常用信息检测系统

第五章常用信息检测系统

5.1光电直接探测系统一、光电直接探测系统的基本工作原理平均光功率为二、光电直接探测系统的特性参数1．直接探测系统的灵敏度(1)模拟系统灵敏度模拟系统的灵敏度可用信噪比的值来评价系统性能。如果光探测器的入射光功率中包含信号光功率(Ps)和噪声功率(Pn)，则光探测器输出电功率为输出信噪比等于输入信噪比的平方，输出倍噪比更低，没有实用意义。输出信噪比等于输入信噪比一半。(2)数字系统灵敏度数字系统灵敏度一般用误码率评价它的性能。误码率只要知道信噪比

的值，就可由误差函数中得知误码率的值。(2)直接探测系统的极限灵敏度①光伏型及光发射器件的极限灵敏度称为直接探测系统的极限灵敏度，也称量子限灵敏度。光学系统接收到的光功率Pdm。有时，又把最小可探测功率Pmin称为灵敏度。②光导探测器直接探测系统的灵敏度光导探测器的主要噪声为复合噪声，它是一种散粒噪声，它和偏置电流成比例，因而它的灵敏度与具体使用条件有关。但可以肯定，光导探测器的极限灵敏度比光伏器件及光电倍增管的极限灵敏度要低，所需理想的最小可探测功率大。2．直接探测系统的视场角视场角亦是直接探测系统的性能指标之一。它表示系统能“观察”到的空间范围。半视场角视场角立体角Ω为

从观察范围，即从发现目标的观点考虑，希望视场角愈大愈好。增大视场角Ω时，或增大探测器面积或减小光学系统的焦距。这两方面对探测系统的影响都不利，第一，增加探测器的面积意味着增大系统的噪声。因为对大多数探测器而言，其噪声功率和面积的平方根成正比；第二，减小焦距使系统的相对孔径加大，这也是不允许的。另一方面视场角加大后引入系统的背景辐射也增加，使系统灵敏度下降。3、系统的通频带宽度频带宽度Δf是光电探测系统的重要指标之一。探测系统要求Δf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(1)等效矩形带宽令I(ω)为信号的频谱，则信号的能量为(2)频谱曲线下降3dB的带宽代入(3)包含90％能量的带宽输入信号为矩形波时，通过不同带通滤波器的波形，曲线1Δf=0.25／τ0曲线2Δf=0.5／τ0曲线3Δf=0.1／τ0曲线4Δf=4／τ0三、直接探测系统的距离方程1．被动探测系统的距离方程设被测目标的光谱辐射强度为Icλ，经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐照度为式中，τ1λ为被测距离L内的大气光谱透过率，L为目标到光电探测系统的距离。入射到探测器上的光谱功率为式中，A0，τ0λ分别为接收光学系统的入射孔径面积及光谱透过率。式中，Ad为探测器面积，Δf为系统的带宽,D*为探测器的归一化探测度。光电探测系统的距离2.主动探测距离方程主动探测系统的光源主要为激光光源。令其发射功率为Ps(λ)；发射束发散立体角为Ω1,发射光学系统透过率为τ01(λ)，经调制的光能利用率为km。，则四、直接探测方式中常用的几种检测方法1.直接作用法

运用直接作用法测试的优点是装置简单，价格便宜。其缺点是系统性能受元器件参数变化的影响，灵敏度受周围环境及电压波动的影响较大，因而精度和稳定性稍差。2．差动作用法为进一步提高测量精度，希望两光电二极管有完全一致的性能，可采用图5—7(b)的系统，光源光线照在由电动机带动的恒速旋转的盘上，盘的半边是反射镜可以反射光线，另一半可以透射光线。使测量通道和参考通道的光通置交替投射到光电器件上.3．补偿测量法补偿法测量原理是：由待测物理量控制的光通量变化所引起的信号，可用光学或电学的补偿器补偿掉，补偿置可由与补偿器连接在一起的读数系统显示出来，补偿器的补偿量值事先可用标准器进行精确标定。4．脉冲测量法

如果受待测物理量控制的光通量连续作用于光探测器，通过测量光探测器输出信号来获得被测量参数的方法通常称为连续测量法。受被测物理量控制的光通量断续地作用在光探测器上，光探测器输出电脉冲，其脉冲参数(脉冲频率、脉冲持续时间、脉冲的数目等)随被测物理量变化，电脉冲经过放大后由测量仪表或计数器读出，这种方法称为脉冲法或断续作用五、光电直接探测典型系统1．莫尔条纹测长仪(1)测长原理若两块光栅(其中一块称为主光栅，另一块叫指示光栅)互相重叠，并使它们的栅线之间形成一个较小的夹角，当光栅对之间有一相对运动时，透过光栅对看另一边的光源，就会发现由一组垂直于光栅运动方向的明暗相间的条纹移动，这就形成莫尔条纹。

P

θ标尺光栅图5-18莫尔条纹设主光栅的节距为P1，指示光栅的节距为P2，光栅A的刻线方程为，

xi=iP1指示光栅B的到线j与t轴交点的坐标为xj=jP2/cosθ莫尔条纹1是由光栅A、B各i＝j刻线的交点连接而成所以莫尔条纹的方程是莫尔条纹(i=j)的斜率为莫尔条纹1的方程可表示为同样可求得莫尔条纹2和3的方程：由上述三方程可以得出结论；莫尔条纹是周期函数，其周期T：叫作莫尔条纹的宽度B莫尔条纹具有如下特点：

1.放大作用用B（mm）表示莫尔条纹的宽度，P(mm)表示栅距，θ(rad)为光栅线纹之间的夹角，

莫尔条纹宽度B与θ角成反比，θ越小，放大倍数越大。

2.均化误差作用莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。

3.莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例当光栅尺移动一个栅距P时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度B。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。(2)四倍频细分判向原理电子细分方式用于莫尔条纹测长中有好几种．四倍频细分是普通应用的一种。

(3)置零信号要知道测长的绝对数值，必须在测长的起始点给计数器以置零信号，这样计数器最后的指示值就反映了绝对测量值。

2．光电直接探测在遥感方面的应用

顾名思义，遥感是从遥远的地方感知、测量并识别目标特性的一门科学技术。具体说，它是从高空(飞机或卫星上)根据物体发射和反射电磁波的差异来探知地物(包括地表层及地层内)的结构。遥感技术目前广泛地用于对地形精确测绘、地球资源勘探、农作物生长状况监测及军事侦察等方面。

遥感技术是一门综合性很强的技术，它的发展依赖于光学技术、红外技术、激光技术、计算机技术、信息处理技术及国家工业化程度的发展。3.光电直接探测在监测环境污染方面的应用探测环境污染的程度已是人们十分关心的问题。对于大气中的污染物质．如CO、CO2,SO2等有害物质，它们对红外辐射都有确定的吸收波段，如表5—1所列。利用气体分析仪可调量出它们在空气中的浓度。C02气体分析仪的工作原理。干涉滤光片的透过波长为4.3um4．脉冲激光测距仪距离的光电测量主要有两种方法：脉冲法测距和相位法测距。脉冲激光测距仪在近地面使用时主要的缺点是受气象条件的影响较大(与雷达测距相比)。两种方法相比较，相位法测距精度更高。(1)测距原理由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来算出目标的距离。地面炮兵用脉冲激光测距仪6．光电相位测距仪(1)相位测距原理(2)相位测距仪原理仪器采用半导体发光管作为光源，它出射的光通量近似地与注入的驱动电流成正比。当驱动电流为某频率的正弦电流时，发光二极管输出光通量(光强度)也为正弦变化，其初始相位与驱动电流同相。出射光波经发射光学系统准直后射向合作目标。由合作目标反射回来的光波经接收物镜后会聚于光电二极管上，转换为正弦电压信号相位计的测量信号相位相位计的基准信号相位相位计测得相位差5.2光外差探测系统

光外差探侧在激光通信、雷达、测长、测速、测振、光谱学等方面都很有用。其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似。光外差探测与光直接探测比较，其测量精度要高7~8个数量级。激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的相干性，因而目前远距离外差探测在大气中应用受到限制，但在外层空间特别是卫星之间通信联系已达到实用阶段。一、光外差探测原理光外差探测与直接探测相比较有许多优点，在直接探测中由于光的振动频率高达2×1013~7.5×1014Hz，振动周期T为5×10-14~1.3×10-15s(可见光到中近红外)，而探测器响应时间最短10-10s,它只能响应其平均能量或平均功率。在直接探测中，设光波动的圆频率为ω，振幅为A，则光波f(t)写成平均功率fs为信号光波，fL为本机振荡(本振)光波，这两束平面平行的相干光，经过分光镜和可变光阑入射到探测器表面进行混频，形成相干光场。经探测器变换后,输出信号中包含fc＝fs–fL的差频信号．故又称相干探测.，入射到探测器上的总光场为由于光探测器的响应与光电场的平方成正比，所以光探测器的光电流为式中：是光电变换系数，η为量子效率hυ为光子能量，ωc=ωL-ωs称为差额。上式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1／2。第三项(和频项)是余弦函数的平均值，应为零。而第四项(差频项)相对光频而言，频率要低得多。当差频ωc/2π低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为ωc/2π的光电流输出。（见MCAD演示）外差探测不仅可探测振幅和强度调制的光信号，还可探测频率调制及相位调制的光信号。这是外差探测的第一个优点。二、光外差探测特性1、转换增益光探测器输出电流振幅为在直接探测中，输出信号电流的振幅外差转换增益由于在外差探测中，本机振荡光功率PL比信号光功率大几个数量级，所以，外差转换增益可以高达107~108。由此看出，外差探测灵敏度比直接探测灵敏度高107~108倍。这是外差探侧的第二个优点。2．光谱滤波性能

如果取差频信号宽度ωc/2π=ωL-ωs/2π为信息处理器的通频带Δf，那么只有与本机振荡光束混频后在此频带内的杂光可以进入系统，其他杂光所形成的噪声均被信号处理器滤掉。因此，外差探测系统中不需要加光谱滤光片，其效果甚至比加滤光片的直接探测系统还好得多。外差探测对背景光有强抑制作用。这是光外差探测的第三个优点。3．外差探测信噪比如果入射到探测器上的光场不仅存在信号光波Ps，还存在背景光波Pb，输出信噪比为说明外差探测的输出信噪比等于信号光波和背景光波振幅的比值，输人信噪比等于输出信噪比，输出信躁比没有任何损失。这是外差探测的第四个优点。但是，当本振光功率足够大时，本振光产生的散粒噪声远大于其他噪声。本振光功率继续增大时，由本振光所产生的散粒噪声随之增大，从而使光外差探测系统的倍噪比降低。所以，在实际的光外差探测系统中要合理选择本振光功率的大小，以便得到最佳信噪比和较大的中频转换增益。四、光外差探测典型系统1．干涉测量技术(1)激光干涉测长的基本原理(2)激光干涉测长仪的光路没置

该光路中，使用角锥棱镜代替了平面反射镜作为反射器，一方面避免了反射光束反馈回激光器而对激光器带来的不利影响，另一方面由于角锥棱镜的特点，使得出射光束与入射光束平行，而棱镜绕任一转轴的转动均不影响出射光束的方向，当它绕光学中心转动的角度不大时，它对光程的影响可以忽赂。角锥棱镜的形状相当于立方体切下来的一个角，它的三个内表面作为光学反射面并相互垂直。当光从基面入射，可在三个直角面上依次反射，仍从基面出射。出射光线与入射光线总保持平行。(3)干涉信号的方向判别与计数5.3光纤传感器检测系统

光纤是20世纪后半叶的重要发明之一。它与激光器、半导体光电探测器一起构成了新的光学技术，即光电子学新领域。光纤的最初研究是为了通讯；由于光纤具有许多新的特性，因此在其他领域也发展了许多新的应用，其中之一就是构成光纤传感器。一、光纤的基本原理

光纤波导的原理光纤(fiber)—传光的纤维波导或光导纤维的简称。

纤芯包层涂覆层护套光纤传光原理

——全反射

n1>n2

入射角>θ法线n1n2θ临界角θ＝arcsin(n2/n1)光纤传光与数值孔径n0200n2n1数值孔径：n2n1多模阶跃光纤nr多模梯度光纤n2n1单模梯度光纤单模光纤和多模光纤二、光纤的特性

光纤的衰减(或损耗)和色散(或带宽)是描述光纤传输特性的两个重要参量。

衰减的概念

由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字脉冲，其幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。在光纤内传输的光功率P随距离z的变化，可以用下式表示式中，α是损耗(衰减)系数。设长度为L(km)的光纤，输入光功率为Pi，输出光功率应为

Po=Piexp(-αL)习惯上α的单位用dB/km，损耗(衰减)系数α=

色散的概念色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关.

材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光(实际光源不是纯单色光)，其时间延迟不同而产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。三、光纤传感器分类光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以也称传感型光纤传感器，或全光纤传感器。非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号．所以也称为传光型传感器．或混合型传感器。光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为强度调制光纤传感器相位调制光纤传感器频率调制光纤传感器偏振调制光纤传感器波长(颜色)调制光纤传感器四、光调制与解调技术光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上,完成这一过程的器件称为调制器。调制器能使载波光波的参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的振幅、位相、频率、偏振、波长等。承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器系统解调，然后检测出所需要的信息。

1．强度调制与解调

微弯效应光强度调制技术原理

利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹在两块具周期性波纹的微弯析构成的变形器中构成调制器。从波导理论的观点来看，当光纤发生弯曲时，传输光会有一部分泄漏到包层中去，这种泄漏是光纤内发生模式耦合的结果，这些耦合模变为辐射模，造成传播光能量的损耗。纤芯中的光向包层逸出的原因从几何光学来说是由于全反射条件的破坏造成的，从波导理论来说则是光纤的弯曲引起了各种传导模式的耦合，则形成耦合模式被送入包层中去产生辐射模。

微弯调制示意图定量分析微弯效应造成的损耗可写成如下形式

式中为齿距，为齿数目，为变形幅度，ａ为纤芯半径，为光纤外半径，为内外层折射率差值。其中任何一个参数改变都会起到光强调制的作用。在实际问题里，变形器及光纤参数全部固定时，则可认为

实际测量框图利用这种调制技术可以直接测量位移的变化量(变形器上的变形板位移的大小决定光强的衰减程度),而间接测量的量则可包括温度，压力，振动，应变等。探测器脱模器脱模器脱模器的作用这里脱模器的作用是在进入探测器之前消除掉进入包层中的光以保证只有纤芯中的光才能传到变形器和探测器。其方法是在几厘米长的包层外边表面上刷上黑漆，这就可以以乎完全吸收掉传入包层中的光（或者剥去外包层置于折射率匹配的小盒中）。其它类型被测物体移动引起光纤变形，曲率半径随之改变，引起辐射模。其它类型将光纤绕成多圈螺旋管状，增加变形长度以提高灵敏度。

微弯型水听器多模光纤绕于带有螺纹的铝管螺纹谷内不会发生变形，而通过纵向槽的那部分光纤将由于外部压力而变形，如果这种压来来自于声波，则可依此原理制成水听器。脱模器ＬＡＳＥＲ探测器

光强度的外调制技术

上述微弯调制技术属于内调制，属于功能性调制技术，它是利用光纤本身特性的改变来实现光调制的。所谓外调制技术，是指调制环节发生在光纤以前的部分，光纤本身的性质并不改变，它只起到传光的作用。此时的光纤分为两部分，即输入光纤和输出光纤，或发送光纤和接收光纤，由于接收光强与接收光纤的端面的法向方面有关，于是接收光纤的端面可以视为接收信号。

反射型光强外调制传感器

a、原理由输入光纤出射的光投射到反射面上，其反射光的一部分进入输出光纤，进入多少与反射面位置有关。输入光纤输出光纤反射面定量分析反射镜面的移动方向是与光纤探头端面垂直的，反射镜面在其背面距离处形成输入光纤的虚象，因此，光强调制作用是与虚光纤和输出光纤的耦合相联系的。设两光纤皆为阶跃折射率光纤，芯径为，数值孔径为，两光纤垂直距离为ａ，并定义反射型光强外调制传感器示意图2ad2r输出光纤输入光纤的镜像

检测范围则当距离时，两光纤的耦合为零，无反射光进入输出光纤；当时，两光纤耦合最强，输出光强达最大值，此时输入光纤的像发出的光维底面积将输出光纤端面积全部遮盖，是一个常数，光维底面积为

因此最大检测范围是即检测位移的范围在和

之间。遮光型光强外调制技术上面所言为反射式，除此之外还有遮光式，一种办法是将发射光纤和接收光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光板上；另一种方法是直接移动接收光纤。这两种方式都是使接收光纤只能收到发送光纤发出的部分光，从而实现光调制。遮光型光强外调制技术用这种办法可以测量位移、压力、温度等物理量，这些物理量的变化都可使光强减弱由于闸式要使两光纤距离大一些，因此光损耗较大，但它可固定两光纤，因而使用可靠。光闸输入光纤输出光纤折射率光强度调制技术

（反射系数式光强调制技术）

反射系数与两介质的折射率有关，利用折射率的变化来改变反射系数，则可达到调制光强的目的，下图给出了一种典型装置：光源探测器信号处理调制器

调制部分细节全反射面调制机理由光纤左端入射的光，一部分沿光路返回到探测器。调制机理是：光纤左端有两个反射面，其中底面的为全反射面（镀膜而成），两反射面搭接，斜面反射面与折射率为的介质接触，调节斜面反射镜的角度使纤芯光经反射后能垂直入射到全反射面上，则纤芯光入射到斜反射面时能够部分地透射到的介质中去，由费涅尔公式描述：

其中为强度反射系数，，为入射角。可见，若介质由于压力或温度的变化引起微小变化，则会导致反射系数的变化，从而导致反射光强的改变，利用此原理可设计温度或压力传感器。

2、偏振调制与解调许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态，采用这些效应可设计偏振调制器，下面介绍一种典型效应。法拉弟发现，许多物质在磁场的作用下可使穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转（在光的传播方向上加上强磁场时）法拉弟效应（磁致旋光效应）Ｈd振动面旋转的角度由经验公式给出：

式中为静磁通量，为光所穿越的媒质长度，是比例因子，称费尔德常数，一种特定媒质的费尔德常数随频率和温度而变。实际例子对于气体，约为，固体和液体为的量级。如对于1厘米长的样品，高斯的磁场，，此时振动面将转动。利用法拉第效应测磁场

实验装置图

调制电压恒定磁场起偏器起偏器

线偏振光从左面进入晶体，横向的直流磁场使YIG晶体在此方向上引起磁化饱和，而总的磁化强度矢量（由恒定磁场和线圈磁场所引起）可以改变方向，它对晶体轴的倾斜角度正比于线圈中的调制电流。因为法拉弟旋转依赖于磁化强度的轴向分量，所以线圈电源控制了角，检偏器按照马吕定律把这一偏振调制转换为振幅调制。也就是说，要传递的信息作为调制电压加在线圈上，则出射的激光束以振幅变化的形式携带着信息。这样，为了获得更大的法拉弟效应，可以将放在磁场中的法拉弟材料做成平行六面体，使通光面对光线方向稍偏离垂直位置，并将两面镀层反射膜，只留入口和出口，这样，若光束在其间反射次后出射，则有效旋光厚度为，则偏振面的旋转角度将提高倍。高反射膜3、相位调制与解调

一、

利用光相位调制来测量某些物理量的开发应用已有一百多年的历史，不过一般以空间作为干涉光路的干涉仪体积大，环境条件要求严格，调整也困难，因此限制了在工业中的应用。光导纤维的出现为光学干涉仪开辟了广阔的天地，因为用光纤代替自由空间作为干涉光路有两个突出的优点：一是减少了干涉仪安装和校准的固有困难，可使仪器小型化，块体化。二是可以用加长光纤的方法使干涉光路对环境参数的响应灵敏度增加。调制原理光纤中传导的光，其相位变化取决于处界物理量产生的光纤波导的下面三个参数的变化。①光纤物理长度的变化（轴向应变伸长、热膨胀引起的伸长、泊松比变化引起长度伸长）②光纤折射系数及分布的变化（温度引起、光弹效应）③光纤横截面几何尺寸的变化（压力、热膨胀）为简化分析，假定分析折射率沿其截面分布不变化，则光相位调制只由光纤长度、折射率大小和横截面尺寸产生。光纤中传播光相位变化可以表示为

―轴向长度变化产生的相位移―折射率变化产生的相位移―光纤直径变化产生的相位移其中

此三个因素中产生的相移表达式比较复杂，与有关，其大小取决于光纤的结构。

（为光纤轴向应变）

外施参量与光相位的关系可由被测量产生的光纤参量变化来求得，下面以温度来说明。外施温度对光纤的热影响是最简单的情况。此时可只考虑温度对长度和折射率变化而忽略温度引起的直径变化。则相位解调原理

两束相干光束(信号光束和参考光束)同时照射在一光电探测器上，光电流的幅值将与两光束的相位差成函数关系：

光电探测器对合成光束的强度发生响应。设自由空间的阻抗为Zo，则入射到光电探测器光敏面Ad的功率为最终探测信号电流为上式括号中的后三项相当于光频的电流变化，光电探测器不能响应如此高频率的变化，可以忽略。因此上式可简化为可见，通过于涉现象能把光束之间的相位差转变为光强变化。当E1=E1=E/2时，可进—步简化为：几种干涉测量仪与光纤干涉传感器原理

迈克尔逊干涉仪单色光经分束器分为光强相等的两束光：一束射向固定反射镜，然后反射到分束器，被其透射部分，由探测器接收；另一束入射到可移动反射镜上，然后反射回分束器，经分束器反射的部分也传到探测器；当光程差小于激光器的相干长度时，传到探测器的两束光则产生干涉。

迈克尔逊干涉仪示意图激光器固定反射镜探测器可移动反射镜调制器两相干光的位相差为

式中为空气中的光传播常数，为两相干光的光程差。

可见，可移动反射镜每移动长度，光探测器的输出就从最大值变到最小值，再变到最大值，变化一个周期。如果使用激光，它能检测的位移大致为，即的位移。马赫－泽德干涉仪示意图固