空间变光信号

1、非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇空间变化光信号空间变化光信号光学图像的扫描光学图像的扫描光度变换光度变换几何参量的检测几何参量的检测空间编码空间编码线值测量线值测量轴向测距轴向测距图像扫描图像扫描机械法机械法光束式光束式电子式电子式实体扫描实体扫描运动物体运动物体静止物体静止物体空间搜索空间搜索简单光学目标空间定位简单光学目标空间定位像分析像分析几何中心检测法几何中心检测法亮度中心定位法亮度中心定位法光学像分解光学像分解扫描调制扫描调制象限检测器象限检测器非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇一、简单光学目标的形位检测简单光学目标通常由点、线、平面等简单规

2、则图形组成。包括刻线、狭缝、十字简单光学目标通常由点、线、平面等简单规则图形组成。包括刻线、狭缝、十字线、光斑、成像系统得到的远处物体的弥散园及工业规则图形等。线、光斑、成像系统得到的远处物体的弥散园及工业规则图形等。测量的目的是确定目标相对基准坐标的角度或位置偏差。在实际的光电工程中很测量的目的是确定目标相对基准坐标的角度或位置偏差。在实际的光电工程中很多对象可以制作或简化成简单的光学目标。例如，许多几何量的形位测量就常常多对象可以制作或简化成简单的光学目标。例如，许多几何量的形位测量就常常利用被测物体与其背景间的光学反差来确定物体边缘轮廓。而大多数的物体轮廓，利用被测物体与其背景间的光学反

3、差来确定物体边缘轮廓。而大多数的物体轮廓，特别是工业图形都是相对简单和规则的。此外，在对星体、飞行物等远处活动目特别是工业图形都是相对简单和规则的。此外，在对星体、飞行物等远处活动目标的跟踪测量中，也需要将它们看作是在广阔背景上的一个或多个独立的辐射光标的跟踪测量中，也需要将它们看作是在广阔背景上的一个或多个独立的辐射光斑来确定该点源的空间坐标。因此，简单光学目标的测量是物体空间状态检测的斑来确定该点源的空间坐标。因此，简单光学目标的测量是物体空间状态检测的重要方面。测定目标相对基准的角度偏差和位置偏差在生产、科研和军事中有广重要方面。测定目标相对基准的角度偏差和位置偏差在生产、科研和军事中有

4、广泛的应用。例如大尺寸工件的安装与加工、高速公路和钢轨的自动铺设、地下隧泛的应用。例如大尺寸工件的安装与加工、高速公路和钢轨的自动铺设、地下隧道的自动掘进等工程中采用的自动准直测量；精密小尺寸测量中的目标对准和位道的自动掘进等工程中采用的自动准直测量；精密小尺寸测量中的目标对准和位置偏移测量；现代天文望远镜中的光电导星；军事应用中的激光制导和激光定向置偏移测量；现代天文望远镜中的光电导星；军事应用中的激光制导和激光定向等都是这些方面的典型应用。等都是这些方面的典型应用。非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇)(21210 xxxGdxxBdxxBBBxx00)()(0光学目标的

5、几何中心和亮度中心光学目标和其衬底间的光光学目标和其衬底间的光学反差构成了物体的外形学反差构成了物体的外形轮廓，轮廓尺寸的中心位轮廓，轮廓尺寸的中心位置称作它的几何中心置称作它的几何中心光学目标的亮度分布是光辐射能量沿光学目标的亮度分布是光辐射能量沿空间的分布。将物体按辐射能量相等空间的分布。将物体按辐射能量相等的标准分割为两部分，其中心位置称的标准分割为两部分，其中心位置称作亮度中心作亮度中心非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 (一)几何中心检测法通过分析被测物体在像面上的几何中心相对于像面基准的偏移情况，从而确定该物体在空间位置的方法称作像分析非相干检测非相干检测南京理

6、工大学南京理工大学 何勇何勇n 1双通道差分调制式像分析器21UUU)(00 xhExhExhE02txhEUmsin2txxmsinttxhEUmmsinsin2非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇n 2单通道扫描调制式像分析器成像光路增设了周期振动的光学零件(如棱镜反射镜、光楔等)或振动狭缝，使像面上的目标像相对狭缝作周期振动。这时透过狭缝的光通量形成随时间周期性变化的光载波。目标像的位移信息将由于像分析而调制到载波上去，从而产生各种调制的光信号。这种使目标像和测光窗口之间相对扫描运动的像分析器称作扫描调制型像分析器。非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇

7、非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇光电对准n1.光度式光电显微镜非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇光电对准n（1）单管对准原理设狭缝宽设狭缝宽a与刻线像宽与刻线像宽e相等，当刻线像相等，当刻线像中心与狭缝中心相对位置不同时，穿过中心与狭缝中心相对位置不同时，穿过狭缝进入光电管的光通量分别为狭缝进入光电管的光通量分别为min、 a、 max,由于光电元件的输出取由于光电元件的输出取决于光通量，故上述不同位置的相应输决于光通量，故上述不同位置的相应输出电压为出电压为Umin、Ua、Umax,经放大后经放大后由电表读出。取电压的最小值为零点，由电表读出。取电压

8、的最小值为零点，即当电表指示即当电表指示Umin时，认为刻线像中时，认为刻线像中心与狭缝中心重合，此即对准位置。但心与狭缝中心重合，此即对准位置。但实际上在测量过程中由于各种因累的影实际上在测量过程中由于各种因累的影响，如：刻线质量不一致、成像质量、响，如：刻线质量不一致、成像质量、电源电压的波动、电子元件的老化等，电源电压的波动、电子元件的老化等，使使值与相应的电压值与相应的电压U不稳定，因而导不稳定，因而导致对准误差。致对准误差。非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇光电对准n（2）双管差动式的原理两狭缝的长度和宽度应相等，且等于刻两狭缝的长度和宽度应相等，且等于刻线像的宽

9、度。这样当刻线像未进入狭缝线像的宽度。这样当刻线像未进入狭缝时，通过两狭缝的光通量应相等，两光时，通过两狭缝的光通量应相等，两光电管输出的电压相等。两狭缝有一相位电管输出的电压相等。两狭缝有一相位差，即两狭缝的空间位置应是并排的，差，即两狭缝的空间位置应是并排的，它们的中心距一般应等于缝宽。这样，它们的中心距一般应等于缝宽。这样，当到线像在狭缝面上扫描时，位于狭缝当到线像在狭缝面上扫描时，位于狭缝平面上的两光电管产生的光电信号相位平面上的两光电管产生的光电信号相位正好相差正好相差180。非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇光电对准 由于采用差值信号，所以许多影响单由于采用差值

10、信号，所以许多影响单管式的不稳定因素可以相互抵消，由于管式的不稳定因素可以相互抵消，由于它们的影响相同从它们的影响相同从1变到变到2，相应的差，相应的差值曲线也从值曲线也从1变为变为2，但是零点没有改，但是零点没有改变，对准点不改变。差动原理是一种消变，对准点不改变。差动原理是一种消除误差的有效方法。除误差的有效方法。 光度式光电显微镜的优点是机械结构光度式光电显微镜的优点是机械结构简单，连续工作稳定性好。简单，连续工作稳定性好。非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇光电对准n2.相位式光电显微镜非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇光电对准n光电信号的波形图非

11、相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇光电对准n2.自准直望远镜非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇光电对准非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇光电对焦n1、光度式自动调焦系统 光度式自动调焦系统光度式自动调焦系统非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇光电对焦n2、斜光束自动调焦系统斜光束自动调焦原理图斜光束自动调焦原理图非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇光电对焦n光电自动调焦光学系统光电自动调焦光学系统非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇光电对焦光电复合窗视场图光电复合窗视场图非相干检测非

12、相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇光电对焦n3、动态光电定焦系统像散法原理像散法原理非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇光电对焦偏心辅助光束法偏心辅助光束法非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇光电对焦刀口法原理刀口法原理非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇（二）亮度中心检测法将来自被测目标的光辐射通量相对于系统的测量基准轴分解到不同坐标象限上，再根据这些图像在各象限上能量分布的比例，检测出目标的亮度中心位置。这种确定目标空间位置的方法称作象限分解法。适用于该种方法的目标可以是远处的宏观物体，如星体、飞行物等，在经过成像系统的轻度离焦

13、后可看作是一弥散圆，或者是由主动照明产生的标准图形形成的规则像。非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇n1 光学像分解光学像分解是在光学系统中附加各种分光元件使入射光束分别向确定的不同方向传播，再在各自终端安装上有单一光敏面的光电元件。非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇n(1)中心孔式x/y方向位置偏移x/y方向角度偏移非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇n(2)分光式x/y方向位置偏移x/y方向角度偏移x/y方向位置偏移x/y方向角度偏移非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇n(3)反射式x/y方向位置偏移x/y方向角度偏

14、移非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇n(4)全息分光式x/y方向位置偏移x/y方向角度偏移非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇n2 象限探测器 多象限探测器有许多种形式。例二象限、四象限的光电倍增管、八象限的半导体光电探测器、能连续给出光点二维坐标模拟信号的半导体光电位量传感器图PSD。非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇二、复杂光学图像的扫描检测n（一）扫描的基本原理和分类 1.光学图像的扫描光电扫描技术:用一个窄视场的光学系统和一个光电检测通道，按一定的时间顺序和轨迹串行逐点扫视目标物像空间的各点时，能获得瞬时值与被测目标的光学参数成

15、比例的时序电信号。扫描方法能以单一个窄视场的光电检测通道实现大范围的图像拾取，它既具有宽广的观察测量范围，又具有较高的空间频率和灰度等级的分辨能力。非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇n2最简单的直线扫描)()(111xfxEtvx11)()()(111tvSfxSfSEt)()()(1tvSfKtKtU)()()(1tvSfKKtUKtBbbtvx22)()(),(122tvSfKKKtBKtxEbEE),(),(22122xvvSfKKKtxEbE),(221xvvkf非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇n3扫描系统的分类和工作参数(1)具有单一光敏面检

16、测器的扫描；n按检测接收器类型(2)有阵列式接收器的扫描。非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇(1)直线扫描，对指定两点间的线段进行扫描读取，也称行扫描；n按瞬时视场在空间的扫描轨迹(2)光栅扫描，在进行一维直线扫描的同时进行另一正交方向的扫描； (3)圆周扫描，沿圆心位置和半径为任意的圆周进行扫描；(4)随机扫描，包括扫描轨迹为螺旋线型、梅花型或按图形边缘跟踪以及中心位置为随机的不同大小的光栅扫描等；(5)沿圆柱面上的螺旋线扫描或沿圆面的空间扫描。非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 (2)光学机械扫描，例如多面体反射镜按实现扫描的物理方法(3)利用衍射光

17、栅或全息光栅的扫描；(4)电磁场控制的电子束偏转扫描；(5)利用电光、磁光和声光效应的扫描；(6)利用CCD的移位电场扫描 (1)机械扫描，例如转鼓和平板扫描；非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇(1)图片扫描，指对二维的平面图形扫描；按扫描的应用目标(2)实体扫描，指对三维物体的实体图像扫描；(3)搜索扫描，指对地一空、空一地的空间光学目标的扫描。非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇n描述扫描装置的基本参数扫描周期扫描周期TK:扫描给定视场并使扫描线恢复初始位置所需的时间。扫描给定视场并使扫描线恢复初始位置所需的时间。扫描线密度扫描线密度d和空间分辨率和空

18、间分辨率F：扫描装置能分辨的最小宽度称作扫描线密度。：扫描装置能分辨的最小宽度称作扫描线密度。能分辨的单位长度内的最高黑白线对数称作扫描装置的空间频率。表示装置分能分辨的单位长度内的最高黑白线对数称作扫描装置的空间频率。表示装置分辨图形细节的能力辨图形细节的能力扫描变换的直线性和动态范围：输出图像信号的几何畸变和灰度畸变低于容许扫描变换的直线性和动态范围：输出图像信号的几何畸变和灰度畸变低于容许限度内的最大输入光度和输出电平。限度内的最大输入光度和输出电平。图像信号的频带宽度：取决于扫描线宽和扫描频率。图像信号的频带宽度：取决于扫描线宽和扫描频率。扫描数据率：单位时间内扫描装置所能发送的图像数

19、据总数扫描数据率：单位时间内扫描装置所能发送的图像数据总数扫描精度：指时序的图像信号与图像的光密度空间分布的正确对应关系扫描精度：指时序的图像信号与图像的光密度空间分布的正确对应关系非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇(二)、图像扫描扫描技术的一个重要应用方面是用作光学图片的分解与合成，扫描技术的一个重要应用方面是用作光学图片的分解与合成，称作图像扫描。它在现在的电视传真、复制、计算机图像输入称作图像扫描。它在现在的电视传真、复制、计算机图像输入设备、印刷分色制版、雕版等有关图像的生成、处理等行业中设备、印刷分色制版、雕版等有关图像的生成、处理等行业中有很大的实用性。可用作图

20、像扫描的装置有各种形式，大致可有很大的实用性。可用作图像扫描的装置有各种形式，大致可分为：机械扫描、电子束扫描和光束扫描。分为：机械扫描、电子束扫描和光束扫描。非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇1、机械扫描非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇2、电子束扫描非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇3、激光束扫描 随着电光学和信息光学的发展，继电子束扫描之后，光束扫描技术表现出诱人的应用活力。借助使有良好指向性的激光束按一定规律偏转的方法相继研制出了激光大屏幕电视，激光束显示系统，激光阅读和印刷机、复印机等图像装置。此外，光束扫描也适用于高密度光

21、信息存贮器的写入和读出以及激光声像光盘等存贮技术中。 使激光束扫描的装置称作光束扫描器或光学扫描器。目前，用得最多的有四种类型：多面反射镜转鼓；检流计振镜；声光偏转器和全息光栅扫描器。非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇（1）多面反射镜转鼓柱形多面体非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇（2）检流计振镜非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇（3）声光偏转器非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇（4）全息光栅扫描器非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇（三）、实体扫描实体扫描大致可分为：n对直线运动物体的扫描n对静

22、止物体的扫描n对空间特定目标的搜索扫描非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇n1 直线运动物体的扫描 （1）光学飞象扫描方式非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇（2）光学飞点扫描方式非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇（3）光学混合扫描方式非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 2 静 止物体的扫描非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 3 空间搜索扫描 在地一空、空一地对运动目标的探测和跟踪中，为了发现辐射目标，不得不在很大的空间范围内进行搜索。但是，通常的目标相对于广阔的背景是极小的，若同时观察整个区域，显然会增加背景噪声引起的假信息。因此，对于此类既要在指定的区域内有较高的空间分辨能力又要有尽可能大的搜索范围的检测问题，需要采用具有小的瞬时视场角的光学系统，使之在每一瞬间只针对一小部分搜索空间，同时按一定规律不断运动以保证观察到大范围的空间区域，这是搜索扫描的一个特点。 搜索扫描系统的基本要求是：搜索空间区域的时间要短；目标处于瞬时视场内的时间要长，以便获得必要的有用信息，能保证对角坐标的高分辨本领；结构简单、工作可靠、重量轻、尺寸小等。非相干检测非相干检测南京理工大学南京理