《光電測(cè)量技術(shù)》(第七章)

1、1第七章第七章非相干光變換與檢測(cè)非相干光變換與檢測(cè)2第一節(jié)第一節(jié)光電信號(hào)變換與光電測(cè)量系統(tǒng)概述光電信號(hào)變換與光電測(cè)量系統(tǒng)概述 非相干光學(xué)信號(hào)是指光載波為非非相干光學(xué)信號(hào)是指光載波為非相干光，用于檢測(cè)光功率、光頻率相干光，用于檢測(cè)光功率、光頻率或相位，或者光載波是相干的，但或相位，或者光載波是相干的，但檢測(cè)的是光功率檢測(cè)的是光功率3變換的目的變換的目的1）將待處理的信息加載到光載波上，得到光載）將待處理的信息加載到光載波上，得到光載波的信號(hào)波的信號(hào)2）改善系統(tǒng)的時(shí)間或空間分辨率和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，）改善系統(tǒng)的時(shí)間或空間分辨率和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，用以提高傳輸效率和檢測(cè)精度用以提高傳輸效率和檢測(cè)精度3）改善系統(tǒng)的檢

2、測(cè)信噪比，提高系統(tǒng)可靠性）改善系統(tǒng)的檢測(cè)信噪比，提高系統(tǒng)可靠性4變換的方法變換的方法借助于借助于幾何光學(xué)、物理光學(xué)、光電子學(xué)幾何光學(xué)、物理光學(xué)、光電子學(xué)等等 幾何光學(xué)：直線性、透射、反射、折射、成像等幾何光學(xué)：直線性、透射、反射、折射、成像等 物理光學(xué)：干涉、衍射、光強(qiáng)、波長(zhǎng)變換、偏振等物理光學(xué)：干涉、衍射、光強(qiáng)、波長(zhǎng)變換、偏振等 光電子學(xué)：電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、空間光電子學(xué)：電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、空間調(diào)制等調(diào)制等5光電信號(hào)變換方法與應(yīng)用范圍光電信號(hào)變換方法與應(yīng)用范圍 變換方法變換方法光學(xué)原理光學(xué)原理應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍幾何光學(xué)法幾何光學(xué)法透射、反射、折射、散射、遮透射、反射、折射

3、、散射、遮光、光學(xué)成像等非相干光學(xué)現(xiàn)象光、光學(xué)成像等非相干光學(xué)現(xiàn)象或方法或方法光開關(guān)、光學(xué)編碼、光掃描、瞄準(zhǔn)定光開關(guān)、光學(xué)編碼、光掃描、瞄準(zhǔn)定位、光準(zhǔn)直、外觀質(zhì)量檢測(cè)、測(cè)長(zhǎng)測(cè)位、光準(zhǔn)直、外觀質(zhì)量檢測(cè)、測(cè)長(zhǎng)測(cè)角、測(cè)距等角、測(cè)距等物理光學(xué)法物理光學(xué)法干涉、衍射、散斑、全息、波長(zhǎng)干涉、衍射、散斑、全息、波長(zhǎng)變換、光學(xué)拍頻、偏振等相干光變換、光學(xué)拍頻、偏振等相干光學(xué)現(xiàn)象或方法學(xué)現(xiàn)象或方法莫爾條紋、干涉計(jì)量、全息計(jì)量、散莫爾條紋、干涉計(jì)量、全息計(jì)量、散斑計(jì)量、外差干涉、外差通信、光譜斑計(jì)量、外差干涉、外差通信、光譜分析、多普勒測(cè)速等分析、多普勒測(cè)速等光電子學(xué)法光電子學(xué)法電光效應(yīng)，聲光效應(yīng)、磁光效電光效應(yīng)

4、，聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、空間光調(diào)制、光纖傳光與傳應(yīng)、空間光調(diào)制、光纖傳光與傳感等感等光調(diào)制、光偏轉(zhuǎn)、光開關(guān)、光通信、光調(diào)制、光偏轉(zhuǎn)、光開關(guān)、光通信、光記錄、光存儲(chǔ)、光顯示等光記錄、光存儲(chǔ)、光顯示等6 光源、光學(xué)變換系統(tǒng)和光電接收器件光源、光學(xué)變換系統(tǒng)和光電接收器件構(gòu)成了光電檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成了光電檢測(cè)系統(tǒng)直接檢測(cè)光電系統(tǒng)直接檢測(cè)光電系統(tǒng)相干檢測(cè)光電系統(tǒng)相干檢測(cè)光電系統(tǒng)光信息為光強(qiáng)，被測(cè)量被攜帶于光載波的強(qiáng)光信息為光強(qiáng)，被測(cè)量被攜帶于光載波的強(qiáng)度之中，光電器件直接接收光強(qiáng)度變化，度之中，光電器件直接接收光強(qiáng)度變化，再用解調(diào)的方法檢測(cè)出被測(cè)信息的系統(tǒng)再用解調(diào)的方法檢測(cè)出被測(cè)信息的系統(tǒng)光信息加載于相干光源的

5、光載波的振幅、頻光信息加載于相干光源的光載波的振幅、頻率、相位之中的系統(tǒng)率、相位之中的系統(tǒng)7 非相干檢測(cè)光電系統(tǒng)非相干檢測(cè)光電系統(tǒng)光源為非相干光，用調(diào)制的方法使被測(cè)信息光源為非相干光，用調(diào)制的方法使被測(cè)信息加載于調(diào)制光的幅度、頻率、相位之中，再加載于調(diào)制光的幅度、頻率、相位之中，再用光電檢測(cè)的方法從調(diào)制光檢測(cè)出被測(cè)信息用光電檢測(cè)的方法從調(diào)制光檢測(cè)出被測(cè)信息的系統(tǒng)的系統(tǒng)8光電變換的基本形式光電變換的基本形式1)1)被測(cè)對(duì)象為輻射源的形式被測(cè)對(duì)象為輻射源的形式9光電探測(cè)器件直接探測(cè)物體本身的輻射光電探測(cè)器件直接探測(cè)物體本身的輻射量以確定目標(biāo)物的存在。量以確定目標(biāo)物的存在。光電變換的基本形式光電變換

6、的基本形式1)1)被測(cè)對(duì)象為輻射源的形式被測(cè)對(duì)象為輻射源的形式為了克服直流放大器中零點(diǎn)漂移和環(huán)境為了克服直流放大器中零點(diǎn)漂移和環(huán)境溫度的影響，以及減少背景輻射的噪聲溫度的影響，以及減少背景輻射的噪聲干擾干擾常采用光學(xué)調(diào)制技術(shù)或電子斬常采用光學(xué)調(diào)制技術(shù)或電子斬波器調(diào)制，通過(guò)濾波器可提高信噪比。波器調(diào)制，通過(guò)濾波器可提高信噪比。101)1)被測(cè)對(duì)象為輻射源的形式被測(cè)對(duì)象為輻射源的形式 設(shè)物體全輻射通量密度設(shè)物體全輻射通量密度4TM光電變換的基本形式光電變換的基本形式在近距離測(cè)量時(shí)，前置放大器輸出電壓信號(hào)在近距離測(cè)量時(shí)，前置放大器輸出電壓信號(hào)（不計(jì)大氣吸收）（不計(jì)大氣吸收）發(fā)射率；發(fā)射率；波爾茲曼常

7、數(shù)；波爾茲曼常數(shù)；T絕對(duì)溫度絕對(duì)溫度MRmSGAMU0光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率；光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率；m光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)的透過(guò)率；光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)的透過(guò)率；S光電器件光電光電器件光電靈敏度；靈敏度；G電路變換系數(shù)；電路變換系數(shù)；A放大器放大倍數(shù)；放大器放大倍數(shù)；R光電變換系數(shù)光電變換系數(shù)11光電變換的基本形式光電變換的基本形式2)2)光透過(guò)被測(cè)對(duì)象的形式光透過(guò)被測(cè)對(duì)象的形式12光電變換的基本形式光電變換的基本形式當(dāng)光透過(guò)均勻介質(zhì)時(shí)，光被吸收而減弱的規(guī)律為當(dāng)光透過(guò)均勻介質(zhì)時(shí)，光被吸收而減弱的規(guī)律為de02)2)光透過(guò)被測(cè)對(duì)象的形式光透過(guò)被測(cè)對(duì)象的形式RU00de00入射到介質(zhì)表面的通量；入射到介質(zhì)表面的通量；介質(zhì)吸

8、收系數(shù)；介質(zhì)吸收系數(shù)；d介質(zhì)的厚度介質(zhì)的厚度實(shí)驗(yàn)表明：在液體或氣體中，實(shí)驗(yàn)表明：在液體或氣體中，(=)值與物質(zhì)的濃度成正比。值與物質(zhì)的濃度成正比。(表示液體或氣體對(duì)光的吸收性質(zhì)；表示液體或氣體對(duì)光的吸收性質(zhì)；濃度濃度)光電變換器的輸出電壓為光電變換器的輸出電壓為13光電變換的基本形式光電變換的基本形式3)3)光由被測(cè)對(duì)象反射的形式光由被測(cè)對(duì)象反射的形式14X光反射有鏡面反射和漫反射兩種形式光反射有鏡面反射和漫反射兩種形式其反射其反射的物理性質(zhì)有所不同的物理性質(zhì)有所不同光電變換的基本形式光電變換的基本形式3)3)光由被測(cè)對(duì)象反射的形式光由被測(cè)對(duì)象反射的形式15光電變換的基本形式光電變換的基本形式

9、4)4)光由被測(cè)對(duì)象遮擋的形式光由被測(cè)對(duì)象遮擋的形式16光電變換的基本形式光電變換的基本形式Y(jié)設(shè)光電器件光敏面的寬度和高度為設(shè)光電器件光敏面的寬度和高度為b，而被測(cè)物體的，而被測(cè)物體的寬度大于寬度大于b，物體遮擋光的位移量為，物體遮擋光的位移量為l，則物體遮擋，則物體遮擋入射到器件的光照面積的變量為入射到器件的光照面積的變量為lbA4)4)光由被測(cè)對(duì)象遮擋的形式光由被測(cè)對(duì)象遮擋的形式lEbRRAEU0Y變換器輸出位移量的信號(hào)電壓為：變換器輸出位移量的信號(hào)電壓為：17光電變換的基本形式光電變換的基本形式5)5)被測(cè)對(duì)象經(jīng)光信息量化的形式被測(cè)對(duì)象經(jīng)光信息量化的形式18光電變換的基本形式光電變換的基

10、本形式6)6)光傳輸信息的形式光傳輸信息的形式19第二節(jié)第二節(jié) 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)的基本工作原理n檢測(cè)系統(tǒng)可經(jīng)光學(xué)變換或直接由檢測(cè)器接收被檢測(cè)系統(tǒng)可經(jīng)光學(xué)變換或直接由檢測(cè)器接收被測(cè)信號(hào)測(cè)信號(hào)n在其前端還可經(jīng)過(guò)頻率濾波（如濾光片）和空在其前端還可經(jīng)過(guò)頻率濾波（如濾光片）和空間濾波（如光闌）等處理間濾波（如光闌）等處理n此時(shí)光學(xué)變換也接收到背景輻射，并與信號(hào)一此時(shí)光學(xué)變換也接收到背景輻射，并與信號(hào)一起入射到檢測(cè)器的光敏面上起入射到檢測(cè)器的光敏面上20假定入射的信號(hào)光強(qiáng)為假定入射的信號(hào)光強(qiáng)為 tcosAtES 222AtEPSSA信號(hào)光強(qiáng)振幅信號(hào)光強(qiáng)振幅 信號(hào)光的圓頻率信

11、號(hào)光的圓頻率其平均光功率為其平均光功率為而光檢測(cè)器輸出的電流為而光檢測(cè)器輸出的電流為 22AhetEhePISSS式中式中 光電靈敏度he 時(shí)間的平均值t2SE21n若檢測(cè)器的負(fù)載電阻為若檢測(cè)器的負(fù)載電阻為RL，則光電檢測(cè)器輸出電，則光電檢測(cè)器輸出電功率為功率為n上式說(shuō)明光電檢測(cè)器輸出的電功率正比于入射光上式說(shuō)明光電檢測(cè)器輸出的電功率正比于入射光功率的平方功率的平方LSLSRPheRIP222022n如果入射光是調(diào)幅波，即如果入射光是調(diào)幅波，即 X(t)調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)n檢測(cè)器件輸出的電流為檢測(cè)器件輸出的電流為n若光電檢測(cè)器輸出端由隔離直流的電容，則只有若光電檢測(cè)器輸出端由隔離直流的電容，則只

12、有第二項(xiàng)輸出第二項(xiàng)輸出這就是包絡(luò)檢測(cè)的意思這就是包絡(luò)檢測(cè)的意思 tcostXAtES1 tXAAiS222123光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性1、檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比、檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比8設(shè)入射到檢測(cè)器的信號(hào)光功率為設(shè)入射到檢測(cè)器的信號(hào)光功率為PS8 設(shè)入射到檢測(cè)器的噪聲功率為設(shè)入射到檢測(cè)器的噪聲功率為Pn8檢測(cè)器輸出的信號(hào)電功率為檢測(cè)器輸出的信號(hào)電功率為P08 檢測(cè)器輸出的噪聲功率為檢測(cè)器輸出的噪聲功率為Pn02200nSLnPPRhePP24光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性n考慮到信號(hào)與噪聲的獨(dú)立性，則有考慮到信號(hào)與噪聲的獨(dú)立性，

13、則有220SLPRheP2202nnSLnPPPRheP25光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性根據(jù)信噪比的定義，則輸出功率信噪比為根據(jù)信噪比的定義，則輸出功率信噪比為若若 ，則有，則有這說(shuō)明輸出信噪比等于輸入信號(hào)比的平方這說(shuō)明輸出信噪比等于輸入信號(hào)比的平方由此可見，直接檢測(cè)光電系統(tǒng)不適用于輸入信噪比小于由此可見，直接檢測(cè)光電系統(tǒng)不適用于輸入信噪比小于1 1或者微弱光信號(hào)的檢測(cè)或者微弱光信號(hào)的檢測(cè)nSnSnPPPPPPPSNR212001nSPP2nSPPPSNR26光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性若若 ，則有，則有上式表明輸出信噪比

14、等于輸入信噪比的一半，即經(jīng)光電上式表明輸出信噪比等于輸入信噪比的一半，即經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后信噪比損失了轉(zhuǎn)換后信噪比損失了3dB3dB，在實(shí)際應(yīng)用中還是可以接受的，在實(shí)際應(yīng)用中還是可以接受的從上述得知：直接檢測(cè)方法并不能改善輸入信噪比從上述得知：直接檢測(cè)方法并不能改善輸入信噪比這是其檢測(cè)系統(tǒng)的弱點(diǎn)（與相干或外差系統(tǒng)相比）這是其檢測(cè)系統(tǒng)的弱點(diǎn)（與相干或外差系統(tǒng)相比）但它對(duì)不是十分微弱光信號(hào)的檢測(cè)則是很適宜的檢測(cè)方但它對(duì)不是十分微弱光信號(hào)的檢測(cè)則是很適宜的檢測(cè)方法法因?yàn)樵摲椒ū容^簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高，成因?yàn)樵摲椒ū容^簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高，成本低，應(yīng)用廣泛本低，應(yīng)用廣泛1nSPPnSPPPSNR21

15、27光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性2、直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限及趨近方法、直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限及趨近方法 如果考慮直接檢測(cè)系統(tǒng)存在的所有噪聲，則輸出如果考慮直接檢測(cè)系統(tǒng)存在的所有噪聲，則輸出噪聲的總功率為噪聲的總功率為L(zhǎng)NTNDNBNSnRiiiiP22220信號(hào)光信號(hào)光背景光背景光暗電流暗電流負(fù)載電阻及放大器負(fù)載電阻及放大器熱噪聲之和熱噪聲之和28光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性 輸出信號(hào)噪聲比為輸出信號(hào)噪聲比為 當(dāng)熱噪聲是直接檢測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源，而其當(dāng)熱噪聲是直接檢測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源，而其它可以忽略時(shí)，信噪比為它可以忽略時(shí)

16、，信噪比為22222200NTNDNBNSSnPiiiiPhePPSNRRfkTPheSNRSP422熱29光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性 當(dāng)散粒噪聲遠(yuǎn)大于熱噪聲時(shí)，熱噪聲可以忽略，當(dāng)散粒噪聲遠(yuǎn)大于熱噪聲時(shí)，熱噪聲可以忽略，則直接檢測(cè)系統(tǒng)受散粒噪聲限制，這是的信噪比則直接檢測(cè)系統(tǒng)受散粒噪聲限制，這是的信噪比為為22222NDNBNSSPiiiPheSNR散30光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性 當(dāng)背景噪聲是直接檢測(cè)系統(tǒng)主要噪聲源時(shí)，這是當(dāng)背景噪聲是直接檢測(cè)系統(tǒng)主要噪聲源時(shí)，這是的信噪比為的信噪比為PB為背景輻射功率為背景輻射功率

17、掃描熱檢測(cè)系統(tǒng)的理論極限即由背景噪聲極限掃描熱檢測(cè)系統(tǒng)的理論極限即由背景噪聲極限所決定所決定BSBSPPPfhPhefePheSNR22222背31光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性 當(dāng)入射的信號(hào)光波所引起的散粒噪聲是系統(tǒng)的主當(dāng)入射的信號(hào)光波所引起的散粒噪聲是系統(tǒng)的主要噪聲源要噪聲源系統(tǒng)受信號(hào)噪聲限制系統(tǒng)受信號(hào)噪聲限制 上式為直接檢測(cè)系統(tǒng)在理論上的極限信噪比，也上式為直接檢測(cè)系統(tǒng)在理論上的極限信噪比，也稱為直接檢測(cè)系統(tǒng)的量子極限稱為直接檢測(cè)系統(tǒng)的量子極限fhPSNRSP2信32光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性 若用等效噪聲功率若用等

18、效噪聲功率NEP值表示，在量子極限下直值表示，在量子極限下直接檢測(cè)系統(tǒng)理論上可以測(cè)量的最小功率為接檢測(cè)系統(tǒng)理論上可以測(cè)量的最小功率為假定檢測(cè)器的量子效率假定檢測(cè)器的量子效率=1，測(cè)量帶寬測(cè)量帶寬f=1Hz 得到系統(tǒng)的最小可檢測(cè)功率為得到系統(tǒng)的最小可檢測(cè)功率為2h,已接近單個(gè)光已接近單個(gè)光子的能量子的能量fhNEP2量33光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性 3、直接檢測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)角、直接檢測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)角 視場(chǎng)角是直接檢測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)之一視場(chǎng)角是直接檢測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)之一 它表示系統(tǒng)能它表示系統(tǒng)能“觀察觀察”到的空間范圍到的空間范圍 對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)，被測(cè)物看作是在無(wú)限

19、遠(yuǎn)處且物對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)，被測(cè)物看作是在無(wú)限遠(yuǎn)處且物方與像方兩側(cè)的介質(zhì)相同方與像方兩側(cè)的介質(zhì)相同 故在上述條件下檢測(cè)器位于焦平面上時(shí)，其半故在上述條件下檢測(cè)器位于焦平面上時(shí)，其半視場(chǎng)角為視場(chǎng)角為 fd2檢測(cè)器直徑檢測(cè)器直徑34光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性 或視場(chǎng)角立體角為或視場(chǎng)角立體角為而從觀察范圍看，即從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的觀點(diǎn)考慮：希望而從觀察范圍看，即從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的觀點(diǎn)考慮：希望視場(chǎng)角愈大愈好視場(chǎng)角愈大愈好從上式可看出，增大從上式可看出，增大，可增大可增大Ad或減少或減少f而這兩個(gè)方面對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的影響都不利而這兩個(gè)方面對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的影響都不利 Ad的增大的增大增大了系統(tǒng)

20、的噪聲增大了系統(tǒng)的噪聲減少焦距使系統(tǒng)的相對(duì)孔徑加大減少焦距使系統(tǒng)的相對(duì)孔徑加大一般不允許一般不允許 加大后背景輻射也隨之增加加大后背景輻射也隨之增加2fAd檢測(cè)器面積檢測(cè)器面積35光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性 4、系統(tǒng)的通頻帶寬度、系統(tǒng)的通頻帶寬度頻帶寬度頻帶寬度f(wàn) 是光電檢測(cè)系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一是光電檢測(cè)系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一光電檢測(cè)系統(tǒng)要求光電檢測(cè)系統(tǒng)要求f 應(yīng)保存原有信號(hào)的調(diào)制信息，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)按傳遞信號(hào)能力可有以下幾種方法確定f 36光電檢測(cè)

21、系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性 等效矩形帶寬等效矩形帶寬令令I(lǐng)(I() )為信號(hào)的頻譜，則信號(hào)的能量為為信號(hào)的頻譜，則信號(hào)的能量為等效矩形等效矩形帶寬定義為帶寬定義為I(I(0) )為為=0時(shí)的頻譜分量，而時(shí)的頻譜分量，而I(I(0)=I(0)=I(0)為最大頻譜分量為最大頻譜分量 dIE221 2IE 37光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性 例：以鐘形波表示的脈沖激光信號(hào)的等效矩形帶寬例：以鐘形波表示的脈沖激光信號(hào)的等效矩形帶寬 22tAetII()I(0)O0 激光波形為激光波形為 式中式中 為脈沖峰值為脈沖峰值0激光脈沖寬度激光脈沖

22、寬度0661.38光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性 激光脈沖能量激光脈沖能量E為為 224eAdtetIItj2212422AdeAE39光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性 等效矩形帶寬等效矩形帶寬1為為 02106020.IE40光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性 頻譜曲線下降頻譜曲線下降3dB3dB的帶寬的帶寬2422ln0226202.f41光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性 包含包含90%90%能量的帶寬能量的帶寬在在90%90%處能量的帶寬為處能量的帶寬為式中：式

23、中：式中式中 90.EE xAdeAdeAdIE222212120222422222x 90.xEE42光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性光電檢測(cè)系統(tǒng)（非相干）的基本特性 當(dāng)給定誤差函數(shù)當(dāng)給定誤差函數(shù) 的值時(shí)，由誤差函數(shù)表可求出的值時(shí)，由誤差函數(shù)表可求出x值值 ，再求出，再求出值，即值，即由以上分析可知，頻帶寬度由以上分析可知，頻帶寬度f(wàn) 愈寬，通過(guò)信號(hào)的能愈寬，通過(guò)信號(hào)的能量愈多，但系統(tǒng)的噪聲功率也增大量愈多，但系統(tǒng)的噪聲功率也增大 x243直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程n上述用信噪比來(lái)表示系統(tǒng)的靈敏度上述用信噪比來(lái)表示系統(tǒng)的靈敏度n也有用檢測(cè)系統(tǒng)距離來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的靈敏度也有用檢測(cè)

24、系統(tǒng)距離來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的靈敏度n特別是在對(duì)地測(cè)距、搜索和跟蹤等系統(tǒng)中特別是在對(duì)地測(cè)距、搜索和跟蹤等系統(tǒng)中44直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程1、被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程、被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程n設(shè)被測(cè)目標(biāo)的光譜幅射強(qiáng)度為設(shè)被測(cè)目標(biāo)的光譜幅射強(qiáng)度為Ien經(jīng)大氣傳播后到達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)表面的光譜輻射強(qiáng)度為經(jīng)大氣傳播后到達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)表面的光譜輻射強(qiáng)度為Een 為被測(cè)距離為被測(cè)距離L內(nèi)的大氣光譜透過(guò)率內(nèi)的大氣光譜透過(guò)率nL 為目標(biāo)到光電檢測(cè)系統(tǒng)的距離為目標(biāo)到光電檢測(cè)系統(tǒng)的距離21LIEee145直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程n入射到檢測(cè)器上的光譜功率入射到檢測(cè)器上的光譜功率 為為n

25、 分別為接收光學(xué)系統(tǒng)的入射孔徑面積及光譜透過(guò)率分別為接收光學(xué)系統(tǒng)的入射孔徑面積及光譜透過(guò)率 eP002100ALIAEPeee00、A46直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程n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的輻射波段，可得到檢測(cè)器的響應(yīng)范圍共同決定選取的的輻射波段，可得到檢測(cè)器的輸出信號(hào)電壓為輸出信號(hào)電壓為n 為光電檢測(cè)器的光譜響應(yīng)度為光電檢測(cè)器的光譜響應(yīng)度n令光電檢測(cè)器的方均根噪聲電壓為令光電檢測(cè)器的方均根噪聲電壓為Vn，則它的輸出信噪，則它的輸出信噪比為比為210120dRILAVVeSVR21

26、0120dRILVAVVVennS47直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程n上式中的各參數(shù)都是波長(zhǎng)的復(fù)雜函數(shù)，很難表示上式中的各參數(shù)都是波長(zhǎng)的復(fù)雜函數(shù)，很難表示n通常處理方法是做簡(jiǎn)化處理：通常處理方法是做簡(jiǎn)化處理：n取取 為被測(cè)距離為被測(cè)距離L L在在 區(qū)域內(nèi)的平均透過(guò)率區(qū)域內(nèi)的平均透過(guò)率n光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率 也取也取 在光譜范圍內(nèi)的平均值在光譜范圍內(nèi)的平均值n把檢測(cè)器對(duì)波長(zhǎng)把檢測(cè)器對(duì)波長(zhǎng) 內(nèi)的響應(yīng)度看成是一個(gè)矩形帶寬，內(nèi)的響應(yīng)度看成是一個(gè)矩形帶寬，即認(rèn)為即認(rèn)為 的光譜響應(yīng)度為零；而在的光譜響應(yīng)度為零；而在 的光譜的光譜范圍內(nèi)響應(yīng)度為常值范圍內(nèi)響應(yīng)度為常值n根據(jù)物體的溫度

27、根據(jù)物體的溫度T T查表，計(jì)算出在考查波段范圍內(nèi)的黑體查表，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，可以得到物體在波輻射強(qiáng)度，再乘以物體的平均比輻射率，可以得到物體在波段范圍內(nèi)的輻射強(qiáng)度段范圍內(nèi)的輻射強(qiáng)度I Ie e210120dRILVAVVVennS121021212121VR48直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程n把上述的按簡(jiǎn)化處理的各參數(shù)平均值代入輸出信噪比中把上述的按簡(jiǎn)化處理的各參數(shù)平均值代入輸出信噪比中n故可得到故可得到 VennSRILVAVV012021010SVeVRIAL49直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程n又因又因 fADVR

28、d*nV21010fAVVDIALdnS*e檢測(cè)器的歸檢測(cè)器的歸一化檢測(cè)度一化檢測(cè)度檢測(cè)器面積檢測(cè)器面積系統(tǒng)的帶寬系統(tǒng)的帶寬P0=A0Ie入射到接收光入射到接收光學(xué)系統(tǒng)的平均功率學(xué)系統(tǒng)的平均功率50直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程n為了清楚看出系統(tǒng)各部件對(duì)作用距離的影響，現(xiàn)為了清楚看出系統(tǒng)各部件對(duì)作用距離的影響，現(xiàn)把調(diào)制特性考慮為對(duì)入射功率的利用系數(shù)把調(diào)制特性考慮為對(duì)入射功率的利用系數(shù) 21212100211nSmd*eVVfkADAIL目標(biāo)輻射特性及大目標(biāo)輻射特性及大氣透過(guò)率的影響氣透過(guò)率的影響光學(xué)系統(tǒng)特光學(xué)系統(tǒng)特性的影響性的影響檢測(cè)器特性檢測(cè)器特性的影響的影響信息處理系信息處理

29、系統(tǒng)的影響統(tǒng)的影響51直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程2、主動(dòng)檢測(cè)距離方程主動(dòng)檢測(cè)距離方程n 主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的光源主要是激光光源主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的光源主要是激光光源n令其發(fā)射功率為令其發(fā)射功率為 發(fā)射束發(fā)散立體角為發(fā)射束發(fā)散立體角為 發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率為 經(jīng)調(diào)制的光能利用率為經(jīng)調(diào)制的光能利用率為n則發(fā)射功率則發(fā)射功率 為為 SP 01 TPmk mSTkPP0152直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程n激光在大氣中傳播時(shí)，能量若按指數(shù)規(guī)律衰減（衰激光在大氣中傳播時(shí)，能量若按指數(shù)規(guī)律衰減（衰減系數(shù)為減系數(shù)為 ），經(jīng)傳播距離），經(jīng)傳播距離L后光斑面積為后光斑面積為

30、 ，光斑的輻射照度為光斑的輻射照度為n設(shè)在距光源為設(shè)在距光源為L(zhǎng)處有一目標(biāo)，其反射面積為處有一目標(biāo)，其反射面積為San一般情況下把反射體看成是朗伯反射（在半球內(nèi)均一般情況下把反射體看成是朗伯反射（在半球內(nèi)均勻反射，反射系數(shù)為勻反射，反射系數(shù)為r），單位立體角的反射光輻射），單位立體角的反射光輻射強(qiáng)度為強(qiáng)度為 k2LSL LkTLkLTeeLPeSPE2 LkaTeaeerSLPErSI2153直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程n 假定接收機(jī)和發(fā)射機(jī)在一處，則接收功率為假定接收機(jī)和發(fā)射機(jī)在一處，則接收功率為nD0為光學(xué)系統(tǒng)的接收孔徑為光學(xué)系統(tǒng)的接收孔徑n 為接收光學(xué)系統(tǒng)的立體角為接收光

31、學(xué)系統(tǒng)的立體角 LkaTeerSLDPIP242042204LD54直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程n 如果接收光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率為如果接收光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率為 ，則光電檢測(cè)，則光電檢測(cè)器上接收到的總功率為器上接收到的總功率為n光電檢測(cè)器上的輸出電壓為光電檢測(cè)器上的輸出電壓為02 LkamSdeLDrSkPPP24200201024 VLkamSVdSReLDrSkPRPV24200201455直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程n將檢測(cè)器的光譜響應(yīng)度代入上式中，得到距離為將檢測(cè)器的光譜響應(yīng)度代入上式中，得到距離為n若目標(biāo)反射面積等于光斑照射面積，上式可簡(jiǎn)化為若目標(biāo)反射面積等于

32、光斑照射面積，上式可簡(jiǎn)化為 4122002014LkdnS*amSefAV/VDDrSkPL 2122002014LkdnS*mSefAV/VDrDkPL56直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程n可看出，影響檢測(cè)距離的因素很多可看出，影響檢測(cè)距離的因素很多 發(fā)射系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)的大氣特性及目標(biāo)反射特性都將影響接收系統(tǒng)的大氣特性及目標(biāo)反射特性都將影響L 4122002014LkdnS*amSefAV/VDDrSkPL 2122002014LkdnS*mSefAV/VDrDkPL57第三節(jié)第三節(jié) 時(shí)變光信號(hào)的直接變換與測(cè)量時(shí)變光信號(hào)的直接變換與測(cè)量隨時(shí)間變化的光電信號(hào)隨時(shí)間變化的光

33、電信號(hào)F（t）幅值法幅值法頻率法頻率法零零位位法法差差動(dòng)動(dòng)法法直直讀讀法法補(bǔ)補(bǔ)償償法法頻頻率率測(cè)測(cè)量量法法波波數(shù)數(shù)測(cè)測(cè)量量法法相相位位法法時(shí)時(shí)間間法法58第三節(jié)第三節(jié) 時(shí)變光信號(hào)的直接變換與測(cè)量時(shí)變光信號(hào)的直接變換與測(cè)量隨空間變化的光電信號(hào)隨空間變化的光電信號(hào)F（x,y,z）幾何中心與幾何中心與幾何形狀檢測(cè)幾何形狀檢測(cè)亮度中心亮度中心檢測(cè)檢測(cè)輪廓光電掃描輪廓光電掃描電子指示線對(duì)準(zhǔn)電子指示線對(duì)準(zhǔn)像分析器像分析器光焦點(diǎn)檢測(cè)光焦點(diǎn)檢測(cè)PSD法法像分解像分解象限分解象限分解掃描與掃描與跟蹤測(cè)量跟蹤測(cè)量59樣品光電器件放大顯示準(zhǔn)直鏡透鏡0一、幅值法一、幅值法1、直讀法、直讀法SKM600MKS0一、幅值

34、法一、幅值法1、直讀法、直讀法 00KSKM61準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直鏡讀數(shù)裝置讀數(shù)裝置激勵(lì)線圈激勵(lì)線圈SKM物鏡物鏡Q檢偏器檢偏器起偏器起偏器磁光物質(zhì)磁光物質(zhì)P一、幅值法一、幅值法2、指零法、指零法62KSQ0 x01一、幅值法一、幅值法2、指零法、指零法以上兩種方法均為單通道測(cè)量方法以上兩種方法均為單通道測(cè)量方法6301sM K2ss0一、幅值法一、幅值法3、差動(dòng)法（雙通道測(cè)量系統(tǒng)）、差動(dòng)法（雙通道測(cè)量系統(tǒng)）標(biāo)準(zhǔn)透過(guò)率標(biāo)準(zhǔn)透過(guò)率被測(cè)透過(guò)率被測(cè)透過(guò)率6422211122110RKRKRIRIULL2121KKKRRR若若210 KRU65666701ssM K2sx1K讀數(shù)讀數(shù)一、幅值法一、幅值法4、補(bǔ)

35、償法、補(bǔ)償法此方法是差動(dòng)法和指零法的組合此方法是差動(dòng)法和指零法的組合6869n光通量的變化隨被測(cè)信息呈現(xiàn)周期性變化光通量的變化隨被測(cè)信息呈現(xiàn)周期性變化時(shí)，被測(cè)量信息載荷于光通量變化次數(shù)和時(shí)，被測(cè)量信息載荷于光通量變化次數(shù)和頻率快慢之中，可用測(cè)量頻率和波數(shù)方法頻率快慢之中，可用測(cè)量頻率和波數(shù)方法來(lái)檢測(cè)來(lái)檢測(cè)二、頻率測(cè)量法二、頻率測(cè)量法n頻率法比幅值法具有更高的測(cè)量精度，主頻率法比幅值法具有更高的測(cè)量精度，主要因?yàn)轭l率的穩(wěn)定度遠(yuǎn)高于幅值的穩(wěn)定度要因?yàn)轭l率的穩(wěn)定度遠(yuǎn)高于幅值的穩(wěn)定度701、波數(shù)測(cè)量法、波數(shù)測(cè)量法二、頻率測(cè)量法二、頻率測(cè)量法用測(cè)量光通量隨被測(cè)信息變化的周期數(shù)來(lái)檢測(cè)用測(cè)量光通量隨被測(cè)信息

36、變化的周期數(shù)來(lái)檢測(cè)準(zhǔn)直鏡指示光柵光電器件標(biāo)尺光柵X711、波數(shù)測(cè)量法、波數(shù)測(cè)量法dxm2cos0二、頻率測(cè)量法二、頻率測(cè)量法光電元件光敏面上的光通量變化光電元件光敏面上的光通量變化當(dāng)光柵位移為當(dāng)光柵位移為d，則引起光通量變化一個(gè)周期，則引起光通量變化一個(gè)周期若光通量變化周期數(shù)（波數(shù)）為若光通量變化周期數(shù)（波數(shù)）為N時(shí)時(shí)MmdiMxNdxi脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量M脈沖數(shù)脈沖數(shù)m細(xì)分?jǐn)?shù)（一個(gè)周期內(nèi)）細(xì)分?jǐn)?shù)（一個(gè)周期內(nèi)）722、頻率測(cè)量法、頻率測(cè)量法二、頻率測(cè)量法二、頻率測(cè)量法若光柵有運(yùn)動(dòng)速度，則可對(duì)位移進(jìn)行微分處理若光柵有運(yùn)動(dòng)速度，則可對(duì)位移進(jìn)行微分處理dvffddtdNddtdxv 上述兩種方法都是對(duì)

37、光通量的幅度變化不敏上述兩種方法都是對(duì)光通量的幅度變化不敏感，所以對(duì)光源的穩(wěn)定性要求較低感，所以對(duì)光源的穩(wěn)定性要求較低731、相位測(cè)量法、相位測(cè)量法三、光通量的相位和時(shí)間測(cè)量法三、光通量的相位和時(shí)間測(cè)量法被測(cè)信息加載于光通量的相位之中，檢測(cè)相位被測(cè)信息加載于光通量的相位之中，檢測(cè)相位值即可確定被測(cè)值的大小值即可確定被測(cè)值的大小 比如：光電光波測(cè)距比如：光電光波測(cè)距741半導(dǎo)體激光器激勵(lì)源 2半導(dǎo)體激光器 3，5光學(xué)系統(tǒng)4靶鏡 6光電器件 7放大電路D123764575n光源與激勵(lì)電流成正比光源與激勵(lì)電流成正比D1237645000sintmn光由發(fā)射到接收的時(shí)間為光由發(fā)射到接收的時(shí)間為CDt2

38、n相位變化量相位變化量CDt200n若能測(cè)出相位變化量，就可以得到測(cè)距量若能測(cè)出相位變化量，就可以得到測(cè)距量02CD76n設(shè)輻射光通量變化一個(gè)周期，光波傳播距離為設(shè)輻射光通量變化一個(gè)周期，光波傳播距離為L(zhǎng)000fCL 0004222LDCDfCD220LDn若再考慮折射率的影響若再考慮折射率的影響nLD22022min0minnLD772、時(shí)間測(cè)量法、時(shí)間測(cè)量法三、光通量的相位和時(shí)間測(cè)量法三、光通量的相位和時(shí)間測(cè)量法利用周期性光通量的周期和單個(gè)脈沖的時(shí)間間利用周期性光通量的周期和單個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量被測(cè)量的方法隔來(lái)測(cè)量被測(cè)量的方法 比如：脈沖式激光測(cè)距儀、激光雷達(dá)等比如：脈沖式激光測(cè)距儀、

39、激光雷達(dá)等78D 125431激光器 2，4光學(xué)系統(tǒng) 3目標(biāo)5光學(xué)器件最簡(jiǎn)單的方法就是在確定的時(shí)間起始點(diǎn)和終止點(diǎn)之間用最簡(jiǎn)單的方法就是在確定的時(shí)間起始點(diǎn)和終止點(diǎn)之間用填脈沖的方法來(lái)計(jì)數(shù)，可以得到填脈沖的方法來(lái)計(jì)數(shù)，可以得到1X10-10S的計(jì)時(shí)精度的計(jì)時(shí)精度79光源發(fā)送光學(xué)系統(tǒng) 光電測(cè)距系統(tǒng)傳輸介質(zhì)目標(biāo)物傳輸介質(zhì)接收光學(xué)系統(tǒng)光電檢測(cè)器件電子線路80激光測(cè)量技術(shù)激光測(cè)量技術(shù)81激光測(cè)距激光測(cè)距1969年的月距實(shí)驗(yàn)（年的月距實(shí)驗(yàn)（LURE）創(chuàng)造了長(zhǎng)距離脈沖測(cè)量方法的記錄）創(chuàng)造了長(zhǎng)距離脈沖測(cè)量方法的記錄82激光相位測(cè)距原理激光相位測(cè)距原理n激光相位測(cè)距時(shí)，連續(xù)激光光束被調(diào)幅成正弦波激光相位測(cè)距時(shí)，連

40、續(xù)激光光束被調(diào)幅成正弦波n設(shè)調(diào)制頻率為設(shè)調(diào)制頻率為f，相應(yīng)的角頻率，相應(yīng)的角頻率n若調(diào)制光束在發(fā)射點(diǎn)和目標(biāo)間往返一次所產(chǎn)生的若調(diào)制光束在發(fā)射點(diǎn)和目標(biāo)間往返一次所產(chǎn)生的總相位變化為總相位變化為 ，則光的往返時(shí)間為，則光的往返時(shí)間為n被測(cè)距離為被測(cè)距離為f2ft2fcL483激光相位測(cè)距原理激光相位測(cè)距原理n若以若以弧度作弧度作 的度量單位的度量單位n而而 總可以表示為總可以表示為n n個(gè)個(gè)和不到和不到小數(shù)部分小數(shù)部分 之之和和n就有就有 nnnLnfcL0484脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)n激光測(cè)距的分類激光測(cè)距的分類分類分類脈沖測(cè)距法脈沖測(cè)距法相位測(cè)距法相位測(cè)距法干涉測(cè)距法干涉測(cè)距法8

41、5脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)86脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)87脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)n激光發(fā)射部分激光發(fā)射部分88脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)n對(duì)激光發(fā)射機(jī)基本特性的要求：對(duì)激光發(fā)射機(jī)基本特性的要求： 89脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)n 激光電源激光電源90脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)n 91脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)該系統(tǒng)常用望遠(yuǎn)系統(tǒng)，主要是雙反射型發(fā)射望遠(yuǎn)系統(tǒng)該系統(tǒng)常用望遠(yuǎn)系統(tǒng)，主要是雙反射型發(fā)射望遠(yuǎn)系統(tǒng)以及開普勒和伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)以及開普勒和伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)激光器再加上光學(xué)系統(tǒng)就組成了發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)激光

42、器再加上光學(xué)系統(tǒng)就組成了發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)加上光學(xué)系統(tǒng)主要是壓縮激光發(fā)散角，縮小目標(biāo)處的加上光學(xué)系統(tǒng)主要是壓縮激光發(fā)散角，縮小目標(biāo)處的光斑直徑光斑直徑光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)越大，光束發(fā)散角越小，光斑直光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)越大，光束發(fā)散角越小，光斑直徑越小徑越小光斑直徑越小，能量越集中，發(fā)射到接收系統(tǒng)的能量光斑直徑越小，能量越集中，發(fā)射到接收系統(tǒng)的能量越強(qiáng)，測(cè)距系統(tǒng)的作用距離越遠(yuǎn)越強(qiáng)，測(cè)距系統(tǒng)的作用距離越遠(yuǎn)92脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)n脈沖式最常用的發(fā)脈沖式最常用的發(fā)射系統(tǒng)是倒裝的伽射系統(tǒng)是倒裝的伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)n可壓縮從激光器輸可壓縮從激光器輸出的光束發(fā)射角出的光束發(fā)射角n其出射光瞳

43、大于入射光瞳，輸出的光束截面擴(kuò)大其出射光瞳大于入射光瞳，輸出的光束截面擴(kuò)大擴(kuò)束作用擴(kuò)束作用n又因伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)沒(méi)有實(shí)焦點(diǎn)，也就不存在激光束使空氣產(chǎn)又因伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)沒(méi)有實(shí)焦點(diǎn)，也就不存在激光束使空氣產(chǎn)生電離以至能量損耗的問(wèn)題生電離以至能量損耗的問(wèn)題93脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)n 94脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)n 95脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)n發(fā)散光學(xué)系統(tǒng)倍率的選取，視情況而定發(fā)散光學(xué)系統(tǒng)倍率的選取，視情況而定n此倍率就是發(fā)散角被壓縮的倍率此倍率就是發(fā)散角被壓縮的倍率n倍率大，外形尺寸也要增大，會(huì)帶來(lái)一些限制倍率大，外形尺寸也要增大，會(huì)帶來(lái)一些限制n一般的測(cè)距，

44、發(fā)散角不小于一般的測(cè)距，發(fā)散角不小于1mradn高精度、超遠(yuǎn)距測(cè)距，光束發(fā)散角可在高精度、超遠(yuǎn)距測(cè)距，光束發(fā)散角可在0.11mradn光學(xué)系統(tǒng)目鏡和物鏡的選取要光學(xué)系統(tǒng)目鏡和物鏡的選取要以激光束全部通以激光束全部通過(guò)過(guò)為原則為原則目鏡通光孔徑略大于激光光束直徑目鏡通光孔徑略大于激光光束直徑96脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)n 激光接收系統(tǒng)激光接收系統(tǒng)97脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)n為了盡可能將目標(biāo)反射回來(lái)的激光能量會(huì)聚到為了盡可能將目標(biāo)反射回來(lái)的激光能量會(huì)聚到探測(cè)器上探測(cè)器上n要適當(dāng)限制接收視場(chǎng)，以減少雜散光的干涉來(lái)要適當(dāng)限制接收視場(chǎng)，以減少雜散光的干涉來(lái)提高接收的靈敏度和信噪

45、比提高接收的靈敏度和信噪比 n提高測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距精度和作用距離提高測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距精度和作用距離n在接收器前面加上光學(xué)系統(tǒng)在接收器前面加上光學(xué)系統(tǒng)98脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)n接收光學(xué)系統(tǒng)常用牛頓型、卡塞格林、格里高接收光學(xué)系統(tǒng)常用牛頓型、卡塞格林、格里高里、折反射型、伽利略和開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)里、折反射型、伽利略和開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)n接收光學(xué)系統(tǒng)的選型主要取決于光電探測(cè)器的接收光學(xué)系統(tǒng)的選型主要取決于光電探測(cè)器的類型和系統(tǒng)對(duì)接收系統(tǒng)體積的限制類型和系統(tǒng)對(duì)接收系統(tǒng)體積的限制99脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)n加入特殊元件，可以提高激光測(cè)距系統(tǒng)、激光雷加入特殊元件，可以提高激光測(cè)距系統(tǒng)、

46、激光雷達(dá)的性能達(dá)的性能n提高接收裝置的靈敏度，增大作用距離提高接收裝置的靈敏度，增大作用距離n提高瞄準(zhǔn)跟蹤精度，擴(kuò)大增益范圍，改善體積提高瞄準(zhǔn)跟蹤精度，擴(kuò)大增益范圍，改善體積特殊光學(xué)元件特殊光學(xué)元件100脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)1、濾光片、濾光片n 降低背景光噪聲、提高接收裝置的信噪比是激降低背景光噪聲、提高接收裝置的信噪比是激光測(cè)距、激光跟蹤雷達(dá)的重要問(wèn)題光測(cè)距、激光跟蹤雷達(dá)的重要問(wèn)題n濾光片的種類：選擇性吸收濾光片、選擇性散濾光片的種類：選擇性吸收濾光片、選擇性散射濾光片、選擇性折射濾光片、偏振濾光片等射濾光片、選擇性折射濾光片、偏振濾光片等n實(shí)用的濾光片大多采用基于多層膜反射

47、干涉原實(shí)用的濾光片大多采用基于多層膜反射干涉原理而工作的干涉濾光片理而工作的干涉濾光片101脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)n干涉濾光片的中心波長(zhǎng)與它對(duì)光源的傾角有關(guān)干涉濾光片的中心波長(zhǎng)與它對(duì)光源的傾角有關(guān)n設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證能夠微調(diào)干涉濾光片的傾角，使設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證能夠微調(diào)干涉濾光片的傾角，使其的中心波長(zhǎng)正好對(duì)應(yīng)激光信號(hào)的中心波長(zhǎng)，其的中心波長(zhǎng)正好對(duì)應(yīng)激光信號(hào)的中心波長(zhǎng)，以獲得最佳信噪比以獲得最佳信噪比n一般的激光測(cè)距系統(tǒng)，選用半寬度在一般的激光測(cè)距系統(tǒng)，選用半寬度在3040范圍的濾光片較合適范圍的濾光片較合適102脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)2、衰減片、衰減片n測(cè)量不同遠(yuǎn)近的目標(biāo)時(shí)，激

48、光的回波能量也不同測(cè)量不同遠(yuǎn)近的目標(biāo)時(shí)，激光的回波能量也不同n若激光回波能量太強(qiáng)就會(huì)燒毀探測(cè)器若激光回波能量太強(qiáng)就會(huì)燒毀探測(cè)器n因此需要在接收裝置中加入衰減片來(lái)限制激光能因此需要在接收裝置中加入衰減片來(lái)限制激光能量量n衰減片是在接收系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光學(xué)自動(dòng)增益的光學(xué)衰減片是在接收系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光學(xué)自動(dòng)增益的光學(xué)元件元件103脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)n常用衰減片的形式：常用衰減片的形式：n迭層衰減片：衰減片由具有吸收特性的光學(xué)迭層衰減片：衰減片由具有吸收特性的光學(xué)材料制成，衰減量的選擇是階梯式的材料制成，衰減量的選擇是階梯式的n雙光楔衰減片：利用具有對(duì)光吸收性質(zhì)的材雙光楔衰減片：利用具有對(duì)光吸

49、收性質(zhì)的材料制成，衰減量可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的透過(guò)率變化料制成，衰減量可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的透過(guò)率變化n變密度盤：利用鍍膜的方法制成變密度盤：利用鍍膜的方法制成104脈沖式激光測(cè)距誤差分析脈沖式激光測(cè)距誤差分析和測(cè)距精度和測(cè)距精度測(cè)距誤差源測(cè)距誤差源02121cNTctL32100LLLffLNNLccLL105脈沖式激光測(cè)距誤差分析脈沖式激光測(cè)距誤差分析和測(cè)距精度和測(cè)距精度n 1112ftfttN激光主波和回波信激光主波和回波信號(hào)對(duì)計(jì)數(shù)器的取樣號(hào)對(duì)計(jì)數(shù)器的取樣脈沖部位差脈沖部位差測(cè)距系統(tǒng)的固定光測(cè)距系統(tǒng)的固定光延時(shí)延時(shí)106脈沖式激光測(cè)距誤差分析脈沖式激光測(cè)距誤差分析和測(cè)距精度和測(cè)距精度n 提高脈沖激光測(cè)距

50、精度的主要途徑提高脈沖激光測(cè)距精度的主要途徑n測(cè)距精度由測(cè)距精度由大氣折射、晶振頻率、非真空光速、大氣折射、晶振頻率、非真空光速、晶振頻率穩(wěn)定度、計(jì)數(shù)器的分辨率、主波與回晶振頻率穩(wěn)定度、計(jì)數(shù)器的分辨率、主波與回波各經(jīng)不同的線路波各經(jīng)不同的線路等因素影響等因素影響n采取的措施：采取的措施：n1、提高計(jì)數(shù)器頻率、提高計(jì)數(shù)器頻率n2、時(shí)間內(nèi)插法、時(shí)間內(nèi)插法n3、采用恒比定時(shí)技術(shù)、采用恒比定時(shí)技術(shù)n4、質(zhì)心探測(cè)電路、質(zhì)心探測(cè)電路107一、幾何中心檢測(cè)法一、幾何中心檢測(cè)法第四節(jié)第四節(jié) 隨空間變化的光電信號(hào)變換與檢測(cè)隨空間變化的光電信號(hào)變換與檢測(cè)幾何中心檢測(cè)法用于光強(qiáng)隨空間分布的幾何中心檢測(cè)法用于光強(qiáng)隨空

51、間分布的光信號(hào)位置檢測(cè)，也稱為光信號(hào)位置檢測(cè)，也稱為光學(xué)目標(biāo)定位光學(xué)目標(biāo)定位光學(xué)目標(biāo)：光學(xué)目標(biāo)：不考慮被測(cè)對(duì)象的物理性質(zhì)，不考慮被測(cè)對(duì)象的物理性質(zhì)，而只把它看成與背景有一定反差的幾而只把它看成與背景有一定反差的幾何形體或景物何形體或景物108第二節(jié)第二節(jié) 隨空間變化的光電信號(hào)變換與檢測(cè)隨空間變化的光電信號(hào)變換與檢測(cè)復(fù)雜圖形景物：復(fù)雜圖形景物：結(jié)構(gòu)細(xì)密、空間頻率高、結(jié)構(gòu)細(xì)密、空間頻率高、亮度等極為豐富，對(duì)其測(cè)量的目的在亮度等極為豐富，對(duì)其測(cè)量的目的在于研究圖形的細(xì)節(jié)和層次于研究圖形的細(xì)節(jié)和層次簡(jiǎn)單光學(xué)目標(biāo)：簡(jiǎn)單光學(xué)目標(biāo)：由點(diǎn)、線、面等規(guī)則圖由點(diǎn)、線、面等規(guī)則圖形組成，測(cè)量的目的在于確定圖形相對(duì)形

52、組成，測(cè)量的目的在于確定圖形相對(duì)于基準(zhǔn)坐標(biāo)的角度或位置偏差，被稱為于基準(zhǔn)坐標(biāo)的角度或位置偏差，被稱為空間定位空間定位109簡(jiǎn)單光學(xué)目標(biāo)簡(jiǎn)單光學(xué)目標(biāo)如：刻線、狹縫、十字線、光斑、方框如：刻線、狹縫、十字線、光斑、方框窗口等窗口等光學(xué)目標(biāo)的信息采集通常用光學(xué)成光學(xué)目標(biāo)的信息采集通常用光學(xué)成像方法來(lái)完成，如：像方法來(lái)完成，如：望遠(yuǎn)、準(zhǔn)直、望遠(yuǎn)、準(zhǔn)直、攝像、顯微等系統(tǒng)攝像、顯微等系統(tǒng)110n光學(xué)目標(biāo)和其襯底間的反差形成物體表面輪廓光學(xué)目標(biāo)和其襯底間的反差形成物體表面輪廓n 輪廓中心位置稱為幾何中心輪廓中心位置稱為幾何中心n通過(guò)測(cè)量與目標(biāo)輪廓分布響應(yīng)的響通過(guò)測(cè)量與目標(biāo)輪廓分布響應(yīng)的響空間輪廓分布來(lái)確定物

53、體中心位置空間輪廓分布來(lái)確定物體中心位置方法為方法為幾何中心檢測(cè)法幾何中心檢測(cè)法n 其特點(diǎn)：其特點(diǎn)：0210GGXXXX21021XXXG111n 像分析和幾何參量調(diào)制像分析和幾何參量調(diào)制n像分析：通過(guò)對(duì)目標(biāo)的像的幾何中心像分析：通過(guò)對(duì)目標(biāo)的像的幾何中心相對(duì)基準(zhǔn)的偏移來(lái)確定該物體在空間相對(duì)基準(zhǔn)的偏移來(lái)確定該物體在空間位置的方法位置的方法n像分析器：將像相對(duì)基準(zhǔn)位置的偏差像分析器：將像相對(duì)基準(zhǔn)位置的偏差信息變換位于基準(zhǔn)位置有關(guān)的某一取信息變換位于基準(zhǔn)位置有關(guān)的某一取樣窗口光通量，在通過(guò)測(cè)量光通量的樣窗口光通量，在通過(guò)測(cè)量光通量的變化來(lái)確定物體的坐標(biāo)位置變化來(lái)確定物體的坐標(biāo)位置112n像分析器是將

54、幾何位置信息調(diào)制到光像分析器是將幾何位置信息調(diào)制到光載波上的光通量，形成光學(xué)信號(hào)的調(diào)載波上的光通量，形成光學(xué)信號(hào)的調(diào)制器，稱為制器，稱為G/O變換器變換器n最簡(jiǎn)單的單通道最簡(jiǎn)單的單通道像分析器是由光像分析器是由光學(xué)狹縫和光電元學(xué)狹縫和光電元件組成的狹縫對(duì)件組成的狹縫對(duì)準(zhǔn)器準(zhǔn)器n物是工件上的刻物是工件上的刻線，檢測(cè)刻線是線，檢測(cè)刻線是否對(duì)準(zhǔn)在光軸上否對(duì)準(zhǔn)在光軸上113取狹縫寬取狹縫寬L=像寬像寬B，狹縫高，狹縫高H=像高像高D當(dāng)刻線中心位于光軸上時(shí)，刻線像剛好與縫重合當(dāng)刻線中心位于光軸上時(shí)，刻線像剛好與縫重合此時(shí)，像的透過(guò)率為此時(shí)，像的透過(guò)率為=0當(dāng)刻線未對(duì)準(zhǔn)光軸時(shí)，當(dāng)刻線未對(duì)準(zhǔn)光軸時(shí)， 0，因

55、而照度為，因而照度為E= E0114簡(jiǎn)單分析上述方法的定位特性簡(jiǎn)單分析上述方法的定位特性(x)n為透過(guò)狹縫的光通量為透過(guò)狹縫的光通量nx為像位置坐標(biāo)：像中心相對(duì)狹縫中心的偏移為像位置坐標(biāo)：像中心相對(duì)狹縫中心的偏移量量 dxEhxExhxlln引入取樣窗口的窗口函數(shù)引入取樣窗口的窗口函數(shù)h(x)，有，有n在理想情況下：在理想情況下： lxlhExlxxhEx0000115116對(duì)簡(jiǎn)單像分析器的要求：對(duì)簡(jiǎn)單像分析器的要求：n所形成的被測(cè)目標(biāo)的像要有一定的照度分布所形成的被測(cè)目標(biāo)的像要有一定的照度分布n在像面上要設(shè)置測(cè)光窗口；此窗口是定位基準(zhǔn)和在像面上要設(shè)置測(cè)光窗口；此窗口是定位基準(zhǔn)和光路的光軸保持正確的相對(duì)位置（狹縫、刀口等）光路的光軸保持正確的相對(duì)位置（狹縫、刀口等）n觀測(cè)窗口的形狀和尺寸與目標(biāo)像保持嚴(yán)格關(guān)系，觀測(cè)窗口的形狀和尺寸與目標(biāo)像保持嚴(yán)格關(guān)系，以形成確定的定位特性以形成確定的定位特性n像分析器應(yīng)由線性的定位特性像分析器應(yīng)由線性的定位特性n照度變化、像質(zhì)量、窗口質(zhì)量對(duì)測(cè)量影響很大照度變化