《光电测量技术》(第七章)

1、1第七章第七章非相干光变换与检测非相干光变换与检测2第一节第一节光电信号变换与光电测量系统概述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，但或相位，或者光载波是相干的，但检测的是光功率检测的是光功率3变换的目的变换的目的1）将待处理的信息加载到光载波上，得到光载）将待处理的信息加载到光载波上，得到光载波的信号波的信号2）改善系统的时间或空间分辨率和动态品质，）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用以提高传输效率和检测精度3）改善系统的检

2、测信噪比，提高系统可靠性）改善系统的检测信噪比，提高系统可靠性4变换的方法变换的方法借助于借助于几何光学、物理光学、光电子学几何光学、物理光学、光电子学等等 几何光学：直线性、透射、反射、折射、成像等几何光学：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、空间光电子学：电光效应、声光效应、磁光效应、空间调制等调制等5光电信号变换方法与应用范围光电信号变换方法与应用范围 变换方法变换方法光学原理光学原理应用范围应用范围几何光学法几何光学法透射、反射、折射、散射、遮透射、反射、折射

3、、散射、遮光、光学成像等非相干光学现象光、光学成像等非相干光学现象或方法或方法光开关、光学编码、光扫描、瞄准定光开关、光学编码、光扫描、瞄准定位、光准直、外观质量检测、测长测位、光准直、外观质量检测、测长测角、测距等角、测距等物理光学法物理光学法干涉、衍射、散斑、全息、波长干涉、衍射、散斑、全息、波长变换、光学拍频、偏振等相干光变换、光学拍频、偏振等相干光学现象或方法学现象或方法莫尔条纹、干涉计量、全息计量、散莫尔条纹、干涉计量、全息计量、散斑计量、外差干涉、外差通信、光谱斑计量、外差干涉、外差通信、光谱分析、多普勒测速等分析、多普勒测速等光电子学法光电子学法电光效应，声光效应、磁光效电光效应

4、，声光效应、磁光效应、空间光调制、光纤传光与传应、空间光调制、光纤传光与传感等感等光调制、光偏转、光开关、光通信、光调制、光偏转、光开关、光通信、光记录、光存储、光显示等光记录、光存储、光显示等6 光源、光学变换系统和光电接收器件光源、光学变换系统和光电接收器件构成了光电检测系统构成了光电检测系统直接检测光电系统直接检测光电系统相干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，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

5、光载波的振幅、频光信息加载于相干光源的光载波的振幅、频率、相位之中的系统率、相位之中的系统7 非相干检测光电系统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用光电检测的方法从调制光检测出被测信息的系统的系统8光电变换的基本形式光电变换的基本形式1)1)被测对象为辐射源的形式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。量以确定目标物的存在。光电变换的基本形式光电变换

6、的基本形式1)1)被测对象为辐射源的形式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温度的影响，以及减少背景辐射的噪声干扰干扰常采用光学调制技术或电子斩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。波器调制，通过滤波器可提高信噪比。101)1)被测对象为辐射源的形式被测对象为辐射源的形式 设物体全辐射通量密度设物体全辐射通量密度4TM光电变换的基本形式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在近距离测量时，前置放大器输出电压信号（不计大气吸收）（不计大气吸收）发射率；发射率；波尔兹曼常

7、数；波尔兹曼常数；T绝对温度绝对温度MRmSGAMU0光学系统的透过率；光学系统的透过率；m光学调制系统的透过率；光学调制系统的透过率；S光电器件光电光电器件光电灵敏度；灵敏度；G电路变换系数；电路变换系数；A放大器放大倍数；放大器放大倍数；R光电变换系数光电变换系数11光电变换的基本形式光电变换的基本形式2)2)光透过被测对象的形式光透过被测对象的形式12光电变换的基本形式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当光透过均匀介质时，光被吸收而减弱的规律为de02)2)光透过被测对象的形式光透过被测对象的形式RU00de00入射到介质表面的通量；入射到介质表面的通量；介质吸

8、收系数；介质吸收系数；d介质的厚度介质的厚度实验表明：在液体或气体中，实验表明：在液体或气体中，(=)值与物质的浓度成正比。值与物质的浓度成正比。(表示液体或气体对光的吸收性质；表示液体或气体对光的吸收性质；浓度浓度)光电变换器的输出电压为光电变换器的输出电压为13光电变换的基本形式光电变换的基本形式3)3)光由被测对象反射的形式光由被测对象反射的形式14X光反射有镜面反射和漫反射两种形式光反射有镜面反射和漫反射两种形式其反射其反射的物理性质有所不同的物理性质有所不同光电变换的基本形式光电变换的基本形式3)3)光由被测对象反射的形式光由被测对象反射的形式15光电变换的基本形式光电变换的基本形式

9、4)4)光由被测对象遮挡的形式光由被测对象遮挡的形式16光电变换的基本形式光电变换的基本形式Y设光电器件光敏面的宽度和高度为设光电器件光敏面的宽度和高度为b，而被测物体的，而被测物体的宽度大于宽度大于b，物体遮挡光的位移量为，物体遮挡光的位移量为l，则物体遮挡，则物体遮挡入射到器件的光照面积的变量为入射到器件的光照面积的变量为lbA4)4)光由被测对象遮挡的形式光由被测对象遮挡的形式lEbRRAEU0Y变换器输出位移量的信号电压为：变换器输出位移量的信号电压为：17光电变换的基本形式光电变换的基本形式5)5)被测对象经光信息量化的形式被测对象经光信息量化的形式18光电变换的基本形式光电变换的基

10、本形式6)6)光传输信息的形式光传输信息的形式19第二节第二节 光电直接检测系统的基本工作原理光电直接检测系统的基本工作原理n检测系统可经光学变换或直接由检测器接收被检测系统可经光学变换或直接由检测器接收被测信号测信号n在其前端还可经过频率滤波（如滤光片）和空在其前端还可经过频率滤波（如滤光片）和空间滤波（如光阑）等处理间滤波（如光阑）等处理n此时光学变换也接收到背景辐射，并与信号一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起入射到检测器的光敏面上20假定入射的信号光强为假定入射的信号光强为 tcosAtES 222AtEPSSA信号光强振幅信号光强振幅 信号光的圆频率信

11、号光的圆频率其平均光功率为其平均光功率为而光检测器输出的电流为而光检测器输出的电流为 22AhetEhePISSS式中式中 光电灵敏度he 时间的平均值t2SE21n若检测器的负载电阻为若检测器的负载电阻为RL，则光电检测器输出电，则光电检测器输出电功率为功率为n上式说明光电检测器输出的电功率正比于入射光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功率的平方LSLSRPheRIP222022n如果入射光是调幅波，即如果入射光是调幅波，即 X(t)调制信号调制信号n检测器件输出的电流为检测器件输出的电流为n若光电检测器输出端由隔离直流的电容，则只有若光电检测器输出端由隔离直流的电容，则只

12、有第二项输出第二项输出这就是包络检测的意思这就是包络检测的意思 tcostXAtES1 tXAAiS222123光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（非相干）的基本特性1、检测系统的信噪比、检测系统的信噪比8设入射到检测器的信号光功率为设入射到检测器的信号光功率为PS8 设入射到检测器的噪声功率为设入射到检测器的噪声功率为Pn8检测器输出的信号电功率为检测器输出的信号电功率为P08 检测器输出的噪声功率为检测器输出的噪声功率为Pn02200nSLnPPRhePP24光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（非相干）的基本特性n考虑到信号与噪声的独立性，则有考虑到信号与噪声的独立性，

13、则有220SLPRheP2202nnSLnPPPRheP25光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（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根据信噪比的定义，则输出功率信噪比为若若 ，则有，则有这说明输出信噪比等于输入信号比的平方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由此可见，直接检测光电系统不适用于输入信噪比小于1 1或者微弱光信号的检测或者微弱光信号的检测nSnSnPPPPPPPSNR212001nSPP2nSPPPSNR26光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（非相干）的基本特性若若 ，则有，则有上式表明输出信噪比

14、等于输入信噪比的一半，即经光电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转换后信噪比损失了3dB3dB，在实际应用中还是可以接受的，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）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法因为该方法比较简单，易于实现，可靠性高，成因为该方法比较简单，易于实现，可靠性高，成本低，应用广泛本低，应用广泛1nSPPnSPPPSNR21

15、27光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（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、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噪声的总功率为LNTNDNBNSnRiiiiP22220信号光信号光背景光背景光暗电流暗电流负载电阻及放大器负载电阻及放大器热噪声之和热噪声之和28光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（非相干）的基本特性 输出信号噪声比为输出信号噪声比为 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，信噪比为它可以忽略时

16、，信噪比为22222200NTNDNBNSSnPiiiiPhePPSNRRfkTPheSNRSP422热29光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（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，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，这是的信噪比则直接检测系统受散粒噪声限制，这是的信噪比为为22222NDNBNSSPiiiPheSNR散30光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（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，这是的信噪比为的信噪比为PB为背景辐射功率为背景辐射功率

17、扫描热检测系统的理论极限即由背景噪声极限扫描热检测系统的理论极限即由背景噪声极限所决定所决定BSBSPPPfhPhefePheSNR22222背31光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（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要噪声源系统受信号噪声限制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称为直接检测系统的量子极限fhPSNRSP2信32光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（非相干）的基本特性 若用等效噪声功率若用等

18、效噪声功率NEP值表示，在量子极限下直值表示，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假定检测器的量子效率=1，测量带宽测量带宽f=1Hz 得到系统的最小可检测功率为得到系统的最小可检测功率为2h,已接近单个光已接近单个光子的能量子的能量fhNEP2量33光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（非相干）的基本特性 3、直接检测系统的视场角、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视场角是直接检测系统的性能指标之一 它表示系统能它表示系统能“观察观察”到的空间范围到的空间范围 对于检测系统，被测物看作是在无限

19、远处且物对于检测系统，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，其半故在上述条件下检测器位于焦平面上时，其半视场角为视场角为 fd2检测器直径检测器直径34光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（非相干）的基本特性 或视场角立体角为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视场角愈大愈好从上式可看出，增大从上式可看出，增大，可增大可增大Ad或减少或减少f而这两个方面对检测系统的影响都不利而这两个方面对检测系统的影响都不利 Ad的增大的增大增大了系统

20、的噪声增大了系统的噪声减少焦距使系统的相对孔径加大减少焦距使系统的相对孔径加大一般不允许一般不允许 加大后背景辐射也随之增加加大后背景辐射也随之增加2fAd检测器面积检测器面积35光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（非相干）的基本特性 4、系统的通频带宽度、系统的通频带宽度频带宽度频带宽度f 是光电检测系统的重要指标之一是光电检测系统的重要指标之一光电检测系统要求光电检测系统要求f 应保存原有信号的调制信息，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按传递信号能力可有以下几种方法确定f 36光电检测

21、系统（非相干）的基本特性光电检测系统（非相干）的基本特性 等效矩形带宽等效矩形带宽令令I(I() )为信号的频谱，则信号的能量为为信号的频谱，则信号的能量为等效矩形等效矩形带宽定义为带宽定义为I(I(0) )为为=0时的频谱分量，而时的频谱分量，而I(I(0)=I(0)=I(0)为最大频谱分量为最大频谱分量 dIE221 2IE 37光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（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例：以钟形波表示的脉冲激光信号的等效矩形带宽 22tAetII()I(0)O0 激光波形为激光波形为 式中式中 为脉冲峰值为脉冲峰值0激光脉冲宽度激光脉冲

22、宽度0661.38光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（非相干）的基本特性 激光脉冲能量激光脉冲能量E为为 224eAdtetIItj2212422AdeAE39光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（非相干）的基本特性 等效矩形带宽等效矩形带宽1为为 02106020.IE40光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（非相干）的基本特性 频谱曲线下降频谱曲线下降3dB3dB的带宽的带宽2422ln0226202.f41光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（非相干）的基本特性 包含包含90%90%能量的带宽能量的带宽在在90%90%处能量的带宽为处能量的带宽为式中：式

23、中：式中式中 90.EE xAdeAdeAdIE222212120222422222x 90.xEE42光电检测系统（非相干）的基本特性光电检测系统（非相干）的基本特性 当给定误差函数当给定误差函数 的值时，由误差函数表可求出的值时，由误差函数表可求出x值值 ，再求出，再求出值，即值，即由以上分析可知，频带宽度由以上分析可知，频带宽度f 愈宽，通过信号的能愈宽，通过信号的能量愈多，但系统的噪声功率也增大量愈多，但系统的噪声功率也增大 x243直接检测系统的距离方程直接检测系统的距离方程n上述用信噪比来表示系统的灵敏度上述用信噪比来表示系统的灵敏度n也有用检测系统距离来评价系统的灵敏度也有用检测

24、系统距离来评价系统的灵敏度n特别是在对地测距、搜索和跟踪等系统中特别是在对地测距、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、被动检测系统的距离方程n设被测目标的光谱幅射强度为设被测目标的光谱幅射强度为Ien经大气传播后到达接收光学系统表面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强度为Een 为被测距离为被测距离L内的大气光谱透过率内的大气光谱透过率nL 为目标到光电检测系统的距离为目标到光电检测系统的距离21LIEee145直接检测系统的距离方程直接检测系统的距离方程n入射到检测器上的光谱功率入射到检测器上的光谱功率 为为n

25、 分别为接收光学系统的入射孔径面积及光谱透过率分别为接收光学系统的入射孔径面积及光谱透过率 eP002100ALIAEPeee00、A46直接检测系统的距离方程直接检测系统的距离方程n根据目标辐射强度最大的波段范围及所选取检测器光谱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输出信号电压为n 为光电检测器的光谱响应度为光电检测器的光谱响应度n令光电检测器的方均根噪声电压为令光电检测器的方均根噪声电压为Vn，则它的输出信噪，则它的输出信噪比为比为210120dRILAVVeSVR21

26、0120dRILVAVVVennS47直接检测系统的距离方程直接检测系统的距离方程n上式中的各参数都是波长的复杂函数，很难表示上式中的各参数都是波长的复杂函数，很难表示n通常处理方法是做简化处理：通常处理方法是做简化处理：n取取 为被测距离为被测距离L L在在 区域内的平均透过率区域内的平均透过率n光学系统的透过率光学系统的透过率 也取也取 在光谱范围内的平均值在光谱范围内的平均值n把检测器对波长把检测器对波长 内的响应度看成是一个矩形带宽，内的响应度看成是一个矩形带宽，即认为即认为 的光谱响应度为零；而在的光谱响应度为零；而在 的光谱的光谱范围内响应度为常值范围内响应度为常值n根据物体的温度

27、根据物体的温度T T查表，计算出在考查波段范围内的黑体查表，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段范围内的辐射强度I Ie e210120dRILVAVVVennS121021212121VR48直接检测系统的距离方程直接检测系统的距离方程n把上述的按简化处理的各参数平均值代入输出信噪比中把上述的按简化处理的各参数平均值代入输出信噪比中n故可得到故可得到 VennSRILVAVV012021010SVeVRIAL49直接检测系统的距离方程直接检测系统的距离方程n又因又因 fADVR

28、d*nV21010fAVVDIALdnS*e检测器的归检测器的归一化检测度一化检测度检测器面积检测器面积系统的带宽系统的带宽P0=A0Ie入射到接收光入射到接收光学系统的平均功率学系统的平均功率50直接检测系统的距离方程直接检测系统的距离方程n为了清楚看出系统各部件对作用距离的影响，现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把调制特性考虑为对入射功率的利用系数 21212100211nSmd*eVVfkADAIL目标辐射特性及大目标辐射特性及大气透过率的影响气透过率的影响光学系统特光学系统特性的影响性的影响检测器特性检测器特性的影响的影响信息处理系信息处理

29、系统的影响统的影响51直接检测系统的距离方程直接检测系统的距离方程2、主动检测距离方程主动检测距离方程n 主动检测系统的光源主要是激光光源主动检测系统的光源主要是激光光源n令其发射功率为令其发射功率为 发射束发散立体角为发射束发散立体角为 发射光学系统透过率为发射光学系统透过率为 经调制的光能利用率为经调制的光能利用率为n则发射功率则发射功率 为为 SP 01 TPmk mSTkPP0152直接检测系统的距离方程直接检测系统的距离方程n激光在大气中传播时，能量若按指数规律衰减（衰激光在大气中传播时，能量若按指数规律衰减（衰减系数为减系数为 ），经传播距离），经传播距离L后光斑面积为后光斑面积为

30、 ，光斑的辐射照度为光斑的辐射照度为n设在距光源为设在距光源为L处有一目标，其反射面积为处有一目标，其反射面积为San一般情况下把反射体看成是朗伯反射（在半球内均一般情况下把反射体看成是朗伯反射（在半球内均匀反射，反射系数为匀反射，反射系数为r），单位立体角的反射光辐射），单位立体角的反射光辐射强度为强度为 k2LSL LkTLkLTeeLPeSPE2 LkaTeaeerSLPErSI2153直接检测系统的距离方程直接检测系统的距离方程n 假定接收机和发射机在一处，则接收功率为假定接收机和发射机在一处，则接收功率为nD0为光学系统的接收孔径为光学系统的接收孔径n 为接收光学系统的立体角为接收光

31、学系统的立体角 LkaTeerSLDPIP242042204LD54直接检测系统的距离方程直接检测系统的距离方程n 如果接收光学系统的透过率为如果接收光学系统的透过率为 ，则光电检测，则光电检测器上接收到的总功率为器上接收到的总功率为n光电检测器上的输出电压为光电检测器上的输出电压为02 LkamSdeLDrSkPPP24200201024 VLkamSVdSReLDrSkPRPV24200201455直接检测系统的距离方程直接检测系统的距离方程n将检测器的光谱响应度代入上式中，得到距离为将检测器的光谱响应度代入上式中，得到距离为n若目标反射面积等于光斑照射面积，上式可简化为若目标反射面积等于

32、光斑照射面积，上式可简化为 4122002014LkdnS*amSefAV/VDDrSkPL 2122002014LkdnS*mSefAV/VDrDkPL56直接检测系统的距离方程直接检测系统的距离方程n可看出，影响检测距离的因素很多可看出，影响检测距离的因素很多 发射系统、发射系统、接收系统的大气特性及目标反射特性都将影响接收系统的大气特性及目标反射特性都将影响L 4122002014LkdnS*amSefAV/VDDrSkPL 2122002014LkdnS*mSefAV/VDrDkPL57第三节第三节 时变光信号的直接变换与测量时变光信号的直接变换与测量随时间变化的光电信号随时间变化的光

33、电信号F（t）幅值法幅值法频率法频率法零零位位法法差差动动法法直直读读法法补补偿偿法法频频率率测测量量法法波波数数测测量量法法相相位位法法时时间间法法58第三节第三节 时变光信号的直接变换与测量时变光信号的直接变换与测量随空间变化的光电信号随空间变化的光电信号F（x,y,z）几何中心与几何中心与几何形状检测几何形状检测亮度中心亮度中心检测检测轮廓光电扫描轮廓光电扫描电子指示线对准电子指示线对准像分析器像分析器光焦点检测光焦点检测PSD法法像分解像分解象限分解象限分解扫描与扫描与跟踪测量跟踪测量59样品光电器件放大显示准直镜透镜0一、幅值法一、幅值法1、直读法、直读法SKM600MKS0一、幅值

34、法一、幅值法1、直读法、直读法 00KSKM61准直镜准直镜读数装置读数装置激励线圈激励线圈SKM物镜物镜Q检偏器检偏器起偏器起偏器磁光物质磁光物质P一、幅值法一、幅值法2、指零法、指零法62KSQ0 x01一、幅值法一、幅值法2、指零法、指零法以上两种方法均为单通道测量方法以上两种方法均为单通道测量方法6301sM K2ss0一、幅值法一、幅值法3、差动法（双通道测量系统）、差动法（双通道测量系统）标准透过率标准透过率被测透过率被测透过率6422211122110RKRKRIRIULL2121KKKRRR若若210 KRU65666701ssM K2sx1K读数读数一、幅值法一、幅值法4、补

35、偿法、补偿法此方法是差动法和指零法的组合此方法是差动法和指零法的组合6869n光通量的变化随被测信息呈现周期性变化光通量的变化随被测信息呈现周期性变化时，被测量信息载荷于光通量变化次数和时，被测量信息载荷于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频率快慢之中，可用测量频率和波数方法来检测来检测二、频率测量法二、频率测量法n频率法比幅值法具有更高的测量精度，主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要因为频率的稳定度远高于幅值的稳定度701、波数测量法、波数测量法二、频率测量法二、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用测量光通量随被测信息

36、变化的周期数来检测准直镜指示光栅光电器件标尺光栅X711、波数测量法、波数测量法dxm2cos0二、频率测量法二、频率测量法光电元件光敏面上的光通量变化光电元件光敏面上的光通量变化当光栅位移为当光栅位移为d，则引起光通量变化一个周期，则引起光通量变化一个周期若光通量变化周期数（波数）为若光通量变化周期数（波数）为N时时MmdiMxNdxi脉冲当量脉冲当量M脉冲数脉冲数m细分数（一个周期内）细分数（一个周期内）722、频率测量法、频率测量法二、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若光栅有运动速度，则可对位移进行微分处理dvffddtdNddtdxv 上述两种方法都是对

37、光通量的幅度变化不敏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感，所以对光源的稳定性要求较低731、相位测量法、相位测量法三、光通量的相位和时间测量法三、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值即可确定被测值的大小 比如：光电光波测距比如：光电光波测距741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D123764575n光源与激励电流成正比光源与激励电流成正比D1237645000sintmn光由发射到接收的时间为光由发射到接收的时间为CDt2

38、n相位变化量相位变化量CDt200n若能测出相位变化量，就可以得到测距量若能测出相位变化量，就可以得到测距量02CD76n设辐射光通量变化一个周期，光波传播距离为设辐射光通量变化一个周期，光波传播距离为L000fCL 0004222LDCDfCD220LDn若再考虑折射率的影响若再考虑折射率的影响nLD22022min0minnLD772、时间测量法、时间测量法三、光通量的相位和时间测量法三、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、激光雷达等比如：脉冲式激光测距仪、

39、激光雷达等78D 125431激光器 2，4光学系统 3目标5光学器件最简单的方法就是在确定的时间起始点和终止点之间用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，可以得到填脉冲的方法来计数，可以得到1X10-10S的计时精度的计时精度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激光测量技术激光测量技术81激光测距激光测距1969年的月距实验（年的月距实验（LURE）创造了长距离脉冲测量方法的记录）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原理n激光相位测距时，连续激光光束被调幅成正弦波激光相位测距时，连

40、续激光光束被调幅成正弦波n设调制频率为设调制频率为f，相应的角频率，相应的角频率n若调制光束在发射点和目标间往返一次所产生的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总相位变化为 ，则光的往返时间为，则光的往返时间为n被测距离为被测距离为f2ft2fcL483激光相位测距原理激光相位测距原理n若以若以弧度作弧度作 的度量单位的度量单位n而而 总可以表示为总可以表示为n n个个和不到和不到小数部分小数部分 之之和和n就有就有 nnnLnfcL0484脉冲式激光测距系统脉冲式激光测距系统n激光测距的分类激光测距的分类分类分类脉冲测距法脉冲测距法相位测距法相位测距法干涉测距法干涉测距法8

41、5脉冲式激光测距系统脉冲式激光测距系统86脉冲式激光测距系统脉冲式激光测距系统87脉冲式激光测距系统脉冲式激光测距系统n激光发射部分激光发射部分88脉冲式激光测距系统脉冲式激光测距系统n对激光发射机基本特性的要求：对激光发射机基本特性的要求： 89脉冲式激光测距系统脉冲式激光测距系统n 激光电源激光电源90脉冲式激光测距系统脉冲式激光测距系统n 91脉冲式激光测距系统脉冲式激光测距系统发射光学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激光

42、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斑直径光学系统的放大倍数越大，光束发散角越小，光斑直光学系统的放大倍数越大，光束发散角越小，光斑直径越小径越小光斑直径越小，能量越集中，发射到接收系统的能量光斑直径越小，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激光测距系统n脉冲式最常用的发脉冲式最常用的发射系统是倒装的伽射系统是倒装的伽利略望远系统利略望远系统n可压缩从激光器输可压缩从激光器输出的光束发射角出的光束发射角n其出射光瞳

43、大于入射光瞳，输出的光束截面扩大其出射光瞳大于入射光瞳，输出的光束截面扩大扩束作用扩束作用n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生电离以至能量损耗的问题93脉冲式激光测距系统脉冲式激光测距系统n 94脉冲式激光测距系统脉冲式激光测距系统n 95脉冲式激光测距系统脉冲式激光测距系统n发散光学系统倍率的选取，视情况而定发散光学系统倍率的选取，视情况而定n此倍率就是发散角被压缩的倍率此倍率就是发散角被压缩的倍率n倍率大，外形尺寸也要增大，会带来一些限制倍率大，外形尺寸也要增大，会带来一些限制n一般的测距，

44、发散角不小于一般的测距，发散角不小于1mradn高精度、超远距测距，光束发散角可在高精度、超远距测距，光束发散角可在0.11mradn光学系统目镜和物镜的选取要光学系统目镜和物镜的选取要以激光束全部通以激光束全部通过过为原则为原则目镜通光孔径略大于激光光束直径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脉冲式激光测距系统n 激光接收系统激光接收系统97脉冲式激光测距系统脉冲式激光测距系统n为了尽可能将目标反射回来的激光能量会聚到为了尽可能将目标反射回来的激光能量会聚到探测器上探测器上n要适当限制接收视场，以减少杂散光的干涉来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

45、比提高接收的灵敏度和信噪比 n提高测距系统的测距精度和作用距离提高测距系统的测距精度和作用距离n在接收器前面加上光学系统在接收器前面加上光学系统98脉冲式激光测距系统脉冲式激光测距系统n接收光学系统常用牛顿型、卡塞格林、格里高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里、折反射型、伽利略和开普勒望远系统n接收光学系统的选型主要取决于光电探测器的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脉冲式激光测距系统n加入特殊元件，可以提高激光测距系统、激光雷加入特殊元件，可以提高激光测距系统、

46、激光雷达的性能达的性能n提高接收装置的灵敏度，增大作用距离提高接收装置的灵敏度，增大作用距离n提高瞄准跟踪精度，扩大增益范围，改善体积提高瞄准跟踪精度，扩大增益范围，改善体积特殊光学元件特殊光学元件100脉冲式激光测距系统脉冲式激光测距系统1、滤光片、滤光片n 降低背景光噪声、提高接收装置的信噪比是激降低背景光噪声、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光测距、激光跟踪雷达的重要问题n滤光片的种类：选择性吸收滤光片、选择性散滤光片的种类：选择性吸收滤光片、选择性散射滤光片、选择性折射滤光片、偏振滤光片等射滤光片、选择性折射滤光片、偏振滤光片等n实用的滤光片大多采用基于多层膜反射

47、干涉原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理而工作的干涉滤光片101脉冲式激光测距系统脉冲式激光测距系统n干涉滤光片的中心波长与它对光源的倾角有关干涉滤光片的中心波长与它对光源的倾角有关n设计时应保证能够微调干涉滤光片的倾角，使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，其的中心波长正好对应激光信号的中心波长，以获得最佳信噪比以获得最佳信噪比n一般的激光测距系统，选用半宽度在一般的激光测距系统，选用半宽度在3040范围的滤光片较合适范围的滤光片较合适102脉冲式激光测距系统脉冲式激光测距系统2、衰减片、衰减片n测量不同远近的目标时，激

48、光的回波能量也不同测量不同远近的目标时，激光的回波能量也不同n若激光回波能量太强就会烧毁探测器若激光回波能量太强就会烧毁探测器n因此需要在接收装置中加入衰减片来限制激光能因此需要在接收装置中加入衰减片来限制激光能量量n衰减片是在接收系统中实现光学自动增益的光学衰减片是在接收系统中实现光学自动增益的光学元件元件103脉冲式激光测距系统脉冲式激光测距系统n常用衰减片的形式：常用衰减片的形式：n迭层衰减片：衰减片由具有吸收特性的光学迭层衰减片：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材料制成，衰减量的选择是阶梯式的n双光楔衰减片：利用具有对光吸收性质的材双光楔衰减片：利用具有对光吸

49、收性质的材料制成，衰减量可以实现连续的透过率变化料制成，衰减量可以实现连续的透过率变化n变密度盘：利用镀膜的方法制成变密度盘：利用镀膜的方法制成104脉冲式激光测距误差分析脉冲式激光测距误差分析和测距精度和测距精度测距误差源测距误差源02121cNTctL32100LLLffLNNLccLL105脉冲式激光测距误差分析脉冲式激光测距误差分析和测距精度和测距精度n 1112ftfttN激光主波和回波信激光主波和回波信号对计数器的取样号对计数器的取样脉冲部位差脉冲部位差测距系统的固定光测距系统的固定光延时延时106脉冲式激光测距误差分析脉冲式激光测距误差分析和测距精度和测距精度n 提高脉冲激光测距

50、精度的主要途径提高脉冲激光测距精度的主要途径n测距精度由测距精度由大气折射、晶振频率、非真空光速、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波各经不同的线路等因素影响等因素影响n采取的措施：采取的措施：n1、提高计数器频率、提高计数器频率n2、时间内插法、时间内插法n3、采用恒比定时技术、采用恒比定时技术n4、质心探测电路、质心探测电路107一、几何中心检测法一、几何中心检测法第四节第四节 随空间变化的光电信号变换与检测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几何中心检测法用于光强随空

51、间分布的光信号位置检测，也称为光信号位置检测，也称为光学目标定位光学目标定位光学目标：光学目标：不考虑被测对象的物理性质，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而只把它看成与背景有一定反差的几何形体或景物何形体或景物108第二节第二节 随空间变化的光电信号变换与检测随空间变化的光电信号变换与检测复杂图形景物：复杂图形景物：结构细密、空间频率高、结构细密、空间频率高、亮度等极为丰富，对其测量的目的在亮度等极为丰富，对其测量的目的在于研究图形的细节和层次于研究图形的细节和层次简单光学目标：简单光学目标：由点、线、面等规则图由点、线、面等规则图形组成，测量的目的在于确定图形相对形

52、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，被称为于基准坐标的角度或位置偏差，被称为空间定位空间定位109简单光学目标简单光学目标如：刻线、狭缝、十字线、光斑、方框如：刻线、狭缝、十字线、光斑、方框窗口等窗口等光学目标的信息采集通常用光学成光学目标的信息采集通常用光学成像方法来完成，如：像方法来完成，如：望远、准直、望远、准直、摄像、显微等系统摄像、显微等系统110n光学目标和其衬底间的反差形成物体表面轮廓光学目标和其衬底间的反差形成物体表面轮廓n 轮廓中心位置称为几何中心轮廓中心位置称为几何中心n通过测量与目标轮廓分布响应的响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

53、体中心位置空间轮廓分布来确定物体中心位置方法为方法为几何中心检测法几何中心检测法n 其特点：其特点：0210GGXXXX21021XXXG111n 像分析和几何参量调制像分析和几何参量调制n像分析：通过对目标的像的几何中心像分析：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相对基准的偏移来确定该物体在空间位置的方法位置的方法n像分析器：将像相对基准位置的偏差像分析器：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变化来确定物体的坐标位置112n像分析器是将

54、几何位置信息调制到光像分析器是将几何位置信息调制到光载波上的光通量，形成光学信号的调载波上的光通量，形成光学信号的调制器，称为制器，称为G/O变换器变换器n最简单的单通道最简单的单通道像分析器是由光像分析器是由光学狭缝和光电元学狭缝和光电元件组成的狭缝对件组成的狭缝对准器准器n物是工件上的刻物是工件上的刻线，检测刻线是线，检测刻线是否对准在光轴上否对准在光轴上113取狭缝宽取狭缝宽L=像宽像宽B，狭缝高，狭缝高H=像高像高D当刻线中心位于光轴上时，刻线像刚好与缝重合当刻线中心位于光轴上时，刻线像刚好与缝重合此时，像的透过率为此时，像的透过率为=0当刻线未对准光轴时，当刻线未对准光轴时， 0，因

55、而照度为，因而照度为E= E0114简单分析上述方法的定位特性简单分析上述方法的定位特性(x)n为透过狭缝的光通量为透过狭缝的光通量nx为像位置坐标：像中心相对狭缝中心的偏移为像位置坐标：像中心相对狭缝中心的偏移量量 dxEhxExhxlln引入取样窗口的窗口函数引入取样窗口的窗口函数h(x)，有，有n在理想情况下：在理想情况下： lxlhExlxxhEx0000115116对简单像分析器的要求：对简单像分析器的要求：n所形成的被测目标的像要有一定的照度分布所形成的被测目标的像要有一定的照度分布n在像面上要设置测光窗口；此窗口是定位基准和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）光路的光轴保持正确的相对位置（狭缝、刀口等）n观测窗口的形状和尺寸与目标像保持严格关系，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以形成确定的定位特性n像分析器应由线性的定位特性像分析器应由线性的定位特性n照度变化、像质量、窗口质量对测量影响很大照度变化