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1、2019年5月26日星期日,光电检测技术及应用,第7章 光学相关检测,任课教师：徐熙平,目 录,7.1 基本概念 能量信号与功率信号、相关函数、相关接收、相敏检波器 7.2 互相关器 互相关器的工作原理、典型电路 7.3 光学相关检测与识别 光学相关检测、检测原理、结构、主要部件、应用,第7章 光学相关检测,一、基本概念,1、能量信号与功率信号,光学相关检测是微弱信号检测的一种主要方法之一。,信号电压（或电流）加到一欧姆电阻上所消耗的能量定义为信号 的归一化能量，用E表示。即：,信号电压（或电流）在一欧姆电阻上所消耗的功率为信号的平均功率，用P 表示。即：,第7章 光学相关检测,一、基本概念,
2、2、相关函数 输入同一电路的两个信号产生时间延迟，相关函数即是研究两信号在延时中的相关性。 互相关函数： 自相关函数：,第7章 光学相关检测,一、基本概念,3、相关接收 相关接收就是应用信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关的运算，达到去除噪声的一种技术。实际上，相关检测器就是计算相关函数的检测仪器。 自相关接收,若： 则：,第7章 光学相关检测,一、基本概念,互相关接收,互相关框图,设输入信号为： 参考信号为：,则互相关函数为：,互相关接收的抗干扰性能比自相关的好，可以实现从噪声中提取单脉冲信号。,第7章 光学相关检测,一、基本概念,4、相敏检波器 两个正弦波信号,相敏检波器示意图
3、,当两信号的频率相等时，输出为： 为相敏直流电压，正比于相位差的余弦量。因此输出的仅与相位差有关，即“相敏”。,第7章 光学相关检测,一、基本概念,正弦波+方波信号,输出包含信号频率与全部方波基频的奇次谐波的和以及差频所组成的大量谐波分量。因此，相敏检波器的输出包含任何一个奇次谐波所产生的相敏直流输出。,第7章 光学相关检测,一、基本概念,a)相敏检波电路 b)输入输出波形 相敏检波器电路及波形,第7章 光学相关检测,二、互相关器,1、互相关器的工作原理,互相关器原理图,乘法器,积分器,第7章 光学相关检测,二、互相关器,1）当被测信号频率与参考信号频率的基波相等，且 若略去小项得： 当测试时
4、间 时，得到稳定解： 式表明，互相关器可以检测信号的幅值或相位。,第7章 光学相关检测,二、互相关器,2）当被测信号频率为参考信号的偶次谐波，且 时，略去小项，可得到： 式表明，互相关器能抑制偶次谐波。 3）当被测信号频率为参考频率的奇次谐波，且 时， 略去小项，可得到： 若测量时间远大于时间常数输出的稳态值，则 可见，相关器输出的直流电压为基波频率的1/（2n+1）。,第7章 光学相关检测,二、互相关器,相关奇次谐波输出频响,第7章 光学相关检测,二、互相关器,4）若输入信号频率偏离奇次谐波一个微小量 ，即 ，当 、 时， 输出电压稳定值为 上式表明，输出电压不再是直流电压，而是以 为角频
5、率的交流电压。,第7章 光学相关检测,二、互相关器,相关器传递函数的幅频特性,第7章 光学相关检测,二、互相关器,5）被测信号为参考信号同频的方波 当 时，经化简并略去小项后得： 上式表明，相关器输出直流电压与信号幅值 成正比，与两方波信号的相位差 呈线性关系。当信号幅值恒定时，相关器为相敏检测器，即输入幅度和相位呈线性关系。,第7章 光学相关检测,二、互相关器,输出与相位差的线性关系,第7章 光学相关检测,二、互相关器,2、互相关器的典型电路,互相关器的实用电路,第7章 光学相关检测,三、光学相关 检测与识别,光学相关探测与识别，都属于光学信息处理的范畴。光学信息处理的优点是： 1）易于实现
6、二维和三维光信息的并行处理，特别有利于快速图像处理。 2）运算速度快，基本上按光速进行。 3）光信息容易模拟其他物理信息。由于光波波长短，模拟装置的几何尺寸小。许多处理运算采用光学技术时是更有效的，例如傅里叶变换、卷积、相关以及空间互连等。,第7章 光学相关检测,三、光学相关 检测与识别,1、光学相关检测概况 光学相关处理就是用光学的方法通过探测两个函数（物体函数）的相似程度以取得希望得到的信息。利用光学相关的方法，可以从混乱的图像中找出所需要的目标，达到图像识别和精确定位的目的。 用在光学图像识别的相关器主要分为匹配滤波相关器（Vander Lugt ，相关器）和联合变换相关器（JTC）两大
7、类。,第7章 光学相关检测,三、光学相关 检测与识别,匹配滤波相关器 在第一级傅里叶变换频谱面上放置一个匹配滤波器，输入目标图像的傅里叶频谱经滤波器滤波后，再进行第二次傅里叶变换，给出相关输出。如 傅里叶变换系统。 缺点：不能实现实时探测，而在光电联合变换相关中，参考图像与目标图像同时输入光学系统进行变换，用参考图像与目标图像进行匹配，不需要专门制作匹配滤波器。,第7章 光学相关检测,三、光学相关 检测与识别,光学联合变换相关器 利用电寻址液晶（EALCD）代替透明胶片或干板，构成紧凑的实时联合变换相关识别系统。这一光电混合相关探测系统具有实时、容量大、结构紧凑、识别精度高等优点。 1）不需要
8、匹配滤波器，能够实现实时相关处理； 2）在傅里叶变换平面上不需要高分辨率的空间光调制器； 3）参考图像可以实时输入，也可自动把目标图像作为参考图像； 4）结构设计更灵活，更紧凑。,第7章 光学相关检测,三、光学相关 检测与识别,2、光学相关检测原理 应用衍射原理和透镜的傅里叶变换功能完成输入图像的合成傅里叶变换。 傅里叶变换 称为 的傅里叶变换或频谱。,第7章 光学相关检测,三、光学相关 检测与识别,二维傅里叶变换,所有适当加权的各种频率的复指数分量叠加起来就得到原函数 ，称它为 的傅里叶逆变换。 和 构成傅里叶变换对。,第7章 光学相关检测,三、光学相关 检测与识别,傅里叶变换透镜 点很接近
9、于原点时，近似等式 ， 。因而后焦面上即 点的复振幅分布为：,透镜聚焦光路图,第7章 光学相关检测,三、光学相关 检测与识别,若在 平面上放置一幅图像 ，用平行相干光照射，可以证明在透镜后焦平面 上的图像即为 的傅里叶变换频谱 ，即：,会聚透镜的傅里叶变换,需注意： 傅里叶变换透镜必须满足正弦条件，而一般透镜只在小视场、小孔径的近轴处存在比较完善的傅里叶变换性质； 若图像不在前焦面平面内（前或后一点），入射照明光必须是准直光束，则在平面得到的不是一个严格的傅里叶频谱，主要是相位因子不同，但功率谱不变。,第7章 光学相关检测,三、光学相关 检测与识别,透镜傅里叶变换器,傅里叶变换,傅里叶逆变换,
10、第7章 光学相关检测,三、光学相关 检测与识别,4系统 两个傅里叶变换器串联起来，用两个透镜构成4系统。,4光学信息处理系统,傅里叶变换及逆变换的处理流程,第7章 光学相关检测,三、光学相关 检测与识别,光学相关探测原理 准直的相干单位振幅光入射到物体上，物体 和参考图像 都被写入电寻址液晶EALCD，则光学傅里叶变换系统的输入函数可以写作： 输入函数在FT透镜的后焦平面上的联合傅里叶变换为： 联合变换功率谱为：,第7章 光学相关检测,三、光学相关 检测与识别,联合变换功率谱由CCD探测器接收并输入到计算机再反馈到电寻址液晶，实现第二次傅里叶变换，JTPS又变换到物空间，实现相关探测： 当 函
11、数与 函数相同时，两互相关获得最大的相关峰，其联合变换功率谱可以写作：,第7章 光学相关检测,三、光学相关 检测与识别,3、实时联合变换相关器的结构,光电混合相关系统原理图,第7章 光学相关检测,三、光学相关 检测与识别,4、光学相关器主要部件的确定 主要部分有：氩离子激光器；准直扩束系统；电寻址液晶EALCD；傅里叶变换透镜和电荷耦合器件CCD等。为了减少杂光等非偏振光对功率谱的影响，装置中放入了偏振片。 准直扩束系统由纤维物镜（放大倍率40倍，数值孔径NA=60）、针孔（低通空间滤波器，直径为10m）、准直物镜（ ）组成。,第7章 光学相关检测,三、光学相关 检测与识别,傅里叶变换透镜： 由衍射公式和EALCD像素的大小计算出衍射角 ，再 由 角的大小计算出接收0级谱和1级谱所需透镜口径的大小。 ,物在CCD面上形成的1级谱,第7章 光学相关检测,三、光学相关 检测与识别,5、光学相关器的应用 利用物体在频谱域的计算机全息图作为目标，进行傅里叶变换。计算机全息图经光学傅里叶变换后，由面阵CCD进行接收。在计算机监视器上清晰地显示了目标图。,a）全息图 b) 还原后的图像 全息还原图,第7章 光学相关检测,三、光学相关 检测与识别,a） b) c） 面包车输入图像、功率谱和相关峰图像,a） b) c） 坦克输入图像、功率谱和相关峰图像,再见！,
