光电检测技术-第五章

第五章 光电直接检测系统,2,光电检测系统：是指对待测光学量或由非光学带测量转换成的光学量，通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统。由光源、光学变换系统和光电接受器件构成。,光学变换系统是将光学量变换为非光学量，将一种光量变换为另外一种光量，或将联系光量变换成为脉冲光量的系统。,1）、将待测信息加载到待测波上，进而形成光电接收器件易于接受的光电信号；2）、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。3）、改善系统的信噪比，提高工作可靠性。,光学变换系统主要目的,光电直接检测系统举例简介,3,从光学原理来看，光电信号的变换方法分为几何光学法，物理光学法和光电子学法。,光电直接检测系统举例简介,光电检测系统分类,按信息光源分:主动系统/被动系统 按光源波长分:红外系统/可见光系统 按接受系统分:点探测/面探测系统 按调制和信号处理方式分:模拟系统/数字系统 按光波对信号的携带方式分:直接检测/光外差检测系统,光电直接检测系统举例简介,光电直接检测系统举例简介,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和空间滤波等处理。,强度调制直接检测模型,5.1 光电直接检测系统的基本工作原理,假定入射光信号电场为：,光场平均光功率为：,光检测器输出电流为：,称为光电变换比例常数,光电直接检测系统的基本原理,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。,若光检测器负载电阻RL，则光检测器输出电功率为：,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。,光电直接检测系统的基本原理,一、 直接检测系统的信噪比衡量模拟系统好坏及灵敏度,5.2 光电直接检测系统的基本特性,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。,光电直接检测系统的基本特性,在数字式光电系统中，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考虑“概率问题”来衡量。,光电直接检测系统的基本特性,二、 直接检测系统的检测极限及趋近方法,输出信噪比为：,光电直接检测系统的基本特性,光电直接检测系统的基本特性,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,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：,光电直接检测系统的基本特性,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。,光电直接检测系统的基本特性,三、直接检测系统的视场角,直接检测系统视场角,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：,或视场角立体角为：,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。,光电直接检测系统的基本特性,四、 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。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系统频带宽度。以脉冲激光波形为例.,对于输入信号为矩形波时，通过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：,在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。,等效矩形带宽：频谱曲线下降3dB的带宽包含90%能量的带宽,光电直接检测系统的基本特性,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。,5.3 直接检测系统的距离方程,1、被动检测系统的距离方程,被动检测过程示意图,光电直接检测系统的距离方程,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12的辐射波段，可得到检测器的输出信号电压为：,光电直接检测系统的距离方程, 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RV，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Ie。,简化之后，输出信噪比为：,光电直接检测系统的距离方程,即：,又因为：,由上面两式可得：,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km，则上式改写为：,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。,光电直接检测系统的距离方程,大气传播,2、主动检测距离方程,主动检测过程示意图,主动检测系统的光源主要为激光光源。令其发射功率为Ps()；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km，则发射机发射的功率PT()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SL=L2，光斑SL的辐射照度Ee为：,设在距光源L处有一目标，其反射面积为Sa。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Ie() 为：,光电直接检测系统的距离方程,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减，衰减系数仍为k()，则接收功率为：,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：,检测器上的输出电压为：,光电直接检测系统的距离方程,式中：RV()为检测器相对光谱响应度，将RV()代入上式得距离L为：,如果目标反射面积Sa等于光斑照射面积L2，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。,28,5.4 直接检测系统的举例,一、 莫尔条纹测长仪,莫尔条纹的形成原理:两块参数相近的透射光栅以小角度叠加，产生放大的光栅。,莫尔条纹演示,光电直接检测系统举例,条纹间距的计算,为了便于分析和计算，将两个光栅及其叠加结果绘制成如右图所示的局部放大示意图。,光电直接检测系统举例,利用以上关系可以计算出莫尔条纹的间隔,由余弦定理得,由平行四边形ABCD的面积S，有,光电直接检测系统举例,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：W=0.02mm, 接收元件尺寸1010mm2,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。,莫尔条纹特征：,1）平均效应,光电直接检测系统举例,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。在图中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。,光电直接检测系统举例,莫尔条纹的间隔,p1=p2=p时，根据,莫尔条纹有放大作用。,3）放大作用,当非常小时，可以将上式进一步简化为：,光电直接检测系统举例,两块光栅，一块作为定光栅固定不动，另一块作为动光栅，固定在被测的运动物体上。若被测物体沿光栅条纹排列方向移动光栅常数p的距离，则莫尔条纹变化m，所以莫尔条纹将位移放大了1/倍。莫尔条纹的放大倍率仅取决于两个光栅之间的角度，在测量中可以根据测量精度的需要任意调整。,测量微小位移,例，对25线/mm的长光栅而言，P0.04mm，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。,光电直接检测系统举例,将mp /做微分运算，并改写成有限变量的形式,测量微小角度,根据上式可以动光栅与静光栅之间角度的微小变化量。例如，光栅常数为p=0.002mm,两块光栅的角度为=0.01，当动光栅与静光栅之间的角度发生=1的变化量时，莫尔条纹宽度从11.459变到11.149，莫尔条纹的变化量为m=0.31，这一变化量是很容易测量的。,光电直接检测系统举例,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100x条光栅刻线），则从光电元件面前掠过的莫尔条纹也是100x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。,莫尔条纹特征：,光电直接检测系统举例,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。,光电直接检测系统举例,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。,光电直接检测系统举例,四倍频细分判向原理,指示光栅相对于长光栅移过一个节距莫尔条纹变化一周.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1一个光栅节距的小数. 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. 但实际系统并不单独计数,而是利用电子学的方法,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. 细分方法有:幅值分割、周期测量、倍频、移项、函数变换等方法。 常见的四倍频细分判向原理,细分技术（解决精度问题） 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，经过信号调节环节对信号进行细分，其电路框图如图所示。,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。,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 m,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。,2、激光测距仪,光电直接检测系统举例,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,光电直接检测系统举例,脉冲激光测距仪,发射系统,接收系统,接收光学系统光电探测器低噪声宽带放大器整形电路,门控电路,时钟脉冲振荡器,计数显示器,激光器：LD，ND：YAG（调Q/锁模）电源发射望远系统,物镜小孔光阑干涉滤光片,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.,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：,光电直接检测系统举例,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。,光电直接检测系统举例,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。,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