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

1、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)模型強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)模型假定入射光信號(hào)電場(chǎng)為： tAtEscos5-1光場(chǎng)平均光功率為： 22_2AtEPss表示 _2tEs tEs2的時(shí)間平均值；5-2光檢測(cè)器輸出電流為： 2_22AhetEhePIsss稱為光電變換比例常數(shù)he5-3光檢測(cè)器的平方律特性：光電流正比于光電場(chǎng)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(cè)器負(fù)載電阻RL，則光檢測(cè)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(hào)，可推導(dǎo)出光檢測(cè)器的輸出電流為:5-5 tdAAis2221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：22nsLnooPPRhePP5-7考慮到信號(hào)和噪聲的獨(dú)立性，有：22sLoPRheP222nnsLnoPPPRheP5-8由信噪比定義，輸出功率信噪比為：nsnsnnssnoopPPPPPPPP

3、PPSNR2122225-9nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222說(shuō)明輸出信噪比是輸入信噪比的平方，可見，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)過光電轉(zhuǎn)換，信噪比損失了3dB。實(shí)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(cè)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(hào)光、背景光和暗電流引起的散粒噪聲。_2NTi為負(fù)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(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：LspRfkTPheSNR422熱5-14 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：_2_2_222NDNBNSsp散iiiPheSNR5-15 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：BsBspPfhPPhefePheSNR22222背5-16假定光波長(zhǎng)=0.7m，檢測(cè)器的量子效

5、率=1，測(cè)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(cè)功率為WP18min10 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：fhPSNRsp2信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：fhNEP2量5-18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

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(cè)過程中利用光檢測(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。直接檢測(cè)系統(tǒng)視場(chǎng)角Du fd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)

7、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)角立體角為：2fAdfd25-19頻帶寬度f(wàn)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f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。對(duì)于輸入信號(hào)為矩形波時(shí)，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(hào)波形，要求系統(tǒng)帶寬f：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系統(tǒng)。04f5-20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

8、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1、被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程被動(dòng)檢測(cè)過程示意圖大氣傳播eEeP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)LsV被測(cè)目標(biāo)eI光譜輻射強(qiáng)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(cè)目標(biāo)的光譜輻射強(qiáng)度為eI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：eE21LIEee入射到檢測(cè)

9、器上的光譜功率 為：eP002100ALIAEPeee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12的輻射波段，可得到檢測(cè)器的輸出信號(hào)電壓為：21210120dRILAdRPVVeVes5-211、被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程210120dRILAVVes1、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：VeR、I和01式中 取1為被測(cè)距離L在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的平均透過率1。 光學(xué)系統(tǒng)的透過率0對(duì)光譜響應(yīng)范圍內(nèi)平均值。 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?。根?jù)物體的溫度T查表，可計(jì)算出在

10、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：210120dRILVAVVVenns5-22VennsRILVAVV01205-23210120dRILVAVVVenns即：21010nsVVnVeVRIAL5-24又因?yàn)椋篺ADVRdnV*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(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，則上式改寫為： 21212121*001nsmdeVVfkAD

11、AIL5-27第一個(gè)括號(hào)是目標(biāo)輻射特性及大氣透過率對(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。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(xué)系統(tǒng)信號(hào)處理接收機(jī)回收信息0立體角接收口徑D 02透過率光電檢測(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) sPmk 01 TP反射目標(biāo)LsV2、主動(dòng)檢測(cè)距離方程主動(dòng)檢測(cè)過程示意圖主動(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()；發(fā)射束發(fā)散立體角為；發(fā)射光學(xué)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(jī)

12、發(fā)射的功率PT()為： mskP01TP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()，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(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() 為： LkaLeaerSLPErS2e1I2、主動(dòng)檢測(cè)距離方程假定接收機(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^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(xué)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(xué)系統(tǒng)的透過率為02()，則檢測(cè)器上接收到的總功率為： LkamseLDkSkP242002d4PP式中: rk0201檢測(cè)器上的輸出電壓為： VLkamsVReLDkSkPR2420ds4PV式中：RV()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： VLkamsVReLDkSkPR2420ds4PV 412*204LLkdnsamsefAVVDDkSkP如果目標(biāo)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(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

14、都將影響檢測(cè)距離。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。 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

15、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，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(cuò)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(jì)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(biāo)尺光柵，標(biāo)尺光柵，定光柵定光柵指示光柵指示光柵-動(dòng)光動(dòng)光柵柵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

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(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： 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(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)

17、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而改變。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，計(jì)量光柵起到光學(xué)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(shí)時(shí) =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(hào)波形光電傳感器輸出信號(hào)波形

18、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)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：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)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。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)

19、柵距。辨向原理：辨向原理： 用兩個(gè)光電元件相距用兩個(gè)光電元件相距B/4安裝（相當(dāng)于相差安裝（相當(dāng)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(dāng)條紋上移時(shí)，當(dāng)條紋上移時(shí)，V2落后于落后于V1 90。 當(dāng)條紋下移時(shí)，當(dāng)條紋下移時(shí)，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(yùn)動(dòng)方向。判別運(yùn)動(dòng)方向。細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù)（解決精度問題）（解決精度問題） 當(dāng)使用一個(gè)光電池通過判斷信號(hào)周期的方法來(lái)進(jìn)行位移當(dāng)使用一個(gè)光電池通過判斷信號(hào)周期的方法來(lái)進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，最小分辨力為測(cè)量時(shí)，最小分

20、辨力為1個(gè)柵距。為了提高測(cè)量的精度，提高個(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(hào)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，雙光電元件的基礎(chǔ)上，經(jīng)過信號(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。其電路框圖如圖所示。 4B 代表性產(chǎn)品：代表性產(chǎn)品： 德國(guó)德國(guó)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(guó)英國(guó)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(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所：中國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所： 量量 程：程：1000mm 分辨力：分辨力：0.01 m脈沖激光測(cè)距的工作原理2/ tcD脈沖激光測(cè)距