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1、1,第七章非相干光变换与检测,2,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,3,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,4,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,5,光电信号变换方法与应用范围,6,光源、光学变
2、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,7,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,8,光电变换的基本形式,1)被测对象为辐射源的形式,9,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
3、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。,10,1)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）,发射率；波尔兹曼常数；T绝对温度,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,11,光电变换的基本形式,2)光透过被测对象的形式,12,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,0入射到介质表面的通量；介质吸收系数；d介质的厚度,实验表明：在液体或气体中，(
4、=)值与物质的浓度成正比。(表示液体或气体对光的吸收性质；浓度),光电变换器的输出电压为,13,光电变换的基本形式,3)光由被测对象反射的形式,14,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,15,光电变换的基本形式,4)光由被测对象遮挡的形式,16,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l，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：,17,光电变换的基本形式,5)被测对象经光信息量化的形式,18,光电变换的基本形式
5、,6)光传输信息的形式,19,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,20,假定入射的信号光强为,A信号光强振幅 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,21,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,22,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
6、测的意思,23,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Pn0,24,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,25,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 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,26,光电检测系统（非相干）的基本特性,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
7、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,27,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,28,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,29,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
8、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,30,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,31,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,32,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=1，测量带宽f=1Hz 得到系统的最小可检测功率为2h
9、,已接近单个光子的能量,33,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,34,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，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 Ad的增大增大了系统的噪声 减少焦距使系统的相对孔径加大一般不允许 加大后背景辐射也随之增加,检测器面积,35,光电检
10、测系统（非相干）的基本特性,4、系统的通频带宽度 频带宽度f 是光电检测系统的重要指标之一 光电检测系统要求f 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f,36,光电检测系统（非相干）的基本特性,等效矩形带宽 令I()为信号的频谱，则信号的能量为 等效矩形带宽定义为 I(0)为=0时的频谱分量，而I(0)=I(0)为最大频谱分量,37,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,激光波形为,式中 为脉冲峰值,0激光脉冲宽度,38,光电检测系统（非相干）的基本特性,激光脉冲能量E为,39,光电检测系统（非
11、相干）的基本特性,等效矩形带宽1为,40,光电检测系统（非相干）的基本特性,频谱曲线下降3dB的带宽,41,光电检测系统（非相干）的基本特性,包含90%能量的带宽 在90%处能量的带宽为 式中： 式中,42,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 ，再求出值，即 由以上分析可知，频带宽度f 愈宽，通过信号的能量愈多，但系统的噪声功率也增大,43,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,44,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
12、强度为Ie 经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射强度为Ee 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,45,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,46,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,47,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： 取 为被测距离L在 区域内的平均透过率
13、 光学系统的透过率 也取 在光谱范围内的平均值 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 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Ie,48,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,49,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,50,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
14、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,51,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,52,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,53,直接检测系统的距离方程,假定接收机和发射机
15、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,54,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,55,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,56,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L,57,第三节 时变光信号的直接变换与测量,58,第三节 时变光信号的直接变换与测量,59,0,一、幅值法,1、直读法,S,K,M,60,0,一、幅值法,1、直读法,61,准直
16、镜,读数装置,激励线圈,一、幅值法,2、指零法,62,0,x,0,1,一、幅值法,2、指零法,以上两种方法均为单通道测量方法,63,一、幅值法,3、差动法（双通道测量系统）,标准透过率,被测透过率,64,若,65,66,67,一、幅值法,4、补偿法,此方法是差动法和指零法的组合,68,69,光通量的变化随被测信息呈现周期性变化时，被测量信息载荷于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,70,1、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,71,1、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）,72,2、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
