光电信号检测1(2012)

1、光电信号检测教材教材 光电信号检测原理与技术光电信号检测原理与技术 赵远编赵远编 机械工业出版社机械工业出版社参考教材参考教材 光电技术光电技术 江文杰等江文杰等 科学出版社科学出版社 光电检测技术光电检测技术 蒲昭邦蒲昭邦 机械工业出版社机械工业出版社 红外物理红外物理 张建奇等张建奇等 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社授课教师授课教师 赵远赵远 联系电话联系电话 86414120(O)引言：引言： 近代科学技术的特点是对物质运动变化进行定量的描述近代科学技术的特点是对物质运动变化进行定量的描述和控制，必须对物理量进行测量和控制，必须对物理量进行测量直接

2、测量：直接测量： 利用已有的确定标准完成，如：米尺、卡尺、千分尺利用已有的确定标准完成，如：米尺、卡尺、千分尺间接测量：间接测量： 利用物理规律（物理量之间的变化规律）完成测量利用物理规律（物理量之间的变化规律）完成测量如：迈克尔逊干涉仪如：迈克尔逊干涉仪 测量精度达到波长量级测量精度达到波长量级 1010-5-51010-7-7m m。光的变化光的变化 光强变化（能量），偏振变化。光强变化（能量），偏振变化。检测光的变化检测光的变化 当时只能依靠人眼的直接观察。当时只能依靠人眼的直接观察。31014Hz31011Hz300G300MHz300M300Hz射线X射线紫外线可见光 红外线无线电波

3、微波10-8 10-6 10-4 10-2 10-11 10 102 104 106 108 1010 1012波长波长/m/m10 2050102200500 1032000 5000104 2104 波长波长( (毫微米毫微米nm)近中远极远远近390770nm770nm1mm10390nm电磁波谱光电子技术：光电子技术： 光电子技术主要研究光的产生、控制、传输及其探测技术。光子技术和电子技术的结合。 光的产生： 激光原理 光的控制、传输： 激光技术 光纤技术光与物质的相互作用 光学材料 光子学光的探测 光电检测技术光电检测技术的含义：光电检测技术的含义： 光电检测是利用光探测器件把光辐射

4、转化成电信号，经光电检测是利用光探测器件把光辐射转化成电信号，经过一系列电信号的处理，提取某些必需的信息。过一系列电信号的处理，提取某些必需的信息。利用的基本原理利用的基本原理光电效应、光热效应光电效应、光热效应光电探测系统的构成和原理光电探测系统的构成和原理 光源光源传输路径传输路径目标及目标及背景背景光电光电转换转换显示显示记录记录计算机及计算机及信号处理信号处理1、光辐射与目标相互作用产生信息载体（信号光）、光辐射与目标相互作用产生信息载体（信号光）2、对信号光传输变化进行控制、对信号光传输变化进行控制3、光辐射（信号光）的探测过程，利用光探测器把光、光辐射（信号光）的探测过程，利用光探

5、测器把光辐射转换为电学量辐射转换为电学量4、利用电子学和计算机技术提取信息、利用电子学和计算机技术提取信息光电检测的优点：1、角分辨率高2、距离分辨率高3、频带宽、通信容量大4、光谱分辨率高5、非线性光学效应2L2CRB光电检测技术的主要应用范围光电检测技术的主要应用范围 1辐射度量和光度量的检测辐射度量和光度量的检测 （光辐射能量的检测）（光辐射能量的检测） 采用光电检测的方法来测定光度量和辐射度量。采用光电检测的方法来测定光度量和辐射度量。方法简便，能达到很高的精度。方法简便，能达到很高的精度。 目前常用的这类仪器有：光强度计、光亮度计、目前常用的这类仪器有：光强度计、光亮度计、辐射计、以

6、及辐射计、以及光测高温计光测高温计和和辐射测温仪辐射测温仪等。等。 2光学材料、元件的检测光学材料、元件的检测 光学仪器及测量技术中所涉及的材料、元件的测光学仪器及测量技术中所涉及的材料、元件的测量，如：材料、元件的光谱特性；都需要借助于量，如：材料、元件的光谱特性；都需要借助于光电检测的方法来实现测量。光电检测的方法来实现测量。3非光物理量的光电检测和控制非光物理量的光电检测和控制所能完成的检测对象十分广泛。包括所能完成的检测对象十分广泛。包括: :把非光物理量转换为光信号。再对带有待测信息的光信号把非光物理量转换为光信号。再对带有待测信息的光信号进行光电检测，实现对待测非光物理量的检测进行

7、光电检测，实现对待测非光物理量的检测。各种射线强度各种射线强度；各种几何量如尺度各种几何量如尺度、坐标坐标；各种机械量；各种机械量如重量、应力、压强、位移、速度、加速度、转速、振如重量、应力、压强、位移、速度、加速度、转速、振动、流量，以及动、流量，以及材料的硬度和强度材料的硬度和强度等参量；。等参量；。光电检测技术系统的应用光电检测技术系统的应用激光雷达，测距，定位，夜视激光雷达，测距，定位，夜视光通信，宽带网光通信，宽带网DVD, VCDDVD, VCD，光驱，光电隔离光驱，光电隔离数码相机，公安交通监测，森林防火报警数码相机，公安交通监测，森林防火报警医学影像，微光电视医学影像，微光电视

8、航空、卫星遥感，深海测量航空、卫星遥感，深海测量傅立叶光谱，天文干涉光谱仪傅立叶光谱，天文干涉光谱仪光电探测系统的构成和原理光电探测系统的构成和原理1防盗报警系统防盗报警系统 放大报警鉴别后处理后处理菲涅耳透镜探测器光电探测系统的构成和原理光电探测系统的构成和原理2.2.红外测温系统红外测温系统光电探测系统的构成和原理光电探测系统的构成和原理A/D计算机计算机D/A打印谱图打印谱图白光白光探测器探测器A/D计算机计算机D/A打印谱图打印谱图白光白光A/D计算机计算机D/A打印谱图打印谱图白光白光动镜动镜 M2M2探测器探测器A/D计算机计算机D/A打印谱图打印谱图白光光源白光光源探测器探测器A

9、/D计算机计算机D/A打印谱图打印谱图A/D计算机计算机D/A打印谱图打印谱图固定镜固定镜 M1M1动镜动镜 M2M2探测器探测器样品样品3.傅立叶变换光谱议傅立叶变换光谱议光电探测系统的构成和原理光电探测系统的构成和原理4.4.单脉冲激光测距雷达单脉冲激光测距雷达 光电探测系统的构成和原理光电探测系统的构成和原理5. 红外红外3D激光成像雷达激光成像雷达光电检测系统的分类和应用范围光电检测系统的分类和应用范围光电系统光电系统光谱光谱可见光光电系统可见光光电系统红外光电系统红外光电系统照明照明被动照明系统被动照明系统主动照明系统主动照明系统功能功能用途用途光学计量测试系统光学计量测试系统光电控

10、制系统光电控制系统搜索、跟踪、距离和方位的系统搜索、跟踪、距离和方位的系统温差分布、热成像系统温差分布、热成像系统天文、医学、军事光电系统天文、医学、军事光电系统光电光电探测技术的发展方向探测技术的发展方向3 3、光电检测系统的发展：光电检测系统的发展：在不改变被测物性质的条件下，在不改变被测物性质的条件下，检测非接触化，远程化。多信息量：多光谱、多变量，检测非接触化，远程化。多信息量：多光谱、多变量，图像。集成化、自动化、图像。集成化、自动化、“智能智能”化。化。 1、 “光子挑战电子，电子联盟光子光子挑战电子，电子联盟光子” 利用利用光子技术可光子技术可望突破电子技术中逻辑门器件运行速度的

11、望突破电子技术中逻辑门器件运行速度的“瓶颈效应瓶颈效应”，可以大大提高信息处理的速度和扩大信息传输的容量。可以大大提高信息处理的速度和扩大信息传输的容量。 2、光电子材料的研究得到了迅速发展，特别是半导体超晶、光电子材料的研究得到了迅速发展，特别是半导体超晶格材料和量子阱结构与器件的研究发展，使垂直腔面发射格材料和量子阱结构与器件的研究发展，使垂直腔面发射激光器得以实现。光子晶体半导体新型光子器件、有机聚激光器得以实现。光子晶体半导体新型光子器件、有机聚合物光子晶体、光子晶体光纤和光子晶体光纤放大器均取合物光子晶体、光子晶体光纤和光子晶体光纤放大器均取得了一定的进展，得了一定的进展， 光电探测

12、器件向着高灵敏度和高性能方向发展，光电探测器件向着高灵敏度和高性能方向发展， 其工作其工作波长范围也向红外、紫外方向扩展。波长范围也向红外、紫外方向扩展。第一章：光辐射物理光辐射物理第二章：光辐射探测器光辐射探测器第三章：光辐射直接探测和外差探测光辐射直接探测和外差探测第四章：光电信号的前置放大电路和滤波光电信号的前置放大电路和滤波第五章：微弱信号检测微弱信号检测第六章 典型的光电信号检测系统典型的光电信号检测系统 光电信号检测课程内容( (一一) ) 光辐射的度量光辐射的度量 tQPQV一、辐射度量的基本物理量一、辐射度量的基本物理量 1）辐射能量辐射能量 Q 以电磁波的形式发射、传输或接收

13、的能量以电磁波的形式发射、传输或接收的能量2) 辐射能密度辐射能密度 辐射场单位体积中的能量辐射场单位体积中的能量(J/m3)3）辐射功率辐射功率 P 单位时间内发射传输接收的辐射能量单位时间内发射传输接收的辐射能量(J)第一章第一章 光辐射物理基础光辐射物理基础(W)点源与扩展源点源与扩展源 当不使用光学系统时，相对观测者辐射源的最大尺寸小于当不使用光学系统时，相对观测者辐射源的最大尺寸小于观测距离十倍以内时，一般都可称为观测距离十倍以内时，一般都可称为点辐射源点辐射源，否则，即，否则，即为扩展源。为扩展源。 当使用光学系统时，充满光学系统视场的辐射源作扩展源当使用光学系统时，充满光学系统视

14、场的辐射源作扩展源处理，而未充满视场的则算作处理，而未充满视场的则算作点源点源。立体角：立体角：半径为半径为R R的部分球面的部分球面A A的边缘各点对球心连线所包围的空间的边缘各点对球心连线所包围的空间A OR2AR ApMpI4) 辐射辐射度度 M 辐射源辐射源单位表面积单位表面积向向半球空间半球空间发射的功率发射的功率 (W/m2)5)辐射强度辐射强度 I 点辐射源点辐射源在某方向单位立体角的辐射功率在某方向单位立体角的辐射功率 (W/Sr)dAd Sn rcos2ApLApE6)辐射亮度辐射亮度 L 扩展源扩展源在某方向单位投影面积和单位立体角发在某方向单位投影面积和单位立体角发 射的

15、辐射功率射的辐射功率 (W/m2Sr) 7)辐射照度辐射照度 E 入射到单位接收表面上的辐射功率入射到单位接收表面上的辐射功率 (W/m2)dAd rn光谱辐射度量和光子辐射度量光谱辐射度量和光子辐射度量 光谱辐射量光谱辐射量 指定波长附近单位波长间隔内的辐射量， APMqMMh 光子辐射量光子辐射量 单位时间发射或接收的光量子数定义的各辐射量光度学光度学：以：以“标准人眼标准人眼”的视觉响应对辐射量进行度量的视觉响应对辐射量进行度量1 1、人眼的视觉响应存在生理、心理影响，光度学不是、人眼的视觉响应存在生理、心理影响，光度学不是客观标准客观标准2 2、19241924年国际照明委员会，根据年

16、国际照明委员会，根据200200多位观察者的测定，多位观察者的测定，给出平均人眼对可见光的平均灵敏度，称为人眼视觉函给出平均人眼对可见光的平均灵敏度，称为人眼视觉函数数1 1）视觉函数视觉函数（光效函数）（光效函数）V()明视明视V()，峰值波长，峰值波长555nm555nm（绿（绿光），锥体细胞的强光反应光），锥体细胞的强光反应暗视暗视V()，峰值波长，峰值波长505nm505nm，杆，杆体细胞的弱光反应体细胞的弱光反应1.0400505555750 /nmV( )明视暗视2）光度的基本物理量）光度的基本物理量 光能量光能量 Q 以电磁波的形式发射、传输或接收的能量（只考虑可见光）以电磁波的

17、形式发射、传输或接收的能量（只考虑可见光） 光能密度光能密度 辐射场单位体积中的光能量辐射场单位体积中的光能量QVtQF流明流明 (lm) 光通量光通量 F 单位时间内发射、传输、接收的光能量单位时间内发射、传输、接收的光能量FcV P3）光度量与辐射度量间的对应关系光度量与辐射度量间的对应关系在明视情况下，在明视情况下，波长波长0.555m0.555m 的的 V()=1. V()=1. ，c=683c=683/ / 1W 辐射功率 = 683 Lm 光通量。 对于对于 0.555m 以外的光辐射以外的光辐射1W 辐射功率 = 683 V() Lm 光通量FcV P 面发光度（光出射度）面发光

18、度（光出射度） M M 面光源单位表面积向半球空间发射的光通量面光源单位表面积向半球空间发射的光通量 （lm/m2)AFM 光强度光强度 I 点辐射源点辐射源在某方向单位立体角的光通量在某方向单位立体角的光通量(lm/Sr=cd) 坎德拉坎德拉FI1 Candela（坎德拉）（坎德拉）1流明流明/单位立体角，在英制单位立体角，在英制cd=烛光烛光cd是光度学的基本单位，19791979年国际计量大会通过决议：年国际计量大会通过决议：“cd“cd是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出的频率是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出的频率为为54054010101212HzHz的单色辐射，且在

19、此方向上的辐射强度为的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为（1/6831/683）W/sr”W/sr” 光照度光照度 E 入射到单位接收表面上的光通量入射到单位接收表面上的光通量（lm/m2=lx)勒克斯勒克斯AFE 光亮度光亮度 L 扩展源扩展源在某方向单位投影面积和单位立体角发射的光通量在某方向单位投影面积和单位立体角发射的光通量 （lm/m2Sr=nt）（尼特）（尼特）cos2AFL（三）朗伯余弦定律与小面源辐射特性三）朗伯余弦定律与小面源辐射特性1 1、朗伯余弦定律：辐射源（反射体）单位表面积向某一方向、朗伯余弦定律：辐射源（反射体）单位表面积向某一方向单位立体角发射（或反射）的辐射功率

20、，与该方向与表面法单位立体角发射（或反射）的辐射功率，与该方向与表面法线的余弦成正比线的余弦成正比cosPBA00lim/cosALPAB 2 2、朗伯辐射源的辐射亮度、朗伯辐射源的辐射亮度3 3、朗伯辐射源、朗伯辐射源L L与与M M的关系的关系22coscos sindPMLdLd dLdA d ndAA光电探测系统的构成和原理光电探测系统的构成和原理 典型光电检测系统典型光电检测系统光源光源传输路径传输路径目标及目标及背景背景光电光电转换转换显示显示记录记录计算机及计算机及信号处理信号处理 黑体黑体 能够能够完全吸收完全吸收入射辐射功率并具有入射辐射功率并具有最大辐射强最大辐射强度度的物

21、体，称为绝对黑体。不能完全吸收入射辐射的物体，称为绝对黑体。不能完全吸收入射辐射功率的物体，称为温度辐射体，或非黑体。功率的物体，称为温度辐射体，或非黑体。 具有具有同一温度同一温度的非黑体与黑体的辐射度之比，称的非黑体与黑体的辐射度之比，称为物体的发射率，或称为发射本领，记为为物体的发射率，或称为发射本领，记为（T）。( )( )( )MTTMT非黑体黑体二、人工辐射源及目标、背景的辐射特性二、人工辐射源及目标、背景的辐射特性灰体与选择辐射体选择辐射体 发射率发射率不随不随波长变化且波长变化且（T T）1 N1 光学谐振腔光学谐振腔-使受激辐射加强，形成激光输出。使受激辐射加强，形成激光输出

22、。 激光的特点激光的特点 高方向性，发散角小，沿光轴方向直线传播；高方向性，发散角小，沿光轴方向直线传播； 高亮度与高功率密度高亮度与高功率密度 极高的单色性，极高的单色性， 10100:1,100:1,垂直垂直脉冲宽度脉冲宽度15ns30kHz15ns30kHz长时间功率长时间功率稳定性稳定性 2%(82%(8小时小时以上以上) )脉冲稳定性脉冲稳定性2%rms2%rms升温时间升温时间1010分钟分钟空间模式空间模式TEM00TEM00光束直径光束直径(1/e(1/e2 2) )0.36mm0.36mm光束发散角光束发散角4.54.5毫弧度毫弧度静态准直裕量静态准直裕量光束位置光束位置光束

23、角度光束角度0.2mm0.2mm2 2毫弧度毫弧度 调调Q YAG固体激光器参数固体激光器参数 二极管泵浦固体激光器二极管泵浦固体激光器（DPL） 产品型产品型号号 波长波长（nm） 平均功率平均功率（W）（10KHz)重复频重复频率率（KHz） 光束发散光束发散角（角（mrad） 模模式式 脉宽脉宽（ns） 稳定性稳定性（）（） GYB2-05Y532305 25 4多模 120 2GYL20-01Y1064205 25 4单膜 120 2GYL100-01Y10641005 25 5多模 120 2GYL200-01Y1064200 8多模 42）气体激光器）气体激光器 氦氖气体激光器 采

24、用气体作激光工作物质，工作稳定，结构采用气体作激光工作物质，工作稳定，结构简单，造价低廉，使用方便。简单，造价低廉，使用方便。直流电源毛细管钼筒反射镜反射镜激光 采用气体作激光工作物质，工作稳定，结构采用气体作激光工作物质，工作稳定，结构简单，造价低廉，使用方便。简单，造价低廉，使用方便。23S21S共振转移3S2S1S632.8 nm3390nm1150nm11SHeNe3P2P23S21S共振转移3S2S1S632.8 nm3390nm1150nm氦氖激光器氦氖激光器 二氧化碳激光器二氧化碳激光器 以以COCO2 2气体为工作物质的激光器。特点：气体为工作物质的激光器。特点：可获得大的激光

25、功率和丰富的激光谱线，可获得大的激光功率和丰富的激光谱线，光束质量好、工作稳定。光束质量好、工作稳定。N2V=0V=1碰撞碰撞转移转移001100020010000CO2激激发发激激发发10.6mm9.6mm 二氧化碳激光器二氧化碳激光器CO2激光器参数激光器参数(G-150) 平均功率范围10 - 150W光束椭圆度光束椭圆度使用整形器不作整形 1.2:12.0:1 峰值有效功率375 W脉冲能量范围5-300mJ功率稳定性+10%最小脉冲周期(最高频率)10s (100kHz)光束发散角光束发散角（全角）使用整形器不作整形 9.0mrad12.5mrad 脉冲上升下降时间100:1光束指向

26、稳定性200rad氩离子激光器氩离子激光器氩离子激光器由放电管、磁场和谐振腔组成。氩离子激光器由放电管、磁场和谐振腔组成。激光跃迁能级激光跃迁能级 波长波长(nm) 功率（功率（W）4P2S01/24S2P1/2 457.9 0.354P2D03/24S2P3/2 472.7 0.304P2P03/24S2P1/2 476.5 0.754P2D05/24S2P3/2 488.0 1.504P2D03/24S2P1/2 496.5 0.704P4D05/24S2P3/2 514.5 2.004P4D03/24S2P3/2 528.7 0.34氩离子激光器的能级图3P44S电子转移电子转移电子转移电子转移真真空空紫紫外外激光激光3PAr基态基态Ar+基基态态3P44P氩离子激光器氩离子激光器3）染料激光器 以液体物质为激光介质的激光器，其突出特点以液体物质为激光介质的激光器，其突出特点是输出波长可以调谐，光束光学质量好是输出波长可以调谐，光束光学质量好 染料分子由许多原子组成，结构复杂，常见的染料分子由许多原子组成，结构复杂，常见的有若丹明、二乙基噻三碳化菁、有若丹明、二乙基噻三碳化菁、7 7羟基香豆素羟基香豆素T0T1S1S2S0激光半导体激光器 半导体激光器特点是：体积小、重量轻、结半导体激光器特点是：体积小、重量轻、结构简单，可由电源直接调制发光，具有较高的效构简单，可由电源直