非相干光的检测与变换

非相干光的检测与变换1第1页，共144页，2023年，2月20日，星期四第一节

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，但检测的是光功率2第2页，共144页，2023年，2月20日，星期四变换的目的1）将待处理的信息加载到光载波上，得到光载波的信号2）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3）改善系统的检测信噪比，提高系统可靠性3第3页，共144页，2023年，2月20日，星期四变换的方法借助于几何光学、物理光学、光电子学等几何光学：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、偏振等光电子学：电光效应、声光效应、磁光效应、空间调制等4第4页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电信号变换方法与应用范围

变换方法光学原理应用范围几何光学法透射、反射、折射、散射、遮光、光学成像等非相干光学现象或方法光开关、光学编码、光扫描、瞄准定位、光准直、外观质量检测、测长测角、测距等物理光学法干涉、衍射、散斑、全息、波长变换、光学拍频、偏振等相干光学现象或方法莫尔条纹、干涉计量、全息计量、散斑计量、外差干涉、外差通信、光谱分析、多普勒测速等光电子学法电光效应，声光效应、磁光效应、空间光调制、光纤传光与传感等光调制、光偏转、光开关、光通信、光记录、光存储、光显示等5第5页，共144页，2023年，2月20日，星期四

光源、光学变换系统和光电接收器件构成了光电检测系统直接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6第6页，共144页，2023年，2月20日，星期四

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的系统7第7页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电变换的基本形式1)被测对象为辐射源的形式8第8页，共144页，2023年，2月20日，星期四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。光电变换的基本形式1)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温度的影响，以及减少背景辐射的噪声干扰——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。9第9页，共144页，2023年，2月20日，星期四1)被测对象为辐射源的形式设物体全辐射通量密度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（不计大气吸收）ε—发射率；σ—波尔兹曼常数；T—绝对温度τ—光学系统的透过率；m—光学调制系统的透过率；S—光电器件光电灵敏度；G—电路变换系数；A—放大器放大倍数；R—光电变换系数10第10页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电变换的基本形式2)光透过被测对象的形式11第11页，共144页，2023年，2月20日，星期四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2)光透过被测对象的形式Ф0—入射到介质表面的通量；α—介质吸收系数；d—介质的厚度实验表明：在液体或气体中，α(=μγ)值与物质的浓度成正比。(μ—表示液体或气体对光的吸收性质；γ—浓度)光电变换器的输出电压为12第12页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电变换的基本形式3)光由被测对象反射的形式13第13页，共144页，2023年，2月20日，星期四光反射有镜面反射和漫反射两种形式——其反射的物理性质有所不同光电变换的基本形式3)光由被测对象反射的形式14第14页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电变换的基本形式4)光由被测对象遮挡的形式15第15页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电变换的基本形式设光电器件光敏面的宽度和高度为b，而被测物体的宽度大于b，物体遮挡光的位移量为Δl，则物体遮挡入射到器件的光照面积的变量为4)光由被测对象遮挡的形式变换器输出位移量的信号电压为：16第16页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电变换的基本形式5)被测对象经光信息量化的形式17第17页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电变换的基本形式6)光传输信息的形式18第18页，共144页，2023年，2月20日，星期四第二节

光电直接检测系统的基本工作原理检测系统可经光学变换或直接由检测器接收被测信号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19第19页，共144页，2023年，2月20日，星期四假定入射的信号光强为A—信号光强振幅ω—信号光的圆频率其平均光功率为而光检测器输出的电流为式中20第20页，共144页，2023年，2月20日，星期四若检测器的负载电阻为RL，则光电检测器输出电功率为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21第21页，共144页，2023年，2月20日，星期四如果入射光是调幅波，即

X(t)—调制信号检测器件输出的电流为若光电检测器输出端由隔离直流的电容，则只有第二项输出——这就是包络检测的意思22第22页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（非相干）的基本特性1、检测系统的信噪比设入射到检测器的信号光功率为PS

设入射到检测器的噪声功率为Pn检测器输出的信号电功率为P0

检测器输出的噪声功率为Pn023第23页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（非相干）的基本特性考虑到信号与噪声的独立性，则有24第24页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（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①若，则有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1或者微弱光信号的检测25第25页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（非相干）的基本特性②若，则有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3dB，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——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法——因为该方法比较简单，易于实现，可靠性高，成本低，应用广泛26第26页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（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信号光背景光暗电流负载电阻及放大器热噪声之和27第27页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（非相干）的基本特性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，而其它可以忽略时，信噪比为28第28页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（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，则直接检测系统受散粒噪声限制，这是的信噪比为29第29页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（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，这是的信噪比为PB为背景辐射功率扫描热检测系统的理论极限即由背景噪声极限所决定30第30页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（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要噪声源——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，也称为直接检测系统的量子极限31第31页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（非相干）的基本特性

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以测量的最小功率为假定检测器的量子效率η=1，测量带宽Δf=1Hz得到系统的最小可检测功率为2hν,已接近单个光子的能量32第32页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（非相干）的基本特性

3、直接检测系统的视场角视场角是直接检测系统的性能指标之一它表示系统能“观察”到的空间范围对于检测系统，被测物看作是在无限远处且物方与像方两侧的介质相同故在上述条件下检测器位于焦平面上时，其半视场角为检测器直径33第33页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（非相干）的基本特性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：希望视场角愈大愈好从上式可看出，增大Ω，可增大Ad或减少f而这两个方面对检测系统的影响都不利①Ad的增大——增大了系统的噪声②减少焦距使系统的相对孔径加大—一般不允许③Ω加大后背景辐射也随之增加检测器面积34第34页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（非相干）的基本特性4、系统的通频带宽度频带宽度Δf是光电检测系统的重要指标之一光电检测系统要求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Δf35第35页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（非相干）的基本特性

①等效矩形带宽令I(ω)为信号的频谱，则信号的能量为等效矩形Δω带宽定义为I(ω0)为ω=ω0时的频谱分量，而I(ω0)=I(0)为最大频谱分量36第36页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（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I(ω)I(0)OΔωω0ω

激光波形为

式中β为脉冲峰值τ0—激光脉冲宽度37第37页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（非相干）的基本特性激光脉冲能量E为38第38页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（非相干）的基本特性等效矩形带宽Δω1为39第39页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（非相干）的基本特性

②频谱曲线下降3dB的带宽40第40页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（非相干）的基本特性

③包含90%能量的带宽在90%处能量的带宽为式中：式中41第41页，共144页，2023年，2月20日，星期四光电检测系统（非相干）的基本特性

当给定误差函数的值时，由误差函数表可求出x值，再求出ω值，即由以上分析可知，频带宽度Δf愈宽，通过信号的能量愈多，但系统的噪声功率也增大42第42页，共144页，2023年，2月20日，星期四直接检测系统的距离方程上述用信噪比来表示系统的灵敏度也有用检测系统距离来评价系统的灵敏度特别是在对地测距、搜索和跟踪等系统中43第43页，共144页，2023年，2月20日，星期四直接检测系统的距离方程1、被动检测系统的距离方程设被测目标的光谱幅射强度为Ieλ经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射强度为Eeλ为被测距离L内的大气光谱透过率L为目标到光电检测系统的距离44第44页，共144页，2023年，2月20日，星期四直接检测系统的距离方程入射到检测器上的光谱功率为

分别为接收光学系统的入射孔径面积及光谱透过率

45第45页，共144页，2023年，2月20日，星期四直接检测系统的距离方程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，可得到检测器的输出信号电压为

为光电检测器的光谱响应度令光电检测器的方均根噪声电压为Vn，则它的输出信噪比为46第46页，共144页，2023年，2月20日，星期四直接检测系统的距离方程上式中的各参数都是波长的复杂函数，很难表示通常处理方法是做简化处理：①取为被测距离L在区域内的平均透过率②光学系统的透过率也取在光谱范围内的平均值③把检测器对波长内的响应度看成是一个矩形带宽，即认为的光谱响应度为零；而在的光谱范围内响应度为常值④根据物体的温度T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，可以得到物体在波段范围内的辐射强度Ie47第47页，共144页，2023年，2月20日，星期四直接检测系统的距离方程把上述的按简化处理的各参数平均值代入输出信噪比中故可得到48第48页，共144页，2023年，2月20日，星期四直接检测系统的距离方程又因检测器的归一化检测度检测器面积系统的带宽P0=A0Ie入射到接收光学系统的平均功率49第49页，共144页，2023年，2月20日，星期四直接检测系统的距离方程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目标辐射特性及大气透过率的影响光学系统特性的影响检测器特性的影响信息处理系统的影响50第50页，共144页，2023年，2月20日，星期四直接检测系统的距离方程2、主动检测距离方程主动检测系统的光源主要是激光光源令其发射功率为发射束发散立体角为发射光学系统透过率为经调制的光能利用率为则发射功率为51第51页，共144页，2023年，2月20日，星期四直接检测系统的距离方程激光在大气中传播时，能量若按指数规律衰减（衰减系数为），经传播距离L后光斑面积为，光斑的辐射照度为设在距光源为L处有一目标，其反射面积为Sa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r），单位立体角的反射光辐射强度为52第52页，共144页，2023年，2月20日，星期四直接检测系统的距离方程假定接收机和发射机在一处，则接收功率为D0为光学系统的接收孔径为接收光学系统的立体角53第53页，共144页，2023年，2月20日，星期四直接检测系统的距离方程如果接收光学系统的透过率为，则光电检测器上接收到的总功率为光电检测器上的输出电压为54第54页，共144页，2023年，2月20日，星期四直接检测系统的距离方程将检测器的光谱响应度代入上式中，得到距离为若目标反射面积等于光斑照射面积，上式可简化为55第55页，共144页，2023年，2月20日，星期四直接检测系统的距离方程可看出，影响检测距离的因素很多——发射系统、接收系统的大气特性及目标反射特性都将影响L56第56页，共144页，2023年，2月20日，星期四第三节

时变光信号的直接变换与测量随时间变化的光电信号F（t）幅值法频率法零位法差动法直读法补偿法频率测量法波数测量法相位法时间法57第57页，共144页，2023年，2月20日，星期四第三节

时变光信号的直接变换与测量随空间变化的光电信号F（x,y,z）几何中心与几何形状检测亮度中心检测轮廓光电扫描电子指示线对准像分析器光焦点检测PSD法像分解象限分解扫描与跟踪测量58第58页，共144页，2023年，2月20日，星期四样品光电器件放大显示准直镜透镜Φ0一、幅值法1、直读法τΦSKM59第59页，共144页，2023年，2月20日，星期四τMKSθΦ0Φ一、幅值法1、直读法60第60页，共144页，2023年，2月20日，星期四准直镜读数装置激励线圈SKM物镜Q检偏器起偏器磁光物质P一、幅值法2、指零法61第61页，共144页，2023年，2月20日，星期四KSQθτΦ0θxθ0Φ1一、幅值法2、指零法以上两种方法均为单通道测量方法62第62页，共144页，2023年，2月20日，星期四M

Kτsθ一、幅值法3、差动法（双通道测量系统）标准透过率被测透过率63第63页，共144页，2023年，2月20日，星期四若64第64页，共144页，2023年，2月20日，星期四65第65页，共144页，2023年，2月20日，星期四66第66页，共144页，2023年，2月20日，星期四θMK读数一、幅值法4、补偿法此方法是差动法和指零法的组合67第67页，共144页，2023年，2月20日，星期四68第68页，共144页，2023年，2月20日，星期四光通量的变化随被测信息呈现周期性变化时，被测量信息载荷与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来检测二、频率测量法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69第69页，共144页，2023年，2月20日，星期四1、波数测量法二、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准直镜指示光栅光电器件标尺光栅X70第70页，共144页，2023年，2月20日，星期四1、波数测量法二、频率测量法光电元件光敏面上的光通量变化当光栅位移为d，则引起光通量变化一个周期若光通量变化周期数（波数）为N时i—脉冲当量M—脉冲数m—细分数（一个周期内）71第71页，共144页，2023年，2月20日，星期四2、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72第72页，共144页，2023年，2月20日，星期四1、相位测量法三、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，检测相位值即可确定被测值的大小比如：光电光波测距73第73页，共144页，2023年，2月20日，星期四1—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D123764574第74页，共144页，2023年，2月20日，星期四光源与激励电流成正比D1237645光由发射到接收的时间为相位变化量若能测出相位变化量，就可以得到测距量75第75页，共144页，2023年，2月20日，星期四设辐射光通量变化一个周期，光波传播距离为L0若再考虑折射率的影响76第76页，共144页，2023年，2月20日，星期四2、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77第77页，共144页，2023年，2月20日，星期四D

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填脉冲的方法来计数，可以得到1X10-10S的计时精度78第78页，共144页，2023年，2月20日，星期四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79第79页，共144页，2023年，2月20日，星期四激光测量技术80第80页，共144页，2023年，2月20日，星期四激光测距1969年的月距实验（LURE）创造了长距离脉冲测量方法的记录81第81页，共144页，2023年，2月20日，星期四激光相位测距原理激光相位测距时，连续激光光束被调幅成正弦波设调制频率为f，相应的角频率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，则光的往返时间为被测距离为82第82页，共144页，2023年，2月20日，星期四激光相位测距原理若以π弧度作的度量单位而总可以表示为n个π和不到π小数部分之和就有83第83页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统激光测距的分类分类脉冲测距法相位测距法干涉测距法84第84页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统85第85页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统86第86页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统激光发射部分87第87页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统对激光发射机基本特性的要求：88第88页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统

激光电源89第89页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统

90第90页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距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学系统的放大倍数越大，光束发散角越小，光斑直径越小光斑直径越小，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91第91页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统脉冲式最常用的发射系统是倒装的伽利略望远系统可压缩从激光器输出的光束发射角其出射光瞳大于入射光瞳，输出的光束截面扩大——扩束作用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92第92页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统

93第93页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统

94第94页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统发散光学系统倍率的选取，视情况而定此倍率就是发散角被压缩的倍率倍率大，外形尺寸也要增大，会带来一些限制一般的测距，发散角不小于1mrad高精度、超远距测距，光束发散角可在0.1~1mrad光学系统目镜和物镜的选取要以激光束全部通过为原则—目镜通光孔径略大于激光光束直径95第95页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统

激光接收系统96第96页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统为了尽可能将目标反射回来的激光能量会聚到探测器上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比提高测距系统的测距精度和作用距离在接收器前面加上光学系统97第97页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统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98第98页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统加入特殊元件，可以提高激光测距系统、激光雷达的性能提高接收装置的灵敏度，增大作用距离提高瞄准跟踪精度，扩大增益范围，改善体积特殊光学元件99第99页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统1、滤光片降低背景光噪声、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100第100页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统干涉滤光片的中心波长与它对光源的倾角有关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，以获得最佳信噪比一般的激光测距系统，选用半宽度在30Å~40Å范围的滤光片较合适101第101页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统2、衰减片测量不同远近的目标时，激光的回波能量也不同若激光回波能量太强就会烧毁探测器因此需要在接收装置中加入衰减片来限制激光能量衰减片是在接收系统中实现光学自动增益的光学元件102第102页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距系统常用衰减片的形式：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双光楔衰减片：利用具有对光吸收性质的材料制成，衰减量可以实现连续的透过率变化变密度盘：利用镀膜的方法制成103第103页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距误差分析和测距精度测距误差源104第104页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距误差分析和测距精度

激光主波和回波信号对计数器的取样脉冲部位差测距系统的固定光延时105第105页，共144页，2023年，2月20日，星期四脉冲式激光测距误差分析和测距精度提高脉冲激光测距精度的主要途径测距精度由大气折射、晶振频率、非真空光速、晶振频率稳定度、计数器的分辨率、主波与回波各经不同的线路等因素影响采取的措施：1、提高计数器频率2、时间内插法3、采用恒比定时技术4、质心探测电路106第106页，共144页，2023年，2月20日，星期四现代激光雷达微波雷达与激光雷达传统雷达是以微波和毫米波作为载波的雷达激光雷达是以激光作为载波的雷达激光波长比微波和毫米波短得多激光雷达利用激光光波完成对目标的跟踪测量任务激光雷达结构和微波雷达结构原理并无本质区别107第107页，共144页，2023年，2月20日，星期四现代激光雷达108第108页，共144页，2023年，2月20日，星期四现代激光雷达二者在波束宽度、波段、波长及频率方面有较大区别一个是微波段，工作波束宽一个是光波段，工作波束窄光的波长比微波短好几个数量级109第109页，共144页，2023年，2月20日，星期四现代激光雷达110第110页，共144页，2023年，2月20日，星期四现代激光雷达111第111页，共144页，2023年，2月20日，星期四现代激光雷达112第112页，共144页，2023年，2月20日，星期四现代激光雷达113第113页，共144页，2023年，2月20日，星期四现代激光雷达

114第114页，共144页，2023年，2月20日，星期四现代激光雷达

115第115页，共144页，2023年，2月20日，星期四现代激光雷达激光雷达特点：116第116页，共144页，2023年，2月20日，星期四现代激光雷达最基本构成117第117页，共144页，2023年，2月20日，星期四一、几何中心检测法第四节

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光信号位置检测，也称为光学目标定位光学目标：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何形体或景物118第118页，共144页，2023年，2月20日，星期四第二节

随空间变化的光电信号变换与检测复杂图形景物：结构细密、空间频率高、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简单光学目标：由点、线、面等规则图形组成，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，被称为空间定位119第119页，共144页，2023年，2月20日，星期四简单光学目标如：刻线、狭缝、十字线、光斑、方框窗口等光学目标的信息采集通常用光学成像方法来完成，如：望远、准直、摄像、显微等系统120第120页，共144页，2023年，2月20日，星期四光学目标和其衬底间的反差形成物体表面轮廓轮廓中心位置称为几何中心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体中心位置方法为几何中心检测法其特点：121第121页，共144页，2023年，2月20日，星期四像分析和几何参量调制像分析：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位置的方法像分析器：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122第122页，共144页，2023年，2月20日，星期四像分析器是将几何位置信息调制到光载波上的光通量，形成光学信号的调制器，称为G/O变换器最简单的单通道像分析器是由光学狭缝和光电元件组成的狭缝对准器物是工件上的刻线，检测刻线是否对准在光轴上123第123页，共144页，2023年，2月20日，星期四取狭缝宽L=像宽B，狭缝高H=像高D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τ=0当刻线未对准光轴时，τ≠0，因而照度为E=τE0124第124页，共144页，2023年，2月20日，星期四简单分析上述方法的定位特性Ф(x)Ф为透过狭缝的光通量x为像位置坐标：像中心相对狭缝中心的偏移量引入取样窗口的窗口函数h(x)，有在理想情况下：125第125页，共144页，2023年，2月20日，星期四126第126页，共144页，2023年，2月20日，星期四对简单像分析器的要求：所形成的被测目标的像要有一定的照度分布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）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像分析器应由线性的定位特性照度变化、像质量、窗口质量对测量影响很大127第127页，共144页，2023年，2月20日，星期四结论组成简单像分析器的基本要求像分析器的定位特性给出了该装置输出光通量和输入目标像偏移量间的定量关系（像分析器本质上是调制器或位移——光