光電檢測技術(shù)與應(yīng)用_第5章__光電直接檢測系統(tǒng)

1、光電直接檢測系統(tǒng)是將待光信號直接入射到光檢測器光敏面上，光檢測器響應(yīng)光輻射強度（幅度）并輸出相應(yīng)的電流和電壓。檢測系統(tǒng)經(jīng)光學天線或直接由檢測器接收光信號，前端還可經(jīng)過頻率濾波和空間濾波等處理。強度調(diào)制器光學天線光學通道接收天線及光電檢測器光電信號處理器光源信號發(fā)射機背景噪聲場接收機電路噪聲回收的信息強度調(diào)制直接檢測模型強度調(diào)制直接檢測模型假定入射光信號電場為： tAtEscos5-1光場平均光功率為： 22_2AtEPss表示 _2tEs tEs2的時間平均值；5-2光檢測器輸出電流為： 2_22AhetEhePIsss稱為光電變換比例常數(shù)he5-3光檢測器的平方律特性：光電流正比于光電場振幅

2、的平方，電輸出功率正比于入射光功率的平方。若光檢測器負載電阻RL，則光檢測器輸出電功率為：LsLsoRPheRIP2225-4如果入射光是調(diào)幅波，即 ttdAtEscos1其中d(t)為調(diào)制信號，可推導(dǎo)出光檢測器的輸出電流為:5-5 tdAAis2221式中第一項為直流項，若光檢測器輸出端有隔直電容，則輸出光電流只包含第二項，稱為包絡(luò)檢測。5-6光檢測器輸出的總功率包括信號電功率和噪聲功率，可表示為：22nsLnooPPRhePP5-7考慮到信號和噪聲的獨立性，有：22sLoPRheP222nnsLnoPPPRheP5-8由信噪比定義，輸出功率信噪比為：nsnsnnssnoopPPPPPPPP

3、PPSNR2122225-9nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222說明輸出信噪比是輸入信噪比的平方，可見，直接檢測系統(tǒng)不適用于輸入信噪比小于1或微弱光信號的檢測。輸出信噪比是輸入信噪比的一半。即經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，信噪比損失了3dB。實際應(yīng)用中可以接受。(1)若1nsPP，則有：2nspPPSNR5-10(2) 若1nsPP，則有：nspPPSNR215-11考慮直接檢測系統(tǒng)中存在的所有噪聲，則輸出噪聲總功率為：LNTNDNBNSnoRiiiiP_2_2_2_2_2_2_2,NDNBNSiii和分別為信號光、背景光和暗電流引起的散粒噪聲。_2NTi為負載電阻和放大器的熱噪聲之

4、和。5-12_2_2_2_222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR輸出信噪比為：5-13_2_2_2_222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR 當熱噪聲是直接檢測系統(tǒng) 的主要噪聲源時，直接檢測系統(tǒng)受熱噪聲限制，信噪比為：LspRfkTPheSNR422熱5-14 當散粒噪聲遠大于熱噪聲時，直接檢測系統(tǒng)受散粒噪聲限 制，信噪比為：_2_2_222NDNBNSsp散iiiPheSNR5-15 當背景噪聲是直接檢測系統(tǒng)的主要噪聲源時，直接檢測系統(tǒng) 受背景噪聲限制，信噪比為：BsBspPfhPPhefePheSNR22222背5-16假定光波長=0.7m，檢測器的量子效

5、率=1，測量帶寬f=1，由上式得到系統(tǒng)在量子極限下的最小可檢測功率為WP18min10 當入射信號光波所引起的噪聲為直接檢測系統(tǒng)的主要噪聲源時，直接檢測系統(tǒng)受信號噪聲限制，這時信噪比為：fhPSNRsp2信5-17該式為直流檢測在理論上的極限信噪比，稱為直接檢測系統(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，直接檢測系統(tǒng)理論上可測量的最小功率為：fhNEP2量5-18在實際直接檢測系統(tǒng)中，很難達到量子極限檢測。實際系統(tǒng)總會有背景噪聲、檢測器和放大器的熱噪聲。背景限信噪比可以在激光檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)，是因為激光光譜窄，加濾光片很容易消除背景光，實現(xiàn)背景限信噪比。系統(tǒng)趨近

6、于量子極限意味著信噪比的改善，可行方法是在光電檢測過程中利用光檢測器的內(nèi)增益獲得光電倍增，如光電倍增管。當倍增很大時，熱噪聲可忽略，同時加致冷、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。但倍增管也會帶入噪聲，增益過程中使噪聲增加。在直接檢測中，光電倍增管、雪崩管的檢測能力較高，采用有內(nèi)部高增益的檢測器可使直接檢測系統(tǒng)趨近于檢測極限。對于光電導(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。直接檢測系統(tǒng)視場角Du fd檢測器物鏡視場角表示系統(tǒng)能檢測到的空間范圍，是檢測系統(tǒng)的性能指標之一。對于檢測系統(tǒng)，被測物看作是在無

7、窮遠處，且物方與像方介質(zhì)相同。當檢測器位于焦平面上時，其半視場角為：或視場角立體角為：2fAdfd25-19頻帶寬度f是光電檢測系統(tǒng)的重要指標之一。檢測系統(tǒng)要求f應(yīng)保存原有信號的調(diào)制信息，并使系統(tǒng)達到最大輸出功率信噪比。系統(tǒng)按傳遞信號能力，可有以下幾種方法確定系統(tǒng)頻帶寬度。對于輸入信號為矩形波時，通過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)輸入信號波形，要求系統(tǒng)帶寬f：在輸入信號為調(diào)幅波時，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系統(tǒng)。04f5-20光電檢測系統(tǒng)的靈敏度在不同的用途時，靈敏度的表達形式不同，在對地

8、測距、搜索和跟蹤等系統(tǒng)中，通常用“檢測距離”來評價系統(tǒng)的靈敏度。對于其他系統(tǒng)的靈敏度亦可用距離方程推演出來。直接檢測系統(tǒng)分為被動檢測和主動檢測系統(tǒng)，其距離方程不同。下面分別進行推導(dǎo)。強度調(diào)制器光學天線光學通道接收天線及光電檢測器光電信號處理器光源信號發(fā)射機背景噪聲場接收機電路噪聲回收的信息1、被動檢測系統(tǒng)的距離方程被動檢測過程示意圖大氣傳播eEeP接收光學系統(tǒng)信號處理接收機接收信息光電檢測LsV被測目標eI光譜輻射強度L傳播距離大氣光譜透過率1VR光譜響應(yīng)度00A入射孔徑面積光譜透過率設(shè)被測目標的光譜輻射強度為eI經(jīng)大氣傳播后到達接收光學系統(tǒng)表面的光譜輻射照度 為：eE21LIEee入射到檢測

9、器上的光譜功率 為：eP002100ALIAEPeee根據(jù)目標輻射強度最大的波段范圍及所選取檢測器光譜響應(yīng)范圍共同決定選取的12的輻射波段，可得到檢測器的輸出信號電壓為：21210120dRILAdRPVVeVes5-211、被動檢測系統(tǒng)的距離方程210120dRILAVVes1、被動檢測系統(tǒng)的距離方程 都是波長的復(fù)雜函數(shù)，難有確切的解析表達式。通常作如下簡化處理：VeR、I和01式中 取1為被測距離L在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的平均透過率1。 光學系統(tǒng)的透過率0對光譜響應(yīng)范圍內(nèi)平均值。 把檢測器的光譜響應(yīng)帶看成是一個矩形帶寬。即在響應(yīng)范圍內(nèi)為 常數(shù)RV，在其它區(qū)域為零。根據(jù)物體的溫度T查表，可計算出在

10、考查波段范圍內(nèi)的黑體輻射強度， 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)的輻射強度Ie。將上述值代入5-22式，可得：令檢測器的方均根噪聲電壓為Vn，則它的輸出信噪比為：210120dRILVAVVVenns5-22VennsRILVAVV01205-23210120dRILVAVVVenns即：21010nsVVnVeVRIAL5-24又因為：fADVRdnV*5-25將上式代入5-24，可得：21*010fADIALdVVens5-26為清楚地看出系統(tǒng)各部件對檢測距離的影響，把調(diào)制特性考慮為對入射功率的利用系數(shù)km，則上式改寫為： 21212121*001nsmdeVVfkAD

11、AIL5-27第一個括號是目標輻射特性及大氣透過率對檢測距離的影響；第二個括號和第三個括號表示光學系統(tǒng)及檢測器件特性對作用距離的影響；第四個括號是信息處理系統(tǒng)對作用距離的影響。大氣傳播 Lk傳播距離衰減系數(shù)2LSLL后光斑面積經(jīng)距離 eE eIrSa反射系數(shù)反射面積 P dP接收光學系統(tǒng)信號處理接收機回收信息0立體角接收口徑D 02透過率光電檢測強度調(diào)制器發(fā)射光學系統(tǒng)光源信號發(fā)射機 sPmk 01 TP反射目標LsV2、主動檢測距離方程主動檢測過程示意圖主動檢測系統(tǒng)的光源主要為激光光源。令其發(fā)射功率為Ps()；發(fā)射束發(fā)散立體角為；發(fā)射光學系統(tǒng)透過率為01()，經(jīng)調(diào)制的光能利用率為km，則發(fā)射機

12、發(fā)射的功率PT()為： mskP01TP激光在大氣中傳播時，能量若為按指數(shù)規(guī)律衰減，令衰減系數(shù)為k()，經(jīng)傳播距離L后光斑面積為SL=L2，光斑SL的輻射照度Ee為： LkTLkLTeLPeSP2eE設(shè)在距光源L處有一目標，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度Ie() 為： LkaLeaerSLPErS2e1I2、主動檢測距離方程假定接收機和發(fā)射機在一處，反射光經(jīng)大氣傳輸?shù)浇邮掌鞯倪^程仍遵守指數(shù)規(guī)律衰減，衰減系數(shù)仍為k()，則接收功率為： LkaTerSLDP2420e4IP式中，D0為光學系統(tǒng)接收口徑；

13、=D02/4L2為接收系統(tǒng)的立體角。如果接收光學系統(tǒng)的透過率為02()，則檢測器上接收到的總功率為： LkamseLDkSkP242002d4PP式中: rk0201檢測器上的輸出電壓為： VLkamsVReLDkSkPR2420ds4PV式中：RV()為檢測器相對光譜響應(yīng)度，將5-25式代入上式得距離L為： VLkamsVReLDkSkPR2420ds4PV 412*204LLkdnsamsefAVVDDkSkP如果目標反射面積Sa等于光斑照射面積L2，則上式可化為： 212*204LLkdnsmsefAVVDkDkP可知，影響檢測距離的因素很多，發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)的大氣特性以及目標反射特性

14、都將影響檢測距離。計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 莫爾條紋測長儀在檢測技術(shù)中常用的是計量光柵。計量光柵主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象，常用于位移測量，有很高的分辨力，可優(yōu)于0.1m。 計量光柵由標尺光柵（主光柵）和指示光柵組成，標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）。在長光柵中標尺光柵固定不動，而

15、指示光柵安裝在運動部件上，所以兩者之間可以形成相對運動。 在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊和在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角，光柵節(jié)距為P。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，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)。 計量光柵主光柵指示光柵莫爾條紋光柵原理莫爾條紋光柵原理 構(gòu)成構(gòu)成：主光柵主光柵-標尺光柵，標尺光柵，定光柵定光柵指示光柵指示光柵-動光動光柵柵橫向莫爾條紋特征當指示光柵沿x軸（例如水平方向）自左向右移動時，莫爾條紋的亮帶和暗帶將順序自下而上不斷地掠過

16、光敏元件（在演示中就是我們的眼睛）。光敏元件“觀察”到莫爾條紋的光強變化近似于正弦波變化。光柵移動一個柵距P，光強變化一個周期。由于光柵的刻線非常細微，很難分辨到底移動了多少個柵距，而利用莫爾條紋具有放大作用，當光柵移動了一個節(jié)距時P，莫爾條紋移動了一個寬度B。且滿足關(guān)系式： sinPB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）對應(yīng)關(guān)系：當指示光柵沿與柵線垂直的方向作相對移動時，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動（兩者的運動方向相互垂直）；指示光柵反向移動，莫爾條紋亦反向移動。在圖中，當

17、指示光柵向右移動時，莫爾條紋向上運動。 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而改變。越小，B越大，相當于把微小的柵距P擴大了 倍。由此可見，計量光柵起到光學放大器的作用。sin/ 1WWBCABBH2422sin22放大倍數(shù)為放大倍數(shù)為 1/,1/,越小越小, , B B越大。越大。例如例如=0.1=0.1時時 =0.1=0.1=0.1=0.12/360 2/360 =0.00175432rad=0.00175432radW=0.02mm BW=0.02mm BH H=11.4592mm=11.4592mm。光電傳感器輸出信號波形光電傳感器輸出信號波形

18、當光柵相對位移一個柵距時，莫爾條紋移動一個條紋寬度，相應(yīng)當光柵相對位移一個柵距時，莫爾條紋移動一個條紋寬度，相應(yīng)照射在光電池上的光強度發(fā)生一個周期的變化，使輸出電信號周期照射在光電池上的光強度發(fā)生一個周期的變化，使輸出電信號周期變化，其輸出波形如圖：變化，其輸出波形如圖： 由此可知，只要計算輸出電壓的周期數(shù)，便可測出位移量。從而實由此可知，只要計算輸出電壓的周期數(shù)，便可測出位移量。從而實現(xiàn)了位移量向電量的轉(zhuǎn)換。在一個周期內(nèi)，輸出波形的變化是位移在現(xiàn)了位移量向電量的轉(zhuǎn)換。在一個周期內(nèi)，輸出波形的變化是位移在一個柵距內(nèi)變化的余弦函數(shù)，每一周期對應(yīng)一個柵距。一個柵距內(nèi)變化的余弦函數(shù)，每一周期對應(yīng)一個

19、柵距。辨向原理：辨向原理： 用兩個光電元件相距用兩個光電元件相距B/4安裝（相當于相差安裝（相當于相差90空間角，空間角，B: 2=B/4: /2），如圖所示，可以解決辨向問題。），如圖所示，可以解決辨向問題。 當條紋上移時，當條紋上移時，V2落后于落后于V1 90。 當條紋下移時，當條紋下移時，V2超前于超前于V1 90。 因此，由因此，由V1、V2之間的相位關(guān)系可以之間的相位關(guān)系可以 判別運動方向。判別運動方向。細分技術(shù)細分技術(shù)（解決精度問題）（解決精度問題） 當使用一個光電池通過判斷信號周期的方法來進行位移當使用一個光電池通過判斷信號周期的方法來進行位移測量時，最小分辨力為測量時，最小分

20、辨力為1個柵距。為了提高測量的精度，提高個柵距。為了提高測量的精度，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)過信號調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對信號進行細分，雙光電元件的基礎(chǔ)上，經(jīng)過信號調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對信號進行細分，其電路框圖如圖所示。其電路框圖如圖所示。 4B 代表性產(chǎn)品：代表性產(chǎn)品： 德國德國Heidenhain（海德漢）：（海德漢）：封閉式：量程封閉式：量程3000mm，分辨力，分辨力0.1 m開放式：量程開放式：量程1440mm，分辨力，分辨力0.01m開放式：量程開放式：量程270mm 分辨力分辨力1nm英國英國Renishaw（雷尼紹）：（雷尼紹）： 量程：任意分辨力：量程：任意分辨力： 0.1 m 0.01 m中國長春光機所：中國長春光機所： 量量 程：程：1000mm 分辨力：分辨力：0.01 m脈沖激光測距的工作原理2/ tcD脈沖激光測距