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1、第5章 非相干检测方法与系统 掌握内容 掌握的相干检测系统和非相干检测系统的基本分类定义 掌握直接检测系统（被测量被携带于光载波的强度之中）的基本原理，组成及特性 了解内容 了解各种常用非相干检测方法的主要组成，基本特性及使用要点,第5章 主要内容 5.1光电信号变换及光电检测系统分类概述 5.2直接（光强度调制）检测系统 5.3随时间变化的光电信号检测方法与系统 5.4空间分布的光电信号检测方法与系统,5.1光电检测系统及光电信号变换概述 一、光电检测系统分类 （一）根据光源来源分 1、被动测量系统,图5-1 采用锁相放大的被动式光电检测系统,2、主动测量系统 a)被测量调制光载波的主动系统
2、 b)反射式的主动系统 图5-2主动光电检测系统,（二）光源是否相干分 1、非相干检测系统 (1)若光信息为光强，即被测量被携带于光载波的强度之中，不论光源是相干光源还是非相干光源，这时光电器件只直接接收光强度变化，最后用解调的方法检出被测信息，这种方法组成的系统称为直接检测光电系统。 (2)若光信息加载于非相干光源的光载波的振幅、频率或者相位变化之中，这样所组成的系统则称为非相干检测系统。 通常把直接检测光信息的光强（或叫光功率）以及检测非相干光调制频率、振幅、相位的方法统称为非相干检测。,2、相干检测系统 如果光源是相干光源，但用光调制的方法使被测信息加载于调制光的幅度、频率或相位之中，然
3、后用光电解调的方法从调制光的幅度、频率或相位之中检测出被测信息的系统称为相干检测系统。,二、光电变换方法 （一）光电变换的目的 （1）将待测信息加载到光载波上进而形成光电接收器件易于接收的光电信号。 （2）改善系统的时间或空间分辨率和动态品质，提高传输效率和检测精度。 （3）改善系统的信噪比，提高工作可靠性。,（二）光电变换的方法,5.2直接检测系统 一、直接检测系统的基本原理 所谓直接检测是将携带有待测量的光信号直接入射到探测器光敏面，光探测器响应于光辐射强度而输出相应的电流或电压。,图5-3 直接检测模型,二、直接检测系统的基本特性 （一）光探测器的平方律特性 入射光波的光电场为 ： 入射
4、光的平均光功率为： 光电探测器输出的电流为：,若光探测器的负载电阻为 ，则光探测器输出的电功率为 ： 光电探测器的平方律特性包含有两层含意： 其一是光电流正比于光场振幅的平方； 其二是电输出功率正比于入射光功率的平方。,如果入射光信号为强度调制光，调制信号为d(t)，即调制的入射光信号的强度为P1+d(t)，那么光电探测器输出的光电流为： 式中，第一项为直流电平，可以用隔直电容隔掉；第二项为所需要的信号，即光载波的包络检测。,（二）直接检测系统的信噪比 直接检测属于非相干检测，它的噪声有：入射 到光电探测器的信号光功率 引起的噪 声 ，噪声功率为 ；背景光功率 引起的噪声 ；光电器件内阻引起的
5、热 噪声 和光电器件暗电流引起的噪 声 ，其中，q为电子电荷；f为系统 带宽； 为光电灵敏度； 为暗电流。在上述噪声 中，由信号光功率引起的噪声最大，在忽略其他 噪声情况下，直接检测的输出信噪比为：,对于光电探测器而言，可以假设入射到它的信号光功率为 ，噪声功率为 ,它输出的信号电功率为 ,输出的噪声功率为 ，由光电探测器的平方律特性可知：,考虑到信号和噪声的独立性，则有:,根据信噪比的定义，则输出功率信噪比为： （1）若 ，则有 （5-10） 这说明输出信噪比近似等于输入信噪比的平方。由此可见，直接探测系统不适于输入信噪比小于1或者微弱光信号的检测。 （2）若 ，则 （5-11） 这时输出信
6、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。,（三）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，被测物看作是在无穷远处，且物方与象方两侧的介质相同。在此条件下，探测器位于焦平面上时，其半视场角（如图54所示）为： 或视场立体角为： 式中，d是探测器直径； 为探测器面积； 为焦距。,5.3随时间变化的光电信号检测方法与系统 非相干光电信号按其时空特点分为随时间变化的光电信号和随空间变化的光电信号。前者的特征是信号随时间缓慢变化或周期性以及瞬时变化，发生于有限空间内，与时间有关而与空间无关，信
7、号可表示为F(t)。随空间变化的光电信号发生在一定空间之内，光电信号随空间位置而改变，表示为F(x，y，z)，有的还同时随时间改变，表示为F(x，y，z，t)。非相干光电信号的变换与检测方法如图5-5所示。,一、幅值法 这种变换的特点是利用光的透射、反射、折射、遮光或者成像的方法将被测信号直接加载到光通量的变化之中，再用光电器件检测光通量的幅值变化。它广泛用于光开关与光电转速计、激光测距、准直、辐射测温、测表面粗糙度、测气体或液体浓度、测透过率、反射率等。,1、直读法 在采用直读法的光电检测系统中，光源发出的光经待测量调制后直接由光电探测器接收。根据光电探测器输出信号的大小来反映出待测量的变化
8、。,2、指零法 指零法是利用标定好的读数装置来补偿光通量的不稳定影响，使测量系统在输出光通量为零的状态下读数。下面以测量磁光物质在磁场下的偏振角为例来进行说明。图57所示是测量磁光物质在磁场下的偏振角的原理图,3、差动法 在直读法和指零法的光电检测系统中，光路只有一个通道。为了减小单通道法入射光通量波动对测量的影响，可以采用双通道差动法和双通道差动补偿法。,差动检测系统基本结构(1),U0=SR(1-2),差动检测系统结构(2),差动检测系统测位移的结构(3),(1-2)/ (1+2)= / ,1= + 2= - ,4、补偿法,1-光源 2、6、8、13-反射镜 3-斩波同步信号探测器 4、5
9、、9、11-透镜7-光电探测器10-光楔12-斩波调制器 图5-11 补偿式光电检测系统结构,5、开关法 前面介绍的几种检测方法都是基于由待测量对光源光通量进行调制，然后用光电探测器检测出调制光的光通量的大小，属于模拟变换。而开 关式光电检测系统是通过检测光的有无来检测出待测量，属于数字变换，它是最简单的光强度调制检测系统。,开关法最典型的光电检测系统的例子是光电转 速计。,假设光电探测器的输出脉冲信号频率为f，则转轴的转速（单位为r/min）为 ：n=60f/N, 其中，N为圆盘的孔数。,图5-12 转速测量系统,二、频率法 频率法应用于被测信息呈周期性变化的情况，这时被测信息载荷于光通量的
10、变化次数或频率的快慢之中，用测量光通量的波数和频率的方法测出被测值。 使光通量的波数和频率随被测信息变化的方法有许多种，如用几何光学的透光和反光的方法，使光通过旋转的多孔圆盘或反光的多面体，用光栅的莫尔条纹技术或光干涉的干涉条纹技术等。,1、波数测量法 波数测量法通常用测量光通量随被测信息变化的周期数来检测被测值，如光栅莫尔条纹测量技术。如图513所示是用光栅测量位移的例子。,图513 光栅莫尔条纹测量原理图, = 0+ mcos(2pixb) X=Nb,2、频率测量法 在前述例子中，若要测量光栅尺的运动速度，只需要将光栅尺的位移对时间微分，即： 式中，dN/dt为波数的时间变化率即频率；而d
11、x/dt为速度，即运动速度与光通量变化频率成正比。这种通过测量光通量变化的频率来测量被测参数的方法称作频率测量法。 波数测量法与频率测量法对光通量的幅度变化不敏感，因而对光源系统的稳定性要求比幅值法低。,三、相位法 如果光载波的光通量被调制成随时间呈周期性变化，而被测信息加载于光通量的相位之中，检测到这个相位值即能确定被测值，这种方法称为光通量的相位测量法。 典型的光通量相位测量实例是相位激光测距仪，如图514所示。,图514 激光相位测距仪原理图,相位测距仪原理：,四、时间法 若光源发出的光通量是脉冲式辐射，这时可 用单个脉冲的时间延迟来测距离，称为时间法。 脉冲式激光测距仪和激光雷达都是时
12、间法测距的 典型应用。 下面两图是脉冲激光测距仪的原理方框图和各 级波形图。,5.4空间分布的光电信号检测方法与系统 一、光学目标和空间定位 所谓光学目标就是不考虑被测对象的物理本 质，只把它们看作是与背景间有一定光学反差的 几何形体或图形景物。例如机械工件、运动物体、 光学图样和实体景物等。 信号处理的目的是确定目标相对基准坐标的 角度或位置偏差，称作空间定位。 简单光学目标的位置检测大致分作几何中心 与亮度中心两种检测方法。,二、几何中心检测法 1、几何中心检测法的原理 光学目标和其衬底间的光学反差构成了物体 的外形轮廓，轮廓尺寸的中心位置称作它的几 何中心(用G0表示)。如图5-18所示
13、，几何中心的 位置坐标xG0可用下式表示： 式中x1、x2是物体 边缘轮廓的坐标。,图5-18 光学目标的几何中心,通过测量和目标的轮廓分布相对应的象空间 轮廓分布来确定物体中心位置的方法称作几何 中心检测法。 几何中心检测法的依据是像分析。,2、像分析和像分析器 光学目标的信息采集通常是通过光学成像系统完成 的，根据辐射物体大小远近的不同分别可利用望远、 照相、投影、显微等光路。光学系统的作用是将空间 亮度分布转换为像空间的照度分布。 因此光学目标形 状位置的检测可归结为：检测其像空间的照度分布随 时间的变化。 在光学系统确定的情况下，对像面上像位置的分析 代表了物空间坐标的分析，它们之间用
14、固定的光学变 换常数联系。这种通过分析被测物体在像面上的几何 中心相对于像面基准的偏移情况，从而确定该物体在 空间位置的方法称作像分析，能够实现这种作用的装 置称作像分析器。,像分析器的基本工作原理是： 将被测物体的光学像相对于像面基准的几何坐标， 变换为通过该基准某一取样窗口的光通量，通过检测 该光通量的变化来解调出物体的坐标位置。因此像分 析器是一种能将几何形位信息调制到载波光通量上形 成光学调制的调制器，是几何量转换成光学量的GO 变换器。图5-19给出了像分析器的功能示意图，,图5-19 像分析器的功能示意图,3.典型的像分析器 （1）双通道差分调制式像分析器 光路布置如图5-20(a
15、) ，差分型像分析器的定 位特性如图(b)所示。,图5-20双通道差分调制式像分析器工作原理,在线性区内，定位特性可表示为： （5-23） 式中E0为照明光强，h为狭缝高，x为线像中 心相对狭缝中心的偏移量。,分析图5-20和式（5-23）可以看出，特性曲线具有了双 极性的形式，可以根据差分光电流的极性判断偏移量x 的方向。此外，在 范围内，曲线的线性情况改 善，变化是单值的，并且斜率提高了一倍。为了进一步解 决光通量调制问题，使系统变为交流测量系统。 可采用照明光源调制使照明光强E0按谐波形式变化。 即： 代入式（5-23）中，有 （5-24） 假设x按正弦规律移位。即： 代入式（5-24 有 （5-25） 此即为典型的带有相敏的调幅波。利用相敏检测方法即 可分离出被测的位置偏移 。,(2)单通道扫描调制式像分析器 扫描调制型像分析器的主要工作条件： 要使被测目标像相对于作为测量基准的测光窗口人为地进行周期性的往复扫描振动，从而产生交变的光载波； 其次，被检测的位移信息作为扫描运动振动中心的偏移量使载波信号受到调制，从而形成各种形式的已调制载波。 扫描调制是时间信号调制技术在位置测量中的移植和 发展，带来了许多内在的优点，如： 交变的调制信号有利于信号的传递和处理，能改善信噪比和提高测量的灵敏度； 目标像和
