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1、非相干信号检测技术 本章内容 时变光信号的直接检测 简单光学目标形位检测 复杂光学图像扫描检测 直接检测系统（光强调制）(非相干) 莫尔条纹测长仪 激光测距仪 激光准直 对光信号的直接检测，就是对光通量的测量，了 解和掌握光通量的一般测量方法，对于光电系统 的分析和设计是最基本的知识第一节 时变光信号的直接检测一般光电系统所处理的输入信号是辐射光通量 的变化（光谱分析、偏光分析、成像分析等） ，因此，光信号的直接检测，就是光通量的测 量。可以分为振幅型的，频率型的相位型的 。它们测量条件（直流或变化缓慢地信号采用 振幅型，时间脉冲信号多采用其他两种），测 量误差（振幅测量相对误差为102104
2、，频 率测量相对误差为106108 ）不尽相同。一、光通量的幅度测量 （一）单通道测量系统 1、定义：被测光通量沿单一光学通道传送到光电接 收器的系统通称为单通道测量系统。 2、原理：由辐射源产生的光辐射通量经过置于光路 上的被测样品或标准样品的部分吸收或散射，出射 到接收器的光敏面上。利用光电转换信号放大器 可以测量出载有信息的光通量，最后由指示电表显 式记录下被测量的结果。 3、测量方法 （1）直读法被测样品光电接收器放大器电表SIKM0II0II轮流放置标准样品对电表值进行标定，然后将被测样品 放在光路中，即可由电表的指示直接得到被测样品的透 过率值。转角 示值检测器电 流灵敏度放大 器
3、增 益电表传 递系数 透过率光通量（2）指零法电路部分不用于读数，而只是用作电表的指 零，使被测量与已知量进行比较测量。它可 以消除由于辐射光通量，光检测器放大器 工作参数不稳定造成的影响，只取决于读数 装置的精度指零装置的零位漂移。起 偏 器检 偏 器放大电表样 品光电 接收MSIK0x0首先，检偏器的偏振面相对起偏器转成90，此时检测 器光敏面上的光通量为零。在偏振器之间放置具有偏光 性质的被测样品，它引起偏振面的旋转增大了透过光的 数值，借助于指示表可以观察到相对于零位的偏差。如 转动检偏器，重新使电表指零，则检偏器的转角等于由 被测样品引起的偏振面的转角。（二）双通道测量系统光辐 射源
4、光 检 测 器标准样品被测样品反射镜透镜放大器1、差动法可变透过率的光屏（沿着各截面镀 有吸收率不同膜层的玻璃平板）伺服电机指针 机构差动放 大器在装被测样品之前，光屏处于最大吸收位置，并使 两通道的输出光通量相等，处于平衡状态。当插入 被测样品之后，测量通道的光通量减小。此时，若 移动光屏改变透过率值使光屏上透过增大恰好等于 被测样品的吸收值，这就可以使两个通道重新达到 平衡。光屏的移动或指针的位置就是被测透过率的 量度值，并在两通道的输出光通量相等时读出。两 个通道的光通量分别由检测器接收，由差动放大器 得到增益。放大器输出电压接到伺服电机的控制绕 组上，当两个通道的光通量不等时，放大器的
5、输出 端产生控制电压使电机轴转动带动光屏移动，一直 到输出电压为零停止。从上式可看出比例因子K0与入射光通量无关， 从而减少了光辐射源的不稳定对测量误差的 影响。它的这种补偿作用是由于它的入射光 通量是以同样的效果影响两个通道，而它们 的差值在准确平衡的条件下接近于零，因而 对测量结果无影响。2、比较法 不采用差动放大器接收而用组成电桥的光敏电 阻作为光电接收器，我们称其为比较测量法 。它同样具有抑制共模扰动的作用。 3、交替比较法 采用一个光电接收器接收，并在光路中加有交 替装置，例如：带有光孔的不透明转盘和带 缺口的反射镜。二、光通量的频率测量 （一）波数测量干涉条纹光强以2/为周期变化，
6、也就是当x移动2/长 度时引起一个周期的变化。如将变化的周期数用波数 N来表示，可得位移x波数N的关系为在一般情况下，波数测量是将由被测量x引 起的周期变化的光通量光电转换为电脉冲， 再用电子计数器来计数波数的变化N，最后 根据公式计算出测量结果x。x=m0N 式中m0称脉冲当量，表示单位波数变化对应的 被测值。（二）频率测量 如将被测物体安装在测量臂上，并以速度v移动 。则它移动了2/距离的时间为T= 2/v=1/f 故v= 2/f 我们可看出，运动速度与光通量的变化频率成 正比，只要测得光通量的变化频率即可计算 出所需的运动速度。三、光通量的相位时间测量（一）相位 测量相位法光波测距D协作
7、靶的反射镜光电接收器LD辐射光波初始相位于激励电压U0相同 ，若经t （光波来回）时间后，则相 位改变为=2fc/2D如设辐射光通量变化一周光波传播 距离为Lc/f，则有D=L/2n/2其中，L/2n称作测尺长度，它与相对 相位差/2的乘积即为被测距离。（二）时间测量利用周期性光通量变化的时间周期或单个光脉冲间的时间间隔 来测量信息方法。脉冲激光测距仪或激光雷达功率为几瓦的 激光器被测目标接收系统主波脉冲回波脉冲的时 间差。D=c/2fN=KNK为测距脉冲当量，N为 计数值。第三节 简单光学目标的形位检测 光学目标：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
8、图形景物。分为简单光学目标复 杂图形景物。 应用：大尺寸工件的安装与加工、高速公路 钢轨的自动铺设、地下隧道的自动掘进等 工程的自动准直测量；小尺寸测量中的目标 对准位置偏移测量；激光制导等。一、几何中心检测法 （一）定义：光学目标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（G0）。 其坐标为 xG0=1/2(x1+x2) 通过测 量物体的轮廓分布 确定物体中心位置的方法， 称作几何中心检测 法。x1x2xG0（二）像分析像分析器 1、像分析：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。 2、像分析器： （
9、1）定义：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G/O变换器。 （2）基本原理：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。（3）典型的像分析器 双通道差分调制式像分析器 采用两个接收光路的双通道结构。其光路和工 作原理图见下页。O,SG/O物空间象空间光信号光学系统调制器B(x,y,t)E(x,y,z,t)(a1,a2,an)0狭缝1狭缝2分光元件 3(a)3l/2l l/20l/2l3l/2xU1-U(b)双通道差分调制式像分析器工作原理图在像面上共轭地放
10、置两个狭缝1和2，通过分 光元件3得到的两个线像分别成像于狭缝面上 ，狭缝中心距等于线像宽，两个狭缝的定位 特性具有类似的形状，如上图。将两狭缝后 的各自光电接收电路差分连接，则检测器的 差分输出可利用非线性图解法得到。在线性 区内，定位特性可表示为 ，其中， 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。然后利用相敏检波 方法即可分离出被检测 的位置偏移。 单通道扫描调制式像分析器此种装置在成像光路增设了周期振动的光学 零件或振动狭缝，使像面上的目标像相对狭 缝作周期振动。这时透过狭缝的光通量形成 随时间周期性变化的光载波。目标像的位移 信息将由于像分析而调制到载波上去，
11、从而 产生各种调制的光信号。这种使目标像和测 光窗口之间相对扫描运动的像分析器称做扫 描调制型像分析器。（三）扫描调制极值检测 被测钢带的边缘通过镜头成 像于光栏上。它的横向尺 寸确定了物方的测量范围 。转筒上刻有通光狭缝， 其间隔与光栏长度相等， 以形成等间隔的光脉冲。 钢带边缘的像位置可对光 脉冲进行脉宽调制，最后 由光电元件接收。解调出 脉宽调制函数即可确定钢 带边缘的位置变化。带狭缝转筒的扫描调制系统镜头光栏光 电 元 件转筒钢带D二、亮度中心检测法 一）定义光学目标的亮度分布是光辐射能量沿空间分 布。将物体按辐射能量相等的标准分割为两 部分，起中心位置称作亮度中心。通过测量 目标物空
12、间的亮度分布相对应的像空间照度 分布，确定目标能量中心位置的方法称作亮 度中心检测法。二）原理 将来自被测目标的光辐射通量相对于系统的测 量基准轴分解到不同坐标象限上，再根据这 些图像在各象限能量分布的比例，检测出目 标的亮度中心位置。这种确定目标空间位置 的方法称作象限分解法。实现辐射通量按坐 标象限分界采用的方法：光学像分解；利用 象限检测器。（一）光学像分解 在光学系统中附加各种分光元件使入射光束分 布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、光学零件： 正四面反射锥体：入射 光束以锥尖为坐标原点 将光束分解为直角坐标 的四个象限。 光导纤维束 ：一束输入端
13、位于物镜焦面上的 光导纤维束，光纤束按截面的位置分为四个 分束，每一个分束的输出端装置在光电接收 器的敏感面上。2、分解方式中心孔式：测量光束1的一部分经空心四棱锥体3的顶端中心孔射向后置 的反射锥体5上。中心孔直径小于光束直径。当光束有一定倾角时，透 过中心孔的光束以不同比例被反射体5分解。并由光电元件4接收，产生 x和y的偏角信号。入射光束在中心孔以外的部分经空心锥体反射，由 四象限上布置的光电元件2形成x和y向的偏移信号。12345 分光式：基准光束1透过半反射棱镜2在四象 限光电池4上形成x、y方向的偏移信号。反射 的光束经反射镜3投射到四象限光电元件5上 形成的x和y偏角信号。124
14、35 反射式：光电元件2的光敏面与输入光束相背 布置。它的中央开有直径和入射光束直径相 同的光孔。穿过光孔透过半透明反射镜3，由 光电元件4产生x、y方向偏移信号。反射部分 的光束由光电元件2接收，形成的x和y偏角 信号。1234全息分光式：基准光束1采用激光，经全息片2衍射为三个方向。其中直 射光分量射向光电元件6，产生x、y向偏移信号。根据全息照相原理， 在3的方向形成会聚的光束，在7的方向形成平行的衍射光束。可以分别 设置光电元件4和8，根据光点的位置计算出x和y偏角信号。12783 456（二）象限探测器 象限探测器有多种形式，如：二象限、四象限的光电 池光敏电阻；四象限的光电倍增管；
15、八象限的半 导体光电探测器；楔环状独立光敏面的半导体探测 器；阵列式光电池；半导体光电位置传感器等。象 限探测器是在同一块芯片上制成两或四个探测器， 中间有沟道将它们隔开，因而这两或四个探测器有 完全相同性能参数。当被测体位置发生变化时，来 自目标的辐射量使象限间产生差异，这种差异会引 起象限间信号输出变化，从而确定目标方位，同时 可起制导、跟踪、搜索、定位等作用。 1、四象限探测器四象限光电探测器实际由四个光电探测器构成，每个探测器一 个象限，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成 像，如图1。一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面 上或稍离开焦平面。当目标成像不在光轴上时，四个象限
16、上 探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅 度大小就可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标 的方位），若在四象限光电探测器前面加上光学调制盘，则 还可以求出像点偏离四象限光电探测器中心的距离或角来 。 2、光电位置传感器半导体光电位置传感器PSD( Position Sensitive Device) 是一 种基于横向光电效应的光电位置敏感探测器。它是一种新型 的半导体位置敏感探测器,除了具有光电二极管阵列和CCD 的定位性能外,还具有灵敏度高、分辩率高、响应速度快和电 路配置简单等特点。因而逐渐被人们所重视。PSD的发展趋 势是高分辨率、高线性度、快响应速度及信号采集处理等多 功能集成。PSD可用于精密尺寸、三维空间位置和角度的测 量,是近程(10m以内) 实时测量飞行器位置和距离的极佳器件 ,如空中加油机等空间飞行器对接中可精
