信息與通信激光探測(cè)技術(shù)PPT學(xué)習(xí)教案課件

會(huì)計(jì)學(xué)1信息與通信激光探測(cè)技術(shù)2005年年底，在美國國防部的Grand

Challenge無人駕駛挑戰(zhàn)賽中，幾乎所有參賽車輛都使用了激光探測(cè)系統(tǒng)（LMS）作為它們的“眼睛”。LMS

291安裝在這輛車的車頂上，主要作用是在X-Y

平面上描繪出車輛前方道路，然后利用機(jī)載電腦繪制出車輛行駛前方的3維圖像（在Z平面上）。繪制出車輛前方的地形，其次是探測(cè)越野路線兩旁的石頭、碎片等障礙物。LMS

291的最大探測(cè)距離為80米，分辨率為10毫米。第五章 激光探測(cè)技術(shù)典型應(yīng)用之二—激光探測(cè)系統(tǒng)Sick公司的LMS

291激光探測(cè)系統(tǒng)第1頁/共56頁第五章 激光探測(cè)技術(shù)第2頁/共56頁5.1激光的產(chǎn)生相關(guān)概念基態(tài)按量子力學(xué)原理，任何原子、離子或分子只能穩(wěn)定地存在于一系列能量不連續(xù)的定態(tài)中（或存在于一系列分立的能級(jí)狀態(tài)中）。其中原子的最低能級(jí)。（穩(wěn)定）激發(fā)態(tài)處于基態(tài)以上的能級(jí)。（不穩(wěn)定）躍遷原子能量的變化。躍遷的形式包括：吸收和輻射。5.1激光的產(chǎn)生原子吸收吸收兩能級(jí)之差的能量，由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)的過程。自發(fā)輻射處于激發(fā)態(tài)的原子釋放光子返回基態(tài)的過程。受激輻射在發(fā)生自發(fā)輻射前，受到外來關(guān)子作用的兩能級(jí)之差的能量，由激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)，同時(shí)釋放一相同狀態(tài)的光子。第3頁/共56頁激光的全稱“受激輻射的光放大”。5.1激光的產(chǎn)生第4頁/共56頁5.1.2產(chǎn)生激光的條件1、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)熱平衡狀態(tài)下，粒子數(shù)滿足波爾茲曼分布，低能態(tài)粒子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高能態(tài)原子數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)光放大，必須選用適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)，采用特殊的手段破壞粒子數(shù)平衡，使得高能態(tài)原子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低能態(tài)原子數(shù)。5.1激光的產(chǎn)生2、能級(jí)結(jié)構(gòu)外界供給系統(tǒng)一合適的能量，使工作物質(zhì)的原子一次躍遷至激發(fā)態(tài)E4，而后通過無輻射躍遷很快地躍遷至亞穩(wěn)態(tài)E3

，在此態(tài)停留一段時(shí)間（約為10-3s），之后躍遷至激發(fā)態(tài)E2，很快地又從E2態(tài)返回E1。由于E2態(tài)的壽命極短，所以E2態(tài)上存在的原子數(shù)總是接近于零。這樣就很容易地

在E3與E2間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。第5頁/共56頁3、光學(xué)諧振腔兩反射鏡保持嚴(yán)格的平行。當(dāng)光線在其間反射時(shí)，只有平行于鏡面法線的光線保留下來其他方向的光線經(jīng)過多次反射后逸出腔外，平行于法線的光線在平行腔內(nèi)不斷振蕩同時(shí)激發(fā)新的受激輻射而使這一組平行光不斷增強(qiáng)，最后從窗口M2射出。光學(xué)諧振腔組成原理5.1激光的產(chǎn)生第6頁/共56頁5.1激光的產(chǎn)生另外，適當(dāng)選擇諧振腔的長度，使其滿足穩(wěn)定駐波的振蕩條件，即：從而可以對(duì)激光器所發(fā)激光的頻率加以選擇。4、閾值條件外部環(huán)境必須滿足一定的閾值條件，包括減少損失，加快抽運(yùn)速度，促進(jìn)反轉(zhuǎn)等。5.1.3激光的特性單向性好激光沿一條直線傳播，能量集中在傳播方向上，發(fā)散角小。一般為10-5～10-8球面度。激光束射向幾千米以外，光束直徑僅擴(kuò)展幾個(gè)厘米。第7頁/共56頁單色性好普通光源如鈉燈、汞燈等得到單色光的譜線寬度為10-2納米，激光的譜線寬度為10-9納米。兩度高相干性好5.1激光的產(chǎn)生第8頁/共56頁5.2激光的定距原理激光近炸引信激光近炸引信是導(dǎo)彈的重要組成部分，可在近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)對(duì)目標(biāo)探測(cè)和定距，并且在動(dòng)態(tài)條件下輸出適時(shí)引爆信號(hào)。該產(chǎn)品可以感知導(dǎo)彈距地面的高度，根據(jù)預(yù)先裝定，在導(dǎo)彈越過目標(biāo)或未及目標(biāo)時(shí)引出爆彈頭，使彈頭碎片取得最大的殺傷效果。第五章 激光探測(cè)技術(shù)第9頁/共56頁5.2.1幾何截?cái)喽ň啵ㄈ嵌ň喾ǎ?、原理將4～6組激光發(fā)射器和接收器在彈體周向均勻排列形成

360°的發(fā)射接受視場(chǎng)。安裝時(shí)發(fā)射器與接受器存在一定傾角，這樣使發(fā)射視場(chǎng)與接受視場(chǎng)在前方某一區(qū)域重合，發(fā)射光束軸線與接受光束軸線交與一點(diǎn)，其底邊高即為作用距離。5.2激光的定距原理目標(biāo)作用區(qū)接收視場(chǎng)第10頁/共56頁2、組成發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)由于半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光通常具有較大的束散角，所以采用凸透鏡或透鏡組對(duì)激光器發(fā)出的激光進(jìn)行準(zhǔn)直，并采用柱鏡或反射光錐在彈體徑向進(jìn)行擴(kuò)束。接受光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)發(fā)射光能量收集并聚到光電探測(cè)器上。一般單個(gè)透鏡，并將光電探測(cè)器放在透鏡焦平面上。系統(tǒng)的半場(chǎng)視角為：系統(tǒng)立體角為：第11頁/共56頁5.2激光的定距原理d—光電探測(cè)器直徑；f—透鏡焦距；Ad—光敏面積；注：接收視場(chǎng)的大小與光敏面積及光學(xué)透鏡的焦距有關(guān)，獲得盡可能大的接收視場(chǎng)必須選用光敏面積大的探測(cè)器及減小光學(xué)鏡頭焦距。接收的回波功率由激光引信的距離方程可知：Pr—接收功率；Pt—發(fā)射功率；ηt—發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)效率；ηr—接收光學(xué)系統(tǒng)效率；K(R)—發(fā)射視場(chǎng)與接收視場(chǎng)部分重合造成的衰減；ρ—目標(biāo)發(fā)射率；σ—大氣衰減系數(shù)；R—激光器到目標(biāo)的距離；Ar—接收光學(xué)系統(tǒng)的孔徑面積；第12頁/共56頁5.2激光的定距原理5.2激光的定距原理第13頁/共56頁光電探測(cè)器光電探測(cè)器中主要采用光敏二極管。光敏二極管原理與普通二極管基本相同。正常工作時(shí)，在未受光照時(shí)，電流幾乎為零；受光照時(shí)，電流迅速增加并隨光強(qiáng)度增加而增大。注：光敏二極管需在反向偏壓條件下工作。2、特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：定距精度高；360度全向探測(cè)；處理電路簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：對(duì)于發(fā)射特性差別大的目標(biāo)難以設(shè)定統(tǒng)一的作用門限；作用距離不能現(xiàn)場(chǎng)裝定。5.2激光的定距原理5.2.2距離選通定距1、原理脈沖調(diào)制器激勵(lì)半導(dǎo)體激光器發(fā)射光脈沖，通過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)形成一定形狀的激光束，光脈沖照射到目標(biāo)后，一部分光反射到接收光學(xué)系統(tǒng)，然后聚在光敏管上輸出電脈沖，經(jīng)過放大整形等信號(hào)處理送到選通器。另一路脈沖調(diào)制器發(fā)出激勵(lì)信號(hào)經(jīng)延遲器適當(dāng)延時(shí)后控制選通門。通過適當(dāng)?shù)难訒r(shí)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定距離范圍內(nèi)起爆。目標(biāo)第14頁/共56頁5.2激光的定距原理2、組成放大電路前置放大器，完成傳感器與后續(xù)電路的性能匹配，要求必須為低噪聲且有足夠高的增益兩項(xiàng)指標(biāo)。原因：多級(jí)放大器的噪聲模型為，等效到輸入端的噪聲電壓為：roi—第I級(jí)放大器的輸出電阻；Eni—第I級(jí)放大器等效噪聲電壓；Ki—第I級(jí)增益；Ini—第I級(jí)放大器的等效噪聲電流；Ens—信號(hào)源等效噪聲電壓。第15頁/共56頁由上式可知：當(dāng)?shù)谝患?jí)放大器的增益足夠高時(shí)，多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的等效輸入噪聲主要由第一級(jí)的噪聲水平?jīng)Q定。5.2激光的定距原理第16頁/共56頁主放大器需滿足高增益和寬帶頻。為提高定距精度需調(diào)整主放大器增益來控制回波脈沖幅值。對(duì)于距離分檔可調(diào)時(shí)，裝定距離的同時(shí)裝定增益使每個(gè)距離檔對(duì)應(yīng)一個(gè)增益檔。另外對(duì)于目標(biāo)反射率造成信號(hào)幅值變化則使用自動(dòng)增益控制來解決。延遲器調(diào)整延時(shí)參數(shù)實(shí)現(xiàn)作用距離裝定并補(bǔ)償系統(tǒng)各元器件延時(shí)容差。選通器近似認(rèn)為數(shù)字電路中的“與”門3、特點(diǎn)①利用脈沖相位差比利用脈沖強(qiáng)度更可靠，避免功率波動(dòng)，目標(biāo)光特性及大氣傳輸條件的影響。5.2激光的定距原理②降低了虛警率，提高了效率。5.2.3

脈沖鑒相定距原理1、原理選通器改為鑒相器，基本原理同上。目標(biāo)第17頁/共56頁5.2激光的定距原理第18頁/共56頁2、組成脈沖鑒相器當(dāng)回波脈沖與參考脈沖重合時(shí)即目標(biāo)作用距離，或回波脈沖超前參考脈沖即小于目標(biāo)距離。鑒相器觸發(fā)輸出信號(hào)，當(dāng)回波脈沖滯后參考脈沖時(shí)鑒相器無輸出信號(hào)。注：在較近距離時(shí)為避免空中懸浮粒子向后散射造成系統(tǒng)虛警，則采用雙鑒相電路。3、特點(diǎn)①定距精度進(jìn)一步提高。②作用距離現(xiàn)場(chǎng)裝定。③抗干擾能力進(jìn)一步提高第五章 激光探測(cè)技術(shù)激光的測(cè)距原理脈沖激光測(cè)距機(jī)原理1、原理當(dāng)回波脈沖與參考脈沖通過測(cè)定由測(cè)點(diǎn)射向目標(biāo)，并經(jīng)目標(biāo)反射回來的光脈沖飛行時(shí)間來測(cè)定目標(biāo)與測(cè)定間的距離。設(shè)光在大氣中的傳播速度均勻，測(cè)定到目標(biāo)間距離r為:c—光速，t—脈沖飛行時(shí)間當(dāng)測(cè)距精度為：第19頁/共56頁5.3激光的測(cè)距原理2、組成脈沖式激光測(cè)距機(jī)是通過時(shí)間的直接測(cè)量而測(cè)距的，即用脈沖光波，當(dāng)發(fā)射的光脈沖被遠(yuǎn)處目標(biāo)反射回來后，通過一個(gè)測(cè)量時(shí)間的裝置直接測(cè)出激光往返的時(shí)間t，進(jìn)而求出距離D。具體如下圖所示，它包括時(shí)標(biāo)振蕩器、門電路、脈沖計(jì)數(shù)電路和記錄裝置幾部分。脈沖激光測(cè)距機(jī)系統(tǒng)組成第20頁/共56頁5.3激光的測(cè)距原理第21頁/共56頁測(cè)距時(shí)，激光脈沖射向目標(biāo)，在同一瞬間由光電二極管取出一小部分光脈沖信號(hào)送入接收系統(tǒng)的門電路，把“門”打開，使時(shí)標(biāo)振蕩器輸出的時(shí)標(biāo)脈沖通過“門”進(jìn)入計(jì)數(shù)顯示系統(tǒng)記錄下來。當(dāng)目標(biāo)反射回來的脈沖信號(hào)被接收后，通過放大器送入門電路，即刻把“門”關(guān)閉，使計(jì)數(shù)器停止工作。5.3.2

相位式激光測(cè)距機(jī)原1理、組成相位式激光測(cè)距機(jī)是對(duì)時(shí)間的間接測(cè)量，即用連續(xù)光波通過一個(gè)調(diào)制器讓激光強(qiáng)度按調(diào)制信號(hào)隨時(shí)間而變，測(cè)出該光波在時(shí)間t內(nèi)的位相變化從而計(jì)算出時(shí)間t。具體組成如圖示。回波信號(hào)經(jīng)物鏡接收后送到光電探測(cè)器，經(jīng)鑒相器比較返回光束和發(fā)射光束之間的相位，從而求出相差：5.3激光的測(cè)距原理N—整數(shù)周期的數(shù)目；ΔN—周期的小數(shù)；f

—調(diào)制頻率?？紤]時(shí)間與距離的關(guān)系，有：c—光速，在測(cè)距機(jī)中，常稱c/（2f）為測(cè)尺長度，f為測(cè)尺頻率。相位式激光測(cè)距機(jī)系統(tǒng)組成第22頁/共56頁5.3激光的測(cè)距原理注：在鑒相器只能測(cè)出小數(shù)周期，還未能測(cè)出整數(shù)相位數(shù)N，為此在測(cè)距機(jī)設(shè)置幾種不同的測(cè)尺頻率進(jìn)行分段測(cè)量。每一頻率所測(cè)量的距離均小于相應(yīng)的測(cè)尺長度，用它們分段測(cè)量某一距離，然后將各自所測(cè)的結(jié)果組合起來，就可得到所有測(cè)量的距離5.3.3

激光測(cè)距的作用距離方程Pr—接收到的回波信號(hào)功率；Pt—激光源的發(fā)射功率；TA1

—激光光源到目標(biāo)的大氣透過率；TA2

—目標(biāo)到接收機(jī)的大氣透過率；ηt、ηr—發(fā)射、接收光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)效率；K—激光光束輪廓參數(shù)；θ—光束束寬；r1—發(fā)射機(jī)到目標(biāo)距離；r2—目標(biāo)到接收機(jī)的距離；Γ—目標(biāo)的激光截面；D—接收機(jī)的接收系統(tǒng)有效孔徑；第23頁/共56頁第五章 激光探測(cè)技術(shù)第24頁/共56頁5.4激光雷達(dá)簡(jiǎn)介5.4.1

分類1、按功能分目標(biāo)跟蹤激光雷達(dá)、精密制導(dǎo)雷達(dá)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)激光雷達(dá)、氣象激光雷達(dá)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)化學(xué)毒劑探測(cè)雷達(dá)等。2、按測(cè)量參數(shù)分有回波強(qiáng)度測(cè)量、目標(biāo)距離測(cè)量、目標(biāo)速度測(cè)量、目標(biāo)角位置測(cè)量、吸收或散射光譜測(cè)量3、按激光發(fā)射波形調(diào)制技術(shù)分有脈沖、連續(xù)、調(diào)幅、調(diào)頻、混合式4、按回波信號(hào)探測(cè)方法分有直接探測(cè)和相干探測(cè)5.4激光雷達(dá)簡(jiǎn)介激光雷達(dá)第25頁/共56頁5.4.2

外差激光雷達(dá)原理5.4激光雷達(dá)簡(jiǎn)介外差激光雷達(dá)系統(tǒng)組成第26頁/共56頁激光發(fā)射機(jī)發(fā)射出單頻穩(wěn)頻激光束，經(jīng)整形光學(xué)元件使其光束發(fā)散角和光束直徑與激光雷達(dá)其它部分匹配。激光束經(jīng)收/發(fā)隔離器使收、發(fā)光路分開。5.4激光雷達(dá)簡(jiǎn)介發(fā)射激光束經(jīng)擴(kuò)束和掃描光學(xué)系統(tǒng)射向目標(biāo)，由目標(biāo)反射回來的激光信號(hào)反向經(jīng)過掃描器和擴(kuò)束器后，在收/發(fā)隔離器內(nèi)與發(fā)射光路分開并到達(dá)光學(xué)混頻器。在此與本地振蕩光混頻，混頻后的光束經(jīng)成像光學(xué)系統(tǒng)聚焦到光學(xué)檢測(cè)器上，光學(xué)檢測(cè)器輸出差頻信號(hào)，經(jīng)高通匹配濾波器消除背景噪聲低頻信號(hào)與本地振蕩直流信號(hào)。最后將獲得的差頻電信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理器及數(shù)據(jù)處理輸出。如信號(hào)光場(chǎng)為:本地振蕩光場(chǎng)為:則兩束光混頻后產(chǎn)生的差頻光強(qiáng)度為:第27頁/共56頁式I（t）為探測(cè)器光敏面上的光功率強(qiáng)度，W/m2，探測(cè)到的光信號(hào)包括三部分，即回波光信號(hào)、本地振蕩光信號(hào)及外差拍頻信號(hào)。第28頁/共56頁5.4激光雷達(dá)簡(jiǎn)介注：其中前兩項(xiàng)直流信號(hào)通過高通濾波器后被清除，最后只剩下差頻信號(hào)。外差接收技術(shù)的特點(diǎn)：極高的探測(cè)靈敏度、包含更多的信息，比直接探測(cè)靈敏度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。5.4.3

激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)測(cè)量1、激光測(cè)速方法一：對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)測(cè)距，由距離隨時(shí)間的變化率計(jì)算出目標(biāo)的速度。測(cè)量速度精度不高；方法二：采用外差多普勒頻移效應(yīng)測(cè)量。目標(biāo)多普勒頻移量為：頻移量與激光波長成反比，因此激光產(chǎn)生的頻移量比無線電雷達(dá)大許多倍，目標(biāo)速度測(cè)量精度比無線電雷達(dá)高λ—激光波長；vT—目標(biāo)徑向速度；第29頁/共56頁許多。2、角度測(cè)量采用多元探測(cè)器（如四象限探測(cè)器）。目標(biāo)被激光照射后產(chǎn)生回波信號(hào)成像，由于每個(gè)象限元參數(shù)相同且彼此絕緣，所以每個(gè)象限元接收回波光能量不同，每個(gè)象限信號(hào)大小不同。比較相鄰兩個(gè)象限的信號(hào)幅度就能判斷出角偏差。當(dāng)四個(gè)象限元的信號(hào)強(qiáng)度相等時(shí)所對(duì)準(zhǔn)的角度就是目標(biāo)準(zhǔn)確的空間角度。5.4激光雷達(dá)簡(jiǎn)介5.4激光雷達(dá)簡(jiǎn)介第30頁/共56頁3、激光雷達(dá)目標(biāo)特征識(shí)別方法一：角分辨距離成像；如同電視光柵掃描方式連續(xù)掃描，目標(biāo)形狀用灰度或彩色顯示出來，從而可通過目標(biāo)三維外形輪廓識(shí)別。方法二：速度角分率掃描成像；探測(cè)并區(qū)分運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與地物背景，用于飛機(jī)或?qū)椀匦纹ヅ涓櫤驼系K回避。方法三：距離多普勒成像；區(qū)分目標(biāo)各個(gè)部分的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方法四：多普勒頻移識(shí)別技術(shù)；根據(jù)每個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)具有的機(jī)械振動(dòng)頻譜，目標(biāo)受激光照射后目標(biāo)表面的機(jī)械振動(dòng)對(duì)激光束進(jìn)行調(diào)制并產(chǎn)生多普勒頻移。把測(cè)得的信號(hào)頻譜經(jīng)變換處理與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中各個(gè)目標(biāo)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，自動(dòng)判斷結(jié)果。4.5磁共振法測(cè)量磁場(chǎng)第31頁/共56頁5.5激光探測(cè)的抗干擾措

施5.5.1探測(cè)系統(tǒng)的噪聲組成①背景干擾噪聲。包括太陽的直射或經(jīng)地物漫反射的雜散光，在中紅外波段主要是來自背景的自熱輻射。②探測(cè)器的幾種主要的固有噪聲散粒噪聲；與光電探測(cè)器的暗電流有關(guān)，與工作頻率無關(guān)。熱噪聲；任何電阻材料都有熱噪聲，與工作溫度成正比。③放大器噪聲4.5磁共振法測(cè)量磁場(chǎng)第32頁/共56頁5.5.2激光探測(cè)的抗干擾措施①合理選擇接收視場(chǎng)，插入窄帶濾光片，抑制背景光干擾；②合理選擇發(fā)射激光的調(diào)制波型，以獲得最好的信噪比；③采用抗干擾能力的探測(cè)方法；④信號(hào)處理中，采用適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?；如采用低噪、高增益前置放大器。采用雙鑒相電路等。4.5磁共振法測(cè)量磁場(chǎng)射頻振蕩器它用于產(chǎn)生固定頻率的電磁輻射，通常頻率為6×107（HZ）。這個(gè)輻射的磁場(chǎng)起B(yǎng)⊥的作用。第33頁/共56頁掃描線圈用于使外磁場(chǎng)作微小振蕩，從而使我們能在示波器上看到尖銳的共振峰。探測(cè)器用于探測(cè)從振蕩器中吸收的能量。調(diào)磁場(chǎng)核磁共振實(shí)驗(yàn)示意圖4.5磁共振法測(cè)量磁場(chǎng)調(diào)頻核磁共振實(shí)驗(yàn)示意圖第34頁/共56頁樣品(如水)裝在小瓶中置于磁體兩極之間，瓶外繞以線圈，由射頻振蕩器向它輸入射頻電流。這電流就向樣品發(fā)射同頻率的電磁波，其頻率大致與外磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的頻率相等。為了精確地測(cè)定共振頻率，就用一個(gè)調(diào)頻振蕩器使射頻電磁波的頻率在共振頻率附近連續(xù)變化。當(dāng)電磁波頻率正好等于共振頻率時(shí)，射頻振蕩器的輸出就出現(xiàn)一個(gè)吸收峰，它可以從示波器上看出，同時(shí)由頻率計(jì)數(shù)器讀出此共振頻率。4.5磁共振法測(cè)量磁場(chǎng)當(dāng)調(diào)節(jié)射頻振蕩器頻率為ω0時(shí)，共振峰出現(xiàn)在示波器中心位置，對(duì)應(yīng)的場(chǎng)值即為被測(cè)磁場(chǎng)值B0，如射頻場(chǎng)頻率偏離了ω0，則共振峰也會(huì)偏離示波器的中心點(diǎn)。由此可見，只要測(cè)出共振峰在示波器中心位置時(shí)的射頻振蕩器的頻率，在根據(jù)便可計(jì)算出被測(cè)磁場(chǎng)值。第35頁/共56頁第四章 磁探測(cè)技術(shù)（a）ρT/K0T/Kρ0ρ0K第36頁/共56頁ρ0TC（b）4.6超導(dǎo)效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)基本原理相關(guān)概念超導(dǎo)電性：在某一溫度TC以下電阻值突然消失的現(xiàn)象。超導(dǎo)體：具有超導(dǎo)電性的物體。臨界溫度(TC)：超導(dǎo)體從具有一定電阻值的正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚低蝗粸榱銜r(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度,其值一般從3.4K至18K電阻隨溫度變化曲線a、正常導(dǎo)體；b、超導(dǎo)體4.6超導(dǎo)效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)超導(dǎo)體特性零電阻特性（理想導(dǎo)電性）若將一超導(dǎo)環(huán)置于外磁場(chǎng)中，然后使其降溫至臨界溫度以下，再撤掉外加磁場(chǎng)，此時(shí)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)環(huán)內(nèi)有一感生電流I，超導(dǎo)環(huán)內(nèi)無電阻消耗能量，此電流將永遠(yuǎn)維持下去，因無電阻。第37頁/共56頁4.6超導(dǎo)效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)完全逆磁性（邁斯納效應(yīng)）超導(dǎo)體不管在有無外磁場(chǎng)存在情況下，一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，其內(nèi)部磁場(chǎng)均為零，即磁場(chǎng)不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部而具有排磁性，亦稱之為邁斯納效應(yīng)。第38頁/共56頁4.6超導(dǎo)效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)磁通量子化假定有一中空?qǐng)A筒形超導(dǎo)體按下列步驟進(jìn)行：(1)常態(tài)讓磁場(chǎng)H穿過圓筒的中空部分。

(2)超導(dǎo)態(tài)筒的中空部分有磁場(chǎng)。(3)超導(dǎo)態(tài)撤掉磁場(chǎng)H，圓筒的中空部分仍有磁場(chǎng)，并使磁場(chǎng)保持不變。稱為凍結(jié)磁通現(xiàn)象。超導(dǎo)圓筒在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，中空部分的磁通量是量子化的，并且只能取φ0的整數(shù)倍，而不能取任何別的值。h—普郎克常數(shù)，e

—電子電量，φ0—磁通量量子，磁通量自然單位中空部分通過的總磁通量第39頁/共56頁4.6超導(dǎo)效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)3.

約瑟夫遜效應(yīng)絕緣層第40頁/共56頁超導(dǎo)結(jié)示意圖兩塊超導(dǎo)體中間隔著一厚度僅10～30?的絕緣介質(zhì)層而形成的“超導(dǎo)體—絕緣層—超導(dǎo)體”的結(jié)構(gòu)，通常稱這種結(jié)構(gòu)為超導(dǎo)隧道結(jié)，也稱約瑟夫遜結(jié)。超導(dǎo)電子能通過絕緣介質(zhì)層，表現(xiàn)為電流能夠無阻擋地流過，表明夾在兩超導(dǎo)體之間的絕緣層很薄且具有超導(dǎo)性。約瑟夫遜結(jié)能夠通過很小超導(dǎo)電流的現(xiàn)象，稱為超導(dǎo)隧道結(jié)的約瑟夫遜效應(yīng)，也稱直流約瑟夫遜效應(yīng)。超導(dǎo)結(jié)在直流電壓作用下可產(chǎn)生交變電流，從而輻射和吸收電磁波。這種特性稱為交流約瑟夫遜效應(yīng)。4.6超導(dǎo)效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)第41頁/共56頁直流約瑟夫遜效應(yīng)表明，超導(dǎo)隧道結(jié)的介質(zhì)層具有超導(dǎo)體的一些性質(zhì)，但不能認(rèn)為它是臨界電流很小的超導(dǎo)體，它還有一般超導(dǎo)體所沒有的性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)結(jié)區(qū)兩端加上直流電壓時(shí)，結(jié)區(qū)會(huì)出現(xiàn)高頻的正弦電流，其頻率正比于所加的直流電壓，即f=KV式中

K=2e/h=483.61012Hz/V。根據(jù)電動(dòng)力學(xué)理論高頻電流會(huì)從結(jié)區(qū)向外輻射電磁波?？梢姡瑢?dǎo)隧道結(jié)在直流電壓作用下，產(chǎn)生交變電流，輻射和吸收電磁波，這種特性即交流約瑟夫遜效應(yīng)。4.6超導(dǎo)效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)4.

IC—H

特性約瑟夫遜的直流效應(yīng)受著磁場(chǎng)的影響。而臨界電流IC

對(duì)磁場(chǎng)亦很敏感，即隨著磁場(chǎng)的加大臨界電流IC逐漸變小。第42頁/共56頁4.6超導(dǎo)效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)根據(jù)量子力學(xué)理論，超導(dǎo)結(jié)允許通過的最大超導(dǎo)電流Imax與φ的關(guān)系式IC

是的φ周期函數(shù)第43頁/共56頁φ——沿介質(zhì)層及其兩側(cè)超導(dǎo)體邊緣透入超導(dǎo)結(jié)的磁通量；

φ0——磁通量子；IC(0)——沒有外磁場(chǎng)作用時(shí)，超導(dǎo)結(jié)的臨界電流。臨界電流隨外磁場(chǎng)周期起伏變化，這是由于在一定磁場(chǎng)作用下，超導(dǎo)結(jié)各點(diǎn)的超導(dǎo)電流具有確定的相位。相位相反的電流互相抵消；相位相同的電流互相迭加。4.6超導(dǎo)效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)第44頁/共56頁5.

測(cè)磁方法在超導(dǎo)結(jié)的兩端接上電源,電壓表無顯示時(shí),電流表所顯示的電流是為超導(dǎo)電流;電壓表開始有電壓顯示時(shí),則電流表所顯示的電流為臨界電流IC,此時(shí),加入外磁場(chǎng)后,臨界電流將有周期性的起伏,且其極大值逐漸衰減,振蕩的次數(shù)

n乘以磁通量子φ0,可得到透入超導(dǎo)結(jié)的磁通量φ=nφ0。而磁通量和磁場(chǎng)H成正比關(guān)系,如果能求出φ,磁場(chǎng)H即可求出。同理,若外磁場(chǎng)H有變化,則磁通量亦隨變化,在此變化過程中,臨界電流的振蕩次數(shù)n乘以φ0即得到磁通量的大小,亦反映了外磁場(chǎng)變化的大小。因而,可利用超導(dǎo)技術(shù)測(cè)定外磁場(chǎng)的大小及其變化4.6超導(dǎo)效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)4.6.2超導(dǎo)量子干涉器件超導(dǎo)量子干涉器（SQUID）是指由超導(dǎo)隧道結(jié)和超導(dǎo)體組成的閉合環(huán)路。其臨界電流是環(huán)路中外磁通量的周期函數(shù)；其周期則為磁通量子φ0，它具有宏觀干涉現(xiàn)象。通常，人們稱這樣的超導(dǎo)環(huán)路為超導(dǎo)量子干涉器件。超導(dǎo)量子干涉器件有兩種類型：第45頁/共56頁射頻超導(dǎo)量子干涉器（RF

SQUID）直流超導(dǎo)量子干涉器（DC

SQUID）4.6超導(dǎo)效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)1.

RFSQUID射頻超導(dǎo)量子干涉器含有一個(gè)超導(dǎo)隧道結(jié)的超導(dǎo)環(huán)，在超導(dǎo)環(huán)中存在超導(dǎo)量子干涉效應(yīng)