第11章典型光电系统的分析与设计

光电科学与工程学院CollegeOfOptoelectricScienceandEngineering课程主要内容四大部分：理论基础光电信号变换与处理光辐射源光电探测器光电系统分析设计光电科学与工程学院CollegeOfOptoelectricScienceandEngineering--便携式辐射测温仪可用于电力系统中电接头的温度检查·······测温范围PT120:-20℃～1200℃瞄准方式：激光瞄准、望远镜瞄准光电系统实例：光电科学与工程学院CollegeOfOptoelectricScienceandEngineering光电系统实例：--CCD玻璃管尺寸测控仪均匀平行光照射玻璃管CCD输出信号波形光电科学与工程学院CollegeOfOptoelectricScienceandEngineering光电系统实例：--激光半主动寻的系统光电系统实例：--待发段火箭姿态图像实时识别处理系统该系统已成功应用于“神舟3～6号”任务，为航天员提供了可靠的安全保障。倾角差小于10'“黄色告警线”“红色逃逸线”光电科学与工程学院CollegeOfOptoelectricScienceandEngineering第11章典型光电系统的分析与设计11.1分布式光纤测温系统11.2光谱测量系统11.3CCD尺寸测量系统11.4*光电精确制导系统11.5*光测图像系统11.1分布式光纤测温系统例：高压电力电缆人工测温－－便携式辐射测温仪可用于电力系统中电接头的温度检查·······测温范围PT120:-20℃～1200℃瞄准方式：激光瞄准、望远镜瞄准人工测温：效率、适时、可靠性，······11.1分布式光纤测温系统分布式测温：效率、适时、可靠性，······高压电力电缆光纤－－线温度传感器11.1分布式光纤测温系统DistributedOpticFiberTemperatureSensor－－简称DOFTS－－又叫分布式光纤温度传感器光纤－－线温度传感器被测点－－空间位置光学时域反射定位－－温度数值喇曼散射－温度效应11.1分布式光纤测温系统空间位置－－光学时域反射定位OpticalTimeDomainReflection，OTDR/2/(2)/(2)liTciTnicnf采样频率f决定了系统的空间分辨力，如1m的空间分辨力需要f达100MHz以上11.1分布式光纤测温系统温度数值－－喇曼散射－温度效应入射光子斯托克斯光（Stocks）瑞利散射光反斯托克斯光（Anti-Stocks）如G652单模光纤131.3210Hz11.1分布式光纤测温系统温度数值－－喇曼散射－温度效应瑞利散射光斯托克斯光反斯托克斯光对温度不敏感光强度受温度调制测温原理信号光反斯托克斯光参考光瑞利散射光或斯托克斯光11.1分布式光纤测温系统温度数值－－喇曼散射－温度效应测温原理信号光反斯托克斯光参考光瑞利散射光或斯托克斯光检测两光强的比值可消除：－－光源的不稳定－－光纤接头损耗－－光纤弯曲损耗－－光纤传输损耗·········11.1分布式光纤测温系统温度数值－－喇曼散射－温度效应瑞利散射光反斯托克斯光4RR0e0()exp(2)ΦlKSΦl4aaaea0a(,)()exp[())ΦTlKSΦRTla1()exp[Δ/()]1RThkT光电科学与工程学院CollegeOfOptoelectricScienceandEngineering11.1分布式光纤测温系统工作原理动态演示：11.1分布式光纤测温系统实例：FGC－W30型分布式光纤温度传感器光学信号变换光电信号变换电学信号变换11.1分布式光纤测温系统实例：FGC－W30型分布式光纤温度传感器工作过程：11.1分布式光纤测温系统实例：FGC－W30型分布式光纤温度传感器信号处理特点：--探测方法弱信号检测波分复用器干涉滤光片--信号处理调制与解调取样积分（软件硬件）11.1分布式光纤测温系统实例：FGC－W30型分布式光纤温度传感器分布式测温：效率、适时、可靠性，···应用：发电机绕组温度检测11.1分布式光纤测温系统讨论：--空间分辨率/2/(2)/(2)liTciTnicnf1.采样频率f——空间分辨力1m的空间分辨力需要f达100MHz以上结论：11.1分布式光纤测温系统讨论：--空间分辨率2.采样频率τ——空间分辨力1m的空间分辨力，激光脉冲宽度τ10ns结论：光纤l2激光脉冲宽度τ的影响t2t2＋τt2＋τ反向散射光11.1分布式光纤测温系统分辨率讨论：空间分辨率（4m）－－采样频率（50MHz）－－激光脉冲宽度（10ns）温度分辨率(0.1)－－模拟量信噪比－－激光功率(～100W)－－取样信号处理℃光电科学与工程学院CollegeOfOptoelectricScienceandEngineering第11章典型光电系统的分析与设计11.1分布式光纤测温系统11.2光谱测量系统11.3CCD尺寸测量系统11.4*光电精确制导系统11.5*光测图像系统11.2光谱测量系统光谱测量系统（光谱仪）是一类用于测量光源或物质光谱特性的典型光电系统，在颜色显示、生物化学、环境监测、航天等领域有着广泛的应用。氘灯的外形和光谱能量分布图200～250nm标准辐射光源光源光谱特性11.2光谱测量系统光谱测量系统（光谱仪）是一类用于测量光源或物质光谱特性的典型光电系统，在颜色显示、生物化学、环境监测、航天等领域有着广泛的应用。多光谱扫描仪－－估计小麦产量反射光光谱特性11.2光谱测量系统吸收光光谱特性激光雷达德国：“VTB—1型”遥测激光雷达，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，可实时地远距探测并确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、中心角坐标以及毒剂相关参数等。11.2光谱测量系统11.2.1基于PMT的光谱辐射仪－－稳定发光光源－－闪光灯等光源？响应波段200～800nm光谱分辨率可达10nm11.2光谱测量系统11.2.2光学多通道分析仪OpticMulti-channelAnalyzer，OMA－－是一种综合光、机、电、算等多种技术的新型光谱测量仪器，具有单次测量光谱范围宽、响应速度快、灵敏度高、数据采集处理方便等特点。OMA选用探测器为CCD摄像器件。Princeton仪器公司1530-PUV型OMA响应波段200～1100nm光谱分辨率可达0.05nm11.2光谱测量系统响应波段200--1100nm～？？光谱分辨率可达0.05nm？？11.2.2光学多通道分析仪11.2光谱测量系统多功能光栅光谱仪多功能光谱辐射仪内部结构图光栅（由步进电机驱动）光电倍增管接收CCD接收出射狭缝入射狭缝11.2光谱测量系统11.2光谱测量系统11.2.3傅立叶变换红外光谱仪光谱分辨率红外波段相干探测探测器1激光干涉系统－－辅助系统探测器2红外光干涉系统－－测量系统探测器3白光干涉系统－－辅助系统11.2光谱测量系统探测器1激光干涉系统－－确定位置x探测器2红外光干涉系统－－测量系统探测器3白光干涉系统－－确定采样起点11.2.3傅立叶变换红外光谱仪11.2光谱测量系统单色光，探测器的信号强度：222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|()()|[()()2()()]{cos(22)cos(22)22cos[()()]2cos[()()]}ISEtEtSEtEtEtEtSaaatataataathssrcos(2)ISaavt11.2.3傅立叶变换红外光谱仪11.2光谱测量系统单色光，探测器输出的交流信号：hssrcos(2)ISaavtxaSaIπ2cossrhsxSΦxaSIπ2cosπ2cos212hs0单色光两路光强度相等11.2.3傅立叶变换红外光谱仪11.2光谱测量系统单色光，探测器输出的交流信号：xSΦxaSIπ2cosπ2cos212hs0单色光的双光束干涉：10000111110(,)2()1cos(Δ)2()1cos(2)4π2()1cos2()'(,)(,)()(,)4π()2()1cosIkxVcUSIVSc11.2.3傅立叶变换红外光谱仪11.2光谱测量系统单色光双光束干涉：202004π()2()()cosdVUUSc复色光双光束干涉：1100104π(,)()2()1cos4π()2()cosVUScVUSc11.2.3傅立叶变换红外光谱仪11.2.3傅立叶变换红外光谱仪单色光干涉图：0xIhs(x)复色光干涉图：0xIhs(x)复色光的干涉图是由各种波长光在该点x干涉图的叠加构成10104π(,)()2()cosVUUSc202004π()2()()cosdVUUSc11.2光谱测量系统202004π()2()()cosdVUUSc复色光双光束干涉：20204π()()()cosdVSUUc傅里叶变换傅里叶逆变换光谱分布是干涉图的傅里叶变换！！！11.2.3傅立叶变换红外光谱仪11.2.3傅立叶变换红外光谱仪光谱分布是干涉图的傅里叶变换！！！已知S（λ）：λΦ（λ）－－光谱分布20204π()()()cosdVSUUc11.2.3傅立叶变换红外光谱仪1.高通光能力和高信噪比不需分光，没有缝宽限制，光通量要比常规光谱仪大得多－－高信噪比。远红外重要意义2.具有多通道探测的优点只用一个探测器，不同光谱成分的调制频率不同，它们被同一光电探测器同时接收时就相当于多通道的测量情况。特点：3.高分辨本领原则上说增加两镜间的光程差可以提高分辨本领4.减少了杂散光的影响信号光被调制，杂散光不被调制，有效抑制杂散光光电科学与工程学院CollegeOfOptoelectricScienceandEngineering第11章典型光电系统的分析与设计11.1分布式光纤测温系统11.2光谱测量系统11.3CCD尺寸测量系统11.4*光电精确制导系统11.5*光测图像系统光电科学与工程学院CollegeOfOptoelectricScienceandEngineering11.3CCD尺寸测量系统特点：在线检测、非接触、高精度、高速度例：CCD玻璃管尺寸测控仪均匀平行光照射玻璃管CCD输出信号波形例：CCD玻璃管尺寸测控仪11.3CCD尺寸测量系统光电科学与工程学院CollegeOfOptoelectricScienceandEngineering第11章典型光电系统的分析与设计11.1分布式光纤测温系统11.2光谱测量系统11.3CCD尺寸测量系统11.4*光电精确制导系统11.5*光测图像系统11.5*光测图像系统基本思想：1,11,11,01,11,11,00,10,10,0NMNNMMfffffffff－－数字图像矩阵元素的排列位置对应像素点在图像上的空间位置，矩阵元素的数值对应像素点的亮度值。11.5*光测图像系统基本思想：－－图像边缘检测yxoyxoyxoyxo理想阶跃边缘实际阶跃边缘阶跃边缘一阶导数阶跃边缘二阶导数图像的边缘检测与轮廓信息处理是工业机器人视觉、非接触二维尺寸测量、图像图形分析和军事目标识别等的基础。11.5*光测图像系统基本思想：－－“双目”定位双摄像机图像重建空间点三