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1、光电信号的变 换和检测技术光电信号的变 换和检测技术典型光电信号变换方法的光学原理和应用典型光电信号变换方法的光学原理和应用变换方法变换方法光 学 原 理光 学 原 理应 用应 用几何光学几何光学直进、遮光；反射、折 射；光学成象等非相干光 的光学现象。直进、遮光；反射、折 射；光学成象等非相干光 的光学现象。光开关、光学编码、光学扫 描、瞄准定位、准直定向、测 长测角、测距、成象测量等。光开关、光学编码、光学扫 描、瞄准定位、准直定向、测 长测角、测距、成象测量等。物理光学物理光学衍射、干涉、光谱、波长 变换、光学拍频等相干光 的光学现象。衍射、干涉、光谱、波长 变换、光学拍频等相干光 的光
2、学现象。莫尔条纹、干涉计量、外差通 讯、光谱分析、散斑全息测量 等。莫尔条纹、干涉计量、外差通 讯、光谱分析、散斑全息测量 等。光电子学光电子学电光效应、磁光效应、声 光效应、空间光调制、光 束纤维传输传感等光电现 象。电光效应、磁光效应、声 光效应、空间光调制、光 束纤维传输传感等光电现 象。光调制、光束偏转、光通讯、 光记录、光存储、光显示、传 光、传象、传感等。光调制、光束偏转、光通讯、 光记录、光存储、光显示、传 光、传象、传感等。时间变化光信号时间变化光信号连续波调制直接变换和检测调制变换和解调脉冲调制调频连续波调制直接变换和检测调制变换和解调脉冲调制调频幅值法单通道双通道直读法 指
3、零法 差动法 比较法幅值法单通道双通道直读法 指零法 差动法 比较法调幅相位法波数测量时间法频率法调幅相位法波数测量时间法频率法频率测量频率测量空间变化光信号空间变化光信号光学图像的扫描光学图像的扫描图像扫描机械法 光束式 电子式图像扫描机械法 光束式 电子式实体扫描运动物体 静止物体 空间搜索实体扫描运动物体 静止物体 空间搜索简单光学目标空间定位简单光学目标空间定位像分析几何中心检测法亮度中心定位法光学像分解扫描调制象限检测器像分析几何中心检测法亮度中心定位法光学像分解扫描调制象限检测器时间变化光信号时间变化光信号连续波调制连续波调制直接变换和检测直接变换和检测调制变换和解调调制变换和解调
4、 脉冲调制脉冲调制调频调频幅值法幅值法单通道单通道双通道双通道直读法指零法差动法比较法直读法指零法差动法比较法相位法相位法波数测量波数测量时间法时间法频率法频率法 频率测量频率测量调幅调幅一、直接检测一、直接检测?单通道测量系统单通道测量系统00KKMS=1.直读法?单通道测量系统单通道测量系统 2.指零法)(0=XM0=IKS)()(0000 =XXI KMKSMKSKI00=0=X?双通道测量系统双通道测量系统?双通道测量系统双通道测量系统?1.差动法10M=0=I00201xrSS=XrSSI00201= 0 021021KSS SSrr X=?双通道测量系统双通道测量系统?2.比较法0
5、1=rrSR002=xxSRxrRRRR.12=21021 RR SSxr=.1221 RR MSSr x=?双通道测量系统双通道测量系统?3.交替比较法?3.交替比较法二、光通量的频率测量二、光通量的频率测量?(一一)波数测量波数测量?(二二)频率测量频率测量?(一一)波数测量波数测量)2cos()2/12cos(00Txx=Nx2=?(二二)频率测量频率测量vT2/=fv2=vTf21=或fdtdN dtdxv.22=三、光通量的相位和时间测量三、光通量的相位和时间测量?(一一)相位测量相位测量?(二二)时间测量时间测量?(一一)相位测量相位测量cDt/2=Dct200=02cD =00/
6、 fcL = 220=nLD?(二二)时间测量时间测量cDt/2=fNTNt/=NKNfctcD=221相位式测距的原理光强就随注入的交变电流呈正弦变化-调制光DDftt222=ftD 22=DctD221= 22=fcD+=2N )(2)2(2NNNfcDS+=+= ?测尺长度与调制制频率(概值)的关系测尺长 度 测尺长 度 s/210m20m100m1km2km10km100k m测尺频 率测尺频 率15M Hz7.5M Hz1.5 MHz150 kHZ75 kHZ15 kHZ1.5 kHZ精度精度1cm2cm10cm1m2m10m100m测距仪上大多选用 几个测尺配合测距测距仪上大多选用
7、 几个测尺配合测距+粗尺精尺?例:某测距仪以10m作精测尺，显示米位 及米位以下距离值，以1000m作粗测 尺，显示百米位、十米位距离值。如实 测距离为385.785m，则?精测显示5.785?粗测显示38 (米位不显示)?仪器显示的距离为385.785m 三、D3000系列红外测距仪简介D2000棱镜组D3000D3000系列的主要技术指标系列的主要技术指标型号型号测程测程1200m(单块棱镜单块棱镜)D30101800m(三块棱镜三块棱镜)2000m(单块棱镜单块棱镜) D30303200m(三块棱镜三块棱镜)精度精度(5mm+5ppmD)测量时间测量时间正常测量正常测量4s，跟踪测量，跟
8、踪测量1s最大显示距离最大显示距离9999.999m温度范围温度范围-20-十十50功耗功耗不大于不大于3.6W照准望远镜照准望远镜同轴照准,正像13倍,视埸角130同轴照准,正像13倍,视埸角130质量质量1.8kg(不包含电池不包含电池)第二节 时变光信号的调制检测?一、调制的基本原理和类型?二、调制器一、调制的基本原理和类型?(一)载波和调制光通量作为载体称作载波光通量作为载体称作载波,使光载波信号的一个或几个特征参数按被传 送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法称作调制。使光载波信号的一个或几个特征参数按被传 送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法称作调制。（1）改善光
9、电系统的工作品质，有助于传输过程的信号处理， 提高传输能力。（）改善光电系统的工作品质，有助于传输过程的信号处理， 提高传输能力。（2）能更好地从背景噪声干扰中分离出有用信号，提高信噪比 和测量灵敏度。（）能更好地从背景噪声干扰中分离出有用信号，提高信噪比 和测量灵敏度。（3）调制信号可以简化检擒系统的结构，改善工作条件。（）调制信号可以简化检擒系统的结构，改善工作条件。（4）可以扩大目标定位系统的视场和搜索范围的视场和按索范围，因此调制技术是光电位测系统中常用的方）可以扩大目标定位系统的视场和搜索范围的视场和按索范围，因此调制技术是光电位测系统中常用的方 法。法。?(二)光学调制的分类按时空
10、状态分类按时空状态分类(1)时间调制时间调制(2)空间调制空间调制(3)时空混合调制时空混合调制按载波波形和调制方式分类按载波波形和调制方式分类(1)直流载波直流载波(2)交变载波连续载波交变载波连续载波调幅被、调按波、调相波脉冲载波调幅被、调按波、调相波脉冲载波脉冲调宽、调幅、调颇等脉冲调宽、调幅、调颇等?(三)典型的调制方法?1连续波调制调制前调制后(1)振幅调制(2)光信号的频率调制?2脉冲调制脉幅 调制频率 调制脉宽 调制相位 调制二、调制器?(一一)机电调制器机电调制器极化继电器型式 的振子调制器极化继电器型式 的振子调制器各种类型机电振子示意图各种类型机电振子示意图电磁式振子， 电
11、流通过线圈3 在铁心2上形成 交变磁场，从 而吸动电抠1振 动。电枢靠自 身的弹性或专 用的弹簧恢复 到平衡位置。往复运动的电动式振 子，用永久磁铁2和 磁轭1形成直流磁 场，活动线圈3通以 交变电流。使动圈往 复直线运动。弹簧片 4起支承动圈和产生 恢复力矩的作用。角振动调制器，包括激 励线圈2和1，其中一个 线圈接通直流，另一线 圈接通交流电流，在电 流磁场作用下产生的力 矩使活动线圈绕支承弹 性片3偏转。用旋转光闸调制直流通量用旋转光闸调制直流通量 光束交替调制器光束交替调制器?(二)光控调制器振幅调制频率调制相位调制偏振面调制光束方向调制电光光强调制器声光频移器电光相位调制器磁光调制器
12、声光偏转器?(二)光控调制器泡克耳 斯调制 盒克尔调制盒光控调制器光控调制器?(三)辐射源调制器半导体发光二极管可以得到很高 的调制频率，其上限频率可达到 上百兆赫兹。且驱动设备简单， 发光效率较高是目前应用最广泛 的光通量调制器。三、调制信号的解调 从已调制信号中分离出有用信息的过程称作解调从已调制信号中分离出有用信息的过程称作解调?（一）直线律检波检波二极管的伏安特性和检波电路检波二极管的伏安特性和检波电路调幅解调信号的频 谱和检波信号波形调幅解调信号的频 谱和检波信号波形?(二)相敏检波相敏检波和同步解调的输出特性相敏检波的原理框图和频谱二极管和三极管环形检相电路空间变化光信号空间变化光
13、信号 光学图像的扫描光学图像的扫描光度变换几何参量的检测空间编码线值测量轴向测距光度变换几何参量的检测空间编码线值测量轴向测距图像扫描机械法光束式电子式图像扫描机械法光束式电子式运动物体运动物体静止物体静止物体实体扫描实体扫描空间搜索空间搜索简单光学目标空间定位简单光学目标空间定位像分析 几何中心检测法亮度中心定位法光学像分解扫描调制象限检测器像分析 几何中心检测法亮度中心定位法光学像分解扫描调制象限检测器)(21210xxxG+=dxxBdxxBBBxx=00)()( 0 光学目标的几何中心和亮 度中心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
14、光学目标的亮度分布是光辐射能量 沿空间的分布。将物体按辐射能量 相等的标准分割为两部分，其中心 位置称作亮度中心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光学目标的亮度分布是光辐射能量 沿空间的分布。将物体按辐射能量 相等的标准分割为两部分，其中心 位置称作亮度中心一、简单光学目标的形位检测(一)几何中心检测法通过分析被测物体在馏面上的几何中心 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?1双通道差分调制式像分析器21UUU=)(00xhExhE=xhE=02txhEUmsin2=txxm=sinttxhEUmm=sin
15、sin2?2单通道扫描调制式像分析器?3. 用于测量工件尺寸的两光电装置（二）亮度中心检测法?1 光学像分解光学像分解是在光学系统中附加 各种分光元件使入射光束分别向 确定的不同方向传播，再在各自 终端安装上有单一光敏面的光电 元件。?(1)中心孔式?(2)分光式?(3)反射式?(4)全息分光式?2 象限探测器多象限探测器有许多种形 式。例二象限、四象限的光电倍 增管、八象限的半导体光电探测 器、能连续给出光点二维坐标模 拟信号的半导体光电位量传感器 图PSD。二、复杂光学图像的扫描检测?（一）扫描的基本原理和分类 1.光学图像的扫描?2最简单的直线扫描)()(111xfxE=tvx11=)(
16、)()(111tvSfxSfSEt=)()()(1tvSfKtKtU=)()()(1tvSfKKtUKtBbb= tvx22=)()(),(122tvSfKKKtBKtxEbEE=),(),(2 21 22xvvSfKKKtxEbE=),(2 21xvvkf=?3扫描系统的分类和工作参 数?按检测接收器类型(1)具有单一光敏面检测器的扫 描；(2)有阵列式接收器的扫描。?按瞬时视场在空间的扫描轨迹(1)直线扫描，对指定两点间的线段进行扫描读取，也称行扫 描；(2)光栅扫描，在进行一维直线扫描的同时进行另一正交方向的 扫描；(3)圆周扫描，沿圆心位置和半径为任意的圆周进行扫描；(4)随机扫描，包
