非相干光的检测与变换

1 第七章非相干光变换与检测 2 第一节光电信号变换与光电测量系统概述 非相干光学信号是指光载波为非相干光 用于检测光功率 光频率或相位 或者光载波是相干的 但检测的是光功率 3 变换的目的 1 将待处理的信息加载到光载波上 得到光载波的信号 2 改善系统的时间或空间分辨率和动态品质 用以提高传输效率和检测精度 3 改善系统的检测信噪比 提高系统可靠性 4 变换的方法 借助于几何光学 物理光学 光电子学等 几何光学 直线性 透射 反射 折射 成像等 物理光学 干涉 衍射 光强 波长变换 偏振等 光电子学 电光效应 声光效应 磁光效应 空间调制等 5 光电信号变换方法与应用范围 6 光源 光学变换系统和光电接收器件构成了光电检测系统 直接检测光电系统 相干检测光电系统 光信息为光强 被测量被携带于光载波的强度之中 光电器件直接接收光强度变化 再用解调的方法检测出被测信息的系统 光信息加载于相干光源的光载波的振幅 频率 相位之中的系统 7 非相干检测光电系统 光源为非相干光 用调制的方法使被测信息加载于调制光的幅度 频率 相位之中 再用光电检测的方法从调制光检测出被测信息的系统 8 光电变换的基本形式 1 被测对象为辐射源的形式 9 光电探测器件直接探测物体本身的辐射量以确定目标物的存在 光电变换的基本形式 1 被测对象为辐射源的形式 为了克服直流放大器中零点漂移和环境温度的影响 以及减少背景辐射的噪声干扰 常采用光学调制技术或电子斩波器调制 通过滤波器可提高信噪比 10 1 被测对象为辐射源的形式 设物体全辐射通量密度 光电变换的基本形式 在近距离测量时 前置放大器输出电压信号 不计大气吸收 发射率 波尔兹曼常数 T 绝对温度 光学系统的透过率 m 光学调制系统的透过率 S 光电器件光电灵敏度 G 电路变换系数 A 放大器放大倍数 R 光电变换系数 11 光电变换的基本形式 2 光透过被测对象的形式 12 光电变换的基本形式 当光透过均匀介质时 光被吸收而减弱的规律为 2 光透过被测对象的形式 0 入射到介质表面的通量 介质吸收系数 d 介质的厚度 实验表明 在液体或气体中 值与物质的浓度成正比 表示液体或气体对光的吸收性质 浓度 光电变换器的输出电压为 13 光电变换的基本形式 3 光由被测对象反射的形式 14 光反射有镜面反射和漫反射两种形式 其反射的物理性质有所不同 光电变换的基本形式 3 光由被测对象反射的形式 15 光电变换的基本形式 4 光由被测对象遮挡的形式 16 光电变换的基本形式 设光电器件光敏面的宽度和高度为b 而被测物体的宽度大于b 物体遮挡光的位移量为 l 则物体遮挡入射到器件的光照面积的变量为 4 光由被测对象遮挡的形式 变换器输出位移量的信号电压为 17 光电变换的基本形式 5 被测对象经光信息量化的形式 18 光电变换的基本形式 6 光传输信息的形式 19 第二节光电直接检测系统的基本工作原理 检测系统可经光学变换或直接由检测器接收被测信号在其前端还可经过频率滤波 如滤光片 和空间滤波 如光阑 等处理此时光学变换也接收到背景辐射 并与信号一起入射到检测器的光敏面上 20 假定入射的信号光强为 A 信号光强振幅 信号光的圆频率 其平均光功率为 而光检测器输出的电流为 式中 21 若检测器的负载电阻为RL 则光电检测器输出电功率为上式说明光电检测器输出的电功率正比于入射光功率的平方 22 如果入射光是调幅波 即X t 调制信号检测器件输出的电流为若光电检测器输出端由隔离直流的电容 则只有第二项输出 这就是包络检测的意思 23 光电检测系统 非相干 的基本特性 1 检测系统的信噪比设入射到检测器的信号光功率为PS设入射到检测器的噪声功率为Pn检测器输出的信号电功率为P0检测器输出的噪声功率为Pn0 24 光电检测系统 非相干 的基本特性 考虑到信号与噪声的独立性 则有 25 光电检测系统 非相干 的基本特性 根据信噪比的定义 则输出功率信噪比为 若 则有这说明输出信噪比等于输入信号比的平方由此可见 直接检测光电系统不适用于输入信噪比小于1或者微弱光信号的检测 26 光电检测系统 非相干 的基本特性 若 则有上式表明输出信噪比等于输入信噪比的一半 即经光电转换后信噪比损失了3dB 在实际应用中还是可以接受的从上述得知 直接检测方法并不能改善输入信噪比 这是其检测系统的弱点 与相干或外差系统相比 但它对不是十分微弱光信号的检测则是很适宜的检测方法 因为该方法比较简单 易于实现 可靠性高 成本低 应用广泛 27 光电检测系统 非相干 的基本特性 2 直接检测系统的检测极限及趋近方法如果考虑直接检测系统存在的所有噪声 则输出噪声的总功率为 信号光 背景光 暗电流 负载电阻及放大器热噪声之和 28 光电检测系统 非相干 的基本特性 输出信号噪声比为当热噪声是直接检测系统的主要噪声源 而其它可以忽略时 信噪比为 29 光电检测系统 非相干 的基本特性 当散粒噪声远大于热噪声时 热噪声可以忽略 则直接检测系统受散粒噪声限制 这是的信噪比为 30 光电检测系统 非相干 的基本特性 当背景噪声是直接检测系统主要噪声源时 这是的信噪比为PB为背景辐射功率扫描热检测系统的理论极限即由背景噪声极限所决定 31 光电检测系统 非相干 的基本特性 当入射的信号光波所引起的散粒噪声是系统的主要噪声源 系统受信号噪声限制上式为直接检测系统在理论上的极限信噪比 也称为直接检测系统的量子极限 32 光电检测系统 非相干 的基本特性 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以测量的最小功率为假定检测器的量子效率 1 测量带宽 f 1Hz得到系统的最小可检测功率为2h 已接近单个光子的能量 33 光电检测系统 非相干 的基本特性 3 直接检测系统的视场角视场角是直接检测系统的性能指标之一它表示系统能 观察 到的空间范围对于检测系统 被测物看作是在无限远处且物方与像方两侧的介质相同故在上述条件下检测器位于焦平面上时 其半视场角为 检测器直径 34 光电检测系统 非相干 的基本特性 或视场角立体角为而从观察范围看 即从发现目标的观点考虑 希望视场角愈大愈好从上式可看出 增大 可增大Ad或减少f而这两个方面对检测系统的影响都不利 Ad的增大 增大了系统的噪声 减少焦距使系统的相对孔径加大 一般不允许 加大后背景辐射也随之增加 检测器面积 35 光电检测系统 非相干 的基本特性 4 系统的通频带宽度频带宽度 f是光电检测系统的重要指标之一光电检测系统要求 f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 f 36 光电检测系统 非相干 的基本特性 等效矩形带宽令I 为信号的频谱 则信号的能量为等效矩形 带宽定义为I 0 为 0时的频谱分量 而I 0 I 0 为最大频谱分量 37 光电检测系统 非相干 的基本特性 例 以钟形波表示的脉冲激光信号的等效矩形带宽 激光波形为 式中 为脉冲峰值 0 激光脉冲宽度 38 光电检测系统 非相干 的基本特性 激光脉冲能量E为 39 光电检测系统 非相干 的基本特性 等效矩形带宽 1为 40 光电检测系统 非相干 的基本特性 频谱曲线下降3dB的带宽 41 光电检测系统 非相干 的基本特性 包含90 能量的带宽在90 处能量的带宽为式中 式中 42 光电检测系统 非相干 的基本特性 当给定误差函数的值时 由误差函数表可求出x值 再求出 值 即由以上分析可知 频带宽度 f愈宽 通过信号的能量愈多 但系统的噪声功率也增大 43 直接检测系统的距离方程 上述用信噪比来表示系统的灵敏度也有用检测系统距离来评价系统的灵敏度特别是在对地测距 搜索和跟踪等系统中 44 直接检测系统的距离方程 1 被动检测系统的距离方程设被测目标的光谱幅射强度为Ie 经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射强度为Ee 为被测距离L内的大气光谱透过率L为目标到光电检测系统的距离 45 直接检测系统的距离方程 入射到检测器上的光谱功率为分别为接收光学系统的入射孔径面积及光谱透过率 46 直接检测系统的距离方程 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的辐射波段 可得到检测器的输出信号电压为为光电检测器的光谱响应度令光电检测器的方均根噪声电压为Vn 则它的输出信噪比为 47 直接检测系统的距离方程 上式中的各参数都是波长的复杂函数 很难表示通常处理方法是做简化处理 取为被测距离L在区域内的平均透过率 光学系统的透过率也取在光谱范围内的平均值 把检测器对波长内的响应度看成是一个矩形带宽 即认为的光谱响应度为零 而在的光谱范围内响应度为常值 根据物体的温度T查表 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 可以得到物体在波段范围内的辐射强度Ie 48 直接检测系统的距离方程 把上述的按简化处理的各参数平均值代入输出信噪比中故可得到 49 直接检测系统的距离方程 又因 检测器的归一化检测度 检测器面积 系统的带宽 P0 A0Ie入射到接收光学系统的平均功率 50 直接检测系统的距离方程 为了清楚看出系统各部件对作用距离的影响 现把调制特性考虑为对入射功率的利用系数 目标辐射特性及大气透过率的影响 光学系统特性的影响 检测器特性的影响 信息处理系统的影响 51 直接检测系统的距离方程 2 主动检测距离方程主动检测系统的光源主要是激光光源令其发射功率为发射束发散立体角为发射光学系统透过率为经调制的光能利用率为则发射功率为 52 直接检测系统的距离方程 激光在大气中传播时 能量若按指数规律衰减 衰减系数为 经传播距离L后光斑面积为 光斑的辐射照度为设在距光源为L处有一目标 其反射面积为Sa一般情况下把反射体看成是朗伯反射 在半球内均匀反射 反射系数为r 单位立体角的反射光辐射强度为 53 直接检测系统的距离方程 假定接收机和发射机在一处 则接收功率为D0为光学系统的接收孔径为接收光学系统的立体角 54 直接检测系统的距离方程 如果接收光学系统的透过率为 则光电检测器上接收到的总功率为光电检测器上的输出电压为 55 直接检测系统的距离方程 将检测器的光谱响应度代入上式中 得到距离为若目标反射面积等于光斑照射面积 上式可简化为 56 直接检测系统的距离方程 可看出 影响检测距离的因素很多 发射系统 接收系统的大气特性及目标反射特性都将影响L 57 第三节时变光信号的直接变换与测量 58 第三节时变光信号的直接变换与测量 59 0 一 幅值法 1 直读法 S K M 60 0 一 幅值法 1 直读法 61 准直镜 读数装置 激励线圈 一 幅值法 2 指零法 62 0 x 0 1 一 幅值法 2 指零法 以上两种方法均为单通道测量方法 63 一 幅值法 3 差动法 双通道测量系统 标准透过率 被测透过率 64 若 65 66 67 一 幅值法 4 补偿法 此方法是差动法和指零法的组合 68 69 光通量的变化随被测信息呈现周期性变化时 被测量信息载荷与光通量变化次数和频率快慢之中 可用测量频率和波数方法来检测 二 频率测量法 频率法比幅值法具有更高的测量精度 主要因为频率的稳定度远高于幅值的稳定度 70 1 波数测量法 二 频率测量法 用测量光通量随被测信息变化的周期数来检测 71 1 波数测量法 二 频率测量法 光电元件光敏面上的光通量变化 当光栅位移为d 则引起光通量变化一个周期 若光通量变化周期数 波数 为N时 i 脉冲当量M 脉冲数m 细分数 一个周期内 72 2 频率测量法 二 频率测量法 若光栅有运动速度 则可对位移进行微分处理 上述两种方法都是对光通量的幅度变化不敏感 所以对光源的稳定性要求较低 73 1 相位测量法 三 光通量的相位和时间测量法 被测信息加载于光通量的相位之中 检测相位值即可确定被测值的大小 比如 光电光波测距 74 1 半导体激光器激励源2 半导体激光器3 5 光学系统4 靶镜6 光电器件7 放大电路 75 光源与激励电流成正比 光由发射到接收的时间为 相位变化量 若能测出相位变化量 就可以得到测距量 76 设辐射光通量变化一个周期 光波传播距离为L0 若再考虑折射率的影响 77 2 时间测量法 三 光通量的相位和时间测量法 利用周期性光通量的周期和单个脉冲的时间间隔来测量被测量的方法 比如 脉冲式激光测距仪 激光雷达等 78 最简单的方法就是在确定的时间起始点和终止点之间用填脉冲的方法来计数 可以得到1X10 10S的计时精度 79 光源 发送光学系统 光电测距系统 传输介质 目标物 传输介质 接收光学系统 光电检测器件 电子线路 80 激光测量技术 81 激光测距 1969年的月距实验 LURE 创造了长距离脉冲测量方法的记录 82 激光相位测距原理 激光相位测距时 连续激光光束被调幅成正弦波设调制频率为f 相应的角频率若调制光束在发射点和目标间往返一次所产生的总相位变化为 则光的往返时间为被测距离为 83 激光相位测距原理 若以 弧度作的度量单位而总可以表示为n个 和不到 小数部分之和就有 84 脉冲式激光测距系统 激光测距的分类 85 脉冲式激光测距系统 86 脉冲式激光测距系统 87 脉冲式激光测距系统 激光发射部分 88 脉冲式激光测距系统 对激光发射机基本特性的要求 89 脉冲式激光测距系统 激光电源 90 脉冲式激光测距系统 91 脉冲式激光测距系统 发射光学系统 该系统常用望远系统 主要是双反射型发射望远系统以及开普勒和伽利略望远系统 激光器再加上光学系统就组成了发射光学系统 加上光学系统主要是压缩激光发散角 缩小目标处的光斑直径 光学系统的放大倍数越大 光束发散角越小 光斑直径越小 光斑直径越小 能量越集中 发射到接收系统的能量越强 测距系统的作用距离越远 92 脉冲式激光测距系统 脉冲式最常用的发射系统是倒装的伽利略望远系统可压缩从激光器输出的光束发射角 其出射光瞳大于入射光瞳 输出的光束截面扩大 扩束作用又因伽利略望远系统没有实焦点 也就不存在激光束使空气产生电离以至能量损耗的问题 93 脉冲式激光测距系统 94 脉冲式激光测距系统 95 脉冲式激光测距系统 发散光学系统倍率的选取 视情况而定此倍率就是发散角被压缩的倍率倍率大 外形尺寸也要增大 会带来一些限制一般的测距 发散角不小于1mrad高精度 超远距测距 光束发散角可在0 1 1mrad光学系统目镜和物镜的选取要以激光束全部通过为原则 目镜通光孔径略大于激光光束直径 96 脉冲式激光测距系统 激光接收系统 97 脉冲式激光测距系统 为了尽可能将目标反射回来的激光能量会聚到探测器上要适当限制接收视场 以减少杂散光的干涉来提高接收的灵敏度和信噪比提高测距系统的测距精度和作用距离在接收器前面加上光学系统 98 脉冲式激光测距系统 接收光学系统常用牛顿型 卡塞格林 格里高里 折反射型 伽利略和开普勒望远系统接收光学系统的选型主要取决于光电探测器的类型和系统对接收系统体积的限制 99 脉冲式激光测距系统 加入特殊元件 可以提高激光测距系统 激光雷达的性能提高接收装置的灵敏度 增大作用距离提高瞄准跟踪精度 扩大增益范围 改善体积 特殊光学元件 100 脉冲式激光测距系统 1 滤光片降低背景光噪声 提高接收装置的信噪比是激光测距 激光跟踪雷达的重要问题滤光片的种类 选择性吸收滤光片 选择性散射滤光片 选择性折射滤光片 偏振滤光片等实用的滤光片大多采用基于多层膜反射干涉原理而工作的干涉滤光片 101 脉冲式激光测距系统 干涉滤光片的中心波长与它对光源的倾角有关设计时应保证能够微调干涉滤光片的倾角 使其的中心波长正好对应激光信号的中心波长 以获得最佳信噪比一般的激光测距系统 选用半宽度在30 40 范围的滤光片较合适 102 脉冲式激光测距系统 2 衰减片测量不同远近的目标时 激光的回波能量也不同若激光回波能量太强就会烧毁探测器因此需要在接收装置中加入衰减片来限制激光能量衰减片是在接收系统中实现光学自动增益的光学元件 103 脉冲式激光测距系统 常用衰减片的形式 迭层衰减片 衰减片由具有吸收特性的光学材料制成 衰减量的选择是阶梯式的双光楔衰减片 利用具有对光吸收性质的材料制成 衰减量可以实现连续的透过率变化变密度盘 利用镀膜的方法制成 104 脉冲式激光测距误差分析和测距精度 测距误差源 105 脉冲式激光测距误差分析和测距精度 激光主波和回波信号对计数器的取样脉冲部位差 测距系统的固定光延时 106 脉冲式激光测距误差分析和测距精度 提高脉冲激光测距精度的主要途径测距精度由大气折射 晶振频率 非真空光速 晶振频率稳定度 计数器的分辨率 主波与回波各经不同的线路等因素影响采取的措施 1 提高计数器频率2 时间内插法3 采用恒比定时技术4 质心探测电路 107 现代激光雷达 微波雷达与激光雷达传统雷达是以微波和毫米波作为载波的雷达激光雷达是以激光作为载波的雷达激光波长比微波和毫米波短得多激光雷达利用激光光波完成对目标的跟踪测量任务激光雷达结构和微波雷达结构原理并无本质区别 108 现代激光雷达 109 现代激光雷达 二者在波束宽度 波段 波长及频率方面有较大区别一个是微波段 工作波束宽一个是光波段 工作波束窄光的波长比微波短好几个数量级 110 现代激光雷达 111 现代激光雷达 112 现代激光雷达 113 现代激光雷达 114 现代激光雷达 115 现代激光雷达 116 现代激光雷达 激光雷达特点 117 现代激光雷达 最基本构成 118 一 几何中心检测法 第四节随空间变化的光电信号变换与检测 几何中心检测法用于光强随空间分布的光信号位置检测 也称为光学目标定位 光学目标 不考虑被测对象的物理性质 而只把它看成与背景有一定反差的几何形体或景物 119 第二节随空间变化的光电信号变换与检测 复杂图形景物 结构细密 空间频率高 亮度等极为丰富 对其测量的目的在于研究图形的细节和层次 简单光学目标 由点 线 面等规则图形组成 测量的目的在于确定图形相对于基准坐标的角度或位置偏差 被称为空间定位 120 简单光学目标 如 刻线 狭缝 十字线 光斑 方框窗口等 光学目标的信息采集通常用光学成像方法来完成 如 望远 准直 摄像 显微等系统 121 光学目标和其衬底间的反差形成物体表面轮廓 轮廓中心位置称为几何中心 通过测量与目标轮廓分布响应的响空间轮廓分布来确定物体中心位置方法为几何中心检测法 其特点 122 像分析和几何参量调制 像分析 通过对目标的像的几何中心相对基准的偏移来确定该物体在空间位置的方法 像分析器 将像相对基准位置的偏差信息变换位于基准位置有关的某一取样窗口光通量 在通过测量光通量的变化来确定物体的坐标位置 123 像分析器是将几何位置信息调制到光载波上的光通量 形成光学信号的调制器 称为G O变换器 最简单的单通道像分析器是由光学狭缝和光电元件组成的狭缝对准器物是工件上的刻线 检测刻线是否对准在光轴上 124 取狭缝宽L 像宽B 狭缝高H 像高D 当刻线中心位于光轴上时 刻线像刚好与缝重合 此时 像的透过率为 0 当刻线未对准光轴时 0 因而照度为E E0 125 简单分析上述方法的定位特性 x 为透过狭缝的光通量x为像位置坐标 像中心相对狭缝中心的偏移量 引入取样窗口的窗口函数h x 有 在理想情况下 126 127 对简单像分析器的要求 所形成的被测目标的像要有一定的照度分布在像面上要设置测光窗口 此窗口是定位基准和光路的光轴保持正确的相对位置 狭缝 刀口等 观测窗口的形状和尺寸与目标像保持严格关系 以形成确定的定位特性像分析器应由线性的定位特性照度变化 像质量 窗口质量对测量影响很大 128 结论 组成简单像分析器的基本要求像分析器的定位特性给出了该装置输出光通量和输入目标像偏移量间的定量关系 像分析器本质上是调制器或位移 光通量的变换器 影响调