第五章光電檢測(cè)系統(tǒng)

1、0呂勇呂勇12變換方法變換方法光學(xué)原理光學(xué)原理應(yīng)用應(yīng)用幾何光學(xué)法幾何光學(xué)法透射、反射、折射、散透射、反射、折射、散射、遮光光學(xué)成像等非射、遮光光學(xué)成像等非相干光學(xué)現(xiàn)象相干光學(xué)現(xiàn)象光開關(guān)、光學(xué)編碼、光掃描光開關(guān)、光學(xué)編碼、光掃描、瞄準(zhǔn)定位、光準(zhǔn)直、外觀、瞄準(zhǔn)定位、光準(zhǔn)直、外觀質(zhì)量檢測(cè)、測(cè)長(zhǎng)測(cè)角、測(cè)距質(zhì)量檢測(cè)、測(cè)長(zhǎng)測(cè)角、測(cè)距等。等。物理光學(xué)法物理光學(xué)法干涉、衍射、散斑、全干涉、衍射、散斑、全息、波長(zhǎng)變換、光學(xué)拍息、波長(zhǎng)變換、光學(xué)拍頻、偏振等相干光學(xué)現(xiàn)頻、偏振等相干光學(xué)現(xiàn)象。象。莫爾條紋、干涉計(jì)量、全息莫爾條紋、干涉計(jì)量、全息計(jì)量、散斑計(jì)量、外差干涉計(jì)量、散斑計(jì)量、外差干涉、外差通訊、光譜分析、多、

2、外差通訊、光譜分析、多普勒測(cè)速等。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)、電光效應(yīng)，聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、空間光調(diào)制磁光效應(yīng)、空間光調(diào)制、光纖傳光與傳感等、光纖傳光與傳感等光調(diào)制、光偏轉(zhuǎn)、光開關(guān)、光調(diào)制、光偏轉(zhuǎn)、光開關(guān)、光通信、光記錄、光存儲(chǔ)、光通信、光記錄、光存儲(chǔ)、光顯示等光顯示等456 7891011 如果光源是如果光源是非相干非相干光，但用光調(diào)制的方法使被光，但用光調(diào)制的方法使被測(cè)信息載荷于調(diào)制光的幅度、頻率或相位之中，然測(cè)信息載荷于調(diào)制光的幅度、頻率或相位之中，然后用光電的方法從調(diào)制光的幅度、頻率或相位之中后用光電的方法從調(diào)制光的幅度、頻率或相位之中檢測(cè)出被測(cè)信息，則仍為非相

3、干檢測(cè)。因此，把檢測(cè)出被測(cè)信息，則仍為非相干檢測(cè)。因此，把直直接檢測(cè)光信息的光強(qiáng)（或叫光功率）接檢測(cè)光信息的光強(qiáng)（或叫光功率）以及以及檢測(cè)非相檢測(cè)非相干光調(diào)制頻率、振幅或相位干光調(diào)制頻率、振幅或相位的方法統(tǒng)稱為的方法統(tǒng)稱為。12)sin()(sssStatU221( )sin()2SssssP tata平均212dSssIK PK aqKhqh13222()LdsLSLqPIRPRh1( )dSsIK Pd t14RfkTfqIPPfSqIdbsN/42)(22RfkTfqIPPfSqPSIISNRdbsSNdsd/42)(2222215Lsff 16 cosssssEtAtf cosLLLL

4、EtAtf coscossssLLLE tAtfAtf17LssLfff 22220022220000000000( )( )( )( )2( )( )cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()hsssssssssssssssIEK U tU tK UtUtU t U tKaaatata ata at0002cos()()hssssIa at18),(cos(),(1),(yxyxyxAI192222244dmsoLodssLsIk P P RPGIk P RPsPoP20fhNEP212223242526內(nèi)調(diào)制內(nèi)調(diào)制：將要傳輸?shù)男盘?hào)直接加載于光源，改變光源：將要傳輸?shù)男盘?hào)

5、直接加載于光源，改變光源的輸出特性來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制；其中最簡(jiǎn)單的是對(duì)半導(dǎo)體的輸出特性來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制；其中最簡(jiǎn)單的是對(duì)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源用調(diào)制信號(hào)直接控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)所激光器的驅(qū)動(dòng)電源用調(diào)制信號(hào)直接控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)所發(fā)射激光的強(qiáng)度的調(diào)制。另一個(gè)就是把調(diào)制元件（發(fā)射激光的強(qiáng)度的調(diào)制。另一個(gè)就是把調(diào)制元件（如電光、聲光晶片）放在激光器的諧振腔內(nèi)，用要如電光、聲光晶片）放在激光器的諧振腔內(nèi)，用要傳輸?shù)男盘?hào)控制該調(diào)制元件物理性質(zhì)的變化，改變傳輸?shù)男盘?hào)控制該調(diào)制元件物理性質(zhì)的變化，改變光腔參數(shù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)制激光輸出；光腔參數(shù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)制激光輸出；外調(diào)制外調(diào)制：在光源外的光路上放置調(diào)制器，將要傳輸?shù)模涸诠庠赐獾墓饴飞戏胖谜{(diào)制器

6、，將要傳輸?shù)男盘?hào)加載于調(diào)制器上，當(dāng)光通過(guò)調(diào)制器時(shí)，透過(guò)光信號(hào)加載于調(diào)制器上，當(dāng)光通過(guò)調(diào)制器時(shí)，透過(guò)光的物理性質(zhì)將發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制。的物理性質(zhì)將發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制。27 ：28： 。29 ：30：31321050 50 100 It 150 200驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)電流(mA)輸出輸出功率功率(mW)33輸出功率直流偏置直流偏置調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)輸出光強(qiáng)信號(hào)輸出光強(qiáng)信號(hào)ttt(b)CLLD調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)直流偏置直流偏置(a)34Ub+EcIc已調(diào)光波(a)PoutItIco(b)35LD2LD1LED1LED2LED3LED4I(mA)Pout(mW)1614121086420 100

7、200 300 40036偏置電流調(diào)制電流幅度閾值電流偏置電流調(diào)制電流幅度mm:LED:LD37PoutIbID ttI( a)OPoutIO t( b)38 3940 調(diào)制盤 41 波形調(diào)制波形調(diào)制 將入射的光輻射轉(zhuǎn)變?yōu)閷⑷肷涞墓廨椛滢D(zhuǎn)變?yōu)槭钦{(diào)制盤的基本功能是調(diào)制盤的基本功能之一。所產(chǎn)生交變量的波形不僅與光輻射光束形狀和分布有關(guān)，還與調(diào)制盤之一。所產(chǎn)生交變量的波形不僅與光輻射光束形狀和分布有關(guān)，還與調(diào)制盤( (這這里主要是斬波器里主要是斬波器) )開口大小和形狀有關(guān)。開口大小和形狀有關(guān)。1.1.正弦波調(diào)制的產(chǎn)生正弦波調(diào)制的產(chǎn)生 在輻射測(cè)量中，為與后繼電路很好地配合，提高信號(hào)的利用和信噪比，有

8、時(shí)在輻射測(cè)量中，為與后繼電路很好地配合，提高信號(hào)的利用和信噪比，有時(shí)希望經(jīng)調(diào)制后希望經(jīng)調(diào)制后成為單一頻率的正弦波，其表達(dá)式為成為單一頻率的正弦波，其表達(dá)式為 tPPtPsin10半圓形斬波器半圓形斬波器旋轉(zhuǎn)葉片斬波器旋轉(zhuǎn)葉片斬波器新月形斬波器新月形斬波器42 產(chǎn)生正弦調(diào)制的原理設(shè)計(jì)比較容易，實(shí)際實(shí)施卻相當(dāng)困難。在工作中常產(chǎn)生正弦調(diào)制的原理設(shè)計(jì)比較容易，實(shí)際實(shí)施卻相當(dāng)困難。在工作中常從方波調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)中，從方波調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)中，。 仍用半圓形斬波器討論，如圖仍用半圓形斬波器討論，如圖(a)所示。假設(shè)目標(biāo)像點(diǎn)比斬波器的開口小所示。假設(shè)目標(biāo)像點(diǎn)比斬波器的開口小得多，使探測(cè)器輸出波形的前、后沿均十分

9、陡，則當(dāng)像點(diǎn)進(jìn)入斬波器開口期得多，使探測(cè)器輸出波形的前、后沿均十分陡，則當(dāng)像點(diǎn)進(jìn)入斬波器開口期間，對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)近似矩形的脈沖，如圖間，對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)近似矩形的脈沖，如圖(b)所示?？捎孟率奖磉_(dá)所示。可用下式表達(dá))12()12(0)12(2)(0KtKKtKPtP 式中式中K可為任意整數(shù)。可可為任意整數(shù)。可見只要像點(diǎn)遠(yuǎn)小于斬波器開口見只要像點(diǎn)遠(yuǎn)小于斬波器開口尺寸的情況下，都能產(chǎn)生近似尺寸的情況下，都能產(chǎn)生近似的矩形波或方波。的矩形波或方波。 如如。43 由于正弦調(diào)制不易實(shí)現(xiàn)，考慮建立一種調(diào)制裝置，使它對(duì)像點(diǎn)光由于正弦調(diào)制不易實(shí)現(xiàn)，考慮建立一種調(diào)制裝置，使它對(duì)像點(diǎn)光輻射調(diào)制產(chǎn)生周期性變化，其輻射調(diào)制

10、產(chǎn)生周期性變化，其，再由電子系統(tǒng)濾去諧波這種調(diào)制與正弦調(diào)制等效，稱為，再由電子系統(tǒng)濾去諧波這種調(diào)制與正弦調(diào)制等效，稱為。 實(shí)際系統(tǒng)中常采用扇形齒和開口的斬波器對(duì)圓形開孔光輻射進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)中常采用扇形齒和開口的斬波器對(duì)圓形開孔光輻射進(jìn)行調(diào)制。此時(shí)獲得等效正弦調(diào)制的條件為：調(diào)制。此時(shí)獲得等效正弦調(diào)制的條件為： (1)(1)斬波器直徑較之其齒或開口尺寸大很多；斬波器直徑較之其齒或開口尺寸大很多； (2)(2)斬波器上二齒和開口尺寸相等；斬波器上二齒和開口尺寸相等； (3) (3)要求輻射圓孔直徑要求輻射圓孔直徑(2R)與斬波器開口寬度與斬波器開口寬度(2r）成一定比例，成一定比例，即即R/r0.8；

11、 (4) (4)電子系統(tǒng)的中心頻率選為電子系統(tǒng)的中心頻率選為f=2，并有適當(dāng)?shù)膸?，式中，并有適當(dāng)?shù)膸?，式中是斬波器的轉(zhuǎn)速；是斬波器的轉(zhuǎn)速； (5) (5)斬波器與圓形像點(diǎn)在同一平面上。斬波器與圓形像點(diǎn)在同一平面上。44 如圖所示的方齒形斬波器，假定目標(biāo)像點(diǎn)被如圖所示的方齒形斬波器，假定目標(biāo)像點(diǎn)被圖中扇形光闌所限制，該扇形的曲率中心與斬波圖中扇形光闌所限制，該扇形的曲率中心與斬波器中心重合，扇形孔對(duì)中心的張角為器中心重合，扇形孔對(duì)中心的張角為a a，斬波器，斬波器的齒和開口等寬，一對(duì)齒口對(duì)中心的張角為的齒和開口等寬，一對(duì)齒口對(duì)中心的張角為t t。斬波器以角速度斬波器以角速度按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。則根

12、據(jù)按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。則根據(jù)a a與與t t的相互關(guān)系可以產(chǎn)生以下各種調(diào)制波形。通常只的相互關(guān)系可以產(chǎn)生以下各種調(diào)制波形。通常只討論到等腰三角波形為止。但各種波形都可按傅討論到等腰三角波形為止。但各種波形都可按傅立葉級(jí)數(shù)進(jìn)行展開，如用立葉級(jí)數(shù)進(jìn)行展開，如用C Crmsrms表示基波的均方根表示基波的均方根轉(zhuǎn)換因子，并引入相對(duì)幾何因子轉(zhuǎn)換因子，并引入相對(duì)幾何因子a a/t t，則有，則有第三章第三章 信號(hào)調(diào)制與調(diào)制盤信號(hào)調(diào)制與調(diào)制盤 t t/2/2a at t/2/2a at t/2/2a at t/2 /2 a at t a a45 設(shè)某交流波的瞬時(shí)值設(shè)某交流波的瞬時(shí)值a(t)(t)由下式表示由下式

13、表示 式中幅值式中幅值a0，角頻率，角頻率和初相位和初相位可以是常量或緩慢變化的量，而可以是常量或緩慢變化的量，而是時(shí)間為是時(shí)間為t時(shí)信時(shí)信號(hào)的相角。號(hào)的相角。 當(dāng)當(dāng)a0 0、和和 均為常數(shù)時(shí)，該交流波只是一定頻率的簡(jiǎn)諧波或稱均為常數(shù)時(shí)，該交流波只是一定頻率的簡(jiǎn)諧波或稱并無(wú)并無(wú)其他更多的信息存在。如果其他更多的信息存在。如果時(shí)，就把時(shí)，就把該交流波叫做該交流波叫做。載波中某個(gè)或幾個(gè)參量隨時(shí)間按照外界某物理量的規(guī)律發(fā)。載波中某個(gè)或幾個(gè)參量隨時(shí)間按照外界某物理量的規(guī)律發(fā)生變化的過(guò)程稱之為生變化的過(guò)程稱之為。按照所調(diào)制參量的不同，調(diào)制可分為。按照所調(diào)制參量的不同，調(diào)制可分為兩種兩種形式，而調(diào)角又可分

14、為形式，而調(diào)角又可分為。 調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)相比是調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)相比是的時(shí)間函數(shù)，因此，載波頻譜通常在高頻的時(shí)間函數(shù)，因此，載波頻譜通常在高頻區(qū)，區(qū)，。此外，載波的正弦波譜在譜函數(shù)頻。此外，載波的正弦波譜在譜函數(shù)頻率軸上只對(duì)應(yīng)一個(gè)點(diǎn)，但在載波的一個(gè)參量隨時(shí)間變化而成為調(diào)制波時(shí)，則變成率軸上只對(duì)應(yīng)一個(gè)點(diǎn)，但在載波的一個(gè)參量隨時(shí)間變化而成為調(diào)制波時(shí)，則變成，在頻域中則對(duì)應(yīng)有一個(gè)頻譜存在，其譜結(jié)構(gòu)，在頻域中則對(duì)應(yīng)有一個(gè)頻譜存在，其譜結(jié)構(gòu)與調(diào)制信號(hào)及類型有關(guān)。與調(diào)制信號(hào)及類型有關(guān)。 按載波的類型不同調(diào)制方式可分為按載波的類型不同調(diào)制方式可分為兩類。兩類。 00sinsina tata46 2 2

15、用連續(xù)波用連續(xù)波( (如正弦或余弦波如正弦或余弦波) )作載波的調(diào)制叫做連續(xù)波調(diào)制，包括調(diào)幅、調(diào)頻和作載波的調(diào)制叫做連續(xù)波調(diào)制，包括調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種方式。調(diào)相三種方式。 。設(shè)調(diào)制信號(hào)如圖所示其中。設(shè)調(diào)制信號(hào)如圖所示其中g(shù)(t)為調(diào)制信號(hào)，載波為余弦波，為調(diào)制信號(hào)，載波為余弦波，頻率為頻率為fc。因此調(diào)制波可表示為。因此調(diào)制波可表示為 0( ) cos 2( )cos 2AMccetakg tf tA tf t 常常，它表征，它表征用百分?jǐn)?shù)表示。于是用百分?jǐn)?shù)表示。于是 01M ( )cos2AMcetg taf t 通常假定通常假定g(t)g(t)的極大值的極大值|gmax(t)|1，MM必須滿足必須滿足0M時(shí)，用低通濾波器可以濾除時(shí)，用低通濾波器可以濾除Uo中的高頻項(xiàng)中的高頻項(xiàng)(2)，得到相敏檢波，得到相敏檢波器的最終輸出器的最終輸出Uo為為 81相敏檢波的這些性質(zhì)使之在調(diào)制信號(hào)的處理中得到廣泛地應(yīng)用。