第九章現(xiàn)代光電技術(shù)

第九章現(xiàn)代光電測試技術(shù)第一節(jié)概述

第二節(jié)激光測量技術(shù)

第三節(jié)視覺檢測技術(shù)

第四節(jié)光纖測量技術(shù)第一節(jié)概述現(xiàn)代光電測試技術(shù)的發(fā)展與新光源、新光電器件及微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展密不可分。自從1960年第一臺氦—氖激光器出現(xiàn)以來，由于激光的單色性、方向性、相干性、穩(wěn)定性極好使激光測量技術(shù)得到突飛猛進的發(fā)展。1983年第十七屆國際計量大會正式通過了米的新定義，以飽和吸收穩(wěn)頻的激光輻射或以飽和吸收的激光輻射波長為基準(zhǔn)定義米。掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡開創(chuàng)了納米測量的先河，但它z向測量的標(biāo)定是用激光干涉儀進行的，表明了激光干涉測量的高精度。而激光外差干涉儀被普遍認為是納米測量的重要技術(shù)。此外在激光準(zhǔn)直、激光全息、激光掃描、激光跟蹤、激光光譜、激光多普勒技術(shù)等都顯示了激光測量的巨大優(yōu)越性?？梢哉f激光測量技術(shù)是現(xiàn)代光電測試技術(shù)中的最重要技術(shù)。第二節(jié)激光測量技術(shù)一、激光干涉測長技術(shù)

二、共光路激光干涉儀測量技術(shù)

三、激光外差干涉測量技術(shù)

四、激光掃描測量、掃描定位與掃描跟蹤

激光測量系統(tǒng)介紹系統(tǒng)簡介－系統(tǒng)組成CONTOURXLRic激光測量系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：

(1)測距儀

(2)高效電池

(3)智能充電器

(4)說明書

(5)高強度攜帶箱系統(tǒng)簡介－技術(shù)特點－量程遠，精度高－重量輕，體積?。浪?、防塵(IP67、NEMA6)－方形激光瞄準(zhǔn)框，方便確定實際激光尺寸和位置－獨特的壞天氣模式，保證儀器可以在雨天、雪天、大霧和沙塵天氣使用－儀器四周橡膠防磕碰－人體工學(xué)設(shè)計，方便手持測量儀器主要操作按鍵介紹電源開關(guān)測試/回車亮度/聲音模式菜單/退出儀器主要操作按鍵介紹PWR電源開關(guān)在儀器開機狀態(tài)下，按住改按鍵超過2秒鐘，儀器進入關(guān)機狀態(tài)；再次按動該按鍵，儀器重新開機；MENU/ESE菜單/退出在任何操作模式下，按動該按鍵，系統(tǒng)將進入主菜單界面。在主菜單界面中，又有許多分菜單，通過按動“上、下”選擇按鍵和ENTER回車，可以進入分菜單并進行各種設(shè)定；再次按動該按鍵，將退出菜單模式，設(shè)備將進入此前的操作模式；MODE模式該按鍵有兩個功能：1，選擇工作模式；2，代表一個翻頁箭頭(菜單模式時）儀器主要操作按鍵介紹BRT/VOL電源開關(guān)該按鍵有兩個功能：1，調(diào)節(jié)紅色激光瞄準(zhǔn)框的亮度、調(diào)節(jié)蜂鳴器的聲音的大小、打開或者關(guān)閉LCD背景光；2，代表一個翻頁箭頭(菜單模式時)TEST/ENTER測試/回車在菜單模式下，按動該按鍵表示選定某選項或者可以保存設(shè)定值；其余任何模式下，按動該按鍵進行系統(tǒng)自測試(自檢)；電池和充電器電池的正確使用新電池再首次使用前，必須充電達到6個小時；在儀器沒有報警低電壓時，不要充電；按照此規(guī)則反復(fù)三次后，電池將達到最好的使用效果；充電器的正確使用充電器是智能充電器，具有“放電”和“充電”的功能。在把電池裝到充電器中進行充電的程序是這樣的：先把放電按鍵按下，黃燈亮；說明放電正在進行。等放電完畢，黃燈閃爍，同時綠燈亮；說明開始充電。待充電完畢，綠燈也開始閃爍。此時說明充電完成。（前三次充電要達到6個小時）儀器的主要性能1,基本測量功能－距離測量，傾斜角度測量，磁偏角或真北偏角測量；－距離測量范圍是3米－1850米，測量分辨率是0.1米；精度小于0.2米－傾斜角度測量范圍是+/-40度（顯示為50－130度）；精度0.2度－水平角度測量范圍0－360度；精度0.5度2,所有測量模式（共11個模式）－標(biāo)準(zhǔn)模式 －2點測高模式 －3點測高模式－2點中分測量模式 －水平距離模式 －坡度測量模式－3點弧垂測量模式 －水平線測量模式 －3D線測量模式－矩形面積測量 －任意形狀面積測量模式功能詳解1,標(biāo)準(zhǔn)模式(R/B/IMODE)－瞄準(zhǔn)目標(biāo)后，按動測量按鍵，將會在LCD顯示器上顯示”儀器到目標(biāo)的距離”，“儀器到目標(biāo)的水平偏角(磁偏角或真北偏角)”，“儀器到目標(biāo)的垂直傾角”；－注意：要想獲得比較精確的結(jié)果，瞄準(zhǔn)目標(biāo)后，讓儀器穩(wěn)定2-3秒后再按動測量按鍵測量；－持續(xù)按住儀器操作鍵，可以連續(xù)測量；松開按鍵后，顯示最后一個測量結(jié)果；－對于不易測量的目標(biāo)，可以延長按住測量鍵的時間，直到結(jié)果顯示出來；模式功能詳解2,2點測高模式(2shotheightmode)－該模式用于測量任意兩點間的高差；（同一目標(biāo)或不同目標(biāo)）－當(dāng)顯示Measure#1，表示可以瞄準(zhǔn)第一個點進行測量了（注：第一點可以是高點，也可以是低點）；等第一個點測量結(jié)束，屏幕會顯示Measure#2，表示可以瞄準(zhǔn)第二個點進行測量了；等全部測量完成，LCD會顯示兩點間的垂直高差；－測量兩點時，儀器的位置(高度)不要發(fā)生大的變化，否則誤差會明顯增大；－儀器的傾角范圍是+/-40度，所以注意不要超過這個范圍。否則，不會有結(jié)果。通過移動你的測量位置，可以很容易保證滿足這個傾角范圍要求；模式功能詳解3,3點測高模式(3shotheightmode)－該模式用于測量一個垂直物體的高度；－測量過程是先測量物體最高點和最低點間的任意一點(該測量實際得到的是儀器到目標(biāo)的水平距離)；然后分別測量最高點和最低點（該兩次測量實際是測量最高點和最低點對應(yīng)的仰角和俯角）；最后得到物體的高度；－注意：測量的這三個點，必須在一個垂直線上（或者盡量在一個垂直線上），否則得到的結(jié)果誤差會比較大；模式功能詳解4,2點中分測量模式(2shotBisect)－該模式用于在設(shè)立電力線桿的支撐拉繩時，測量確定拉繩的方位走向；－測量過程是這樣的：1，先背對著需要安裝拉繩的線桿，面對它一側(cè)的線桿測量；2，同樣的操作過程，對著它旁邊的另外一個線桿測量；3，沿著支撐拉繩的大概方向走出3－4米開外，然后面對線桿測量距離，知道到達你們需要的距離；4，持續(xù)按著測量按鍵，瞄準(zhǔn)線桿，左右走動測量，知道顯示“0.0”；5，那個位置就是需要安裝地樁的位置；－注意：如果需要多個拉繩，那個測量的這個位置時主拉繩的位置；模式功能詳解5,水平距離測量模式(HorizDistMode)－該模式用于測量儀器到目標(biāo)間的水平距離；－測量過程是這樣的：對準(zhǔn)目標(biāo)的任何部位進行測量，都將自動得到水平距離。測量時儀器同時測量了傾斜距離和傾斜角度，內(nèi)部計算機運算后，直接顯示水平距離；－主要用于有障礙物阻擋時的水平距離（因為儀器水平放置測量時，會受障礙物影響）；模式功能詳解6,坡度(梯度)測量模式(Slope/GradeMode)－該模式用于測量兩點間的連線的坡度或梯度；－測量過程是這樣的：先測量一個點，再測量另外一個點，得到坡度或梯度值；－如果第二個測量點比第一個測量點高，那個坡度或梯度是正的；否則為負值；模式功能詳解7,3點弧垂測量模式(3-shotSagMode)－該模式用于測量兩個線桿間導(dǎo)線的下垂垂度；－測量過程是這樣的：先測量一個線桿上線的連接點，再測量另外一個線桿上的連接點，然后按住測量按鍵掃描下垂部分的最底部；等到觀察窗里面顯示0.0-0.3

時，松開按鍵，讀取結(jié)果；－注意：掃描線的底部時，測量按鍵不能松開；模式功能詳解8,水平線測量模式(HorizLineMode)－該模式用于測量兩個目標(biāo)間的水平距離；－測量過程是這樣的：先測量一個目標(biāo)上的一個點，再測量另外一個目標(biāo)上的一個點，然后就能得到這兩個點之間的”水平距離“；－注意：測量的是兩外兩個目標(biāo)間的水平距離，而不是儀器到目標(biāo)間的距離；模式功能詳解9,3D線測量模式(3-DLineMode)－該模式用于測量兩個目標(biāo)間的斜距；－測量過程是這樣的：先測量一個目標(biāo)上的一個點，再測量另外一個目標(biāo)上的一個點，然后就能得到這兩個點之間的”連線長度“；－注意：測量的是兩個目標(biāo)間的距離，而不是儀器到目標(biāo)間的距離；模式功能詳解10,矩形面積測量模式(RectangularAreaMode)－該模式用于測量一個矩形形狀的面積；－測量過程是這樣的：站在矩形外邊，任意測量三個點（順序測量），可以順時針測量，也可以逆時針測量；然后得到面積；－注意：不能跨點測量，必須順序測量；模式功能詳解11,任意形狀面積測量模式(AreaMode)－該模式用于測量一個任意形狀的面積和周長；－測量過程是這樣的：比較復(fù)雜，看圖解釋；對儀器性能有影響的因素1，目標(biāo)：形狀，大小，顏色，材料，表面狀態(tài)等；2，天氣：溫度，雨，雪，灰塵，煙，霧等，明，暗等；3，瞄準(zhǔn)的穩(wěn)定性；4，磁影響；5，操作者的經(jīng)驗和技能；6，其它因素；儀器使用注意事項－輕拿輕放；－防水，防過熱，防過冷；（-30到+60度）－機器不用，拿下電池；－外出用箱子攜帶；CCD器件

ChargeCoupledDevice（CCD）電荷耦合器件,一種半導(dǎo)體裝置,能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號.在實際情況中,光柵的變化會導(dǎo)致相干圖樣的改變，CCD將這些細微改變轉(zhuǎn)化為電信號，傳輸給計算機進行分析，從而做出相應(yīng)的反應(yīng)。激光的優(yōu)勢相干性好亮度極高顏色極純

激光牛頓環(huán)干涉在CCD接受靶運動過程中，實時計算檢測位置與初始位置的坐標(biāo)差(ΔY,ΔX,H),其中ΔY=Y-Y0;ΔX=X-X0根據(jù)坐標(biāo)差,工程師就可以方便地找到需要調(diào)整的位置，調(diào)整方向及調(diào)整量。二、共光路激光干涉儀測量技術(shù)(一)斐索共路干涉儀

(二)米勒干涉儀

(三)散射板干涉儀

(四)錯位式共路干涉儀43激光干涉測長

干涉測長的基本原理激光干涉測長的基本光路是一個邁克爾遜干涉儀,如圖6-1示,用干涉條紋來反映被測量的信息。圖6-1激光干涉測長儀的原理圖44邁克爾遜干涉儀的工作原理原理：激光器發(fā)出的激光束到達半透半反射鏡P后被分成兩束，當(dāng)兩束光的光程相差激光半波長的偶數(shù)倍時，它們相互加強形成亮條紋；當(dāng)兩束光的光程相差半波長的奇數(shù)倍時，它們相互抵消形成暗條紋。因此，M2沿光束2方向上每移動半波長的長度，光束2的光程就改變了一個波長，于是干涉條紋就產(chǎn)生一個周期的明、暗變化。這個變化由光電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)變成一個電信號而被光電計數(shù)器計數(shù)，并由顯示和記錄裝置加以顯示和記錄。我們只要記下M2移動時干涉條紋變化的周期數(shù)N就可以得到被測長度(即M2移動的距離)。被測長度L通過運算和顯示電路直接顯示出來45邁克爾遜干涉儀的基本誤差分析如果我們不考慮計數(shù)N的誤差，則由于波長的不穩(wěn)定所造成的測長L的相對誤差為(前者是干涉測長系統(tǒng)的設(shè)計問題，后者是波長的相對誤差)如果我們要求在一米長的范圍內(nèi)由于波長不穩(wěn)定所引起的測量誤差小于0.1m，則要求激光波長的穩(wěn)定度為上述要求也是對激光頻率穩(wěn)定度的要求。實際上，除頻率不穩(wěn)定引起的誤差外，還有條紋計數(shù)誤差、對準(zhǔn)誤差等等一系列的測量誤差。因此，對激光頻率的穩(wěn)定性的要求就更高些。在本書第四章中曾指出，一般環(huán)境條件影響引起的頻率相對變化約為10-7，所以要獲得：的頻率穩(wěn)定度，必須采取一定的穩(wěn)頻措施46激光干涉測長儀的主要結(jié)構(gòu)激光光源：它一般是采用單模的He-Ne(同位素)氣體激光器，輸出的是波長為0.6328微米的紅光。為提高光源的單色性，對激光器要采取穩(wěn)頻措施；邁克爾遜干涉儀：由它來產(chǎn)生干涉條紋；（核心部件）可移動平臺：它攜帶著邁克爾遜干涉儀的一塊反射鏡和待測物體一起沿入射光方向平移。由于它的平移，使干涉儀中的干涉條紋移動；光電計數(shù)器：其作用是對干涉條紋的移動進行計數(shù)；顯示和記錄裝置：其作用是顯示和記錄光電計數(shù)器中記下的干涉條紋移動的個數(shù)或與之對應(yīng)的長度；光電顯微鏡：作用是對準(zhǔn)待測物體，分別給出起始信號和終止信號；47干涉儀的分光器件和反射器件邁克爾遜干涉儀是激光干涉測長系統(tǒng)的核心部分，其分光器件、反射器件和總體布局有若干可能的選擇。干涉儀的分光器件原理：可以分為分波陣面法、分振幅法和分偏振法。分振幅平行平板分光器和立方棱鏡分光器偏振分光器：(參見圖6-6中的B2)以及由晶軸正交的偏光棱鏡組成如沃拉斯頓棱鏡。干涉儀中常用的反射器件：平面反射器、角錐棱鏡反射器（圖6-2a）、直角棱鏡反射器（圖6-2b）、貓眼反射器（圖6-2c）圖6-2反射器48干涉儀的典型光路布局和移相器激光干涉儀的典型光路布局有使用角錐棱鏡反射器的光路布局移相器也是干涉儀測量系統(tǒng)的重要組成部分。常用的移相方法有機械移相、翼形板移相、金屬

膜移相和偏振法移相。作用：提高儀器的分辨力，

對干涉條紋進行細分。圖6-3典型光路布局圖6-4機械法移相原理圖49可逆計數(shù)器實際應(yīng)用的激光干涉儀的光路與原理光路的最主要區(qū)別是可逆計數(shù)；如果只有一組干涉條紋信號輸入計數(shù)器，工作臺的微小倒退信號也會引起計數(shù)器增加計數(shù)，帶來誤差，因此需要判斷工作臺的運動方向，而且計數(shù)器具有減的功能，即需要“可逆計數(shù)器”；設(shè)計方向判別部分，將記數(shù)脈沖分為加脈沖和減脈沖兩種。當(dāng)測量鏡正向移動時產(chǎn)生的脈沖為正脈沖，而反向移動時產(chǎn)生的脈沖為負脈沖。50判向計數(shù)原理框圖干涉條紋計數(shù)時，通過移相獲得兩路相差π/2的干涉條紋的光強信號，該信號經(jīng)放大，整形，倒向及微分等處理,可以獲得四個相位依次相差π/2的脈沖信號（圖6-5）。實現(xiàn)干涉條紋的四倍頻記數(shù)。相應(yīng)的測量方程變?yōu)閳D6-5判向計數(shù)原理框圖51激光外差干涉測長技術(shù)直流干涉儀：前置放大器為直流放大器。動鏡從靜止→運動→靜止；干涉條紋變化頻率從0→最大值→0；光強轉(zhuǎn)化的直流信號的頻率變化范圍也從0開始，需用直流放大器。缺點：外界環(huán)境干擾能力差，只能在恒溫防震條件下使用。外差干涉儀：在干涉儀的信號中引入一定頻率的載波，使被測信號通過這一載波來傳遞，干涉儀能夠采用交流放大，隔絕外界環(huán)境干擾造成的直流電平漂移。載波信號產(chǎn)生方法：使參與干涉的兩束光產(chǎn)生一個頻率差，這樣的兩束光干涉會產(chǎn)生“光學(xué)拍”現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化為電信號得到差頻信號。（光外差干涉）。52雙頻激光外差干涉儀其中氦氖激光器上沿軸向施加以磁場，由于塞曼效應(yīng)激光被分裂成有一定頻率差的左旋偏振光f1和右旋偏振光f2測量反射鏡運動產(chǎn)生的多普勒頻移可以表示為測量鏡的位移量可由下式計算圖6-6雙頻激光干涉儀光路圖53激光干涉測長應(yīng)用舉例（1）激光測角的原理與小角度干涉儀類似,都是采用三角正弦原理。如圖6-7所示。被測的轉(zhuǎn)角為：圖6-7激光測角原理示意圖1:偏振分光棱鏡組；2:角錐棱鏡組；3,3‘:檢偏器；4,4’:光電接收器；5,5‘:放大器；6:倍頻和計數(shù)卡；7:計算機

54激光干涉測長應(yīng)用舉例（2）激光測氣體折射率：圖6-8雙頻激光干涉儀測量空氣折射率1:偏振分光棱鏡；2:分光器；3:?波片；4:真空室；5:抽氣口；6:角錐棱鏡；7:檢偏器；8:光電接收器；9:補償環(huán)55激光衍射測量原理光的衍射現(xiàn)象，按衍射物和觀察衍射條紋的屏幕(即衍射場)之間的位置關(guān)系一般分為兩種類型：菲涅耳衍射和夫瑯和費衍射。單縫衍射測量：

單縫衍射測量的原理：單縫夫瑯和費衍射。條紋的光強可表示為：

圖6-9衍射測量原理圖單縫衍射測量的基本公式:,當(dāng)被測物體尺寸改變δ時，相當(dāng)于狹縫尺寸改變δ，衍射條紋的位置也隨之改變,可得

單縫衍射測量的分辨力、精度和量程:

56圓孔衍射測量圖（6-10）表示了圓孔的夫瑯和費衍射原理，接收屏上衍射條紋的光強分布為中心亮斑(即第一暗環(huán))的直徑為圖6-10圓孔的夫瑯禾費衍射原理示意圖57間隙測量法

其基于單縫衍射的原理。作尺寸的比較測量,如圖6-11(a)。作工件形狀的輪廓測量，如圖6-11(b)。作為應(yīng)變傳感器使用，如圖6-11(c)。用間隙測量法測量位移,即測量狹縫寬度b的改變量=b’-b,可采用絕對法,求出變化前后的兩個縫寬b和b’，然后相減。也可以用增量法。后者所用公式為圖6-11間隙測量法的應(yīng)用58反射衍射測量法

反射衍射是利用被測物的邊緣和反射鏡構(gòu)成的狹縫來進行衍射測量的。圖6-12反射衍射法原理圖在P點處出現(xiàn)第級暗條紋的光程差應(yīng)滿足,在該圖的幾何關(guān)系下縫寬可以表示為

59分離間隙法利用參考物與被測物不在同一平面內(nèi)情況下所形成的衍射條紋進行精密測量的方法稱為分離間隙法。測量出正負不同級次k1和k2上的暗條紋的位置和即可由下式計算出狹縫寬度和間隔圖6-13分離間隙法原理圖60互補測量法激光互補衍射測量法的原理是巴俾涅互補定理。巴俾互補涅定理：如下兩個互補屏。當(dāng)用平面波照射時，它們產(chǎn)生的衍射圖形的形狀和光強完全相同，僅相位相差。可以測量細絲、薄帶；互補測量法測量細絲直徑的范圍一般是0.01~0.1mm，測量精度可達到0.05微米。圖6-14巴比涅互補衍射屏61愛里斑測量法基于圓孔夫朗和費衍射的測量方法稱作愛里斑測量法。原理：用愛里斑中歸一化光強的大小的測量來確定被測孔的直徑。圖6-15是用愛里斑測量人造纖維或玻璃纖維加工中的噴絲頭孔徑的原理圖。圖6-15噴絲頭孔徑的愛里斑測量原理示意圖62激光衍射測量的應(yīng)用（1）薄膜材料表面涂層厚度測量：使用分離間隙法，圖6-16所示為其原理。圖6-16薄膜材料表面涂層厚度測量63激光衍射測量的應(yīng)用（2）薄帶寬度測量鐘表工業(yè)中的游絲以及電子工業(yè)中的各種金屬薄帶(一般寬度在1毫米)以下，均可利用激光衍射互補測量法進行測量。在測量時要求薄帶相對激光束的光軸有準(zhǔn)確的定位，否則將引起測量誤差。圖6-17是薄帶寬度測量原理圖。圖6-17薄帶寬度測量原理圖第三節(jié)視覺檢測技術(shù)一、視覺檢測系統(tǒng)的組成

二、典型視覺檢測系統(tǒng)

三、視覺檢測的標(biāo)定方法

四、視覺檢測圖像處理基礎(chǔ)一、視覺檢測系統(tǒng)的組成1)被測物移動而攝像系統(tǒng)不動。

2)被測物和攝像器件不動而光學(xué)系統(tǒng)運動。

3)被測物和光學(xué)系統(tǒng)不動而攝像器件運動。一、視覺檢測系統(tǒng)的組成圖9-28視覺檢測系統(tǒng)組成框圖二、典型視覺檢測系統(tǒng)(一)一維尺寸視覺檢測

(二)二維尺寸視覺檢測

(三)三維尺寸視覺檢測

(四)視覺檢測技術(shù)在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)中的應(yīng)用(一)一維尺寸視覺檢測圖9-29一維尺寸視覺檢測

a)成像型b)直接接收型(一)一維尺寸視覺檢測圖9-30一維尺寸測量應(yīng)用實例

a)外徑測量b)寬度測量c)位置和形狀測量(二)二維尺寸視覺檢測9-31(二)二維尺寸視覺檢測9-32(二)二維尺寸視覺檢測圖9-33二維視覺坐標(biāo)測量機原理圖(三)三維尺寸視覺檢測1.雙目立體視覺系統(tǒng)

2.主動三維視覺測量1.雙目立體視覺系統(tǒng)

圖9-34雙目三維視覺原理圖2.主動三維視覺測量圖9-35激光三角

法原理圖2.主動三維視覺測量圖9-36光切割法測量焊接形狀原理及其得到的圖像

a)焊縫檢測b)V型鋼板檢測c)切割形狀檢測(四)視覺檢測技術(shù)在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)中的應(yīng)用1.醫(yī)學(xué)紅外熱成像技術(shù)

2.X射線數(shù)字影像設(shè)備

3.X射線計算機斷層掃描(CT)

4.生物芯片檢測儀三、視覺檢測的標(biāo)定方法視覺坐標(biāo)測量機所獲取的三維物體的二維圖像是以像素為單位的，如何確定物體的三維空間坐標(biāo)和與二維圖像的對應(yīng)關(guān)系是系統(tǒng)標(biāo)定工作所要解決的問題?？臻g物體表面某點的三維幾何位置與其在圖像中對應(yīng)點之間的相互關(guān)系是由攝像機的幾何模型決定的。為了得到這些幾何參數(shù)而進行的實驗與計算的過程稱為標(biāo)定。第四節(jié)光纖測量技術(shù)一、光纖測量技術(shù)概述

二、光纖位移測量技術(shù)

三、光纖溫度測量技術(shù)

四、光纖壓力測量技術(shù)

五、光纖電流測量技術(shù)光纖主要參數(shù)的測量

1.光纖衰減的測量衰減是光纖、光纜的重要傳輸特性之一。傳輸特性與光纖的激勵條件及光纖所處的狀態(tài)有關(guān)。對衰減的測量，是指測量每單位長度的衰減值(以dB/km表示)。只有當(dāng)被測光纖處在模功率近似穩(wěn)態(tài)分布條件下才有可能。

建立穩(wěn)態(tài)模的方法主要有三種：

(1)擾模法。利用擾模器，使被測光纖在距注入端不遠處產(chǎn)生周期性彎曲，或者利用突變—漸變—突變光纖順序排列插入光源與被測光纖之間。一、光纖測量技術(shù)概述擾模器如圖13.1所示。它由若干可移動的圓柱體組成。圓柱體的數(shù)量和它們之間的距離是可以調(diào)節(jié)的。將光纖曲折地繞在擾模器的圓柱體上，可以使光纖內(nèi)的高次模損失而保存低次模，即改變光纖傳輸?shù)哪７植?。恰?dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)圓柱體的個數(shù)和距離，就可以建立穩(wěn)態(tài)模。為了檢驗光纖傳輸是否建立了穩(wěn)態(tài)模，可以先用長光纖(L＞Le)接入光源不加擾模器，測得光纖功率的穩(wěn)態(tài)分布。然后用長度約3m的短光纖經(jīng)擾模器，觀察光纖輸出功率的模場分布，并與長光纖所得的穩(wěn)態(tài)模比較。調(diào)節(jié)圓柱體的個數(shù)和間距，使兩者相似，擾模器即調(diào)整合適。圖13.1擾模器光纖衰減測量的常用方法

1)切斷法已知光纖長度為L，將被測光纖經(jīng)擾模器接至光源，如圖13.2所示。圖13.2切斷法測光纖衰減

先測得光纖終端輸出功率P2。然后在擾模器附近的地方切斷，測得光功率P1，它相當(dāng)于輸入光纖的功率。如果略去擾模器上的短光纖的長度，則光纖每千米衰減為

光纖的端面必須平整清潔，否則將影響測量的正確性。

切斷法是測量光纖衰減最基本、最直觀、最簡單的方法，精確性較高，但它必須破壞光纖，一般在工程現(xiàn)場不能采用。

(13.1)

2)插入法插入法原理如圖13.3所示。利用長光纖(L′＞Le)建立穩(wěn)態(tài)模。光源發(fā)送固定的光功率，于是在光纖終端接收到的光功率可以表示光纖的衰減值。如果接收端裝有對數(shù)放大器，則光纖衰減可用dB數(shù)直讀。圖13.3插入法測光纖衰減

3)反向散射法(光時域反射儀)

反向散射法測量光纖衰減，其工作原理與光學(xué)雷達相似。當(dāng)光纖輸入端注入一個強脈沖并沿光纖傳輸時，由于光纖內(nèi)部存在微小不均勻而產(chǎn)生瑞利散射，在反方向觀察到衰減的連續(xù)回波，利用回波可以測量光纖的平均衰減系數(shù)、沿光纖長度衰減系數(shù)的變化、接頭損耗等等。按上述原理做成的儀器叫做光學(xué)時域反射儀。用一個方向耦合器或波束分離器將周期性的窄光脈沖注入光纖一端，因瑞利散射引起的回波用高速響應(yīng)的檢測器檢波，通過分析反向散射回波波形來確定光纖特性。反向散射法的測試裝置構(gòu)成如圖13.4所示，圖13.4光學(xué)時域反射儀

回波波形如圖13.5所示，它有一些明顯的特點：①由光纖輸入端面Fresnel反射引起的初始脈沖。在理想情況下，光纖端面反射大約4%的功率；②沿光纖長度分布的反向散射光，沿著光纖受到衰減；③光纖連接接頭的光功率損耗，引起回波的突然下降；④光纖斷裂處，F(xiàn)resnel反射引起脈沖上升，利用初始脈沖與斷裂處反射脈沖之間的時間差，可以確定光纖斷裂位置，即圖13.5回波波形

利用光時域反射儀可以測量光纖任意點的衰減，參閱圖13.5。當(dāng)光脈沖到達L1時，發(fā)生的反射脈沖回到始端的強度為P1。同樣，光脈沖到達離L1的距離為ΔL的點L2時，發(fā)生的反射脈沖回到始端的強度為P2。從而求得L1~L2間的平均衰減為(13.3)

光時域反射分析儀(OTDR)測量光纖的缺點是兩端測出的衰減值有差別，這是因為無法控制反向散射的模場分布，從而導(dǎo)致測出的光纖衰減與散射損耗值不會真正相等，通常要取兩端測出的平均值。另外，用OTDR測量光纖時，在始端有一個盲區(qū)(端面反射區(qū))，多模光纖的盲區(qū)較??；單模光纖的盲區(qū)則較大，相當(dāng)于100m左右長的光纖。因此，測量單模光纖時，要先連接長度在100m以上的參考光纖，才能進行測試。應(yīng)當(dāng)指出，用OTDR測光纖時，在兩根光纖的連接點可能出現(xiàn)“增益”假象，其實這是連接點的光反射。這種情況只出現(xiàn)在兩根光纖芯徑不同時，當(dāng)光由較大的芯徑向較小的芯徑傳輸時，有一部分光在連接點產(chǎn)生反射，從而出現(xiàn)增益的假象。2.光纖帶寬的測量1)時域法圖13.6時域法測試方框圖

脈沖發(fā)生器產(chǎn)生出很窄的電脈沖波，驅(qū)動激光器產(chǎn)生很窄的光脈沖。測試時，首先將被測光纖接在收和發(fā)兩端之間，測出光纖的脈沖輸出波形f2(t)；然后在離發(fā)送端2~3m處剪斷光纖，測量短段光纖的輸出波形f1(t)作為被測光纖的輸入波形，接收端的計算機按間隔時間逐點取樣，進行快速傅里葉變換(FFT)，得出頻域曲線并計算出光纖的帶寬值。如果接收端沒有計算機設(shè)備，也可用估算法求出光纖帶寬，由式(8.17)可得帶寬式中，τ的單位為ns，為f1(t),f2(t)的半高全寬。此時，f1(t),f2(t)以接近高斯波形為宜。例如，設(shè)τ1=0.5ns，τ2=1.2ns，則用估算法測光纖帶寬時，除其波形應(yīng)接近高斯型外，其發(fā)送脈沖應(yīng)很窄并滿足τ2＞1.4τ1，否則精確度差。2)頻域法頻域法的原理是在光纖的輸入端送入光正弦信號，在光纖輸出端由選頻表讀取經(jīng)檢測器變換出來的電信號幅值，在保持送入信號幅值不變的情況下，改變其頻率，輸出端信號幅值下降6dB時頻率變化的范圍即為光纖帶寬(電帶寬)。實際測量時，采用掃頻法。而不必逐點讀取，見圖13.7。采用頻域法測量光纖的帶寬，要求檢測接收系統(tǒng)的頻率響應(yīng)應(yīng)與光源的調(diào)制頻率相適應(yīng)，在測試的光功率范圍內(nèi)檢測系統(tǒng)應(yīng)是線性的。因此，測試時需先將發(fā)送端與接收端用一般短光纖相連，將發(fā)送功率調(diào)到接收器的線性范圍內(nèi)。頻域法測量光纖帶寬的測試分兩步進行：第一步測出被測光纖的輸出光功率譜；第二步在注入端2m處剪斷光纖并測出其光功率譜，即輸入的光功率譜(見圖13.8)，測出6dB的電帶寬。圖13.7頻域法測試方框圖3)帶寬與線路長度的換算上述兩種方法所測出的帶寬都是光纖全長的總帶寬Ｂ′，而工程上要知道光纖每千米的帶寬值。設(shè)每千米帶寬值為B，長度為Lkm，總帶寬為B′，則按式(8.19)，B=B′LEMHz·km。圖13.8頻域法測試曲線

光發(fā)射機指標(biāo)的測量

1.光發(fā)射機平均輸出光功率的測量這里所說的平均輸出光功率是指光發(fā)射機輸入偽隨機碼時的平均輸出光功率。因此，該項指標(biāo)的測試應(yīng)該按照圖13.9所示的框圖進行。端機接電源穩(wěn)定工作后，PCM系統(tǒng)分析儀(或偽碼發(fā)生器)便送出偽隨機碼。這樣，在不需要太多費用的情況下，便可進行該項指標(biāo)的測試。圖13.9光發(fā)射機平均輸出光功率和消光比測量框圖

對光發(fā)射機的光源調(diào)制后，由光功率計測出此時光發(fā)射機的平均輸出光功率。測量時應(yīng)注意光功率計的選擇。對短波長系統(tǒng)，必須選用短波長的光功率計，或者換用短波長的探頭。長波長系統(tǒng)應(yīng)該選用長波長的光功率計或換長波長探頭。光功率一般用相對值“dBm”或者用絕對值“μW”表示。

2.光發(fā)射機消光比的測量消光比是光發(fā)射機的重要技術(shù)指標(biāo)。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，光發(fā)射機發(fā)送的是“0”碼和“1”碼的光脈沖。完善的光發(fā)射機，在發(fā)“0”碼時應(yīng)無光功率輸出。實際的光發(fā)射機，由于其本身的缺陷，在發(fā)“0”碼時會有殘留矮尖脈沖存在，或者由于直流偏置IB的選擇不當(dāng)，光發(fā)射機在工作時會有多余光功率輸出。表明光發(fā)射機存在這種缺點的程度用消光比(EXT)表示。

光發(fā)射機在發(fā)“0”碼時有矮尖脈沖存在，或者光發(fā)射機在工作時有一定多余光功率輸出等現(xiàn)象，稱為光發(fā)射機調(diào)制的不完善。上述兩種現(xiàn)象都要產(chǎn)生額外噪聲使系統(tǒng)的信噪比惡化，從而影響光接收機的靈敏度。消光比越大，靈敏度下降越厲害。因此，為了保證光接收機有足夠的接收靈敏度，通常要求光發(fā)射機的消光比小于0.1，即要求EXT<0.1?？梢?，測量光發(fā)射機是否滿足EXT<0.1的要求，對保證光接收機靈敏度是十分重要的。

光發(fā)射機消光比的測量系統(tǒng)框圖，仍見圖13.9。按照定義，測量時首先測出全“0”碼時的平均輸出光功率P0，然后再測出全“1”碼時的平均輸出光功率P1。PCM系統(tǒng)分析儀或偽碼發(fā)生器送出的是偽隨機碼，基本上認為它產(chǎn)生“1”碼的概率與產(chǎn)生“0”碼的概率是相等的。因此，實測的全“1”碼平均輸出光功率P1應(yīng)乘以2?？紤]到這一情況后，光發(fā)射機的消光比應(yīng)該按照下式計算：(13.4)

實際操作時，先將光發(fā)射機接通電源，待其工作穩(wěn)定后，PCM系統(tǒng)分析儀便送出偽隨機碼信號。這時，通過光功率計測出平均輸出光功率P1。然后，將光端機中的碼變換盤拔出，再測光發(fā)射機此時的輸出光功率，即全“0”碼時的光功率P0。最后，按式(13.4)計算出該光發(fā)射機的消光比EXT。例如，實測值分別為P1=6.23μW，P0=3.8μW，通過式(13.4)計算得EXT=0.3。顯然，該光發(fā)射機消光比不符合要求，應(yīng)該采取措施降低消光比。光接收機主要技術(shù)指標(biāo)的測量1.光接收機接收靈敏度的測量圖13.10光接收機靈敏度和動態(tài)范圍測試系統(tǒng)框圖

按照圖13.10進行光接收機靈敏度測試時，還應(yīng)考慮到光纖活動連接器的損耗值。由于靈敏度功率Pmin是在活動連接器前測量的，因此實際靈敏度應(yīng)該減去活動連接器的損耗。例如，經(jīng)測試按式(1０.19)計算出光接收機的接收靈敏度為Pr=-50.3dBm，光纖活動連接器的損耗為0.7dBm，則光接收機的實際接收靈敏度應(yīng)該為-50.3-0.7=-51d