第九章-現(xiàn)代光電技術

1、第一節(jié)概述 第二節(jié)激光測量技術 第三節(jié)視覺檢測技術 第四節(jié)光纖測量技術 現(xiàn)代光電測試技術的發(fā)展與新光源、新光電器件及微電子技術、計算機技術 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。此外在激光準直、激光全息、激光掃

2、描、激光跟蹤、激光光 譜、激光多普勒技術等都顯示了激光測量的巨大優(yōu)越性。可以說激光測量技 術是現(xiàn)代光電測試技術中的最重要技術。 一、 激光干涉測長技術 二、共光路激光干涉儀測量技術 三、激光外差干涉測量技術 四、激光掃描測量、掃描定位與掃描跟蹤 CONTOUR XLRic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 量程遠，精度高 重量輕，體積小 防水、防塵(IP67、NEMA 6) 方形激光瞄準框，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

3、工學設計，方便手持測量 電源開關 測試/回車 亮度/聲音模式 菜單/退出 PWR電源開關 在儀器開機狀態(tài)下，按住改按鍵超過2秒鐘，儀器進入關機狀態(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 菜單并進行各種設定；再次按動該按鍵，將退出菜單模式，設備將進入此前 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） BRT/VOL電源開關 該按鍵有兩個功能：1，調節(jié)紅色激光瞄準框的亮度、調節(jié)蜂

4、鳴器的聲音的大 小、打開或者關閉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

5、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） 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50130度）；精度0.2度 水平角度測量范圍0360度；精度0.5度 2,所有測量模式（共11個模式） 標準模式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 1,標準模式(R/B/I MODE) 瞄準目標后，按動測量按鍵，將會在LCD顯示器上顯示”儀器到目標的距離

6、”， “儀器到目標的水平偏角(磁偏角或真北偏角)”，“儀器到目標的垂直傾角”； 注意：要想獲得比較精確的結果，瞄準目標后，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果； 對于不易測量的目標，可以延長按住測量鍵的時間，直到結果顯示出來； 2,2點測高模式(2 shot height mode) 該模式用于測量任意兩點間的高差；（同一目標或不同目標） 當顯示Measure #1，表示可以瞄準第一個點進行測量了（注：第一點可以是高 點，也可以是低點）；等第一個點測量結束，屏幕會顯示Measure #2，表示可 以瞄準第二個點進行測量了

7、；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； 3,3點測高模式(3 shot height mode) 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

8、一個垂直線上），否 則得到的結果誤差會比較大； 4,2點中分測量模式(2 shot Bisect) 該模式用于在設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34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(Horiz Di

9、st Mode) 該模式用于測量儀器到目標間的水平距離； 測量過程是這樣的：對準目標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/Grade Mode) 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-shot Sa

10、g Mode) 該模式用于測量兩個線桿間導線的下垂垂度； 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(Horiz Line Mode) 該模式用于測量兩個目標間的水平距離； 測量過程是這樣的：先測量一個目標上的一個點，再測量另外一個目標上的一個 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間的水平距離，而不是儀器到目標間的距離； 模式功能詳解 9,3D線測量模式

11、(3-D Line Mode) 該模式用于測量兩個目標間的斜距； 測量過程是這樣的：先測量一個目標上的一個點，再測量另外一個目標上的一個 點，然后就能得到這兩個點之間的”連線長度“； 注意：測量的是兩個目標間的距離，而不是儀器到目標間的距離； 模式功能詳解 10,矩形面積測量模式(Rectangular Area Mode) 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(Area Mode) 該模式用于測量一個任意形

12、狀的面積和周長； 測量過程是這樣的：比較復雜，看圖解釋； 1，目標：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，瞄準的穩(wěn)定性； 4，磁影響； 5，操作者的經驗和技能； 6，其它因素； 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； Charge Coupled Device（CCD）電荷耦合 器件,一種半導體裝置,能夠把光學影像轉化 為數(shù)字信號.在實際情況中,光柵的變化會導 致相干圖樣的改變，CCD將這些細微改變轉 化為電信號，傳輸給計算機進行分析，從而 做出相應的反應。 相干性好相干性好 亮度極

13、高亮度極高 顏色極純顏色極純 在CCD接受靶運動過程中， 實時計算檢測位置與初始 位置的坐標差 (Y,X,H), 其中 Y=Y-Y0; X=X-X0 根據(jù)坐標差,工程師就可以 方便地找到需要調整的位 置，調整方向及調整量。 Rmrm 二、共光路激光干涉儀測量技術 (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 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 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，當兩束 光的光程相差激光半波長的偶數(shù)

14、倍時，它們相互加強形成亮條紋；當 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，于是干涉條紋就產生一個周期的明、暗變化。 這個變化由光電轉換裝置轉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 2 NL j M J j N i ii lnln 11 45 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)的設計問

15、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 LNL LNL 7 6 10 1 1 . 010 7 10 46 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，

16、對激光器要采取 穩(wěn)頻措施； 邁克爾遜干涉儀：由它來產生干涉條紋；（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)或與之對應的長度； 光電顯微鏡：作用是對準待測物體，分別給出起始信號和終止信號； 47 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

17、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 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 實際應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

18、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。 當測量鏡正向移動時產生的脈沖為正脈沖，而反向移動時 產生的脈沖為負脈沖。 50 干涉條紋計數(shù)時，通過移相獲得兩路相差/2的干涉條紋的光強 信號，該信號經放大，整形，倒向及微分等處理,可以獲得四個 相位依次相差/2的脈沖信號（圖6-5）。實現(xiàn)干涉條紋的四倍頻 記數(shù)。相應的測量方程變?yōu)?圖6-5 判向計數(shù)原理框圖 8 LN 51 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

19、率從0 最大值0；光強轉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。 載波信號產生方法：使參與干涉的兩束光產生一個頻率差，這樣的兩 束光干涉會產生“光學拍”現(xiàn)象，轉化為電信號得到差頻信號。（光外 差干涉）。 52 其中氦氖激光器上沿軸向施加以磁場，由于塞曼效應激光被分裂成有 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

20、圖6-6 雙頻激光干涉儀光路圖 c D 22 NdtdtdtL ttt D 222 000 53 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。被測的轉角為： R dt R L t DD 2 arcsinarcsin 0 21 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

21、接收器；9: 補償環(huán) 0 1 2 m nN L 55 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衍射測量的原理：單縫夫瑯和費衍射。條紋的光強可表示為單縫夫瑯和費衍射。條紋的光強可表示為： 圖6-9 衍射測量原理圖 2 0 2 sin sin sintan k k b II xL 暗條紋 單縫衍射測量的基本公式單縫衍射測量的基本公式: ,: , 當被測物體尺寸改變當被測物體尺寸改變時，相當于狹縫尺時，相當于狹縫尺 寸改變寸改變，衍射條紋的位置也隨之改變，衍射條紋的位置也隨之改變, ,

22、可得可得 k x kL b 0 0 11 kk xx kLbb 單縫衍射測量的分辨力、精度和量程單縫衍射測量的分辨力、精度和量程: : kL b dx db t k 2 2 2 22 k kkk x x kL L x k x kL b 56 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 2 1 0 )(2 x xJ II P a f d 22. 1 2sin 1.22 a x 57 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

23、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 間隙測量法的應用 sinsin ) ( sin sin Nkk kk bb 58 反射衍射是利用被測物的邊緣和反射鏡構成的狹縫來進行衍射測量的。 圖6-12 反射衍射法原理圖 在在P P點處出現(xiàn)第級暗條紋的光程差應滿足點處出現(xiàn)第級暗條紋的光程差應滿足 , ,在該圖的幾何關系在該圖的幾何關系 下縫寬可以表示為下縫寬可以表示為 kbbsin2sin2 sin 2 cos2 L x xkLb k k 59 利

24、用參考物與被測物不在同一平面內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 1k x 2k x L zx x Lk L zx x Lk b k k k k 22 2 2 21 1 1 60 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。當用平面波照射時，它們產生的 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0.010.1mm，測量精度可 達到0.05微米。 圖6-14 巴比涅互補衍

25、射屏 61 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 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 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

26、薄帶寬度測量原理圖 一、視覺檢測系統(tǒng)的組成 二、典型視覺檢測系統(tǒng) 三、視覺檢測的標定方法 四、視覺檢測圖像處理基礎 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系統(tǒng)運動。 3)被測物和光學系統(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)視覺檢測技術在醫(yī)學和生物學中的應用 (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用實例 a)外徑測量b)寬

27、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)視覺檢測技術在醫(yī)學和生物學中的應用 1.醫(yī)學紅外熱成像技術 2. X射線數(shù)字影像設備 3. X射線計算機斷層掃描(CT) 4.生物芯片檢測儀 三、視覺

28、檢測的標定方法 視覺坐標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和與二維圖像 的對應關系是系統(tǒng)標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點之間的相 互關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定。 一、光纖測量技術概述 二、光纖位移測量技術 三、光纖溫度測量技術 四、光纖壓力測量技術 五、光纖電流測量技術 光纖主要參數(shù)的測量光纖主要參數(shù)的測量 1. 光纖衰減的測量光纖衰減的測量 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。對衰減的測量，是指測量對

29、衰減的測量，是指測量 每單位長度的衰減值每單位長度的衰減值(以以dB/km表示表示)。只有當被測光纖處在模。只有當被測光纖處在模 功率近似穩(wěn)態(tài)分布條件下才有可能。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：建立穩(wěn)態(tài)模的方法主要有三種： (1) 擾模法。擾模法。利用擾模器，使被測光纖在距注入端不遠處產 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， 可以使光纖內的高次模損失而保存低次模，即改可以

30、使光纖內的高次模損失而保存低次模，即改 變光纖傳輸?shù)哪７植?。變光纖傳輸?shù)哪７植?。恰當?shù)卣{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(LLe)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3 m的短光 纖經擾模器，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。調節(jié)圓柱體的個數(shù) 和間距，使兩者相似，擾模器即調整合適。 圖 13.1 擾模器 a d 光纖 光纖衰減測量的常用方法光纖衰減測量的常用方法 1) 切斷法切斷法 已知光纖長度為L，將被測光纖經擾模器接至光源，如圖 13.2所示。 圖 13.2 切斷法測光纖衰減 光源

31、 擾模器 切斷 光纖 P 1 L P 2 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。 dB/km lg 10 2 1 L P P a (13.1) 2) 插入法插入法 插入法原理如圖13.3所示。利用長光纖(LLe)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光源發(fā)送固定的光功率，于是在光纖終端接收

32、到的光功率可以 表示光纖的衰減值。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 光功 率計 光源 連接器連接器 被測光纖 L P 1 P 2 穩(wěn)態(tài)模光纖 e L L 3) 反向散射法反向散射法(光時域反射儀光時域反射儀) 反向散射法測量光纖衰減，其工作原理與光學雷達相似。 當光纖輸入端注入一個強脈沖并沿光纖傳輸時，由于光纖內部 存在微小不均勻而產生瑞利散射，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時域反射儀。用一個方向 耦合器或波束分

33、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成如圖 13.4所示， 圖 13.4 光學時域反射儀 脈沖 發(fā)生器 示波器 圖示儀 放大平均 LD APD 瑞利散射 方向耦合器 光纖 回波波形如圖13.5所示，它有一些明顯的特點： 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； 沿光纖長度分布的反向散射光， 沿著光纖受到衰減； 光纖連接接頭的光功率損耗， 引起回 波的突然下降； 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

34、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 P反射 初始脈沖 盲區(qū) 反向散射 接頭損耗 斷裂 LL 2 L 1 L 距離 P 1 P 2 O 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L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 L P P P L L P P d d lgd 5 lg 5 lg10 2 1 2 1 2 1 (13.3) 光時域反射分析儀光時域反射分析儀(OTDR)測量光纖的缺點是兩端測出的 衰減值有差

35、別， 這是因為無法控制反向散射的模場分布，從而 導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， 相當于 100 m左右長的光纖。因此，測量單模光纖時，要先連接長度在 100 m以上的參考光纖，才能進行測試。 應當指出，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生反射，從而出現(xiàn)增益的假象。 2. 光纖帶寬的測量光纖帶寬的測量

36、 1) 時域法 圖 13.6 時域法測試方框圖 驅動接收 脈 沖 發(fā)生器 取樣 示波器 X-Y 記錄儀 計算機 LD光纖APD 切 斷 t f1(t) t f2(t) 脈沖發(fā)生器產生出很窄的電脈沖波， 驅動激光器產生很窄 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23 m 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備， 也可用估算法求出光纖帶寬， 由式(8.17)可得帶寬 MHz 4

37、40 2 1 2 2 B 式中，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1=0.5 ns，2=1.2ns，則 403MHz 5 . 02 . 1 440 2 1 2 B 用估算法測光纖帶寬時，除其波形應接近高斯型外， 其發(fā)送脈 沖應很窄并滿足21.41，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6 dB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。

38、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)的頻率響應應與光源的調制頻率相適 應，在測試的光功率范圍內檢測系統(tǒng)應是線性的。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)送功率調到 接收器的線性范圍內。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2 m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 6 dB的電帶寬。 圖 13.7 頻域法測試方框圖 調制的 光 源 注入器件 及擾模 檢測及 記錄 濾模器 去包層 模器 被測光纖 觸發(fā)信號(需要時間) 切斷 3) 帶寬與線路長度的換算 上述兩種方

39、法所測出的帶寬都是光纖全長的總帶寬， 而 工程上要知道光纖每千米的帶寬值。設每千米帶寬值為B， 長 度為L km，總帶寬為B，則按式(8.19)，B=BLE MHzkm。 圖 13.8 頻域法測試曲線 dB 6 dB 輸出1 1 2 2 輸入 f 光發(fā)射機指標的測量光發(fā)射機指標的測量 1. 光發(fā)射機平均輸出光功率的測量光發(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，該項指標的測試應該按照圖 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

40、項指標的測試。 圖 13.9 光發(fā)射機平均輸出光功率和消光比測量框圖 PCM 系統(tǒng)分析儀 光發(fā)射機 光功 率計 連接器 光源 尾巴光纖 對光發(fā)射機的光源調制后，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“W”表示。 2. 光發(fā)射機消光比的測量光發(fā)射機消光比的測量 消光比是光發(fā)射機的重要技術指標。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”碼時應無光功

41、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，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)射機調制的不 完善。上述兩種現(xiàn)象都要產生額外噪聲使系統(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EXT0.1?？梢姡瑴y量光發(fā)射機 是否滿足EXT0.1的要求，對保證光接收機

42、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， 基本上認為它產生“1”碼的概率與產生 “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應乘以 2?？紤]到這一情況后，光發(fā)射機的消光比應該按 照下式計算： 1 0 2 EXT P P (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

43、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=6.23 W，P0 =3.8 W，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，應該采取措施降低消 光 比。 光接收機主要技術指標的測量光接收機主要技術指標的測量 1. 光接收機接收靈敏度的測量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 PCM 系統(tǒng)分析儀 光發(fā)射機 活動連接器 光接收機 可變光 衰減器 光功率計 按照圖 13.10 進行光接收機靈敏度測試時，還應考慮到光纖 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，因此實際靈敏度應該減去活動連接器的損耗。例如， 經 測試按式(1.19)計算出光接收機的接收靈敏度為Pr=-50.3 dBm， 光纖活動連接器的損耗為 0.7 dBm，則光接收機的實際接收靈 敏度應該為-50.3-0.7=-51 dBm。 另外，在對