第5章--光电直接检测系统要点幻灯片课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第5章-光电直接检测系统要点,相干检测，,光源：相干光源,原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息，,检测时需要用光波相干原理。,调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制,测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。,非相干检测，,光源：非相干或相干光源,原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为,电信号，解调电路检出信息。,调制方法：光强度调制、偏振调制,直接检测是一种简单实用的方法。,光外差检测,直接检测,光电检测系统,12/19/2024,2,5.1 光电直接检测系统的基本工作原理,光电直接检测系统是将待光信号直接入射到光检测器光敏面上，光检测器响应光辐射强度（幅度）并输出相应的电流和电压。,检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信号，前端还可经过频率滤波（滤光片）和空间滤波(光圈)等处理。,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,强度调制直接检测模型,12/19/2024,3,5.1 光电直接检测系统的基本工作原理,入射光信号为：,5-1,光场平均光功率为：,表示,的时间平均值；,5-2,光检测器输出电流为：,称为光电变换比例常数,5-3,12/19/2024,4,光检测器的平方律特性：,光电流正比于光电场振幅的平方，电输出功率正比于入射光功率的平方,。,5.1 光电直接检测系统的基本工作原理,若光检测器负载电阻R,L,，则光检测器输出电功率为：,5-4,如果入射光是调幅波，即,其中d(t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流为:,5-5,式中第一项为直流项，若光检测器输出端有隔直电容，则输出光电流只包含第二项，称为包络检测。,5-6,12/19/2024,5,5.2 光电直接检测系统的基本特性,5.2.1 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：,5-7,考虑到信号和噪声的独立性，有：,5-8,由信噪比定义，输出功率信噪比为：,5-9,12/19/2024,6,5.2.1 直接检测系统的信噪比,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。,(1)若,，则有：,5-10,(2)若,，则有：,5-11,12/19/2024,7,5.2.2 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：,分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。,为负载电阻和放大器的热噪声之和。,5-12,输出信噪比为：,5-13,12/19/2024,8,5.2.2 直接检测系统的检测极限,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：,5-14,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：,5-15,当背景噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统,受背景噪声限制，信噪比为：,5-16,12/19/2024,9,5.2.2 直接检测系统的检测极限,假定光波长,=0.7m，检测器的量子效率（,量子效率,=光生电子数/入射光子数。,）,=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,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：,5-17,该式为直流检测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：,5-18,12/19/2024,10,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。,5.2.2 直接检测系统的检测极限,12/19/2024,11,5.2.3 直接检测系统的视场角,直接检测系统视场角,检测器,物镜,视场角表示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：,从,观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即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(镜头的,有效孔径,和,焦距,之比,)加大，引入系统背景辐射噪声，使系统灵敏方式下降。,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。,5-19,12/19/2024,12,5.3 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,12/19/2024,13,1、被动检测系统的距离方程,被动检测过程示意图,大气传播,接收光学系统,信号处理,接收机,接收信息,光电检测,被测,目标,12/19/2024,14,设被测目标的光谱辐射强度为,经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度 为：,入射到检测器上的光谱功率 为：,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：,5-21,1、被动检测系统的距离方程,12/19/2024,15,1、被动检测系统的距离方程,都是波长的复杂函数，难有确切的解析表达式。通常作如下简化处理：,式中,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。,把检测器的光谱响应带看成是一个矩形带宽。即在响应范围内为,常数R,V,，在其它区域为零。,根据物体的温度T查表，可计算出在考查波段范围内的黑体辐射强度，,再乘以物体的平均比辐射率，可得到物体在光谱响应范围内的辐射强度,I,e,。,将上述值代入5-22式，可得：,令检测器的方均根噪声电压为V,n,，则它的输出信噪比为：,5-22,12/19/2024,16,5-23,即：,5-24,又因为：,5-25,将上式代入5-24，可得：,5-26,式中A,d,为检测器面积；,f为系统的带宽；D,*,为检测器的归一化检测度；A,o,I,e,=P,0,是入射到接收光学系统的平均功率。考虑到系统的调制特性，入射到探测器上的有效功率为：,S(,)为调制信号的功率谱,12/19/2024,17,为清楚地看出系统各部件对检测距离的影响，把调制特性考虑为对入射功率的利用系数k,m,，则上式改写为：,5-27,第一个括号是目标辐射特性及大气透过率对检测距离的影响；,第二个括号和第三个括号分别表示光学系统及检测器件特性对作用距离的影响；,第四个括号是信息处理系统对作用距离的影响。,12/19/2024,18,大气传播,接收光学系统,信号处理,接收机,回收信息,光电检测,强度,调制器,发射光,学系统,光源,信号,发射机,反射,目标,2、主动检测距离方程,主动检测过程示意图,12/19/2024,19,主动检测系统的光源主要为激光光源。令其发射功率为P,s,(,)；发射束发散立体角为；发射光学系统透过率为,01,(,)，经调制的光能利用率为k,m,，则发射机发射的功率,P,T,(,)为：,激光在大气中传播时，能量若为按指数规律衰减，令衰减系数为k(,)，经传播距离L后光斑面积为S,L,=,L,2,，光斑S,L,的辐射照度E,e,为：,设在距光源L处有一目标，其反射面积为S,a,。普通情况下把反射体看作是朗伯反射，即在半球内均匀反射，其反射系数为r。在此条件下，单位立体角的反射光辐射强度I,e,(,)为：,2、主动检测距离方程,12/19/2024,20,假定接收机和发射机在一处，能量仍为按指数规律衰减，衰减系数为k(,)，光学系统接收功率为：,式中，D,0,为光学系统接收口径；,=D,0,2,/4L,2,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,：,式中:,检测器上的输出电压为：,12/19/2024,21,式中：R,V,(,)为检测器相对光谱响应度，将5-25式代入上式得距离L为：,如果目标反射面积S,a,等于光斑照射面积,L,2,，则上式可化为：,可知，影响检测距离的因素很多，发射系统、接收系统的大气特性以及目标反射特性都将影响检测距离。,在前面计算距离时，在被动检测系统中，由于光谱范围宽，大气衰减作用以透过率表示，而在主动检测系统中，绝大多数系统是以激光做光源，激光光谱较窄，用衰减系数表示，其物理意义是等价的。,12/19/2024,22,5.4 直接检测系统的举例,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。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,。,5.4.1 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0.1,m,。,黑白光栅,12/19/2024,23,计量光栅由标尺光栅（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，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（刻线间距）为P。在两光栅的刻线（透光区）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。,这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹.,莫尔条纹是周期性函数。,计量光栅,12/19/2024,24,横向莫尔条纹特征,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不断地掠过光敏元件。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：,12/19/2024,25,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。,3）放大作用：莫尔条纹的间距B是放大了的光栅栅距P，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 倍。由此可见，计量光栅起到光学放大器的作用。如=20，就放大172倍，便于光电器件测量。,12/19/2024,26,误差的平均效应,光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。,莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,对线纹的刻划误差有平均抵消作用,几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。,例栅距W=0.02mm,接收元件尺寸1010mm,2,在10mm范围内有500条刻线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。,12/19/2024,27,莫尔条纹的特征,放大作用,放大倍数为 1/,越小,B越大。,例如=0.1时=0.1=0.12/360 =0.00175432rad,W=0.02mm B,H,=11.4592mm。,12/19/2024,28,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。,12/19/2024,29,光电传感器输出信号波形,当光栅相对位移一个栅距时，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；分辨力只为一个栅距P。,12/19/2024,30,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，V,2,落后于V,1,90。,当条纹下移时，V,2,超前于V,1,90。,因此，由V,1,、V,2,之间的相位关系可以,判别运动方向。,12/19/2024,31,四倍频细分判向原理,工作台进行长度测量时,指示光栅的移动距离为,x=NP+,其中P为光栅节距,N为指示光栅移动距离中包含的光栅线对数;为小于一个光栅节距的小数.,最简单的形式是以指示光栅移过的光栅对数N直接进行计数.,当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，,利用电子学的方法,把莫尔条纹的一个周期进行再细分,于是可以读出小数部分,使系统的分辨能力提高.电子细分可分到几十分之一到百分之一.,12/19/2024,32,常见的四倍频细分判向原理：,经过信号调节环节对信号进行细分，其电路框图如图所示，在1个条纹周期内放置4个光电二极管，在1个周期内输出4个脉冲，相位差互差90度，每一个脉冲反映了1/4个莫尔条纹周期的长度，系统分辨力提高4倍。,12/19/2024,33,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：,光栅数显表,光栅传感器在位置控制中的应用,轴环式数显表,机械测长和数控机床中。,12/19/2024,34,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,0.01,m,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,m,12/19/2024,35,5.4.2 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。,12/19/2024,36,在1处产生的激光，经过待测的路程射向2处。在2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,12/19/2024,37,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.,12/19/2024,38,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：,12/19/2024,39,2、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：,“光尺”,测量距离原理图,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。,12/19/2024,40,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点的传播过程中相位变化(又称为相位移)为，则由图看出，被测距离为：,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。,12/19/2024,41,式中当N等于0时，,可由检相器检出，得被测距离，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，再选一个或几个辅助测尺L,sb,，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L,sa,=1000m，辅助尺L,sb,=10m，可用它来测量某一段长度为386.57m。,12/19/2024,42,差频相位检测原理,调制频率越高,测量精度越高.但是,一般相位计工作在低频区.,差频后两信号都工作在低频区,但相位差仍保持高频信号的相位差,s,.,差频后:,12/19/2024,43,相位测距仪原理,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f,1,=15MHz和f,2,=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f,C,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f,1,和f,2,两次测量结果在计算电路综合以后，显示出来。,12/19/2024,44,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。然后再以后的测量结果中减去。即得到校正值。,12/19/2024,45,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：1m,12/19/2024,46,本章结束,作业题：,P133,T6、8、9、10,12/19/2024,47,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,