光電信號(hào)檢測(cè)第五章 光電直接檢測(cè)系統(tǒng)教材

1、 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 相干檢測(cè)，光源：相干光源原理：利用光的振幅、頻率、相位攜帶信息， 檢測(cè)時(shí)需要用光波相干原理。調(diào)制方法：光振幅調(diào)制、相位調(diào)制，頻率調(diào)制測(cè)量精度（靈敏度）更高，作用距離更遠(yuǎn)。非相干檢測(cè)，光源：非相干或相干光源原理：利用光強(qiáng)度攜帶信息，將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為 電信號(hào)，解調(diào)電路檢出信息。調(diào)制方法：光強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制。直接檢測(cè)是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。光外差檢測(cè)直接檢測(cè)光電檢測(cè)系統(tǒng) 信息光電子研究所

2、信息光電子研究所 Information optoelectronics research 5.1 光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理光電直接檢測(cè)系統(tǒng)是將待光信號(hào)直接入射到光檢測(cè)器光敏面上，光檢測(cè)器響應(yīng)光輻射強(qiáng)度（幅度）并輸出相應(yīng)的電流和電壓。檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)光學(xué)天線或直接由檢測(cè)器接收光信號(hào)，前端還可經(jīng)過頻率濾波和空間濾波等處理。強(qiáng)度調(diào)制器光學(xué)天線光學(xué)通道接收天線及光電檢測(cè)器光電信號(hào)處理器光源信號(hào)發(fā)射機(jī)背景噪聲場(chǎng)接收機(jī)電路噪聲回收的信息強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)模型強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)模型 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 5.1 光電直接檢測(cè)

3、系統(tǒng)的基本工作原理假定入射光信號(hào)電場(chǎng)為： tAtEscos5-1光場(chǎng)平均光功率為： 22_2AtEPss表示 _2tEs tEs2的時(shí)間平均值；5-2光檢測(cè)器輸出電流為： 2_22AhetEhePIsss稱為光電變換比例常數(shù)5-3 tAtEscos 22_2AtEPss _2tEs tEs2 2_22AhetEhePIssshe 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 光檢測(cè)器的平方律特性：光電流正比于光電場(chǎng)振幅的平方，電輸出功率正比于入射光功率的平方。5.1 光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理若光檢測(cè)器負(fù)載電阻RL，則光檢測(cè)器輸

4、出電功率為：LsLsoRPheRIP2225-4如果入射光是調(diào)幅波，即 ttdAtEscos1其中d(t)為調(diào)制信號(hào)，可推導(dǎo)出光檢測(cè)器的輸出電流為:5-5 tdAAis2221式中第一項(xiàng)為直流項(xiàng)，若光檢測(cè)器輸出端有隔直電容，則輸出光電流只包含第二項(xiàng)，稱為包絡(luò)檢測(cè)。5-6LsLsoRPheRIP222 ttdAtEscos1 tdAAis2221 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 5.2 光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本特性5.2.1 直接檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比衡量模擬系統(tǒng)好壞及靈敏度光檢測(cè)器輸出的總功率包括信號(hào)電功率和噪聲功率，可表示為

5、：22nsLnooPPRhePP5-7考慮到信號(hào)和噪聲的獨(dú)立性，有：22sLoPRheP222nnsLnoPPPRheP5-8由信噪比定義，輸出功率信噪比為：nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR2122225-922nsLnooPPRhePP22sLoPRheP222nnsLnoPPPRhePnsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR2122225.2.1 直接檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比說明輸出信噪比是輸入信噪比

6、的平方，可見，直接檢測(cè)系統(tǒng)不適用于輸入信噪比小于1或微弱光信號(hào)的檢測(cè)。輸出信噪比是輸入信噪比的一半。即經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，信噪比損失了3dB。實(shí)際應(yīng)用中可以接受。可見，直接檢測(cè)方法不能改善輸入信噪比，適宜不是很微弱的光信號(hào)檢測(cè)。但這種方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高，成本低，得到廣泛應(yīng)用。(1)若1nsPP，則有：2nspPPSNR5-10(2) 若1nsPP，則有：nspPPSNR215-11 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 在數(shù)字式光電系統(tǒng)中，噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響常使用“誤碼率”來衡量。誤碼率仍然與信噪比有關(guān)。信噪比高，誤碼率低

7、。由噪聲的概率分布規(guī)律考慮“概率問題”來衡量。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 5.2.2 直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限及趨近方法考慮直接檢測(cè)系統(tǒng)中存在的所有噪聲，則輸出噪聲總功率為：LNTNDNBNSnoRiiiiP_2_2_2_2_2_2_2,NDNBNSiii和分別為信號(hào)光、背景光和暗電流引起的散粒噪聲。_2NTi為負(fù)載電阻和放大器的熱噪聲之和。5-12_2_2_2_222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR輸出信噪比為：5-13 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelec

8、tronics research _2_2_2_222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR5.2.2 直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限決定掃描熱檢測(cè)系統(tǒng)的理論極限 當(dāng)熱噪聲是直接檢測(cè)系統(tǒng) 的主要噪聲源時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受熱噪聲限制，信噪比為：LspRfkTPheSNR422熱5-14 當(dāng)散粒噪聲遠(yuǎn)大于熱噪聲時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受散粒噪聲限 制，信噪比為：_2_2_222NDNBNSsp散iiiPheSNR5-15 當(dāng)背景噪聲是直接檢測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng) 受背景噪聲限制，信噪比為：BsBspPfhPPhefePheSNR22222背5-16 信息光電子研究所信息光電子研究所 Info

9、rmation optoelectronics research 5.2.2 直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限假定光波長(zhǎng)=0.7m，檢測(cè)器的量子效率=1，測(cè)量帶寬f=1，由上式得到系統(tǒng)在量子極限下的最小可檢測(cè)功率為WP18min10 當(dāng)入射信號(hào)光波所引起的噪聲為直接檢測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受信號(hào)噪聲限制，這時(shí)信噪比為：fhPSNRsp2信5-17該式為直流檢測(cè)在理論上的極限信噪比，稱為直接檢測(cè)系統(tǒng)的量子極限，又稱量子限靈敏度。若用等效噪聲功率NEP值表示，在量子極限下，直接檢測(cè)系統(tǒng)理論上可測(cè)量的最小功率為：fhNEP2量5-18 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information op

10、toelectronics research 在實(shí)際直接檢測(cè)系統(tǒng)中，很難達(dá)到量子極限檢測(cè)。實(shí)際系統(tǒng)總會(huì)有背景噪聲、檢測(cè)器和放大器的熱噪聲。背景限信噪比可以在激光檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)榧す夤庾V窄，加濾光片很容易消除背景光，實(shí)現(xiàn)背景限信噪比。系統(tǒng)趨近于量子極限意味著信噪比的改善，可行方法是在光電檢測(cè)過程中利用光檢測(cè)器的內(nèi)增益獲得光電倍增，如光電倍增管。當(dāng)倍增很大時(shí)，熱噪聲可忽略，同時(shí)加致冷、屏蔽等措施減小暗電流及背景噪聲，光電倍增管可達(dá)到散粒噪聲限。在特殊條件下可趨近于量子限。但倍增管也會(huì)帶入噪聲，增益過程中使噪聲增加。在直接檢測(cè)中，光電倍增管、雪崩管的檢測(cè)能力較高，采用有內(nèi)部高增益的檢測(cè)器可使直

11、接檢測(cè)系統(tǒng)趨近于檢測(cè)極限。對(duì)于光電導(dǎo)器件，主要噪聲為產(chǎn)生復(fù)合噪聲（極限散粒噪聲），光電導(dǎo)器件極限信噪比低，NEP較大。5.2.2 直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 5.2.3 直接檢測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)角視場(chǎng)角表示系統(tǒng)能檢測(cè)到的空間范圍，是檢測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)之一。對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)，被測(cè)物看作是在無窮遠(yuǎn)處，且物方與像方介質(zhì)相同。當(dāng)檢測(cè)器位于焦平面上時(shí)，其半視場(chǎng)角為：或視場(chǎng)角立體角為：2fAd從觀察角度講，希望視場(chǎng)角愈大愈好，即大檢測(cè)器面積或減小光學(xué)系統(tǒng)的焦距，但對(duì)檢測(cè)器會(huì)帶來不利影響： 增加檢測(cè)器面積意味著增大

12、系統(tǒng)噪聲。因?yàn)閷?duì)大多數(shù)檢測(cè)器，噪聲功率和面積的平方根成正比。 減小焦距使系統(tǒng)的相對(duì)孔徑加大，引入系統(tǒng)背景輻射噪聲，使系統(tǒng)靈敏方式下降。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在檢測(cè)到信號(hào)的基礎(chǔ)上盡可能減小系統(tǒng)視場(chǎng)角。fd25-19直接檢測(cè)系統(tǒng)視場(chǎng)角Du fd檢測(cè)器物鏡 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 5.2.4 系統(tǒng)的通頻帶寬度I 0I0O1頻帶寬度f是光電檢測(cè)系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。檢測(cè)系統(tǒng)要求f應(yīng)保存原有信號(hào)的調(diào)制信息，并使系統(tǒng)達(dá)到最大輸出功率信噪比。系統(tǒng)按傳遞信號(hào)能力，可有以下幾種方法確定系統(tǒng)頻帶寬度。對(duì)于輸入信號(hào)為矩形波時(shí)，通過不同帶通

13、濾波器的波形的分析，可知，要使系統(tǒng)可以復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)波形，要求系統(tǒng)帶寬f：在輸入信號(hào)為調(diào)幅波時(shí)，一般情況下取頻帶寬度為其包絡(luò)（邊頻）頻率的2倍。如果是調(diào)頻波，則要求濾波器加寬頻帶寬度，保證有足夠的邊頻分量通過系統(tǒng)。04f5-201. 等效矩形帶寬：2. 頻譜曲線下降3dB的帶寬3. 包含90%能量的帶寬0166. 00262. 0f0389. 0f 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 5.3 直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程光電檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度在不同的用途時(shí)，靈敏度的表達(dá)形式不同，在對(duì)地測(cè)距、搜索和跟蹤等系統(tǒng)中，通常用“檢測(cè)距離”來評(píng)

14、價(jià)系統(tǒng)的靈敏度。對(duì)于其他系統(tǒng)的靈敏度亦可用距離方程推演出來。直接檢測(cè)系統(tǒng)分為被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其距離方程不同。下面分別進(jìn)行推導(dǎo)。強(qiáng)度調(diào)制器光學(xué)天線光學(xué)通道接收天線及光電檢測(cè)器光電信號(hào)處理器光源信號(hào)發(fā)射機(jī)背景噪聲場(chǎng)接收機(jī)電路噪聲回收的信息 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 1、被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程被動(dòng)檢測(cè)過程示意圖大氣傳播eEeP接收光學(xué)系統(tǒng)信號(hào)處理接收機(jī)接收信息光電檢測(cè)LsV被測(cè)目標(biāo)eI光譜輻射強(qiáng)度L傳播距離大氣光譜透過率1VR光譜響應(yīng)度00A入射孔徑面積光譜透過率 信息光電子研究所信息光電子研究所 Inform

15、ation optoelectronics research 設(shè)被測(cè)目標(biāo)的光譜輻射強(qiáng)度為eI經(jīng)大氣傳播后到達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)表面的光譜輻射照度 為：eE21LIEee的距離為目標(biāo)到光電檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的大氣光譜透過率；為被測(cè)距離LL1入射到檢測(cè)器上的光譜功率 為：eP002100ALIAEPeee透過率為接收光學(xué)系統(tǒng)的光譜孔徑面積為接收光學(xué)系統(tǒng)的入射10A根據(jù)目標(biāo)輻射強(qiáng)度最大的波段范圍及所選取檢測(cè)器光譜響應(yīng)范圍共同決定選取的12的輻射波段，可得到檢測(cè)器的輸出信號(hào)電壓為：21210120dRILAdRPVVeVes為檢測(cè)器的光譜響應(yīng)度VR5-211、被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程 信息光電子研究所信息光電子研究所

16、 Information optoelectronics research 210120dRILAVVes1、被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程 都是波長(zhǎng)的復(fù)雜函數(shù)，難有確切的解析表達(dá)式。通常作如下簡(jiǎn)化處理：VeR、I和01式中 取1為被測(cè)距離L在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的平均透過率1。 光學(xué)系統(tǒng)的透過率0對(duì)光譜響應(yīng)范圍內(nèi)平均值。 把檢測(cè)器的光譜響應(yīng)帶看成是一個(gè)矩形帶寬。即在響應(yīng)范圍內(nèi)為 常數(shù)RV，在其它區(qū)域?yàn)榱?。根?jù)物體的溫度T查表，可計(jì)算出在考查波段范圍內(nèi)的黑體輻射強(qiáng)度， 再乘以物體的平均比輻射率，可得到物體在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的輻射強(qiáng)度Ie。將上述值代入5-22式，可得：令檢測(cè)器的方均根噪聲電壓為Vn，則它的輸出

17、信噪比為：210120dRILVAVVVenns5-22VeRI01 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research VennsRILVAVV01205-23210120dRILVAVVVenns即：21010nsVVnVeVRIAL5-24又因?yàn)椋篺ADVRdnV*5-25將上式代入5-24，可得：21*010fADIALdVVens5-26式中Ad為檢測(cè)器面積；f為系統(tǒng)的帶寬；D*為檢測(cè)器的歸一化檢測(cè)度；AoIe=P0是入射到接收光學(xué)系統(tǒng)的平均功率?？紤]到系統(tǒng)的調(diào)制特性，入射到探測(cè)器上的有效功率為： dSP210S()為調(diào)制信號(hào)的

18、功率譜 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 為清楚地看出系統(tǒng)各部件對(duì)檢測(cè)距離的影響，把調(diào)制特性考慮為對(duì)入射功率的利用系數(shù)km，則上式改寫為： 21212121*001nsmdeVVfkADAIL5-27第一個(gè)括號(hào)是目標(biāo)輻射特性及大氣透過率對(duì)檢測(cè)距離的影響；第二個(gè)括號(hào)和第三個(gè)括號(hào)表示光學(xué)系統(tǒng)及檢測(cè)器件特性對(duì)作用距離的影響；第四個(gè)括號(hào)是信息處理系統(tǒng)對(duì)作用距離的影響。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 大氣傳播 Lk傳播距離衰減系數(shù)2LSLL后光斑面積經(jīng)距

19、離 eE eIrSa反射系數(shù)反射面積 P dP接收光學(xué)系統(tǒng)信號(hào)處理接收機(jī)回收信息0立體角接收口徑D 02透過率光電檢測(cè)強(qiáng)度調(diào)制器發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)光源信號(hào)發(fā)射機(jī) sPmk 01 TP反射目標(biāo)LsV2、主動(dòng)檢測(cè)距離方程主動(dòng)檢測(cè)過程示意圖 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的光源主要為激光光源。令其發(fā)射功率為Ps()；發(fā)射束發(fā)散立體角為；發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過率為01()，經(jīng)調(diào)制的光能利用率為km，則發(fā)射機(jī)發(fā)射的功率PT()為： mskP01TP激光在大氣中傳播時(shí)，能量若為按指數(shù)規(guī)律衰減，令衰減系數(shù)為k()，經(jīng)傳播距離L后光

20、斑面積為SL=L2，光斑SL的輻射照度Ee為： LkTLkLTeLPeSP2eE設(shè)在距光源L處有一目標(biāo)，其反射面積為Sa。普通情況下把反射體看作是朗伯反射，即在半球內(nèi)均勻反射，其反射系數(shù)為r。在此條件下，單位立體角的反射光輻射強(qiáng)度Ie() 為： LkaLeaerSLPErS2e1I2、主動(dòng)檢測(cè)距離方程 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 假定接收機(jī)和發(fā)射機(jī)在一處，反射光經(jīng)大氣傳輸?shù)浇邮掌鞯倪^程仍遵守指數(shù)規(guī)律衰減，衰減系數(shù)仍為k()，則接收功率為： LkaTerSLDP2420e4IP式中，D0為光學(xué)系統(tǒng)接收口徑；=D02/

21、4L2為接收系統(tǒng)的立體角。如果接收光學(xué)系統(tǒng)的透過率為02()，則檢測(cè)器上接收到的總功率為： LkamseLDkSkP242002d4PP式中: rk0201檢測(cè)器上的輸出電壓為： VLkamsVReLDkSkPR2420ds4PV 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 式中：RV()為檢測(cè)器相對(duì)光譜響應(yīng)度，將5-25式代入上式得距離L為： VLkamsVReLDkSkPR2420ds4PV 412*204LLkdnsamsefAVVDDkSkP如果目標(biāo)反射面積Sa等于光斑照射面積L2，則上式可化為： 212*204LLkdn

22、smsefAVVDkDkP可知，影響檢測(cè)距離的因素很多，發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)的大氣特性以及目標(biāo)反射特性都將影響檢測(cè)距離。在前面計(jì)算距離時(shí)，在被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，由于光譜范圍寬，大氣衰減作用以透過率表示，而在主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，絕大多數(shù)系統(tǒng)是以激光做光源，激光光譜較窄，用衰減系數(shù)表示，其物理意義是等價(jià)的。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 5.4 直接檢測(cè)系統(tǒng)的舉例計(jì)量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。光敏元件可以是光敏二極管，也可以是光電池。透射式光柵一般是用光學(xué)玻璃或不銹鋼做基體，在

23、其上均勻地刻劃出間距、寬度相等的條紋，形成連續(xù)的透光區(qū)和不透光區(qū)。5.4.1 莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀在檢測(cè)技術(shù)中常用的是計(jì)量光柵。計(jì)量光柵主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象，常用于位移測(cè)量，有很高的分辨力，可優(yōu)于0.1m。 黑白光柵 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 莫爾條紋光柵原理莫爾條紋光柵原理 構(gòu)成：構(gòu)成： 主光柵主光柵-標(biāo)尺光柵，標(biāo)尺光柵，定光柵定光柵；指示光柵指示光柵-動(dòng)光柵動(dòng)光柵 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 計(jì)量光柵由標(biāo)尺光柵（主光柵）和指示光

24、柵組成，標(biāo)尺光柵和指示光柵的刻線寬度和間距完全一樣。將指示光柵與標(biāo)尺光柵疊合在一起，兩者之間保持很小的間隙（0.05mm或0.1mm）。在長(zhǎng)光柵中標(biāo)尺光柵固定不動(dòng)，而指示光柵安裝在運(yùn)動(dòng)部件上，所以兩者之間可以形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對(duì)疊和在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角，光柵節(jié)距為P。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯(cuò)開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。莫爾條紋是周期性函數(shù)。 計(jì)量光柵主光柵指示光柵 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research

25、 這種亮帶和暗帶形成明暗相間的條紋稱為莫爾條紋，條紋方向與刻線方向近似垂直。通常在光柵的適當(dāng)位置安裝光敏元件，即可檢測(cè)到亮暗變化。 當(dāng)指示光柵沿x軸（例如水平方向）自左向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋的亮帶和暗帶將順序自下而上不斷地掠過光敏元件（在演示中就是我們的眼睛）。光敏元件“觀察”到莫爾條紋的光強(qiáng)變化近似于正弦波變化。光柵移動(dòng)一個(gè)柵距P，光強(qiáng)變化一個(gè)周期。由于光柵的刻線非常細(xì)微，很難分辨到底移動(dòng)了多少個(gè)柵距，而利用莫爾條紋具有放大作用，當(dāng)光柵移動(dòng)了一個(gè)節(jié)距時(shí)P，莫爾條紋移動(dòng)了一個(gè)寬度B。且滿足關(guān)系式： sinPB 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronic

26、s research 莫爾條紋有如下特征： 1）平均效應(yīng)：莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對(duì)光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線不均勻引起的誤差。 2）對(duì)應(yīng)關(guān)系：當(dāng)指示光柵沿與柵線垂直的方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動(dòng)（兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直）；指示光柵反向移動(dòng)，莫爾條紋亦反向移動(dòng)。在圖中，當(dāng)指示光柵向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向上運(yùn)動(dòng)。 3）放大作用：莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距，它隨著指示光柵與主光柵刻線夾角而改變。越小，B越大，相當(dāng)于把微小的柵距P擴(kuò)大了 倍。由此可見，計(jì)量光柵起到光學(xué)放大器的作用。sin/ 1 信息光電子研究所信息光電子研究所 Inf

27、ormation optoelectronics research 例，對(duì)25線/mm的長(zhǎng)光柵而言，P0.04mm，若=0.016rad，則B=2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的間隔，但無法分辨0.04mm的間隔。 計(jì)量光柵的光學(xué)放大作用與安裝角度有關(guān)，而與兩光柵的安裝間隙無關(guān)。莫爾條紋的寬度必須大于光敏元件的尺寸，否則光敏元件無法分辨光強(qiáng)的變化。 4）莫爾條紋移過的條紋數(shù)與光柵移過的刻線數(shù)相等。例如，采用100線/mm光柵時(shí)，若光柵移動(dòng)了x mm（也就是移過了100 x條光柵刻線），則從光電元件面前掠過的莫爾條紋也是100 x條。由于莫爾條紋比柵距寬得多，所以能夠被光敏元件所識(shí)別。將

28、此莫爾條紋產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可知道移動(dòng)的實(shí)際距離了。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 光電傳感器輸出信號(hào)波形光電傳感器輸出信號(hào)波形當(dāng)光柵相對(duì)位移一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋寬度，相應(yīng)當(dāng)光柵相對(duì)位移一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋寬度，相應(yīng)照射在光電池上的光強(qiáng)度發(fā)生一個(gè)周期的變化，使輸出電信號(hào)周期照射在光電池上的光強(qiáng)度發(fā)生一個(gè)周期的變化，使輸出電信號(hào)周期變化，其輸出波形如圖：變化，其輸出波形如圖： 由此可知，只要計(jì)算輸出電壓的周期數(shù)，便可測(cè)出位移量。從而實(shí)由此可知，只要計(jì)算輸出電壓的周期數(shù)，便可測(cè)出位移量。從而

29、實(shí)現(xiàn)了位移量向電量的轉(zhuǎn)換。在一個(gè)周期內(nèi)，輸出波形的變化是位移在現(xiàn)了位移量向電量的轉(zhuǎn)換。在一個(gè)周期內(nèi)，輸出波形的變化是位移在一個(gè)柵距內(nèi)變化的余弦函數(shù)，每一周期對(duì)應(yīng)一個(gè)柵距。一個(gè)柵距內(nèi)變化的余弦函數(shù)，每一周期對(duì)應(yīng)一個(gè)柵距。但是如果只用一個(gè)光電元件，其輸出信號(hào)還存在兩個(gè)問題：但是如果只用一個(gè)光電元件，其輸出信號(hào)還存在兩個(gè)問題： 辨向問題：用一個(gè)光電元件無法辨別運(yùn)動(dòng)方向；辨向問題：用一個(gè)光電元件無法辨別運(yùn)動(dòng)方向； 精度低；分辨力只為一個(gè)柵距精度低；分辨力只為一個(gè)柵距P。 信息光電子研究所信息光電子研究所Information optoelectronics research 辨向原理：辨向原理： 用兩

30、個(gè)光電元件相距用兩個(gè)光電元件相距B/4安裝（相當(dāng)于相差安裝（相當(dāng)于相差90空間角，空間角，B: 2=B/4: /2），如圖所示，可以解決辨向問題。），如圖所示，可以解決辨向問題。 當(dāng)條紋上移時(shí)，當(dāng)條紋上移時(shí)，V2落后于落后于V1 90。 當(dāng)條紋下移時(shí)，當(dāng)條紋下移時(shí)，V2超前于超前于V1 90。 因此，由因此，由V1、V2之間的相位關(guān)系可以之間的相位關(guān)系可以 判別運(yùn)動(dòng)方向。判別運(yùn)動(dòng)方向。 信息光電子研究所信息光電子研究所Information optoelectronics research 細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù)（解決精度問題）（解決精度問題） 當(dāng)使用一個(gè)光電池通過判斷信號(hào)周期的方法來進(jìn)行位移當(dāng)使用

31、一個(gè)光電池通過判斷信號(hào)周期的方法來進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，最小分辨力為測(cè)量時(shí)，最小分辨力為1個(gè)柵距。為了提高測(cè)量的精度，提高個(gè)柵距。為了提高測(cè)量的精度，提高分辨力，可使柵距減小，即增加刻線密度。另一種方法是在分辨力，可使柵距減小，即增加刻線密度。另一種方法是在雙光電元件的基礎(chǔ)上，經(jīng)過信號(hào)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，雙光電元件的基礎(chǔ)上，經(jīng)過信號(hào)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，其電路框圖如圖所示。其電路框圖如圖所示。 4P 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 莫爾條紋的應(yīng)用莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀分長(zhǎng)光柵和圓光柵兩種，光刻密度相同，通常為25，50，100

32、，250條/mm。被廣泛地應(yīng)用于： 1.光柵數(shù)顯表2.光柵傳感器在位置控制中的應(yīng)用3.軸環(huán)式數(shù)顯表4.機(jī)械測(cè)長(zhǎng)和數(shù)控機(jī)床中。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 代表性產(chǎn)品：代表性產(chǎn)品： 德國(guó)德國(guó)Heidenhain（海德漢）：（海德漢）：封閉式：量程封閉式：量程3000mm，分辨力，分辨力0.1 m開放式：量程開放式：量程1440mm，分辨力，分辨力0.01m開放式：量程開放式：量程270mm 分辨力分辨力1nm英國(guó)英國(guó)Renishaw（雷尼紹）：（雷尼紹）： 量程：任意分辨力：量程：任意分辨力： 0.1 m 0.01

33、m中國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所：中國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所： 量量 程：程：1000mm 分辨力：分辨力：0.01 m 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 5.4.2 激光測(cè)距儀1 1、 脈沖激光測(cè)距儀脈沖激光測(cè)距儀脈沖激光測(cè)距利用了激光的發(fā)散角小，能量空間相對(duì)集中的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還利用了激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短，能量在時(shí)間上相對(duì)集中的特點(diǎn)。因此瞬時(shí)功率很大，般可達(dá)兆瓦級(jí)。由于上述兩點(diǎn)，脈沖激光測(cè)距在有反射器的情況下，可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測(cè)程；進(jìn)行近距離(幾公里)測(cè)量時(shí)，如果測(cè)量精度要求不高，不必使用反射器，利用被測(cè)目標(biāo)對(duì)脈沖激光的反射取得反射信號(hào)，也可以進(jìn)行測(cè)

34、距。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 在在1處產(chǎn)生的激光，經(jīng)過待測(cè)的路程射向處產(chǎn)生的激光，經(jīng)過待測(cè)的路程射向2處。在處。在2處裝處裝有向有向1處反射的裝置，處反射的裝置，1處至處至2處間的距離處間的距離D是待測(cè)的。如果是待測(cè)的。如果在在1處有一種裝置，它能夠測(cè)出脈沖激光從處有一種裝置，它能夠測(cè)出脈沖激光從1處到達(dá)處到達(dá)2處再返處再返回回1處所需要的時(shí)間處所需要的時(shí)間t，則，則 式中式中 c 為光的傳播速度。為光的傳播速度。脈沖激光測(cè)距的工作原理脈沖激光測(cè)距的工作原理2/ tcD 信息光電子研究所信息光電子研究所 Inf

35、ormation optoelectronics research 取樣器激光器測(cè)器光電檢時(shí)鐘振蕩器電子門計(jì)數(shù)器控制電路放大電路整形電路復(fù)原電路發(fā)射光束回波光束啟動(dòng)按鈕小孔光闌干涉濾光片脈沖測(cè)距儀原理方塊圖它由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、控制電路、時(shí)鐘脈沖振蕩器以及計(jì)數(shù)顯示電路等組成. 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 由光電器件得到的電脈沖，經(jīng)放大器以后，輸出一定形狀的由光電器件得到的電脈沖，經(jīng)放大器以后，輸出一定形狀的負(fù)脈沖至控制電路。由參考信號(hào)產(chǎn)生的負(fù)脈沖負(fù)脈沖至控制電路。由參考信號(hào)產(chǎn)生的負(fù)脈沖A(圖圖(d)經(jīng)控制

36、電經(jīng)控制電路去打開電子門。這時(shí)振蕩頻率一定的時(shí)鐘振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘路去打開電子門。這時(shí)振蕩頻率一定的時(shí)鐘振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖，可以通過電子門進(jìn)入計(jì)數(shù)顯示電路，計(jì)時(shí)開始。當(dāng)反射脈沖，可以通過電子門進(jìn)入計(jì)數(shù)顯示電路，計(jì)時(shí)開始。當(dāng)反射回來經(jīng)整形后的測(cè)距信號(hào)回來經(jīng)整形后的測(cè)距信號(hào)B到來時(shí)，關(guān)閉電子門，計(jì)時(shí)停止。計(jì)到來時(shí)，關(guān)閉電子門，計(jì)時(shí)停止。計(jì)數(shù)和顯示的脈沖數(shù)如圖數(shù)和顯示的脈沖數(shù)如圖(g)所示。從計(jì)時(shí)開始到計(jì)時(shí)停止的時(shí)間所示。從計(jì)時(shí)開始到計(jì)時(shí)停止的時(shí)間正比于參考信號(hào)與測(cè)距信號(hào)之間的時(shí)間。正比于參考信號(hào)與測(cè)距信號(hào)之間的時(shí)間。 則被測(cè)距離為：則被測(cè)距離為：取樣器激光器測(cè)器光電檢時(shí)鐘振蕩器電子門計(jì)數(shù)器控制電路

37、放大電路整形電路復(fù)原電路發(fā)射光束回波光束啟動(dòng)按鈕小孔光闌干涉濾光片脈沖測(cè)距儀原理方塊圖2/ncD 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 2、 相位激光測(cè)距儀測(cè)距用的調(diào)制光波形如圖所示，若其調(diào)制頻率為f，光速為c，則波長(zhǎng)可由式=c/f求出。光波每前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)相當(dāng)于相位變化了2則距離D可表示為：2,nnND“光尺”測(cè)量距離原理圖發(fā)射接收回波強(qiáng)調(diào)制正弦光棱鏡合作目標(biāo)0DD測(cè)距時(shí)，調(diào)制激光照在合作目標(biāo)上，被反回接收經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后得到相同的電信號(hào)，與光源的驅(qū)動(dòng)電壓相比較，測(cè)得相位差，由相位差可算得所測(cè)距離。 信息光電子研究所信息光電子研

38、究所 Information optoelectronics research 為了便于理解測(cè)距儀的測(cè)相系統(tǒng)對(duì)光波往返二倍距離后的相位移進(jìn)行測(cè)量，圖中說明了光波在距離L上往返后的相位變化。如果設(shè)光波從A到A點(diǎn)的傳播過程中相位變化(又稱為相位移)為，則由圖看出，被測(cè)距離為：nNLnNDs2fcLns22,2 由上分析可知，如果測(cè)得光波相位移中2的整數(shù)N和小數(shù)n，就可以確定出被測(cè)距離值，所以調(diào)制光波可以被認(rèn)為是一把“光尺”，其波長(zhǎng)就是相位式激光測(cè)距儀的“測(cè)尺”長(zhǎng)度。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research nNLnNDs2式中當(dāng)N

39、等于0時(shí)，fc，LLnLnDsss2222 可由檢相器檢出，得被測(cè)距離，但當(dāng)N不等于0時(shí)，N的大小不能確定，出現(xiàn)測(cè)量誤差。目前的相位測(cè)距儀只可測(cè)相位尾數(shù)，不能求整周期數(shù)N，因此在測(cè)距離較長(zhǎng)時(shí)，選用較低的測(cè)尺頻率便會(huì)有很大的誤差（多值解），而且由于儀器存在測(cè)量誤差，選用大的測(cè)尺長(zhǎng)度愈大測(cè)距誤差越大。解決方法就是采用幾個(gè)精度不同的“光尺”配合使用。即除了基本測(cè)尺長(zhǎng)度L外，再選一個(gè)或幾個(gè)輔助測(cè)尺Lsb，然后將各測(cè)尺的測(cè)距讀數(shù)組合起來得到單一的和準(zhǔn)確的距離值。 例如：選用兩把測(cè)尺，其中基本測(cè)尺Lsa=1000m，輔助尺Lsb=10m，可用它來測(cè)量某一段長(zhǎng)度為386.57m。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 相位測(cè)距儀原理相位測(cè)距儀原理11fT精主振22fT粗主振2R粗本振1R精本振關(guān)開關(guān)開轉(zhuǎn)換光路發(fā)光二極管管放大器光電二級(jí)me令指混頻器基準(zhǔn)混頻器信號(hào)檢相運(yùn)算顯示re發(fā)射物鏡接收物鏡目標(biāo)合作如圖采用兩個(gè)測(cè)