常用信息检测系统(精)

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。Pθ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。PPBsin2.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•n1n2•入射角θ法线n1n2θ临界角θ＝arcsin(n2/n1)•光纤传光与数值孔径n0200n2n12221sinnnANa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