第十章--光电检测技术的典型应用

第十章光电检测技术的典型应用本章内容：光电准直光电测距锁相放大器取样积分器光子计数光学传递函数重点内容：光电准直光电测距锁相放大器取样积分器光子计数难点内容：锁相放大器取样积分器第一节光电测绘技术一、波带板激光准直1、激光准直的方法利用激光方向性好的特点，将激光束通过望远镜系统射出，在需要准直的点上用光电探测器接收；利用激光相干性好的特点，在望远镜前加设一个波带板，此时在望远镜前的一段距离内，可观察到由波带板衍射效应所形成的衍射图样，衍射图样中心光斑的连续，就是仪器所给的准直线，它适用于长距离、高精度的准直测量。pqABCC’Δ2、波带板激光准直原理波带板是一种特殊光栅，它被激光器点光源发射的单色相干光源照满时，有类似光学透镜的聚焦作用，在点光源至波带板中心延长线的一定距离处形成衍射图案。同时点光源到波带板的距离p＆波带板至点光源的距离q的关系为：Fqp111qpp3、系统组成（1）激光器点光源：采用小功率单模He-Ne立体激光器，输出为高斯光束，并在一般场合下加有针孔光栏，直接约为0.1~0.5mm。（2）波带板：根据菲涅耳衍射原理设计，透光带或遮光带边缘具有很高的位置精度，且透光部分有很好的透光性能，常为圆形波带板。通常利用电化学工业在金属薄板上形成透光孔而得到波带板图案。（3）光电接收装置：具有很高放大倍率的电子线路，一般采用调制光源以及相应的带有选频放大的光电接收装置。位移传感器ND控制器K位移计显示器接收头自动准直测量的接收装置当波带板成像照射在接收头上偏离中心时，接收头就有差动信号输出，经放大器放大后，再经过功率放大，推动可逆电机。可逆电机由丝杆＆接收头连接，使接收头向波带板成像中心一定，直至没有差动信号输出才停止。在接收头上装有位移传感器，接收头一定时，位移传感器将位移量转换成电信号，经过位移计处理，由显示器显示位移值。4、应用激光铅垂仪：定铅垂线的仪器，用在矿山竖井测量投射垂线方向等；激光导向仪：进行定向控制的仪器，当需定向的工作机械等上装有光电接收器时，通过自动控制系统可使工作机械等恢复到原位；激光水准仪等：利用激光准直线定水平或水平面的仪器；激光经纬仪：进行角度坐标测量＆定向准直测量的仪器。二、光电测距它是以光为发射源，利用光波传播的距离等于光速与传播时间的乘积这一基本原理进行测距的。（一）脉冲法激光测距仪结构可分为发射系统、接收系统与观察瞄准系统三大部分以及供电的电源。（见下页）（二）相位法激光测距仪（三）超高频及多波相位测距仪激励源激光器脉冲放大及整形光电管门控电子门时钟振荡器复零电路计数器显示器当发射聚光电子漫反射进入接收系统时，光电接收器就接收到基准信号，经过光电转换、微弱信号的放大，再经整形、反相放大后，触发门控电路置位，门控电路输出低电平，将门电路打开。于是由时钟振荡器产生的计数脉冲可以通过门电路，进入计数器开始计数。当光电接收器接收到回波，同样经过转换放大、整形、反相放大后输入门电路，使它复位。门控输出高电平，将门电路关闭，计数器停止计数，显示器显示被测距离值。1、发射系统：带有调Q装置的固体激光器＆发射光学系统组成。发射光学系统通常采用伽利略望远镜，将激光器置于该望远镜的目镜处，从而利用望远镜的视角放大率来减小激光的发散角。激光物质激光波长相对值效率导热值稳定值红宝石6.943Ǻ高0.3%好较好铷玻璃1.06um低1%不好次之YAG1.06um更低1%较好次之三种固体激光物质的主要性能比较四种调Q方法的比较调Q方法优点缺点马达（转镜）调Q简便可靠开关速度慢；脉冲宽；电机噪声大；寿命短。饱和吸收染料调Q简单经济开关时刻不能精确控制；只适用于一定激光波长；寿命短。声光调Q重复频率高；输出稳定开关时刻不能精确控制；电光调Q开关速度高，输出脉冲窄；开关时刻能精确控制；系统稳定。开关性能受电光晶体的品种＆晶量影响大。2、接收系统：由接收光学系统、光电变换器件及放大、计数、显示灯电子线路组成。接收光学系统常采用光电倍增管；光电变换器件常采用足够小的时间常数的光电探测器，如光电发射型的光电倍增管＆光伏型的硅光电二极管或光电三极管。3、观察瞄准系统一般采用开普勒望远镜。脉冲激光测距仪的测距公式：tcD21三、光电自动测图利用CCD组成的光电摄影机可组成数字摄影测量系统以实现自动测图。如下页：存储在HDDT（高密度数字磁带）上的影像数据，通过专用接口传送到计算机，然后再传输到磁盘。作业员可用快速查看设备、高效绘图机＆电视终端对图像带进行检验。由电子产生的光标位于立体屏幕中心，用人工或电脑操纵，可使两个影像作相同移动，也可以在任一方向上彼此作相对移动。由光标对准的那些像点可通过计算机读出，从而可以立即得到像坐标＆其相应的地面坐标。HDDT记录仪光电摄像机HDDTHDDT复印机接口快速查看设备计算机（VAX11/780)数组处理机图像存储器左电视屏幕右电视屏幕数字绘图桌高效光栅扫描绘图机打印机终端设备磁带机磁盘机第二节微弱光信号检测技术一、锁相放大器它是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。利用＆被测信号有相同频率＆相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身＆那些与参考信号同频（或倍频）、同相的噪声分类有响应，故能大幅度抑制无用噪声，改善信噪比。并且具有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单。1、构成：见下页。选频锁相环移相器输入信号AC参考信号AC信号通道相敏检波输出信号DC前放混频乘法器低通滤波器锁相放大器的组成方框图参考通道2、锁相放大技术的四个基本环节：通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的高频范围内。检测系统变成交流系统；在调制频率上对有用信号进行选频放大；在相敏检波中对信号解调。同步解调作用截断了非同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范围内；通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。3、特点：要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅光信号的检测；极窄带高增益放大器，增益可达1011，带宽窄到0.0004Hz；交流－直流信号变换器；可以补偿光检测中的背景辐射噪声＆前置放大器的固有噪声。信噪比改善可达1000倍。二、取样积分器（Boxcar平均器）利用取样＆平均化技术测定深埋在噪声中的周期性信号的测量装置。根据被测信号的形式可分为稳态＆扫描测量方式。其中扫描测量方式见下页。1、运行步骤：利用检测光脉冲的激励源取得＆输入光脉冲同步的触发信号；利用门延时＆门脉冲宽度控制单元形成与触发脉冲具有恒定时延或时延与时间成线性关系的可调脉宽取样脉冲串；取样脉冲控制取样开关对连续的周期性变化信号进行扫描取样；积分器对取样信号进行多次线性累加，经过滤波后获得输出信号。A1A2门脉冲门延时整形器扫描发生器输入放大器取样开关积分器输出放大器输出信号参考输入固定触发输入信号2、特点：适用于由脉冲光源产生的连续周期变化的信号波形测量或单个光脉冲的幅度测量。需要有与光脉冲同步的激励信号；是一个取样放大器，在每个信号脉冲周期内只取一个输入信号值；在多次取样过程中，门积分器对被测信号的多次取样值进行线性叠加，而对随机噪声是矢量叠加，所以，对信号有恢复＆提取作用；在测量占空比小于50％的窄脉冲光强度下，信噪比好于锁相放大器；用扫描方式测量信号波形时能得到100ns的时间分辨率；双通道系统能提供自动背景＆辐射源补偿。三、光子计数系统一种利用光电倍增管能检测当管子能量的功能，通过光电子计数的方法测量极微弱光脉冲信号的装置。1、类型：基本的光子计数系统：见下页；源补偿的光子计数系统；背景补偿的光子计数系统。PMT比例计计数器数模转换器放大器光子参考电压光子脉冲噪声技术脉冲鉴别器模拟输出数字输出模拟输出基本的光子计数系统入射到光电倍增管阴极上的光子引起输出信号脉冲，经过放大器输送到一个脉冲高达鉴别器上，从中分离出单光子脉冲，再用计数器计数光子脉冲数。计算出一定时间间隔内的计数值，以数字＆模拟形式输出。2、基本过程：用光电倍增管检测弱光的光子流，形成包括噪声信号在内的输出光脉冲；利用脉冲幅度鉴别器鉴别噪声脉冲＆多光子脉冲，只允许单光子脉冲通过；利用光子脉冲计数器检测光子数，根据测量目的，折算出被测参量；为补偿辐射源或背景噪声的影响，可采用双通道测量方法。3、特点：只适合于极弱光测量不能测量包含许多光子的短脉冲强度；良好的信噪比；必需选择带有制冷器的光电倍增管；不用数模转换即可提供数字输出。第三节光学传递函数检测技术1、三个传递函数调制传递函数（MTF）：表示系统对不同空间频率光分布的传输函数；相位传递函数（PTF）：表示系统对不同空间频率光分布的相位推移；光学传递函数（OTF）：表征滤波器对其中的光学信息进行滤波变换的能力。2、测量OTF的基本环节：光学目标发生器：以典型激励图形为单元，组成空间变化的物面标准图形。通过合适的光路投射到被测系统上作为理想的物函数；目标像检测器：利用光检测器测量被待测系统空间调制了的目标物函数，得到反映像面光强分布的时序信号；目标像频谱分析器：对表示像面光强分布的实现电信号进行频谱分析，解调出待测的光学传递函数。PMT选频检测狭缝被测物镜扫描光栅3、测试仪的结构构成及原理原理示意图被非相干光均匀照明的无穷远的狭缝通过被测物镜在扫描光栅上形成扩散像。扫描光栅是亮暗不等宽的举行格子板，它在恒速电机带动下连续扫描狭缝像，实现光强分布的调制。被调制的光强经过PMT进行光电变换，然后输往电气部分进行信号窄带滤波，显示出相应空间频率的MTF值。由于狭缝扩散像的弥散程度反映了被测物镜的像差＆衍射情况，这样，被测物镜的光学特征北调制在扩散像上而经过空间－时间变换＆光电变换通过电信号的处理被检测出来。光源聚光镜狭缝分划板扫描转鼓PMT频率扩展器被测物镜准直镜选频放大结构示意图各种装饰性光导纤维发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。上海东方明珠光纤式光电开关反射型遮断型反射镜反射型光纤式光电开关应用标志孔电路板标志检测当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。光纤耦合器传输光纤出射光纤