光电系统设计

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光电系统是测控仪器的重要组成部分，它与电子系统、精密机械及计算机相结合，构成光、电、机、计算机相结合的现代仪器，它具有许多重要的特点，主要有：1.精度高2.非接触测量3.测量范围大4.信息处理能力强第2页/共33页第一节测控仪器光电系统的组成和类型第3页/共33页一、光电系统的组成光源、光学系统、被测对象、光学变换、光电转换、电路处理、显示、控制第4页/共33页二、光电系统的类型主动系统与被动系统携带信息的光源是人为制造的还是自然辐射的。光电系统的照明是人工光源，被测信息通过调制的方法加载到光载波上去，然后用光电接收系统进行检测，这种光电系统称为主动光电系统。如果光电系统的照明是自然光，或者用不是为光电系统特殊设计的光源来携带信息，这种光电系统称为被动光电系统。第5页/共33页模拟系统与数字系统模拟系统：光载波是直流或者连续的光通量。数字系统：光载波是脉冲量，将被测量加载到脉冲光载波的幅度、频率、脉宽或相位之中，得到脉冲调幅、调频或调宽波，然后对脉冲调制光波进行传输或变换。第6页/共33页直接检测系统与相干检测系统直接检测系统：直接检测光强度相干检测系统：利用光波的振幅、频率、相位来携带信息。按光电系统的功能还分光电信息检测系统、光电跟踪系统、光电搜索系统、光电通信系统。第7页/共33页第二节光电系统的特性第8页/共33页一、光电特性光电系统的光电特性即该系统输入、输出特性，又称静特性。二、光谱特性及光谱匹配为了提高光能利用率，要求检测器件的光谱灵敏度分布核辐射源的辐射度分布及各传输环节的透射率分布相覆盖。第9页/共33页三、光电灵敏度特性光谱响应率又称光电灵敏度，即光系统的光电检测器件的输出与入射光通量之比。四、频率响应特性入射光照是以一定频率变动的交换光信息时，光照频率的变化将会引起光电器件响应率的变化。第10页/共33页五、光电检测系统的探测率和比测率噪声等效功率第11页/共33页第三节光电系统设计的原则第12页/共33页一、匹配原则1.光谱匹配2.功率匹配包含以下三个方面的内容：1）光电器件与入射辐射能量在空间上对准2）入射光辐射应与光电特性相匹配3）满足光谱匹配3.阻抗匹配第13页/共33页二、干扰光最小原则

光电系统中光干扰是造成系统工作不稳定的重要因素。光电系统中的干扰光主要指杂散光、背景光和“回授光”。干扰光最小原则就是指干扰光对光电系统影响最小，以使系统稳定性好，抗干扰能力强。第14页/共33页第15页/共33页三、共光路原则第16页/共33页第17页/共33页测验四1.电路与软件系统由哪几部分组成？2.什么是量化误差？试举例说明。3.提高电路与软件系统的可靠性的措施有哪些？第18页/共33页第五节直接检测系统的设计第19页/共33页特点：直接检测光功率第20页/共33页直接检测光电系统的工作原理

将待测的光信号直接入射到光电器件的光敏面上，光电器件的输出电流或电压与入射光强有关。第21页/共33页第六节相干变换与检测系统设计第22页/共33页光学干涉和干涉测量干涉：可能相干的两束或多束光波相叠加，他们的合成信号的光强度随时间或空间有规律的变化。产生稳定干涉的条件：（1）两列波频率相同（2）相位差恒定（3）振动方向一致第23页/共33页

干涉条纹强度取决于相干光的相位差，相位差由光传输介质的折射率对光的传播距离的线性积分决定。说明：光传输介质的折射率和光程长度都将影响相干光的相位变化。光学测量即利用这一性质改变光载波的特征参量。第24页/共33页

干涉测量实质上是被测信息对光载波的调制和解调过程。干涉仪：形成干涉现象的装置。

工作原理：将光束分成两个沿不同或相同路径传播的光束，在其中一路中引入被测量，产生光程差后再合成一束光，以便观察干涉现象。第25页/共33页二、干涉条纹光强检测法及其设计

条纹光强检测法：在干涉场中确定的位置上用光电器件直接检测干涉条纹的光强变化。设计核心问题：提高相干度。第26页/共33页1.光的单色性和测量范围对相干度的影响1）波长变动会引起不同初相位的叠加，降低相干度。要求：尽量使用单色光2）要求：测量范围<<相干长度2.光源的光束发散角影响要求：尽量用平行光照明第27页/共33页3.光电检测器的接收孔径光阑的影响要求：使干涉区域充分占据接收光阑。4.合理选择透射与反射比，获得等光强干涉。两路光波振幅相等时，条纹对比度最好。要求：使相干的两路光的透射率与反射率之比近似为1。例：图6-45，迈克尔逊干涉仪第28页/共33页5.共光路设计第29页/共33页三、干涉条纹相位检测及其设计

工作原理：直接检测相位的变化。

稳定性好，精度高。第30页/共33页四、干涉条纹的外差检测系统

将包含有被测量信息的相干光调制波和作为基准的本机振荡光波，在满足波前匹配条件下在光电检测器上进行光学混频。检测器的输出是频率为两光波光频差的拍频信号，该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位特征