哈工大《光電測(cè)量技術(shù)》ppt

光電測(cè)量技術(shù)

光電測(cè)量系統(tǒng)的分類及構(gòu)成按探測(cè)方式點(diǎn)源探測(cè)系統(tǒng)面源探測(cè)系統(tǒng)光電測(cè)量系統(tǒng)的分類及構(gòu)成按系統(tǒng)工作光譜區(qū)域紫外光譜區(qū)域可見(jiàn)光譜區(qū)域紅外光譜區(qū)域光電測(cè)量系統(tǒng)的分類及構(gòu)成按照明方式主動(dòng)式被動(dòng)式光電測(cè)量系統(tǒng)的分類及構(gòu)成按系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后的信息形式成像光電系統(tǒng)非成像光電系統(tǒng)調(diào)制盤(pán)紅外系統(tǒng)十字叉紅外系統(tǒng)可見(jiàn)光紫外光四象限系統(tǒng)激光測(cè)距紅外光光電測(cè)量系統(tǒng)的分類及構(gòu)成按成像的光電轉(zhuǎn)換器件CCD成像系統(tǒng)混合型紅外光（CCD+紅外器件）混合型微光（CCD+像增強(qiáng)器件）合成孔徑成像SAR被動(dòng)式光電系統(tǒng)信息源傳輸介質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)光的信息調(diào)制光電探測(cè)器電子處理系統(tǒng)光電接收系統(tǒng)控制、處理、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、顯示等主動(dòng)式光電系統(tǒng)信息源信息調(diào)制光源傳輸介質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)光電探測(cè)器電子處理系統(tǒng)光源信息調(diào)制器信息源光電發(fā)射系統(tǒng)I光電發(fā)射系統(tǒng)II光電接收系統(tǒng)光電成像系統(tǒng)的構(gòu)成光源物體（信號(hào)源）傳輸介質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)（信號(hào)分析器）顯示器人眼光電轉(zhuǎn)換器件（信號(hào)變換器）信號(hào)處理調(diào)理采集存儲(chǔ)光信號(hào)光信號(hào)光信號(hào)電信號(hào)電信號(hào)光信號(hào)背景噪聲背景噪聲

噪聲噪聲CCD攝(成)像光電系統(tǒng)構(gòu)成光源照明系統(tǒng)被測(cè)物體成像系統(tǒng)CCD器件放大電路二值化處理微機(jī)控制顯示打印紅外光電轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)紅外鏡頭或紅外望遠(yuǎn)鏡成像光機(jī)系統(tǒng)（掃描調(diào)制）紅外成像探測(cè)系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理放大處理圖像存儲(chǔ)顯示光電系統(tǒng)的基本性能1、極限靈敏度決定作用距離2、視場(chǎng)決定測(cè)量、跟蹤和搜索范圍3、鑒別力和精度決定測(cè)量效果第六章

光束的變換（調(diào)制）與掃描技術(shù)

第一節(jié)光變換（調(diào)制）的基本概念將信息加載到光載波上，并使光的參量（振幅、頻率、相位…等）發(fā)生變化的過(guò)程稱為光變換（調(diào)制）一、變換（調(diào)制）的概念與分類

變換（調(diào)制）的基本概念

光束變換（調(diào)制）是指用某些方法改變光的參量的過(guò)程。變換（調(diào)制）可以使光攜帶信息，使其具有與背景不同的特征。光載波相干光波非相干光波光載波的特征參量光功率光相位脈沖時(shí)間光振幅光頻率傳播方向偏振方向折射率光功率光相位脈沖時(shí)間光振幅光頻率光變換（調(diào)制）的分類變換（調(diào)制）次數(shù)一次變換（調(diào)制）二次變換（調(diào)制）將信息直接調(diào)制到光載波上將光載波先人為地調(diào)制成隨時(shí)間或空間變化，然后再將被測(cè)信息調(diào)制到光載波上

連續(xù)載波的調(diào)制又稱為模擬調(diào)制。

脈沖載波的調(diào)制，又有脈沖調(diào)制和數(shù)字調(diào)制二類。數(shù)字調(diào)制是把信息以某一編碼的形式轉(zhuǎn)變成脈沖序列。而這種載波脈沖在時(shí)間上的位置是固定的，其幅度被量化了。數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)與模擬調(diào)制系統(tǒng)相比，其最大優(yōu)點(diǎn)是不受噪聲和失真的干擾，但為此所付出的代價(jià)就是系統(tǒng)的帶寬比相應(yīng)的模擬系統(tǒng)的帶寬要大很多調(diào)制器與解調(diào)器

調(diào)制即可在輻射源中也可在光路系統(tǒng)中進(jìn)行，能實(shí)現(xiàn)調(diào)制作用的裝置稱為調(diào)制器。從已調(diào)制的信息中分離并提出有用信息（即恢復(fù)原始信息）的過(guò)程稱為解調(diào)。能實(shí)現(xiàn)解調(diào)作用的裝置稱為解調(diào)器。二、調(diào)制的目的調(diào)制的目的是對(duì)所需處理的信號(hào)或被傳輸?shù)男畔⒆瞿撤N形式的變換，以便于提高系統(tǒng)的探測(cè)能力和分辨力抑制背景光的干擾抑制系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的固有噪聲和外部電磁場(chǎng)的干擾提高系統(tǒng)在信息的傳遞和測(cè)試過(guò)程中的穩(wěn)定性

三、調(diào)制信息的頻譜調(diào)制信息的一個(gè)重要特性是它的頻譜。利用有用信息頻譜和噪聲頻譜的差別，就可抑制噪聲提高信息檢測(cè)的質(zhì)量

周期信號(hào)y(t)只要滿足一定條件，均可把它展開(kāi)成為付里葉級(jí)數(shù)形式第二節(jié)光信號(hào)的調(diào)制方法用于調(diào)制的光載波通常具有諧波的形式，可用函數(shù)表示為如下形式調(diào)制后的載波一般具有如下形式：

振幅調(diào)制AM頻率調(diào)制FM相位調(diào)制PM第三節(jié)光調(diào)制測(cè)量技術(shù)光調(diào)制內(nèi)調(diào)制外調(diào)制內(nèi)調(diào)制是指從發(fā)光器的內(nèi)部采取措施，使光受到調(diào)制

在光傳播過(guò)程中進(jìn)行調(diào)制，常用各種調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn)

一、常用外調(diào)制技術(shù)（一）調(diào)制盤(pán)調(diào)制調(diào)制盤(pán)是一種光強(qiáng)度調(diào)制器

通常調(diào)制盤(pán)被置于光學(xué)系統(tǒng)的像平面上，位于光電探測(cè)器之前

光電探測(cè)器接收到的是光輻射被調(diào)制成周期性的強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)

（一）調(diào)制盤(pán)調(diào)制

調(diào)制盤(pán)調(diào)制源于軍用“點(diǎn)”源跟蹤與制導(dǎo)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制盤(pán)或掃描機(jī)構(gòu)探測(cè)器陀螺跟蹤機(jī)構(gòu)信號(hào)處理控制信號(hào)形成執(zhí)行機(jī)構(gòu)位標(biāo)器控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能：提供目標(biāo)的角坐標(biāo)信息功能：調(diào)整系統(tǒng)飛行方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤固定鏡光軸彈軸物鏡+++---++-調(diào)制盤(pán)場(chǎng)鏡探測(cè)器調(diào)制盤(pán)電機(jī)基準(zhǔn)信號(hào)放大鑒別比相活動(dòng)鏡光學(xué)位置電位計(jì)光學(xué)力矩馬達(dá)掃描信號(hào)目標(biāo)顯示截獲繼電器至視聽(tīng)指示電路斷續(xù)連續(xù)與或重合制導(dǎo)繼電器陀螺力矩馬達(dá)陀螺陀螺位置電位計(jì)舵面位置電位計(jì)M舵機(jī)加速度計(jì)舵面工作原理：搜索、跟蹤、制導(dǎo)機(jī)械傳動(dòng)式位標(biāo)器的組成示意圖對(duì)跟蹤導(dǎo)引的基本要求1、跟蹤范圍：

位標(biāo)器光軸相對(duì)于整個(gè)跟蹤系統(tǒng)縱軸的最大可能偏轉(zhuǎn)角域2、跟蹤角速度和角加速度

系統(tǒng)跟蹤機(jī)構(gòu)所能輸出的最大角速度和角加速度3、跟蹤精度：

在系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤過(guò)程中，位標(biāo)器光軸與目標(biāo)視線間的最大角誤差4、盲區(qū)5、線性區(qū)

跟蹤系統(tǒng)的方位探測(cè)單元輸出與失調(diào)角成正比的誤差信號(hào)所對(duì)應(yīng)的誤差特性曲線的線性區(qū)域6、捕獲區(qū)調(diào)制盤(pán)的最基本作用是把恒定的輻射通量變成周期性重復(fù)的光輻射通量1、調(diào)制盤(pán)的主要作用是：①將靜止的目標(biāo)像調(diào)制成交流信號(hào)以抑制噪聲和光源波動(dòng)的影響，提高系統(tǒng)的檢測(cè)能力；②可進(jìn)行空間濾波，抑制背景噪聲以突出目標(biāo)信號(hào)；③提供目標(biāo)的方位空間信息等。2、調(diào)制曲線3、調(diào)制盤(pán)的分類按目標(biāo)像點(diǎn)與調(diào)制盤(pán)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方式不同，可將調(diào)制盤(pán)的掃描方式分為：旋轉(zhuǎn)式、光點(diǎn)掃描式（即圓錐掃描式）和圓周平移式三種。無(wú)論哪一種方式都將調(diào)制盤(pán)置于光學(xué)系統(tǒng)的像平面上

a）光電掃描式調(diào)幅調(diào)制盤(pán)b）旋轉(zhuǎn)調(diào)頻調(diào)制盤(pán)c）調(diào)相式調(diào)制盤(pán)d）脈沖調(diào)寬調(diào)制盤(pán)

調(diào)制盤(pán)圖案舉例示意圖旋轉(zhuǎn)和圓錐掃描式的調(diào)制盤(pán)中心與光學(xué)系統(tǒng)的主光軸重合，旋轉(zhuǎn)掃描式的調(diào)制盤(pán)繞光軸轉(zhuǎn)動(dòng)圓錐掃描式的調(diào)制盤(pán)固定不動(dòng)，而是利用光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)像點(diǎn)相對(duì)于調(diào)制盤(pán)作圓周運(yùn)動(dòng)在圓周平移式中，采用調(diào)制盤(pán)繞光軸作圓周平移的掃描方式（章動(dòng)式）按照目標(biāo)像“點(diǎn)”在條制盤(pán)上實(shí)現(xiàn)掃描方式分類關(guān)于不用調(diào)制盤(pán)的系統(tǒng)：利用像點(diǎn)掃描多元探測(cè)器陣列，并借助相應(yīng)的電路處理，也可獲取目標(biāo)像點(diǎn)的位置信息4.調(diào)制盤(pán)輸出函數(shù)(1)空間坐標(biāo)為了描述調(diào)制盤(pán)在光電系統(tǒng)中的作用，這里引入了空間濾波坐標(biāo)。（x’，y’）為被測(cè)目標(biāo)物面坐標(biāo)（x，y）為像面坐標(biāo)（ξ，ζ）為調(diào)制盤(pán)坐標(biāo)。這里需要指出的是：像面坐標(biāo)（x，y）和調(diào)制盤(pán)坐標(biāo)（ξ，ζ）同在像平面上，當(dāng)調(diào)制盤(pán)與像點(diǎn)間相對(duì)靜止時(shí)，兩者重疊在一起；而當(dāng)調(diào)制盤(pán)相對(duì)像點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可用調(diào)制盤(pán)坐標(biāo)（ξ，ζ）相對(duì)于像面坐標(biāo)（x，y）的平移或轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)描述，使問(wèn)題的大為簡(jiǎn)化

光學(xué)系統(tǒng)物平面像平面

空間濾波坐標(biāo)像平面坐標(biāo)調(diào)制盤(pán)坐標(biāo)x'y'o'o"oyxζξ(2)空間頻率和傅立葉變換最簡(jiǎn)單的矩形輻條式調(diào)制盤(pán)為例來(lái)說(shuō)明空間頻率的概念調(diào)制盤(pán)圖案透光部分與不透光部分的最小重復(fù)間隔稱為空間周期P

空間頻率F=1/P則表征單位空間線度內(nèi)調(diào)制盤(pán)圖案的周期性變化次數(shù)空間周期性與時(shí)間周期性的函數(shù)相類比，就不難列出空間周期性函數(shù)的相應(yīng)概念，若空間周期為P，則空間頻率，空間圓頻率空間頻率不只是一個(gè)標(biāo)量，而應(yīng)為一個(gè)矢量二維空間周期性函數(shù)具有兩個(gè)空間頻率，而三維空間周期性函數(shù)有三個(gè)空間頻率

xydxdyPθ二維空間周期性函數(shù)具有兩個(gè)空間頻率若空間函數(shù)沿著x、y、z方向的空間周期為Px、Py、Pz，則該空間函數(shù)沿x、y、z方向的空間圓頻率為相鄰曲面（二維情況時(shí)為條紋）的最小間隔為空間周期xyzPzPyPx三維空間函數(shù)的空間頻率，，

建立了空間頻率的概念后，對(duì)于一個(gè)空間函數(shù)也完全可以和時(shí)間函數(shù)一樣有傅立葉變換求其空間頻譜(3)調(diào)制盤(pán)透過(guò)率函數(shù)和光通量函數(shù)在像函數(shù)已知的情況下,調(diào)制盤(pán)的透過(guò)情況可以用透過(guò)率函數(shù)或來(lái)描述。該函數(shù)在某一點(diǎn)的值表示調(diào)制盤(pán)在該點(diǎn)上對(duì)光輻射透過(guò)率的大小透過(guò)率函數(shù)也稱為孔徑函數(shù)。目標(biāo)和背景經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后所成的像通過(guò)調(diào)制盤(pán)得到輻射通量被稱為光通量函數(shù)用調(diào)制盤(pán)確定目標(biāo)方位在跟蹤及制導(dǎo)系統(tǒng)中，調(diào)制盤(pán)主要用來(lái)測(cè)量目標(biāo)方位，即把目標(biāo)方位轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)，從而給出誤差信號(hào)驅(qū)動(dòng)跟蹤機(jī)構(gòu)來(lái)跟蹤目標(biāo)；光學(xué)系統(tǒng)目標(biāo)和像點(diǎn)的關(guān)系x'y'o'oyxzo"目標(biāo)平面（物平面）焦平面M'Mfθ'ρ'△q△qθρ若光學(xué)系統(tǒng)的焦距為f，則有ρ為xoy平面內(nèi)的像點(diǎn)M至o點(diǎn)的距離，稱為像點(diǎn)偏離量；θ為像點(diǎn)方位角；△q為失調(diào)角，它反映了目標(biāo)偏離光學(xué)系統(tǒng)光軸的大小分析調(diào)制信號(hào)與像點(diǎn)偏離量的關(guān)系像點(diǎn)上一部分輻射功率P1能透過(guò)調(diào)制盤(pán)，其面積為S1，像點(diǎn)上余下部分的輻射功率P2不能透過(guò)調(diào)制盤(pán)，面積為S2

ABABS2SS1a)b)

像點(diǎn)相對(duì)調(diào)制盤(pán)格子及調(diào)制波形圖a)像點(diǎn)相對(duì)調(diào)制盤(pán)的位置b)調(diào)制波形圖ρ當(dāng)調(diào)制盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)扇形角度后，P1成為不能透過(guò)調(diào)制盤(pán)的輻射功率，P2成為能透過(guò)調(diào)制盤(pán)的輻射功率如果調(diào)制盤(pán)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，則在日出式調(diào)制盤(pán)的上半圓調(diào)制區(qū)內(nèi)，透過(guò)調(diào)制盤(pán)的輻射功率就在P1和P2之間周期性地變化；在下半圓半透區(qū)內(nèi)，透過(guò)調(diào)制盤(pán)的功率為像點(diǎn)總功率（P）的一半。此時(shí)調(diào)制信號(hào)的幅值應(yīng)為，它與成正比調(diào)制深度m的概念，它的定義是調(diào)制深度m表征目標(biāo)像點(diǎn)輻射功率中被調(diào)制部分所占的比重m越大，調(diào)制信號(hào)的輻值越大。它是目標(biāo)像點(diǎn)（彌散斑）大小與調(diào)制盤(pán)格子尺寸的函數(shù)假定目標(biāo)像點(diǎn)的面積不變，則隨著像點(diǎn)偏離量ρ增大，即像點(diǎn)由A位移到B，則S1增大S2減小，調(diào)制深度m將逐漸增大，即調(diào)制信號(hào)的幅值逐漸增大這種調(diào)制盤(pán)在像點(diǎn)面積一定時(shí)，所得調(diào)幅信號(hào)的調(diào)制深度m是目標(biāo)像點(diǎn)在調(diào)制盤(pán)上的偏離量ρ的函數(shù)，即m=f（ρ）可以用調(diào)制信號(hào)的幅度來(lái)表示像點(diǎn)偏離量的大小。若像點(diǎn)的面積S為變值，則調(diào)制深度m將隨著ρ及S兩個(gè)參數(shù)變化，即

調(diào)制盤(pán)的空間濾波作用利用目標(biāo)和背景相對(duì)于系統(tǒng)的張角不同，即利用目標(biāo)和背景空間分布的差異，調(diào)制盤(pán)可以抑制背景以突出目標(biāo)，從而把目標(biāo)從背景中分離出來(lái)調(diào)制盤(pán)這種濾去背景干擾的作用稱為空間濾波

以“日出”形式調(diào)制盤(pán)為例來(lái)說(shuō)明調(diào)制盤(pán)的空間濾波原理上半?yún)^(qū)為目標(biāo)調(diào)制區(qū)，由透過(guò)輻射與不透過(guò)輻射的輻射狀扇形條交替而成；而下半?yún)^(qū)為半透區(qū)，其透過(guò)率將調(diào)制盤(pán)置于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上在調(diào)制盤(pán)后面配置場(chǎng)鏡，把輻射會(huì)聚到探測(cè)器上O在調(diào)制盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后，目標(biāo)像點(diǎn)交替經(jīng)過(guò)調(diào)制盤(pán)的扇形條紋，產(chǎn)生一系列的脈沖串而脈沖的形狀取決于像點(diǎn)相對(duì)于扇形條紋的大小。脈沖串為矩形調(diào)幅波即載波和調(diào)制信號(hào)均為占空比為1/2的矩形波，載波的頻率由調(diào)制盤(pán)轉(zhuǎn)速和調(diào)制盤(pán)扇形條分格數(shù)決定小張角目標(biāo)所成的像點(diǎn)可近似用δ函數(shù)來(lái)描述其空間頻譜，因此其頻譜很寬，此時(shí)光通量函數(shù)的頻譜近似為調(diào)制盤(pán)透過(guò)率函數(shù)的頻譜大張角背景經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，在調(diào)制盤(pán)上成一個(gè)很大的像，會(huì)充滿整個(gè)或大部分調(diào)制盤(pán)，調(diào)制盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后，輸出的幅值不隨時(shí)間變化或只有很小的不變化，基本上是一個(gè)直流信號(hào)，其上只有很小的紋波從頻域上看，大背景像的頻譜為直流和低頻分量

當(dāng)小目標(biāo)與大背景同時(shí)成像在調(diào)制盤(pán)上時(shí)，探測(cè)器就會(huì)同時(shí)輸出上述兩種信號(hào)，選擇中心頻率和頻帶寬度適當(dāng)?shù)碾娮訛V波器，就可以提取目標(biāo)輻射信號(hào)而抑制背景輻射信號(hào)。調(diào)制盤(pán)這種利用目標(biāo)和背景的空間頻譜分布不同而濾除背景干擾的作用稱為空間濾波，而調(diào)制盤(pán)就被稱為空間濾波器。日出式調(diào)制盤(pán)，如果有一條背景邊緣正好與輻條平行，調(diào)制盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后，透明與不透明輻條一次斬割云邊，就會(huì)出現(xiàn)很大的背景調(diào)制信號(hào)，對(duì)測(cè)量十分不利產(chǎn)生這種背景調(diào)制的原因是由于輻條式調(diào)制盤(pán)只在垂直于輻條方向上有空間濾波作用，而在平行于輻條方向上卻沒(méi)有為了克服這個(gè)缺陷，必須是平行于輻條方向上也有空間濾波作用。把輻條作徑向分割成為如圖所示的棋盤(pán)式調(diào)制盤(pán)很顯然，這種調(diào)制盤(pán)會(huì)大大減少對(duì)邊緣平行于輻條的背景的調(diào)制作用，從而進(jìn)一步提高抗背景干擾的能力圓錐掃描調(diào)幅調(diào)制盤(pán)（光點(diǎn)掃描式）光點(diǎn)掃描圓的形成次鏡偏軸旋轉(zhuǎn)光點(diǎn)掃描圓的形成光楔旋轉(zhuǎn)圓錐掃描調(diào)幅調(diào)制盤(pán)（光點(diǎn)掃描式）尖角圖案產(chǎn)生調(diào)制曲線的上升段1）調(diào)制深度此結(jié)論來(lái)源三個(gè)因素：P(t)tP(t)tP(t)t假設(shè)像點(diǎn)大小不變且輻照度均勻2）載波波形H3/4H2/4H1/4HP(t)ttt只考慮波形的影響假設(shè)像點(diǎn)在外圈尖角形內(nèi)處處與兩腰內(nèi)切，且像點(diǎn)的能量處處相同這種差異表明基波分量的幅值不同，濾波后載波的幅值也不同3）載波頻率fff"f"uA"A'B"t"B't'AtB高低當(dāng)目標(biāo)像點(diǎn)在調(diào)制盤(pán)外圈尖角內(nèi)移動(dòng)時(shí)，包絡(luò)的幅值隨失調(diào)角增大而上升，故尖角形區(qū)對(duì)應(yīng)著有用調(diào)制信號(hào)曲線的上升段載波包絡(luò)幅值反映目標(biāo)失調(diào)角調(diào)制效率若調(diào)制盤(pán)接收的目標(biāo)輻射通量為Ф經(jīng)調(diào)制后被有效利用的輻射通量為Фe調(diào)制效率表明調(diào)制盤(pán)對(duì)目標(biāo)像點(diǎn)能量的利用率較低的能量利用率是調(diào)幅式調(diào)制盤(pán)的一大缺點(diǎn)兩種調(diào)制盤(pán)的比較從調(diào)制曲線來(lái)說(shuō)，二者卻有明顯差異E0FGuΔq棋格盤(pán)式調(diào)制盤(pán)調(diào)制曲線uΔq圓錐掃描調(diào)幅式調(diào)制盤(pán)調(diào)制曲線與棋格盤(pán)式調(diào)制盤(pán)相比，其優(yōu)點(diǎn)1）調(diào)制曲線無(wú)“盲區(qū)”，且曲線上升段斜率大2）線性區(qū)窄，可使跟蹤系統(tǒng)有更高的靈敏度3）能用于高精度制導(dǎo)成功地克服“中心零”缺點(diǎn)是其一大特色4）其實(shí)際工作視場(chǎng)比由調(diào)制盤(pán)直徑所決定的視場(chǎng)擴(kuò)大近一倍其缺點(diǎn)：空間濾波能力不如“日升”式目標(biāo)偏離視場(chǎng)中心時(shí)，載波頻率變化較大，信號(hào)頻譜變寬，增加了電路設(shè)計(jì)難度“響尾蛇”AIM-9B導(dǎo)彈位標(biāo)器美國(guó)響尾蛇導(dǎo)彈105毫米導(dǎo)彈導(dǎo)引頭特寫(xiě)AH-6i武裝直升機(jī)配海爾法采用調(diào)頻調(diào)制盤(pán)的系統(tǒng)1、旋轉(zhuǎn)調(diào)頻式調(diào)制盤(pán)θP1P2簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)調(diào)頻式調(diào)制盤(pán)ABAB2、圓錐掃描調(diào)頻調(diào)制盤(pán)3、章動(dòng)調(diào)制盤(pán)φABCDM調(diào)制盤(pán)視場(chǎng)調(diào)制盤(pán)軌跡孔M點(diǎn)軌跡調(diào)制盤(pán)視場(chǎng)M1MM2M3A孔調(diào)制盤(pán)M′點(diǎn)軌跡視場(chǎng)M′M1′M2′M3′M"AMM′M"R2R1OcOn兩種不同掃描方式的探測(cè)器面積3、脈沖調(diào)寬調(diào)制盤(pán)

4、調(diào)相式調(diào)制盤(pán)（二）光柵莫爾條紋調(diào)制光柵計(jì)量光柵衍射光柵計(jì)量光柵長(zhǎng)光柵圓光柵制造方法刻劃光柵照相光柵光柵材料玻璃光柵金屬反射光柵表面結(jié)構(gòu)黑白光柵（幅值光柵）

相位光柵（閃耀光柵）其他種類偏振光柵

全息光柵光柵的調(diào)制作用1）光通量幅度調(diào)制若照射到光柵上的光通量為Ф，那么隨著光柵的移動(dòng)，莫爾條紋的光通量變化△Ф可表示為若光柵位移x等于光柵柵距P時(shí)，則△Ф變化一個(gè)周期通過(guò)光柵的調(diào)制作用，就把位移量x變換為光通量的變化，實(shí)現(xiàn)光通量的幅度調(diào)制若測(cè)得光通量變化N個(gè)周期，則被測(cè)尺寸x為若細(xì)分倍數(shù)為m，用莫爾條紋計(jì)數(shù)裝置計(jì)算細(xì)分后的脈沖數(shù)為M，那么測(cè)量結(jié)果x為2）頻率調(diào)制用衍射光柵可以實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。因?yàn)檠苌涔鈻艝啪嗪苄?，光照到衍射光柵上，就像照射到許多均勻刻劃的狹縫上一樣，從而產(chǎn)生衍射若光照射光柵刻線處的線速度為V，光柵刻劃間距為P，那么1級(jí)衍射光發(fā)生的頻移f為激光器電機(jī)光柵盤(pán)聚光鏡0-1+1

光柵進(jìn)行頻率調(diào)制的原理圖若用光電器件接受+1級(jí)衍射光，則光頻ν被調(diào)制為v+f，即實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。這種頻率調(diào)制的穩(wěn)定性與光柵轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性有關(guān)，調(diào)制頻率可達(dá)20MHz（三）光干涉法調(diào)制（四）光調(diào)制器件調(diào)制（五）電磁調(diào)制二、直接調(diào)制調(diào)制不是光電檢測(cè)的目的，它只是實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)和提高光電檢測(cè)能力的一種手段將被測(cè)信息從調(diào)制信號(hào)中分離出來(lái)的過(guò)程稱為解調(diào)三、調(diào)制信號(hào)的解調(diào)由于調(diào)制是一個(gè)非線性過(guò)程，因此解調(diào)必須用非線性元件，如二極管和晶體管等常用的解調(diào)方法有光學(xué)法和電子法電子法常用二極管檢波電路、晶體管峰值檢波電路和相敏檢波電路等光學(xué)法有相干光的干涉場(chǎng)解調(diào)和光電檢測(cè)器件解調(diào)第四節(jié)光掃描測(cè)量技術(shù)光束掃描技術(shù)又稱為光束掃描變換它可以用機(jī)械、壓電、電子、光學(xué)、和光電子學(xué)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)根據(jù)使用目的的不同可以分為連續(xù)變化的模擬式掃描和不連續(xù)的數(shù)字掃描一、掃描方法和工作參數(shù)1.掃描系統(tǒng)分類掃描系統(tǒng)直線掃描隨機(jī)掃描螺旋掃描圓周掃描光柵掃描2.掃描工作參數(shù)工作參數(shù)掃描周期掃描分辨力

掃描精度

掃描線密度掃描線性度掃描數(shù)據(jù)率信道頻帶寬度動(dòng)態(tài)范圍掃描分辨力是指掃描系統(tǒng)分辨圖像細(xì)節(jié)信息的能力用單位長(zhǎng)度內(nèi)可能分辨的最高黑白線對(duì)數(shù)來(lái)表示它主要由掃描線的孔徑光闌和信道通頻帶所決定掃描精度是指時(shí)序電信號(hào)和空間光強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系或者時(shí)序電信號(hào)和時(shí)空位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系不失真程度3.掃描方法（1）機(jī)械掃描機(jī)械掃描技術(shù)是目前最成熟的一種掃描方法。如果只改變光束的方向，便可采用機(jī)械掃描方法。機(jī)械掃描技術(shù)是利用反射鏡或棱鏡等光學(xué)元件的旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)實(shí)現(xiàn)光束掃描

機(jī)械掃描裝置示意圖入射光束掃描光束反射鏡缺點(diǎn)：機(jī)械掃描方法雖然比較原始，掃描速度慢優(yōu)點(diǎn)：掃描角度比較大且受溫度影響小，光能的損耗小，適用于各種光波的掃描在傳真機(jī)印刷制版中得到了廣泛應(yīng)用

它是利用多面反射棱體（也稱為多面轉(zhuǎn)鏡）對(duì)激光束進(jìn)行快速反射來(lái)達(dá)到掃描目的其特點(diǎn)是掃描速度快、掃描角度寬、掃描精度高，可獲得高的分辨力，但是它存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)電機(jī)

機(jī)械轉(zhuǎn)鏡法掃描裝置示意圖激光器廣角聚焦鏡掃描鏡光電檢測(cè)器發(fā)送圖像（2）電光掃描電光掃描是利用電光效應(yīng)來(lái)改變掃描光束在空間的傳播方向光束沿y方向入射到長(zhǎng)度為L(zhǎng)、厚度為d的電光晶體上。電光晶體的折射率n是坐標(biāo)x

的線性函數(shù)，即式中n0是x=0（晶體下面）的折射率，是在厚度d上折射率的變化量

電光掃描原理圖BdxALyB光束的偏轉(zhuǎn)方向Aθ入射光波出射光波在（晶體上面）的折射率則是當(dāng)入射光束的平面波經(jīng)過(guò)晶體時(shí)，光束平面波的上部（A光線）和下部（B光線）在經(jīng)過(guò)電光晶體時(shí)的折射率不同，通過(guò)電光晶體所需的時(shí)間就不同，分別為

電光掃描原理圖BdxALyB光束的偏轉(zhuǎn)方向Aθ入射光波出射光波由于光線在經(jīng)過(guò)電光晶體的時(shí)間不同而導(dǎo)致A光線相對(duì)于B光線要滯后一段距離這就意味著光波到達(dá)晶體出射面時(shí)，其光波的波陣面相對(duì)于傳播軸線偏轉(zhuǎn)了一個(gè)微小角度，其偏轉(zhuǎn)角為式中的負(fù)號(hào)是由坐標(biāo)系引起的，即θ由y轉(zhuǎn)向x為負(fù)

只要電光晶體在電場(chǎng)的作用下，沿某些方向的折射率會(huì)發(fā)生變化，那么當(dāng)光束沿特定方向入射時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)光束掃描。光束偏轉(zhuǎn)角的大小與電光晶體折射率的線性變化率成正比下圖是根據(jù)上述原理構(gòu)成的雙電光晶體（KDP）楔形棱鏡掃描裝置

兩塊電光晶體的z軸方向相反，其它兩個(gè)軸的方向相同

入射光Exzy

雙KDP楔形棱鏡掃描器θ電場(chǎng)沿z軸方向；光線沿y方向傳播且沿x方向偏振

因電場(chǎng)相對(duì)于z軸反向，于是在上、下棱鏡中的折射率就產(chǎn)生了不同現(xiàn)象，使光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)由于上圖方式的電光偏轉(zhuǎn)角非常小，很難達(dá)到實(shí)用的要求為了使電光偏轉(zhuǎn)角加大，而電壓又不致太高，常將若干個(gè)KDP棱鏡在光路中串聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成長(zhǎng)度為mL、寬為l、高為d的偏轉(zhuǎn)裝置n-nh

多級(jí)棱鏡掃描器n-△nn+△nn+△nθxy△β（3）電子束掃描在電真空器件中，電子束在交變電場(chǎng)或磁場(chǎng)作用下會(huì)改變它的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)掃描

光點(diǎn)聚光鏡輸出光電檢測(cè)器底片（被測(cè)對(duì)象）

飛點(diǎn)掃描裝置示意圖電子束掃描的另一種掃描方式是把所要輸入的圖像分解成許多像點(diǎn)的組合按每個(gè)點(diǎn)排列的信息由電子開(kāi)關(guān)或機(jī)械開(kāi)關(guān)依次取出，然后被放大并傳送到圖像顯示器上，于是在成像平面上出現(xiàn)一個(gè)隨時(shí)間變化的信息分布圖串聯(lián)掃描是探測(cè)器列陣置于掃描方向，圖像或景物上的每一個(gè)點(diǎn)將先后由列陣探測(cè)器的每一個(gè)光敏元素一次掃描

并聯(lián)掃描方式串聯(lián)掃描方式探測(cè)器元素?cái)?shù)幾乎不受限制探測(cè)器元素?cái)?shù)有限制掃描無(wú)效時(shí)間短掃描無(wú)效時(shí)間長(zhǎng)限制電路系統(tǒng)帶寬帶寬范圍大可進(jìn)行多行跳躍掃描不能掃描結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單由于掃描速度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜電路信號(hào)處理部分不損失分辨率延遲中的相位差會(huì)引起掃描圖像模糊，損失分辨率前置放大器和乘法器中的電子損耗高放大器損耗小，延遲網(wǎng)絡(luò)損耗大需要自動(dòng)調(diào)節(jié)靈敏度不需要探測(cè)器響應(yīng)度不均勻性影響掃描圖像質(zhì)量探測(cè)器響應(yīng)度的不均勻性不重要探測(cè)器靈敏度不均勻會(huì)產(chǎn)生條形圖像圖像結(jié)構(gòu)均勻并聯(lián)和串聯(lián)掃描方式的比較（4）聲光掃描聲光掃描是利用聲光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光束掃描偏轉(zhuǎn)的聲光掃描裝置是通過(guò)改變聲波頻率來(lái)改變衍射光的方向，使之發(fā)生偏轉(zhuǎn)，既可以使光束連續(xù)偏轉(zhuǎn)，也可以使分離的光點(diǎn)掃描偏轉(zhuǎn)由聲光效應(yīng)的布拉格衍射理論分析得知，光束以角入射，產(chǎn)生衍射極值應(yīng)滿足布拉格條件：布拉格角一般很小，上式可寫(xiě)為為入射角，為布拉格角，為反射角，為聲波波長(zhǎng)，為光波波長(zhǎng)，為聲速因此衍射光與入射光間的夾角（偏轉(zhuǎn)角）等于布拉格角的2倍，即改變聲波的頻率，就可以改變其偏轉(zhuǎn)角θ，從而達(dá)到控制光束傳播方向的目的即聲波頻率改變引起光束偏轉(zhuǎn)角的變化為聲光掃描裝置主要性能參數(shù)有可分辨點(diǎn)數(shù)（決定掃描器的容量）、偏轉(zhuǎn)時(shí)間τ（其倒數(shù)決定掃描裝置的速度）和衍射效率ηS（決定偏轉(zhuǎn)器的效率）對(duì)于一個(gè)聲光掃描裝置來(lái)說(shuō)，不僅要看偏轉(zhuǎn)角的大小，還要看可分辨點(diǎn)數(shù)N?？煞直纥c(diǎn)數(shù)N定義為偏轉(zhuǎn)角和入射光束本身發(fā)散角之比，即w為入射光束的寬度（光束的直徑）；R為常數(shù)，其值決定所用光束的性質(zhì)（均勻光束或高斯光束）和可分辨判據(jù)（瑞利判據(jù)或可分辨判據(jù)）

聲光掃描裝置帶寬受兩種因素的限制，即受換能器帶寬和布拉格帶寬的限制。因?yàn)槁曨l改變時(shí)，相應(yīng)的布拉格角也要改變，其變化量為

要求聲束和光束具有匹配的發(fā)散角為了避免在工作頻帶內(nèi)出現(xiàn)假點(diǎn)，就要求工作帶寬的中心頻率為上式是設(shè)計(jì)布拉格聲光偏轉(zhuǎn)掃描帶寬的基本關(guān)系式

（5）振子掃描器振子掃描器有許多種，如音叉振子、電磁振子、壓電振子等

音叉振子是在用音叉振動(dòng)帶動(dòng)平面鏡產(chǎn)生與音叉振動(dòng)頻率相同的平面鏡擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光掃描壓電振子則是利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，用壓電陶瓷的伸縮帶動(dòng)物鏡實(shí)現(xiàn)軸向掃描，掃描范圍一般為幾十微米電磁振子是用電磁力來(lái)推動(dòng)平面鏡擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)掃描，或者帶動(dòng)物鏡實(shí)現(xiàn)軸向掃描圖為光盤(pán)中軸向調(diào)焦的電磁掃描原理圖。光盤(pán)焦深小于1μm，而實(shí)際光盤(pán)平面偏差可達(dá)±500μm，因此需要自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，該系統(tǒng)用差動(dòng)像散法檢測(cè)離焦信號(hào)即像散信號(hào)，再用恒流源驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)與物鏡連在一起的線圈軸向跟蹤光盤(pán)

光盤(pán)軸向調(diào)焦電磁掃描原理圖分光鏡線圈柱面鏡λ/4片磁鐵偏差信號(hào)處理恒流源驅(qū)動(dòng)光盤(pán)二、光束掃描測(cè)量為了對(duì)復(fù)雜目標(biāo)進(jìn)行傳真、錄放、檢測(cè)、處理、顯示和存儲(chǔ)，需要對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和再現(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)要將被掃描物體在空間域的光強(qiáng)分布變換成時(shí)空的電信號(hào)，或者在圖形再現(xiàn)情況下將時(shí)空電信號(hào)變換成空間光強(qiáng)分布信號(hào)在工程上能實(shí)現(xiàn)這種時(shí)空（空時(shí)）變換和光電變換最常用技術(shù)是光電掃描技術(shù)它具有大視場(chǎng)范圍內(nèi)精確分辨圖形細(xì)節(jié)的能力。即掃描方法能以窄視場(chǎng)的光電檢測(cè)通道實(shí)現(xiàn)大范圍的圖像拾取和再現(xiàn)，因而既具有寬廣的觀察范圍又有高的空間頻率和灰度等級(jí)分辨能力Φ(t)Φ(t)

直線掃描示意圖及信號(hào)變換a）原理示意圖b）信號(hào)變換過(guò)程1、圖像掃描的時(shí)空轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換要求在光學(xué)系統(tǒng)的像面處有一單通道光縫和光電接受元件，以速度掃描；像面的照度分布為

掃描過(guò)程的運(yùn)動(dòng)方程式為表征了空間與時(shí)間的變換關(guān)系為空時(shí)變換系數(shù)，它表示對(duì)應(yīng)單位位移所需的掃描時(shí)間取樣窗口截取掃描點(diǎn)處像面光強(qiáng)，得到的光通量與坐標(biāo)位置有關(guān)，就有A為窗口面積

取樣窗口的光通量經(jīng)光電元件轉(zhuǎn)換會(huì)得到時(shí)序電信號(hào)

為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)

為了將圖像再現(xiàn)，要將圖像傳輸?shù)斤@示端口上，將輸出電壓加到發(fā)光元器件上，這時(shí)發(fā)光元器件的發(fā)光亮度為

為電光轉(zhuǎn)換系數(shù)

將發(fā)光元器件及透光窗口沿再現(xiàn)屏幕作直線掃描運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程為

屏幕上隨著發(fā)光亮度的變化，在不同位置上就形成隨位置變化的照度分布為光度變換系數(shù)是掃描變換系統(tǒng)灰度變換因子是掃描系統(tǒng)坐標(biāo)變換因子

兩者僅差灰度變換因子K和坐標(biāo)變換因子v

得到對(duì)圖像掃描進(jìn)行空時(shí)變換和光電轉(zhuǎn)換的重要要求是圖像采集與圖像再現(xiàn)應(yīng)是嚴(yán)格同步的

2、激光掃描測(cè)量

下圖為激光飛點(diǎn)掃描測(cè)量系統(tǒng)，用于材料疵病檢測(cè)晶片終探測(cè)器指零探測(cè)器振動(dòng)反射鏡M3可調(diào)反射鏡M2聚焦物鏡L2固定反射鏡M1聚焦物鏡L1空間濾波器（小孔）

激光飛點(diǎn)掃描原理圖激