第五章光電直接檢測系統1ppt課件.典型的光電檢測系統直接檢測系統（光強調制）莫爾條紋測長儀激光測距儀激光準直環境污染檢測系統光外差檢測系統激光干涉測長儀（相位調制）多普勒測速（頻率調制）光外差通信2ppt課件.光電檢測系統分類主動系統/被動系統(按信息光源分)紅外系統/可見光系統(按光源波長分)點探測/面探測系統？(按接受系統分)模擬系統/數字系統(按調制和信號處理方式分)直接檢測？/光外差檢測系統？(按光波對信號的攜帶方式分)3ppt課件.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。調制方法：光振幅調制、相位調制，頻率調制測量精度（靈敏度）更高，作用距離更遠。非相干檢測，光源：非相干或相干光源原理：利用光強度攜帶信息，將光強度轉換為電信號，解調電路檢出信息。調制方法：光強度調制、偏振調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4ppt課件.5.1光電直接檢測系統的基本工作原理光電直接檢測系統是將待光信號直接入射到光檢測器光敏面上，光檢測器響應光輻射強度（幅度）并輸出相應的電流和電壓。檢測系統經光學天線或直接由檢測器接收光信號，前端還可經過頻率濾波和空間濾波等處理。強度調制器光學天線光學通道接收天線及光電檢測器光電信號處理器光源信號發射機背景噪聲場接收機電路噪聲回收的信息強度調制直接檢測模型5ppt課件.5.1光電直接檢測系統的基本工作原理假定入射光信號電場為：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5-36ppt課件.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如果入射光是調幅波，即其中d(t)為調制信號，可推導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，稱為包絡檢測。5-67ppt課件.5.2光電直接檢測系統的基本特性5.2.1直接檢測系統的信噪比—衡量模擬系統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：5-98ppt課件.5.2.1直接檢測系統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。即經過光電轉換，信噪比損失了3dB。實際應用中可以接受。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，可靠性高，成本低，得到廣泛應用。(1)若，則有：5-10(2)若，則有：5-119ppt課件.在數字式光電系統中，噪聲對系統的影響常使用“誤碼率”來衡量。誤碼率仍然與信噪比有關。信噪比高，誤碼率低。由噪聲的概率分布規律考慮“概率問題”來衡量。10ppt課件.5.2.2直接檢測系統的檢測極限及趨近方法考慮直接檢測系統中存在的所有噪聲，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：5-1311ppt課件.5.2.2直接檢測系統的檢測極限①當熱噪聲是直接檢測系統的主要噪聲源時，直接檢測系統受熱噪聲限制，信噪比為：5-14②當散粒噪聲遠大于熱噪聲時，直接檢測系統受散粒噪聲限制，信噪比為：5-15③當背景噪聲是直接檢測系統的主要噪聲源時，直接檢測系統受背景噪聲限制，信噪比為：5-1612ppt課件.5.2.2直接檢測系統的檢測極限假定光波長λ=0.7μm，檢測器的量子效率η=1，測量帶寬Δf=1，由上式得到系統在量子極限下的最小可檢測功率為④當入射信號光波所引起的噪聲為直接檢測系統的主要噪聲源時，直接檢測系統受信號噪聲限制，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，直接檢測系統理論上可測量的最小功率為：5-1813ppt課件.在實際直接檢測系統中，很難達到量子極限檢測。實際系統總會有背景噪聲、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中實現，是因為激光光譜窄，加濾光片很容易消除背景光，實現背景限信噪比。系統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，采用有內部高增益的檢測器可使直接檢測系統趨近于檢測極限。對于光電導器件，主要噪聲為產生復合噪聲（極限散粒噪聲），光電導器件極限信噪比低，NEP較大。5.2.2直接檢測系統的檢測極限14ppt課件.5.2.3直接檢測系統的視場角直接檢測系統視場角檢測器物鏡視場角表示系統能檢測到的空間范圍，是檢測系統的性能指標之一。對于檢測系統，被測物看作是在無窮遠處，且物方與像方介質相同。當檢測器位于焦平面上時，其半視場角為：或視場角立體角Ω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系統的焦距，但對檢測器會帶來不利影響：①增加檢測器面積意味著增大系統噪聲。因為對大多數檢測器，噪聲功率和面積的平方根成正比。②減小焦距使系統的相對孔徑加大，引入系統背景輻射噪聲，使系統靈敏方式下降。因此在系統設計時，在檢測到信號的基礎上盡可能減小系統視場角。5-1915ppt課件.5.2.4系統的通頻帶寬度頻帶寬度Δf是光電檢測系統的重要指標之一。檢測系統要求Δf應保存原有信號的調制信息，并使系統達到最大輸出功率信噪比。系統按傳遞信號能力，可有以下幾種方法確定系統頻帶寬度。以脈沖激光波形為例.對于輸入信號為矩形波時，通過不同帶通濾波器的波形的分析，可知，要使系統可以復現輸入信號波形，要求系統帶寬Δf：在輸入信號為調幅波時，一般情況下取頻帶寬度為其包絡（邊頻）頻率的2倍。如果是調頻波，則要求濾波器加寬頻帶寬度，保證有足夠的邊頻分量通過系統。5-20等效矩形帶寬：頻譜曲線下降3dB的帶寬包含90%能量的帶寬16ppt課件.5.3直接檢測系統的距離方程光電檢測系統的靈敏度在不同的用途時，靈敏度的表達形式不同，在對地測距、搜索和跟蹤等系統中，通常用“檢測距離”來評價系統的靈敏度。對于其他系統的靈敏度亦可用距離方程推演出來。直接檢測系統分為被動檢測和主動檢測系統，其距離方程不同。下面分別進行推導。強度調制器光學天線光學通道接收天線及光電檢測器光電信號處理器光源信號發射機背景噪聲場接收機電路噪聲回收的信息17ppt課件.1、被動檢測系統的距離方程被動檢測過程示意圖大氣傳播接收光學系統信號處理接收機接收信息光電檢測被測目標18ppt課件.設被測目標的光譜輻射強度為經大氣傳播后到達接收光學系統表面的光譜輻射照度為：入射到檢測器上的光譜功率為：根據目標輻射強度最大的波段范圍及所選取檢測器光譜響應范圍共同決定選取的λ1―λ2的輻射波段，可得到檢測器的輸出信號電壓為：5-211、被動檢測系統的距離方程19ppt課件.1、被動檢測系統的距離方程

都是波長的復雜函數，難有確切的解析表達式。通常作如下簡化處理：式中①取τ1λ為被測距離L在光譜響應范圍內的平均透過率τ1。②光學系統的透過率τ0λ對光譜響應范圍內平均值。③把檢測器的光譜響應帶看成是一個矩形帶寬。即在響應范圍內為常數RV，在其它區域為零。④根據物體的溫度T查表，可計算出在考查波段范圍內的黑體輻射強度，再乘以物體的平均比輻射率，可得到物體在光譜響應范圍內的輻射強度Ie。將上述值代入5-22式，可得：令檢測器的方均根噪聲電壓為Vn，則它的輸出信噪比為：5-2220ppt課件.5-23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；Δf為系統的帶寬；D*為檢測器的歸一化檢測度；AoIe=P0是入射到接收光學系統的平均功率。考慮到系統的調制特性，入射到探測器上的有效功率為：S(ω)為調制信號的功率譜21ppt課件.為清楚地看出系統各部件對檢測距離的影響，把調制特性考慮為對入射功率的利用系數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表示光學系統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對作用距離的影響。22ppt課件.大氣傳播接收光學系統信號處理接收機回收信息光電檢測強度調制器發射光學系統光源信號發射機反射目標2、主動檢測距離方程主動檢測過程示意圖23ppt課件.主動檢測系統的光源主要為激光光源。令其發射功率為Ps(λ)；發射束發散立體角為Ω；發射光學系統透過率為τ01(λ)，經調制的光能利用率為km，則發射機發射的功率PT(λ)為：激光在大氣中傳播時，能量若為按指數規律衰減，令衰減系數為k(λ)，經傳播距離L后光斑面積為SL=ΩL2，光斑SL的輻射照度Ee為：設在距光源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，即在半球內均勻反射，其反射系數為r。在此條件下，單位立體角的反射光輻射強度Ie(λ)為：2、主動檢測距離方程24ppt課件.假定接收機和發射機在一處，反射光經大氣傳輸到接收器的過程仍遵守指數規律衰減，衰減系數仍為k(λ)，則接收功率為：式中，D0為光學系統接收口徑；Ω’=πD02/4L2為接收系統的立體角。如果接收光學系統的透過率為τ02(λ)，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：25ppt課件.式中：RV(λ)為檢測器相對光譜響應度，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ΩL2，則上式可化為：可知，影響檢測距離的因素很多，發射系統、接收系統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，在被動檢測系統中，由于光譜范圍寬，大氣衰減作用以透過率表示，而在主動檢測系統中，絕大多數系統是以激光做光源，激光光譜較窄，用衰減系數表示，其物理意義是等價的。26ppt課件.5.4直接檢測系統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，形成連續的透光區和不透光區。5.4.1莫爾條紋測長儀在檢測技術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象，常用于位移測量，有很高的分辨力，可優于0.1

m。黑白光柵27ppt課件.

計量光柵由標尺光柵（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θ，光柵節距為P。在兩光柵的刻線重合處，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。計量光柵28ppt課件.莫爾條紋光柵原理

構成：主光柵---標尺光柵，定光柵指示光柵---動光柵莫爾條紋測長的數學表達29ppt課件.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自下而上不斷地掠過光敏元件（在演示中就是我們的眼睛）。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距時P，莫爾條紋移動了一個寬度B。且滿足關系式：

30ppt課件.莫爾條紋有如下特征：

1）平均效應：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）對應關系：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。在圖中，當指示光柵向右移動時，莫爾條紋向上運動。

3）放大作用：莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距，它隨著指示光柵與主光柵刻線夾角θ而改變。θ越小，B越大，相當于把微小的柵距P擴大了倍。由此可見，計量光柵起到光學放大器的作用。31ppt課件.誤差的平均效應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W=0.02mm,接收元件尺寸10×10mm2,在10mm范圍內有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。32ppt課件.對應關系33ppt課件.莫爾條紋的特征放大作用放大倍數為1/θ,θ越小,B越大。例如θ=0.1°時θ=0.1°=0.1×2π/360=0.00175432radW=0.02mmBH=11.4592mm。34ppt課件.例，對25線/mm的長光柵而言，P＝0.04mm，若θ=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。

計量光柵的光學放大作用與安裝角度有關，而與兩光柵的安裝間隙無關。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數與光柵移過的刻線數相等。例如，采用100線/mm光柵時，若光柵移動了xmm（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。將此莫爾條紋產生的電脈沖信號計數，就可知道移動的實際距離了。35ppt課件.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，相應照射在光電池上的光強度發生一個周期的變化，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，便可測出位移量。從而實現了位移量向電量的轉換。在一個周期內，輸出波形的變化是位移在一個柵距內變化的余弦函數，每一周期對應一個柵距。但是如果只用一個光電元件，其輸出信號還存在兩個問題：①辨向問題：用一個光電元件無法辨別運動方向；②精度低；分辨力只為一個柵距P。36ppt課件.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:2π=B/4:π/2），如圖所示，可以解決辨向問題。

當條紋上移時，V2落后于V190°。當條紋下移時，V2超前于V190°。因此，由V1、V2之間的相位關系可以判別運動方向。37ppt課件.四倍頻細分判向原理

指示光柵相對于長光柵移過一個節距莫爾條紋變化一周.工作臺進行長度測量時,指示光柵的移動距離為

x=NP+δ

其中P為光柵節距,N為指示光柵移動距離中包含的光柵線對數;δ為小于1一個光柵節距的小數.

最簡單的形式是以指示光柵移過的光柵對數N直接進行計數.

但實際系統并不單獨計數,而是利用電子學的方法,把莫爾條紋的一個周期進行再細分,于是可以讀出小數部分,使系統的分辨能力提高.電子細分可分到幾十分之一到百分之一.

細分方法有:幅值分割、周期測量、倍頻、移項、函數變換等方法。常見的四倍頻細分判向原理38ppt課件.細分技術（解決精度問題）

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上，經過信號調節環節對信號進行細分，其電路框圖如圖所示。

39ppt課件.莫爾條紋的應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。被廣泛地應用于：光柵數顯表光柵傳感器在位置控制中的應用軸環式數顯表機械測長和數控機床中。40ppt課件.

代表性產品：

德國Heidenhain（海德漢）：封閉式：量程3000mm，分辨力0.1m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：0.1m0.01m中國長春光機所：

量程：1000mm分辨力：0.01m41ppt課件.5.4.2激光測距儀1、脈沖激光測距儀脈沖激光測距利用了激光的發散角小，能量空間相對集中的優點。同時還利用了激光脈沖持續時間極短，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。42ppt課件.

在1處產生的激光，經過待測的路程射向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為光的傳播速度。脈沖激光測距的工作原理43ppt課件.脈沖激光測距儀發射系統接收系統接收光學系統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顯示器激光器：LD，ND：YAG（調Q/鎖模）電源發射望遠系統物鏡小孔光闌干涉濾光片44ppt課件.它由脈沖激光發射系統、接收系統、控制電路、時鐘脈沖振蕩器以及計數顯示電路等組成.45ppt課件.

由光電器件得到的電脈沖，經放大器以后，輸出一定形狀的負脈沖至控制電路。由參考信號產生的負脈沖A(圖(d))經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生的時鐘脈沖，可以通過電子門進入計數顯示電路，計時開始。當反射回來經整形后的測距信號B到來時，關閉電子門，計時停止。計數和顯示的脈沖數如圖(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：46ppt課件.2、相位激光測距儀測距用的調制光波形如圖所示，若其調制頻率為f，光速為c，則波長λ可由式λ=c/f求出。光波每前進一個波長λ相當于相位變化了2π則距離D可表示為：“光尺”測量距離原理圖測距時，調制激光照在合作目標上，被反回接收經光電轉換后得到相同的電信號，與光源的驅動電壓相比較，測得相位差，由相位差可算得所測距離。47ppt課件.為了便于理解測距儀的測相系統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。如果設光波從A到A’點的傳播過程中相位變化(又稱為相位移)為φ，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φ中2π的整數N和小數?n，就可以確定出被測距離值，所以調制光波可以被認為是一把“光尺”，其波長λ就是相位式激光測距儀的“測尺”長度。48ppt課件.式中當N等于0時，

Δφ