极 管 前 面 并 对 内 光 路 测 一 次 。 然 后再 以

57、后 的 测 量 结 果 中 减 去 。 即 得 到 校 正 值 。 牛牛文库文档分享 范围：0.2 300m 分辨力： 3mm 德国俫卡手持式：范围：0.2 200m分辨力：0.2mm 美国bushwell 单目军用范围：1000m分辨力： 牛牛文库文档分享 假 定 光 波 长 =0.7m， 检 测 器 的 量 子 效 率 =1， 测 量 带 宽 f=1， 由 上 式 得 到 系 统 在 量子 极 限 下 的 最 小 可 检 测 功 率 为 18min 10P W 当 入 射 信 号 光 波 所 引 起 的 噪 声 为 直 接 检 测 系 统 的 主 要 噪 声 源 时 ， 直 接 检 测 系

58、 统 受 信 号 噪 声 限 制 ， 这 时 信 噪 比 为 ： 2 sp PSNR h f 信该 式 为 直 流 检 测 系 统 在 理 论 上 的 极 限 信 噪 比 ， 称 为 直 接 检 测 系 统 的 量 子 极 限 ， 又称 量 子 限 灵 敏 度 。若 用 等 效 噪 声 功 率 NEP值 表 示 ， 在 量 子 极 限 下 ， 直 接 检 测 系 统 理 论 上 可 测 量 的 最 小功 率 为 ： 2h fNEP 量 牛牛文库文档分享 假 定 接 收 机 和 发 射 机 在 一 处 ， 反 射 光 经 大 气 传 输 到 接 收 器 的 过 程 仍 遵 守 指 数 规 律 衰

59、 减 ，衰 减 系 数 仍 为 k()， 则 接 收 功 率 为 ： LkaT erSLDP 24 20e 4IP 式 中 ， D0为 光 学 系 统 接 收 口 径 ； = D02/4L2为 接 收 系 统 的 立 体 角 。 如 果 接 收 光 学 系 统的 透 过 率 为 02( )， 则 检 测 器 上 接 收 到 的 总 功 率 为 ： 2 20d 02 4P P 4 k Ls m aP k kS D eL 式 中 : 01 02k r 检 测 器 上 的 输 出 电 压 为 ： 2 20 s d 4V P 4 k Ls m aV VP k kS DR e RL 牛牛文库文档分享 4

60、、 直 接 检 测 系 统 应 用 举 例 （ 1） 光 电 开 关 与 光 电 转 速 计 透 射 分 离 型 主 动 开 关 也 用 于 工 业 自 动 控 制 、 自 动 报 警 及 一 些 引 爆 、 燃 烧 等 封 闭 室 内 的 室 外 点 火 控 制 牛牛文库文档分享 主 要 内 容 ： 牛牛文库文档分享 (5)开 关 法 前 面 介 绍 的 几 种 检 测 方 法 都 是 基 于 由 待 测 量 对 光 源 光 通 量 进 行 调 制 ， 然 后 用 光 电探 测 器 检 测 出 调 制 光 的 光 通 量 的 大 小 ， 属 于 模 拟 变 换 。 而 开 光 式 光 电 检

61、 测 系 统 是 通过 检 测 光 的 有 无 来 检 测 出 待 测 量 ， 属 于 数 字 变 换 ， 它 是 最 简 单 的 光 强 度 调 制 检 测 系统 。 开 关 法 最 典 型 的 光 电 检 测 系 统 的 例 子 是 光 电 转 速 计 。 转 速 n（ 单 位 r/min） 与 光 电 探 测 器 的 输 出 脉 冲 频 率 之 间 的 关 系 为 ： n=60f/m, m为 孔 数 或 齿 数 。 牛牛文库文档分享 主 要 内 容 ： 牛牛文库文档分享 辨向原理： 用两个光电元件相距B/4安装（相当于相差90空间角，B: 2=B/4: /2），如图所示，可以解决辨向问题

62、。 当 条 纹 上 移 时 ， V2落 后 于 V1 90 。 当 条 纹 下 移 时 ， V2超 前 于 V1 90 。 因 此 ， 由 V1、 V2之 间 的 相 位 关 系 可 以 判 别 运 动 方 向 。 牛牛文库文档分享 莫 尔 条 纹 的 应 用莫 尔 条 纹 测 长 仪 分 长 光 栅 和 圆 光 栅 两 种 ， 光 刻 密 度 相 同 ， 通 常 为 25， 50， 100，250条 /mm。 被 广 泛 地 应 用 于 ： 1. 光 栅 数 显 表2. 光 栅 传 感 器 在 位 置 控 制 中 的 应 用3. 轴 环 式 数 显 表4. 机 械 测 长 和 数 控 机 床 中 。 牛牛文库文档分享