光電直接檢測(cè)系統(tǒng)

光電直接檢測(cè)系統(tǒng)2023/4/31第1頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三典型的光電檢測(cè)系統(tǒng)直接檢測(cè)系統(tǒng)（光強(qiáng)調(diào)制）莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀激光測(cè)距儀激光準(zhǔn)直環(huán)境污染檢測(cè)系統(tǒng)光外差檢測(cè)系統(tǒng)激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀（相位調(diào)制）多普勒測(cè)速（頻率調(diào)制）光外差通信第2頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光電檢測(cè)系統(tǒng)分類主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見(jiàn)光系統(tǒng)(按光源波長(zhǎng)分)點(diǎn)探測(cè)/面探測(cè)系統(tǒng)？(按接受系統(tǒng)分)模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號(hào)處理方式分)直接檢測(cè)？/光外差檢測(cè)系統(tǒng)？(按光波對(duì)信號(hào)的攜帶方式分)第3頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三相干檢測(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)第4頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.1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(guò)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)模型第5頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.1光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理假定入射光信號(hào)電場(chǎng)為：5-1光場(chǎng)平均光功率為：表示的時(shí)間平均值；5-2光檢測(cè)器輸出電流為：稱為光電變換比例常數(shù)5-3第6頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光檢測(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)器輸出電功率為：5-4如果入射光是調(diào)幅波，即其中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)。5-6第7頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.2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：5-7考慮到信號(hào)和噪聲的獨(dú)立性，有：5-8由信噪比定義，輸出功率信噪比為：5-9第8頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.2.1直接檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比說(shuō)明輸出信噪比是輸入信噪比的平方，可見(jiàn)，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(guò)光電轉(zhuǎn)換，信噪比損失了3dB。實(shí)際應(yīng)用中可以接受?？梢?jiàn)，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，則有：5-10(2)若，則有：5-11第9頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在數(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(lái)衡量。誤碼率仍然與信噪比有關(guān)。信噪比高，誤碼率低。由噪聲的概率分布規(guī)律考慮“概率問(wèn)題”來(lái)衡量。第10頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.2.2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：分別為信號(hào)光、背景光和暗電流引起的散粒噪聲。為負(fù)載電阻和放大器的熱噪聲之和。5-12輸出信噪比為：5-13第11頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.2.2直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限①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：5-14②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：5-15③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：5-16第12頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.2.2直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限假定光波長(zhǎng)λ=0.7μm，檢測(cè)器的量子效率η=1，測(cè)量帶寬Δf=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④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：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：5-18第13頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在實(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(guò)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(guò)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)極限第14頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.2.3直接檢測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)角直接檢測(cè)系統(tǒng)視場(chǎng)角檢測(cè)器物鏡視場(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(wú)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Ω為：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(lái)不利影響：①增加檢測(cè)器面積意味著增大系統(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。②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。5-19第15頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.2.4系統(tǒng)的通頻帶寬度頻帶寬度Δf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Δf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。以脈沖激光波形為例.對(duì)于輸入信號(hào)為矩形波時(shí)，通過(guò)不同帶通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Δf：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(guò)系統(tǒng)。5-20等效矩形帶寬：頻譜曲線下降3dB的帶寬包含90%能量的帶寬第16頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.3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(lái)評(píng)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(lái)。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第17頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1、被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程被動(dòng)檢測(cè)過(guò)程示意圖大氣傳播接收光學(xué)系統(tǒng)信號(hào)處理接收機(jī)接收信息光電檢測(cè)被測(cè)目標(biāo)第18頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三設(shè)被測(cè)目標(biāo)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)表面的光譜輻射照度為：入射到檢測(cè)器上的光譜功率為：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λ1―λ2的輻射波段，可得到檢測(cè)器的輸出信號(hào)電壓為：5-211、被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程第19頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1、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：式中①取τ1λ為被測(cè)距離L在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的平均透過(guò)率τ1。②光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率τ0λ對(duì)光譜響應(yīng)范圍內(nèi)平均值。③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?。④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，則它的輸出信噪比為：5-22第20頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5-23即：5-24又因?yàn)椋?-25將上式代入5-24，可得：5-26式中Ad為檢測(cè)器面積；Δf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：S(ω)為調(diào)制信號(hào)的功率譜第21頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三為清楚地看出系統(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(xiě)為：5-27第一個(gè)括號(hào)是目標(biāo)輻射特性及大氣透過(guò)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。第22頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三大氣傳播接收光學(xué)系統(tǒng)信號(hào)處理接收機(jī)回收信息光電檢測(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)反射目標(biāo)2、主動(dòng)檢測(cè)距離方程主動(dòng)檢測(cè)過(guò)程示意圖第23頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三主動(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(λ)；發(fā)射束發(fā)散立體角為Ω；發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率為τ01(λ)，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(λ)為：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(λ)，經(jīng)傳播距離L后光斑面積為SL=ΩL2，光斑SL的輻射照度Ee為：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(λ)為：2、主動(dòng)檢測(cè)距離方程第24頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三假定接收機(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^(guò)程仍遵守指數(shù)規(guī)律衰減，衰減系數(shù)仍為k(λ)，則接收功率為：式中，D0為光學(xué)系統(tǒng)接收口徑；Ω’=πD02/4L2為接收系統(tǒng)的立體角。如果接收光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率為τ02(λ)，則檢測(cè)器上接收到的總功率為：式中:檢測(cè)器上的輸出電壓為：第25頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三式中：RV(λ)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：如果目標(biāo)反射面積Sa等于光斑照射面積ΩL2，則上式可化為：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(guò)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。第26頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.4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。黑白光柵第27頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

計(jì)量光柵由標(biāo)尺光柵（主光柵）和指示光柵組成，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θ，光柵節(jié)距為P。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過(guò)，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯(cuò)開(kāi)處，由于相互擋光作用而形成暗帶。這種亮帶和暗帶形成明暗相間的條紋稱為莫爾條紋.莫爾條紋是周期性函數(shù)。計(jì)量光柵第28頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三莫爾條紋光柵原理

構(gòu)成：主光柵---標(biāo)尺光柵，定光柵指示光柵---動(dòng)光柵莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)第29頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三橫向莫爾條紋特征當(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(guò)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：

第30頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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θ而改變。θ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(jiàn)，計(jì)量光柵起到光學(xué)放大器的作用。第31頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三誤差的平均效應(yīng)光電元件對(duì)光柵的柵距誤差具有消差作用。莫爾條紋由光柵的大量刻線形成,對(duì)線紋的刻劃誤差有平均抵消作用,幾條刻線的柵距誤差或斷裂對(duì)莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。能在很大程度上消除短周期誤差的影響。例W=0.02mm,接收元件尺寸10×10mm2,在10mm范圍內(nèi)有500條刻線參與工作，某幾條刻線誤差對(duì)莫爾條紋位置和形狀基本無(wú)影響。第32頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三對(duì)應(yīng)關(guān)系第33頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三莫爾條紋的特征放大作用放大倍數(shù)為1/θ,θ越小,B越大。例如θ=0.1°時(shí)θ=0.1°=0.1×2π/360=0.00175432radW=0.02mmBH=11.4592mm。第34頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例，對(duì)25線/mm的長(zhǎng)光柵而言，P＝0.04mm，若θ=0.016rad，則B=2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的間隔，但無(wú)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(wú)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(wú)法分辨光強(qiáng)的變化。

4）莫爾條紋移過(guò)的條紋數(shù)與光柵移過(guò)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xmm（也就是移過(guò)了100×x條光柵刻線），則從光電元件面前掠過(guò)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。第35頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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)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：

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)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。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(wèn)題：①辨向問(wèn)題：用一個(gè)光電元件無(wú)法辨別運(yùn)動(dòng)方向；②精度低；分辨力只為一個(gè)柵距P。第36頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三辨向原理：用兩個(gè)光電元件相距B/4安裝（相當(dāng)于相差90°空間角，B:2π=B/4:π/2），如圖所示，可以解決辨向問(wèn)題。

當(dāng)條紋上移時(shí)，V2落后于V190°。當(dāng)條紋下移時(shí)，V2超前于V190°。因此，由V1、V2之間的相位關(guān)系可以判別運(yùn)動(dòng)方向。第37頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四倍頻細(xì)分判向原理

指示光柵相對(duì)于長(zhǎng)光柵移過(guò)一個(gè)節(jié)距莫爾條紋變化一周.工作臺(tái)進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量時(shí),指示光柵的移動(dòng)距離為x=NP+δ其中P為光柵節(jié)距,N為指示光柵移動(dòng)距離中包含的光柵線對(duì)數(shù);δ為小于1一個(gè)光柵節(jié)距的小數(shù).最簡(jiǎn)單的形式是以指示光柵移過(guò)的光柵對(duì)數(shù)N直接進(jìn)行計(jì)數(shù).但實(shí)際系統(tǒng)并不單獨(dú)計(jì)數(shù),而是利用電子學(xué)的方法,把莫爾條紋的一個(gè)周期進(jìn)行再細(xì)分,于是可以讀出小數(shù)部分,使系統(tǒng)的分辨能力提高.電子細(xì)分可分到幾十分之一到百分之一.細(xì)分方法有:幅值分割、周期測(cè)量、倍頻、移項(xiàng)、函數(shù)變換等方法。常見(jiàn)的四倍頻細(xì)分判向原理第38頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三細(xì)分技術(shù)（解決精度問(wèn)題）

當(dāng)使用一個(gè)光電池通過(guò)判斷信號(hào)周期的方法來(lái)進(jìn)行位移測(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(guò)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。

第39頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三莫爾條紋的應(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25，50，100，250條/mm。被廣泛地應(yīng)用于：光柵數(shù)顯表光柵傳感器在位置控制中的應(yīng)用軸環(huán)式數(shù)顯表機(jī)械測(cè)長(zhǎng)和數(shù)控機(jī)床中。第40頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

代表性產(chǎn)品：

德國(guó)Heidenhain（海德漢）：封閉式：量程3000mm，分辨力0.1m開(kāi)放式：量程1440mm，分辨力0.01m開(kāi)放式：量程270mm分辨力1nm英國(guó)Renishaw（雷尼紹）：

量程：任意分辨力：0.1m0.01m中國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所：

量程：1000mm分辨力：0.01m第41頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.4.2激光測(cè)距儀1、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)距。第42頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

在1處產(chǎn)生的激光，經(jīng)過(guò)待測(cè)的路程射向2處。在2處裝有向1處反射的裝置，1處至2處間的距離D是待測(cè)的。如果在1處有一種裝置，它能夠測(cè)出脈沖激光從1處到達(dá)2處再返回1處所需要的時(shí)間t，則

式中c為光的傳播速度。脈沖激光測(cè)距的工作原理第43頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三脈沖激光測(cè)距儀發(fā)射系統(tǒng)接收系統(tǒng)接收光學(xué)系統(tǒng)光電探測(cè)器低噪聲寬帶放大器整形電路門(mén)控電路時(shí)鐘脈沖振蕩器計(jì)數(shù)顯示器激光器：LD，ND：YAG（調(diào)Q/鎖模）電源發(fā)射望遠(yuǎn)系統(tǒng)物鏡小孔光闌干涉濾光片第44頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三它由脈沖激光發(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.第45頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

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A(圖(d))經(jīng)控制電路去打開(kāi)電子門(mén)。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(guò)電子門(mén)進(jìn)入計(jì)數(shù)顯示電路，計(jì)時(shí)開(kāi)始。當(dāng)反射回來(lái)經(jīng)整形后的測(cè)距信號(hào)B到來(lái)時(shí)，關(guān)閉電子門(mén)，計(jì)時(shí)停止。計(jì)數(shù)和顯示的脈沖數(shù)如圖(g)所示。從計(jì)時(shí)開(kāi)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。則被測(cè)距離為：第46頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、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)λ可由式λ=c/f求出。光波每前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)λ相當(dāng)于相位變化了2π則距離D可表示為：“光尺”測(cè)量距離原理圖測(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。第47頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期三為了便于理解測(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(shuō)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(guò)程中相位變化(又稱為相位移)為φ，則由圖看出，被測(cè)距離為：

由上分析可知，如果測(cè)得光波相位移φ中2π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)λ就是相位式激光測(cè)距儀的“測(cè)尺”