第4章光電信息技術(shù)應(yīng)用-3

4.2光電控制§4.2.1光電繼電器§4.2.2光電遙控§4.2.3光纖開關(guān)由光電信息轉(zhuǎn)換器件控制通與斷開的繼電器稱為光電繼電器。

§4.2.1光電繼電器§4.2.1光電繼電器

一．繼電器原理繼電器是低壓電路控制高壓電器通與不通的聯(lián)接器件。繼電器結(jié)構(gòu)及工作原理如圖4.2.1－1所示。繼電器的電路符號如圖4.2.1－2所示。

一．原理光電繼電器是用光控制繼電器工作，從原理上講，可歸納為亮通和暗通電路兩類。

1．亮通光電控制電路當(dāng)有光線照射于光電器件上時，使繼電器有足夠的電流而動作，這種電路稱為亮通光電控制電路，也叫明通控制電路。最簡單的亮通電路如圖4.2.1－3所示。

如果光電繼電器不受光照時能使繼電器動作，而受光照時繼電器釋放，則稱它為暗通控制電路。

另一種方法是在亮通電路的基礎(chǔ)上加一級倒相器，也可完成暗通電路的作用。要說明的是，亮通和暗通是相對而言的，以上分析都是假定繼電器高壓開關(guān)工作在常開狀態(tài)，如工作在常閉狀態(tài)，則亮通和暗通也就反過來了。2．暗通光電控制電路電子開關(guān)的種類很多，但一般的電子開關(guān)都適合在低壓區(qū)工作，如晶體三極管、場效應(yīng)管、光電耦合器和門電路等；適合高壓區(qū)工作的電子開關(guān)有單向可控硅、雙向可控硅和高壓場效應(yīng)管等。二．用電子開關(guān)替代繼電器

電子開關(guān)不能完全隔斷高壓區(qū)，為了隔斷高壓區(qū)和低壓區(qū)，可以使用光電耦合雙向可控硅或聯(lián)合使用光電耦合器和雙向可控硅。二．用電子開關(guān)替代繼電器二．用電子開關(guān)替代繼電器1．

雙向可控硅基本結(jié)構(gòu)三．雙向可控硅觸發(fā)電路

雙向可控硅基本結(jié)構(gòu)如圖所示。有兩個主電極T1、T2（T2是電位參考電極）和一個門極。它可以看成是一對反并聯(lián)的普通可控硅晶體管。圖中(a)為基本結(jié)構(gòu)，(b)為雙向可控硅的符號，(c)為雙向可控硅型號的部頒標(biāo)準(zhǔn)。2.雙向可控硅特性曲線工作在第一象限有二種觸發(fā)方式1＋和1－；工作在第三象限有二種觸發(fā)方式3＋和3－。雙向可控硅特性曲線如圖所示。從圖中可知，高壓的正電壓和反電壓都能使可控硅導(dǎo)通，只要G對T2加觸發(fā)電壓，正向觸發(fā)電壓和反向觸發(fā)電壓都能使可控硅導(dǎo)通，但導(dǎo)通時可控硅兩端有壓降存在，導(dǎo)通電流越大，壓降越大，顯然，消耗的功率也大，這時，一定要采取散熱措施。

1＋1－3＋3－2.雙向可控硅特性曲線雙向可控硅有四種觸發(fā)方式，1＋觸發(fā)形式：T1對T2加正電壓，G對T2加正電壓；1－觸發(fā)形式：T1對T2加正電壓，G對T2加負電壓；3＋觸發(fā)形式：T1對T2加負電壓，G對T2加正電壓；3－觸發(fā)形式：T1對T2加負電壓，G對T2加負電壓；3．雙向可控硅的觸發(fā)方式雙向可控硅使用時，一般采用第一和第三象限的組合。4．

雙向可控硅觸發(fā)電路說明：(a)S合上時，可控硅導(dǎo)通，觸發(fā)方式是1+-3-(b)S打向1，電路關(guān)斷；S打向2，R2上得半波電壓；S打向3，可控硅全波導(dǎo)通。觸發(fā)方式是1+-3-(c)直流電觸發(fā)，觸發(fā)方式是1--3-(d)P1.1=1時，可控硅導(dǎo)通；觸發(fā)方式是1--3-(e)P1.1=1時，可控硅導(dǎo)通；觸發(fā)方式是是1+-3+

1．

路燈、霓虹燈的自動控制電路(a)光照→光敏電阻阻值變小→繼電器J動作→常閉點J1斷開→燈GY熄滅；

如要求路燈控制靈敏，可采用圖4.2.1－8(b)的電路。

(b)光照→光敏三極管阻值變小→晶體管BG1基極電位升高→BG1截止→BG2導(dǎo)通→繼電器J動作→常閉點J1斷開→接觸器線圈JC無電→常開觸點JC1斷開→燈GY熄滅；四.光電繼電器應(yīng)用防止閃電等短時干擾的路燈控制電路

光照硒光電池GG→BG1飽和→BG2截止→BG3導(dǎo)通→BG4導(dǎo)通→繼電器J動作→常閉點J1斷開→接觸器線圈JC無電→常開觸點JC1斷開→燈GY熄滅；反之，路燈GY亮。印刷機紙張監(jiān)控器可以自動監(jiān)測每次印刷的紙張是否為一張，如果不是一張則發(fā)出報警訊響，停止印刷，待整理好紙張后，再開始工作。2．

印刷機紙張監(jiān)控器光電管透過紙張感受燈泡D發(fā)出的光→光電管在強光下電阻為數(shù)千歐，弱光下為數(shù)兆歐單、雙張紙透光率為1：2。單張紙時，調(diào)整電位器W，使a點電位高于轉(zhuǎn)換電壓→F1輸出為低電位、F2輸出為高電位→三極管飽和導(dǎo)通→繼電器J0吸合、常閉點J0-1斷開→不報警。雙張紙時，a點電位低于轉(zhuǎn)換電壓→F1輸出為高電位、F2輸出為低電位→三極管截止→繼電器J0不吸合、常閉點J0-1閉合→產(chǎn)生報警。工作原理要點3．

光控電焊眼罩液晶屏P代替防護玻璃，提高工作效率。光敏電阻RD1、RD2。當(dāng)沒有光照射到RD2時→RD2電壓高于基準(zhǔn)電壓→比較器輸出低電平→三極管BG截止→液晶屏P是透明的；

當(dāng)有光照射到RD2時→RD2電壓低于基準(zhǔn)電壓→比較器輸出高電平→三極管BG飽和導(dǎo)通→液晶屏P在電壓作用下液晶發(fā)生偏轉(zhuǎn)→透光度大大減小→保護眼睛。RD1的作用是在不同的光強下穩(wěn)定RD2兩端的電壓值。工作原理要點4.汽車車燈全自動控制器強、弱光等自動控制。根據(jù)檢測到的光強度，自動完成車燈開啟或關(guān)閉、車燈的強弱檔控制、遠近光控制等?！?.2.2光電遙控器一．光電遙控原理一個手握的光電遙控發(fā)射機可發(fā)射一束較寬的光束，這光束里含有控制功能的編碼信號；此編碼信號被遠置的光電遙控接收機檢測并被譯碼，從而實現(xiàn)光電遙控的目的。二．光電遙控框圖鍵盤編碼器產(chǎn)生指令信號；編碼波形發(fā)生器的載波約為30kHz。輸出級驅(qū)動LED完成電-光轉(zhuǎn)換。光敏二極管完成光-電轉(zhuǎn)換；譯碼器完成指令譯碼。

此圖描繪了一個基本的六比特多通道系統(tǒng)。信號波形是由一個寬度為8ms的重復(fù)性的數(shù)據(jù)幀組成；每個比特調(diào)制在大約30kHz的頻率上。3．光電遙控中的編碼波形

4．光電遙控裝置舉例

490/922光電遙控系統(tǒng)。采用SL490集成芯片的光電發(fā)射機電路如圖4.2.2－5所示采用SL486集成芯片的光電接收機電路如圖4.2.2－6所示

采用ML922集成芯片的接收機譯碼電路如圖4.2.2－7所示。

光纖：是光學(xué)纖維的簡稱。光學(xué)纖維是一種帶涂料的透明細絲，通常由芯料（玻璃）加涂層（玻璃）組成。光纖開關(guān)：在光纖中間設(shè)置障礙或破壞光纖的全反射條件，使光纖出射端輸出的光能量衰減。從而控制電子開關(guān)，實現(xiàn)對各類電器的控制。

§4.2.3光纖開關(guān)一．光纖開關(guān)原理光纖開關(guān)：在光纖中間設(shè)置障礙或破壞光纖的全反射條件，使光纖出射端輸出的光能量衰減。從而控制電子開關(guān)，實現(xiàn)對各類電器的控制。

圖（a）中，當(dāng)手按下開關(guān)按鈕時，光路被阻斷，光線不通，當(dāng)手離開按鈕時，光路又接通，這樣，輸出端就可檢測到信號的變化，從而發(fā)出控制信號。圖（b）中是光纖雙向撥動開關(guān)，當(dāng)開關(guān)撥向A時，光纖就與1號光纖接通，當(dāng)開關(guān)撥向B時，光纖就與2號線接通。

二．光纖開關(guān)的類型

1．

直接型光纖開關(guān)這種開關(guān)的光纖是連續(xù)的，只是改變其光在傳播途中的全反射條件，使光纖輸出端的輸出能量有所改變；輸出端的光電接收裝置只要測出所接收能量的變化，并加以比較判別，最后送出控制信號。

2．間接型光纖開關(guān)光纖開關(guān)壽命長，安全可靠，抗干擾強，尤其適合于潮濕、高溫、強電磁干擾等應(yīng)用場合；開關(guān)可以完全浸在液體中也能工作，也可安裝到遠離控制系統(tǒng)的地方。開關(guān)成本較高。三．光纖開關(guān)的特點

§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成

§4.3.2光纖通信系統(tǒng)

§4.3.3光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

§4.3光纖通信

光纖通信系統(tǒng)的基本組成如圖4.3.1-1所示，主要由3部分構(gòu)成：光發(fā)送機，光纖傳輸線及光接收機。

光發(fā)送機電發(fā)送機電接收機光接收機中繼器§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成圖4.3.1-1光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖（Opticalfiber）是由純石英拉制而成的高度透明的玻璃絲。光纖基本由3部分組成：1、折射率略高的纖芯；2、折射率略低的包層；3、表面涂層。

ab纖芯包層涂層圖4.3.1-2光纖的橫截面示意圖一、光纖

根據(jù)纖芯折射率徑向分布的不同，光纖可分為階躍折射率分布光纖和漸變折射率分布光纖，如圖4.3.1-3所示。

(a)階躍折射率分布光纖

(b)漸變折射率分布光纖

圖4.3.1-3纖芯折射率徑向分布2a2bn1n2n0r2a2bn1n2n0r光纖的導(dǎo)光原理可用射線理論與導(dǎo)波理論兩種方法進行分析。這里，僅對階躍折射率分布光纖的射線理論分析方法進行介紹。圖4.3.1-4表示光波在階躍折射率分布光纖中的傳播路徑。

圖4.3.1-4光波在階躍折射率分布光纖中的傳播路徑

n2n1n0θiθrφ一束光線以與光纖軸線成的角度入射到芯區(qū)中心，在光纖——空氣界面發(fā)生折射，折射光與光纖軸線的夾角由斯涅耳定律決定

4.3.1-1折射光到達纖芯——包層界面時，若入射角大于臨界角時，將發(fā)生全反射，若包層折射率為，則定義為

4.3.1-2式中，和分別為空氣和纖芯的折射率。

所有的光線都將被限制在光纖芯中，這就是光纖導(dǎo)光的基本原理。光纖有兩個重要的特性，一個是損耗特性，一個是色散特性，決定了光纖通信系統(tǒng)的容量。

（1）光纖的損耗

用衰減系數(shù)表示光纖的衰減特性，定義為

4.3.1-5dB/km圖4.3.1-5單模光纖的損耗譜特性

色散對通信容量（比特率·距離積）的限制。設(shè)發(fā)送信號的比特率為B，相應(yīng)比特間隔為

在多模光纖中，由不同模式攜帶的光的傳播常數(shù)不同，即在光纖中的傳播速度不同。這樣，一個窄的脈沖經(jīng)過一段光纖傳輸后，將被展寬，產(chǎn)生碼間干擾，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散。對于單模光纖，用色散參數(shù)來描述色散的程度，代表兩個波長間隔1nm的光波在光纖中傳輸1km距離后的時遲差。

，光纖長度為

如果光源發(fā)射波長范圍為

則時遲差為（2）光纖的色散

，則應(yīng)有

對容量的限制為

光發(fā)送機的功能是將來自電發(fā)送機的電脈沖信號變換成光脈沖信號，并以數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸性能所要求的光脈沖信號波形耦合到光源組件的尾纖中。

二、光發(fā)送機輸入接口線路編碼調(diào)制電路控制電路光源電信號輸入光信號輸出在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，普遍采用二進制二電平碼，有光脈沖表示“1”碼，無光脈沖表示“0”碼。對來自電端機的信號進行線路編碼，主要目的是：

(1)限制信號帶寬，減小功率譜中的高低頻分量。

(2)盡可能減少連“1”

碼和“0”碼的數(shù)目，使“1”

碼和“0”碼均勻分布，保證定時提取。(3)具有檢錯及糾錯能力，則需要在編碼中加入冗余碼，但要占用一定的頻帶。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)常用的線路碼型有擾碼、mBnB碼、插入碼等。

1、線路編碼目前的光纖通信系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光器（LD）作為光源，在低通信容量系統(tǒng)中，也可選用LED做光源。電信號轉(zhuǎn)換為光信號的調(diào)制方式有直接調(diào)制與間接調(diào)制。在低速率系統(tǒng)中，可以采取直接調(diào)制方式，即用電信號直接調(diào)制半導(dǎo)體光源的驅(qū)動電流，如圖4.3.1-7所示，輸出光功率隨驅(qū)動電流而變化。

在高速系統(tǒng)中，要采用專用的外調(diào)制器。2、光源與調(diào)制電路

(a)LED數(shù)字調(diào)制

(b)LD數(shù)字調(diào)制圖4.3.1-7直接光強數(shù)字調(diào)制原理IP輸入電信號輸出光信號IP輸入電信號輸出光信號Ith

Ib光接收機作用：將來自光纖的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，恢復(fù)光載波所攜帶的原信號。

101011主放大器峰值檢波均衡器判決再生高壓直流變換器前置放大AGC定時提取APD光信號電信號三、光接收機1、光電檢測器

作用：光信號轉(zhuǎn)換成電信號。類型：PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管；PIN管沒有增益，APD有10-200倍增益；2、前置放大器

作用：信號預(yù)放大。類型：低噪聲、寬帶放大器；3、主放大器

作用：信號放大到判決器所需要的電平，一般1-3V。均衡器的作用：對主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號進行整形，使之成為最有利于判決、碼間干擾最小的波形，通常為升余弦波，其表達式為：為滾降因子。式中，t為時間變量，為一個碼元所占的時間——時隙，

4、均衡器圖4.3.1-9波峰處碼間干擾為零TBt當(dāng)均衡器輸出為升余弦波形時，發(fā)送機發(fā)送的基帶數(shù)字脈沖信號，只要是按時隙發(fā)送碼元，則在均衡器輸出信號的波峰處不會發(fā)生前后碼元的干擾。均衡器輸出的由升余弦波所組成的數(shù)字脈沖信號送到判決再生電路進行“判決”和“再生”。判決即是用一判決電平與均衡器輸出信號進行比較，以確定某時隙碼元為“1”還是為“0”。如判斷為“1”碼，則由再生電路重新產(chǎn)生一個矩形“1”脈沖，若判斷為“0”碼，則輸出一個“0”。判決再生電路的輸出端得到一個由矩形脈沖組成的數(shù)字脈沖序列，它和發(fā)送端發(fā)出的數(shù)字脈沖信號基本是一致的。

5、判決再生與定時提取AGC放大器是自動增益控制電路的一個組成部分。作用：控制主放大器的增益，從而使均衡器輸出幅度穩(wěn)定的升余弦波，保證碼元判決的正確性。6、峰值檢波器與AGC放大器1、

誤碼率

誤碼率（biterrorratio，BER）是數(shù)字光接收機的性能標(biāo)準(zhǔn)，是指判決再生電路輸出碼元出現(xiàn)錯誤的概率。

TB1TB2TB3V0sVdV1sV(t)V1(t)V0(t)V0(t)t數(shù)字光接收機的指標(biāo)：2、靈敏度數(shù)字光接收機的靈敏度定義為：在保證一定誤碼率的條件下，光接收機所需接收的最小光功率。通信系統(tǒng)可分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字通信采用再生的方法，可以消除噪聲累積，傳輸距離比較長。取樣、量化、編碼的過程稱為脈沖編碼調(diào)制，簡稱PCM，由脈沖編碼進行通信稱為脈沖編碼通信，這是目前數(shù)字通信的主要方式。光纖具有很寬的頻帶資源，可傳送高速大容量信息，但傳送音頻信號僅需64kbit/s的速率，很不經(jīng)濟。可以通過復(fù)用的方法同時傳送多路信號。在單根光纖中可以用3種復(fù)用方法方法提高通信容量，即時分復(fù)用、波分復(fù)用及頻分復(fù)用。

時分復(fù)用（TimeDivisionMultiplexing，TDM），是將不同信道的信號在時間上交替排列組合成復(fù)合比特流。§4.3.2光纖通信系統(tǒng)一、時分復(fù)用系統(tǒng)例如，對于64kbit/s的單音頻信道，比特間隔約為15s（=125s/8），若將其他64kbit/s比特流延遲3s插入，就可插入5個這樣的信道圖4.3.2-1顯示了320kbit/s的復(fù)合比特流。

圖4.3.2-15個64kbit/s數(shù)字音頻信道的時分復(fù)用

15s3st振幅231452314523145表4.3.2-1即為按此復(fù)合方法合成的群路等級體系中4個不同群路的比特率。表4.3.2-1數(shù)字通信系統(tǒng)群路等級及其標(biāo)準(zhǔn)比特率

群路等級標(biāo)準(zhǔn)話路數(shù)比特率/Mbit/s

北美歐洲日本北美歐洲日本基群2430241.5442.0481.544二次群96120966.3128.4486.312三次群67248048044.73634.36832.046四次群13341920144090139.24697.728如圖4.3.1-5所示，單模光纖具有非常寬的帶寬。在1.3μm（1.25~1.35μm）波段和1.55μm（1.50~1.60μm）波段，都具有高達100nm的低損耗傳輸范圍。另一方面，作為光源的半導(dǎo)體激光器的線寬已小于0.1nm，因此，在一根單模光纖中，可同時傳輸多個不同波長的信號。

波分復(fù)用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）技術(shù)正是基于這種思想，通過在一根單模光纖中傳輸多個信道信號，來大幅度增加通信容量的。

二、波分復(fù)用系統(tǒng)

圖4.3.2-2為一單向傳輸?shù)腤DM系統(tǒng)原理框圖。

復(fù)用器解復(fù)用器光放大器光接收機1光接收機2光接收機n光發(fā)送機1光發(fā)送機2光發(fā)送機n……λ1λ2λnλ1λ1λ2λnλ1λ2…λn光纖波分復(fù)用系統(tǒng)的核心部件是波分復(fù)用器件，即復(fù)用器和解復(fù)用器（也稱合波器與分波器）。這里介紹閃爍光柵波分復(fù)用器。圖4.3.2-3閃爍光柵波分復(fù)用器λ1λ2λ3λ4λ1

λ2λ3λ4光纖透鏡閃爍光柵

1、復(fù)用器/解復(fù)用器說明：當(dāng)不同波長的入射光從同一角度照射到光柵上后，由于光柵的色散作用，不同波長的光將以不同的角度反射，然后經(jīng)透鏡會聚到不同的輸出光纖，實現(xiàn)解復(fù)用的功能；反過來，可以完成光波的復(fù)用功能。閃爍光柵波分復(fù)用器具有優(yōu)良的波長選擇性，波長的間隔可以小于1nm，復(fù)用信道數(shù)已達120路。其隔離度也較好，當(dāng)波長間隔為

1nm時可以達到

55dB。缺點是插入損耗較大，通常為3~8dB。寬帶寬的光放大器可以對多信道信號同時放大，而不需要進行解復(fù)用；光放大器的問世推動了DWDM技術(shù)的快速發(fā)展。目前應(yīng)用最廣泛的光放大器是摻鉺光纖放大器(ErDopedFiberAmplifier，EDFA)，其特點是高增益、低噪聲、能放大不同速率和調(diào)制方式的信號，而且?guī)捄軐?，能在幾十納米范圍內(nèi)同時放大多波長信號。

2、光放大器EDFA主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔離器及光濾波器組成，結(jié)構(gòu)如圖4.3.2-4所示。

圖4.3.2-4摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)

信號光耦合器光隔離器摻鉺光纖光隔離器光濾波器輸出光泵浦光說明：光耦合器的作用是將信號光和泵浦光復(fù)合在一起，注入到摻鉺光纖中，一般采用波分復(fù)用器來實現(xiàn)。光隔離器是用來抑制光反射，防止光放大器自激，確保工作穩(wěn)定。當(dāng)較弱的信號光與較強的泵浦光一起輸入EDF時，泵浦光激活EDF中的鉺離子，躍遷到高能級態(tài)；在信號光的誘導(dǎo)下，鉺離子受激輻射，躍遷到基態(tài)，產(chǎn)生與信號光相同的光子，實現(xiàn)光放大。須在輸出端設(shè)置光濾波器，以降低自發(fā)輻射噪聲。

在

EDFA的應(yīng)用中，需要解決兩個問題。

增益的平坦化。

增益的自動控制。當(dāng)光纖中信道數(shù)由于故障等原因突然減少時，光放大器的增益會突然增加，形成“浪涌”，使信號強度突然提高，接收機碼元判決時會出現(xiàn)錯誤。EDFA可以提供10~30dB的增益，輸出光功率可達10mW~100mW，帶寬超過40nm，是DWDM系統(tǒng)理想的光放大器。

從拓撲結(jié)構(gòu)看，通信網(wǎng)可分為三類，即點到點、點到多點及網(wǎng)絡(luò)，如圖4.3.3-1所示，分別將結(jié)點連接起來傳送信息。

(a)點到點(b)點到多點(c)網(wǎng)絡(luò)圖4.3.3-1通信網(wǎng)的三種基本拓撲結(jié)構(gòu)

12123N12345§4.3.3光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，可將網(wǎng)絡(luò)分為三類：

1、局域網(wǎng)，是在一個局部地理范圍（如一所學(xué)校、一個機關(guān)）內(nèi)將計算機、外部設(shè)備數(shù)據(jù)庫等連接起來組成的網(wǎng)絡(luò)，簡稱LAN.2、城域網(wǎng)，是在一個城市范圍內(nèi)所建立的計算機通信網(wǎng)，簡稱MAN。

MAN的一個重要用途是作骨干網(wǎng)

.3、廣域網(wǎng)，是在一個廣泛的地理范圍內(nèi)所建立的計算機通信網(wǎng)，簡稱WAN。WAN用于通信的傳輸裝置，一般由公司或電信部門提供。互連主要采用公用網(wǎng)絡(luò)和專用網(wǎng)絡(luò)兩種。

1、總線形網(wǎng)絡(luò)圖4.3.3-2總線形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

所有參加聯(lián)網(wǎng)的通信結(jié)點，都通過光纖定向耦合器接在一條光纖數(shù)據(jù)總線上，構(gòu)成總線形網(wǎng)絡(luò)。發(fā)送信息時，由發(fā)送端（T）將光信號通過耦合器耦合到光纖總線中；在各接收端（R），通過耦合器將總線中的光信號功率耦合出一部分。

TRAEC數(shù)據(jù)總線FDB光傳播方向定向耦合器說明：如果結(jié)點A想將信息傳送給結(jié)點B，它只須將信息輸送到各通信結(jié)點共享的數(shù)據(jù)總線上，此時包括結(jié)點B在內(nèi)的其他各結(jié)點均處于“監(jiān)聽”狀態(tài)，監(jiān)聽總線上是否正在傳送信息；如果B結(jié)點發(fā)現(xiàn)信息是傳送給自己的，就將它接收下來，其他結(jié)點對該信息不予理睬。如果結(jié)點A向結(jié)點B傳送信息的同時，結(jié)點C也將信息送到共享的數(shù)據(jù)總線上，欲傳送給結(jié)點D，于是在總線上這兩個信息將發(fā)生碰撞。為了避免發(fā)生碰撞，各結(jié)點在發(fā)送信息之前必須監(jiān)聽一下總線上是否有信息在傳送。如果沒有，則可以將信息送到總線上；如果總線上有信息正在傳送，則必須等正在傳送的信息傳送完之后，方可傳送，這個過程稱為“載波監(jiān)聽（Carriersense）”。還有一種可能出現(xiàn)的情形是，當(dāng)結(jié)點A正在向結(jié)點B傳送信息，此時結(jié)點C與結(jié)點E分別想將信息傳送給結(jié)點D與結(jié)點F，根據(jù)“載波監(jiān)聽”法，此時結(jié)點C與結(jié)點E都不能傳送信息。一旦結(jié)點A信息傳送完畢，結(jié)點C與結(jié)點E都可將信息輸送到總線上，顯然結(jié)點C與結(jié)點E的信息將發(fā)生碰撞。因此，結(jié)點C與結(jié)點E都必須一邊傳送，一邊監(jiān)聽總線上有沒有發(fā)生信息碰撞，這個方法稱為“碰撞檢測（Collisiondetection）”?？偩€形網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是：網(wǎng)絡(luò)的控制設(shè)備簡單，無須設(shè)置全網(wǎng)的控制中心系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)中任一通信結(jié)點發(fā)生故障，都不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的正常運行。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖4.3.3-3所示，它是目前用得較多的一種網(wǎng)絡(luò)形式。其特點是網(wǎng)絡(luò)中每個通信結(jié)點都有兩個相鄰的結(jié)點，每個結(jié)點都具有再生中繼的功能，都要執(zhí)行路由的任務(wù)。各結(jié)點用光纖線路連成環(huán)狀，可以相互通信。終端機ABCDEF間接中繼器光纖環(huán)路光纖圖4.3.3-3環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

2、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)說明：在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，信息是按照一個指定方向傳輸?shù)模畔⒂梢粋€結(jié)點傳給下一個相鄰的結(jié)點。當(dāng)信息傳送到某個結(jié)點時，該結(jié)點首先要判斷一下，該信息是不是傳送給本結(jié)點的。如果是，就將信息接收下來；如果不是，就將它再生后，由中繼器傳送給下一個結(jié)點。

為避免環(huán)路上發(fā)生碰撞，采用了令牌(token)傳送方法。令牌按一個已定的方向沿環(huán)形網(wǎng)傳送，由一個結(jié)點傳送到下一個結(jié)點。只有當(dāng)某一個結(jié)點有信息要傳送時，該結(jié)點才接受令牌；令牌到達某一個結(jié)點時，才允許該結(jié)點發(fā)送信息。否則，不改變訪問控制域內(nèi)容而往下一個結(jié)點傳送?？傊?，在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中的各結(jié)點上，首先傳送令牌，而后傳送信息，而后再傳送令牌，以避免發(fā)生信息碰撞。其特點是有一個中心結(jié)點。全網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)就設(shè)在中心結(jié)點，用來調(diào)整整個網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸和管理網(wǎng)絡(luò)的運行情況。網(wǎng)絡(luò)中任何一個通信結(jié)點必須經(jīng)過中心結(jié)點，才可以將信息傳輸給其他結(jié)點。各結(jié)點通過一根雙向傳輸?shù)墓饫w線路或兩根單向傳輸?shù)墓饫w線路與中心結(jié)點相連。星形網(wǎng)絡(luò)可采用“載波監(jiān)聽多次訪問/碰撞檢測”方法，避免信號發(fā)生碰撞。

圖4.3.3-4星形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

終端機ABCDEF結(jié)點中心結(jié)點光纖3、星形網(wǎng)絡(luò)

§4.4.1元件型光纖傳感器

§4.4.2傳輸型光纖傳感器§4.4光纖傳感器基于微彎損耗機理的強度調(diào)制型傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4.4.1-1所示。由光纖中光功率的數(shù)值可得到諸如壓力、位移等被測量的大小。圖4.4.1-1微彎損耗光纖傳感器原理光輸入光輸出變形器多模光纖LΛ§4.4.1元件型光纖傳感器

一、微彎損耗光纖傳感器設(shè)光纖的微彎變形函數(shù)為正弦型

根據(jù)光纖模式理論，可得到微彎損耗系數(shù)

式中D(t)——外界信號導(dǎo)致的彎曲幅度；

q——空間頻率；

z——變形點到光纖入射端的距離；設(shè)光纖微彎變形函數(shù)的微彎周期為，則有的近似表達式:4.4.1-2

式中——比例系數(shù)；

——光纖中光波傳播常數(shù)差；——光纖中產(chǎn)生微彎變形的長度；說明：a與光纖彎曲幅度D(t)的平方成正比，彎曲幅度越大，模式耦合越嚴(yán)重，損耗就越高。a還與光纖彎曲變形的長度成正比，作用長度越長，損耗也越大。a與光纖微彎周期有關(guān)，當(dāng)時產(chǎn)生諧振，微彎損耗最大。因此，從獲得最高靈敏度的角度考慮，需要選擇合適的微彎周期。光波通過長度為的光纖，其相位延遲為微分得：

式中第一項表示光纖長度變化引起的相位差（應(yīng)變效應(yīng)或熱脹效應(yīng)），第二項為光纖折射率變化引起的相位差（光彈效應(yīng)或熱光效應(yīng)），第三項為光纖芯徑變化引起的相位差（泊松效應(yīng)）。二、干涉式光纖傳感器用于光相位解調(diào)的干涉結(jié)構(gòu)有多種，如雙光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法及環(huán)形干涉法等，此處主要介紹雙光束干涉法。雙光束光纖干涉儀有邁克爾遜(Michlson)干涉儀、馬赫-陳德爾(Mach-Zehnder)干涉儀及斐索(Fizeau)干涉儀，基本結(jié)構(gòu)如圖4.4.1-2所示。光源探測器信號臂參考臂3dB(a)邁克爾遜干涉儀說明：光源發(fā)射光經(jīng)3dB光纖耦合器，分成兩路分別進入信號臂和參考臂，然后分別被反射回各自的光纖中。

信號臂光纖中傳輸?shù)墓獠ㄏ辔槐徽{(diào)制，參考臂光纖中傳輸?shù)墓獠ㄏ辔慌c外界無關(guān)；被反射回來的光波在3dB光纖耦合器另一端匯合，產(chǎn)生干涉條紋，被探測器接收。(b)馬赫-陳德爾干涉儀說明：光源發(fā)出的相干光由第一個3dB耦合器進入信號臂和參考臂，在經(jīng)第二個3dB耦合器后在探測器端匯合，產(chǎn)生干涉條紋。

優(yōu)點：克服了反饋光波對光源的影響。光源信號臂3dB探測器3dB參考臂(c)斐索干涉儀說明：光源發(fā)出的相干光經(jīng)3dB耦合器進入傳輸光纖，在光纖出射端一部分被光纖端面反射回光纖中，一部分被光纖輸出后又被一個外部的反射鏡反饋回光纖中。這兩部分反饋光在耦合器的另一端匯合產(chǎn)生干涉條紋。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單。光源探測器傳輸光纖3dBM1M2自聚焦透鏡現(xiàn)以雙光束干涉儀為例來分析干涉場。設(shè)信號光與參考光的場強分別為：兩光束相干產(chǎn)生的干涉場分布為

相應(yīng)的光強分布為

這樣，可將相位變化轉(zhuǎn)換為強度變化，可以獲得被測信號的大小。干涉場分析光纖光柵是利用光纖的光折變效應(yīng)，使纖芯折射率沿軸向產(chǎn)生周期性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。光纖Bragg光柵（FiberBraggGrating，F(xiàn)BG）是一種反射型濾波器件，其機理是后向傳播的LP01模與前向傳播的LP01模之間發(fā)生耦合，根據(jù)相位匹配條件，要求光柵周期很小，一般小于1μm。FBG的傳輸特性如圖4.4.1-3所示。λIFBG反射譜λBλI輸入譜λIFBG透射譜λB三、光纖光柵傳感器

FBG的反射光波中心波長為

反射率為

反射光帶寬（半峰值全寬）為

由于光纖光柵的柵距是沿光纖軸向分布的，因此在外界信號如溫度、壓力的作用下，光纖將產(chǎn)生軸向應(yīng)變與折射率變化，柵距也隨之變化，導(dǎo)致反射波長變化：光纖光柵的反射波長受到被測量的調(diào)制產(chǎn)生偏移，解調(diào)出波長變化就可以得到被測量。解調(diào)方法有光譜法，用光譜儀直接測量反射譜或透射譜，是最簡單的方法，但光譜儀的價格較高，而且不適合在線實時測量。此外還有波長掃描法、光學(xué)濾波法及干涉法。在此介紹干涉解調(diào)法。法拉第電流傳感器是利用光纖的磁光效應(yīng)實現(xiàn)電流測量的，按調(diào)制參數(shù)分類，則屬于偏振調(diào)制型。磁光效應(yīng)，又稱法拉第（Faradag）效應(yīng)，是指某些物質(zhì)在外磁場的作用下，使通過它的線偏振光的偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。設(shè)法拉第材料的長度為l，沿長度方向施加的外磁場強度為H，則線偏振光通過它后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度為四、法拉第電流傳感器

光纖的磁光效應(yīng)最典型的應(yīng)用就是高壓傳輸線用的電流傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖4.4.1-4所示。圖4.4.1-4基于光纖磁光效應(yīng)的電流傳感器將光纖繞在被測導(dǎo)線上，設(shè)圈數(shù)為N，導(dǎo)線中通過的電流為I，由安培環(huán)路定律，距導(dǎo)線軸心為R處的磁場為

P2WP

探測器1探測器2I1I2光源光纖IP1I1-I2I1+I2由以上兩式可得偏轉(zhuǎn)角

繞在導(dǎo)線上的光纖長度為：，代入上式得

結(jié)論：通過光纖的光偏振面偏轉(zhuǎn)角與被測電流及光纖的匝數(shù)成正比，與光纖圈半徑大小無關(guān)。由于探測器不能直接檢測光的偏振態(tài)，需要將光偏振態(tài)的變化轉(zhuǎn)換為光強度信號。分布式光纖傳感器是一種本征型的光纖傳感器，所有敏感點均分布于一根傳感光纖上。目前有兩種方式發(fā)展比較快，一種是以光纖的后向散射光或前向散射光損耗時域檢測技術(shù)為基礎(chǔ)的光時域分布式，另一種是以光波長檢測為基礎(chǔ)的波長域分布式。時域分布式光纖傳感器的物理基礎(chǔ)是光學(xué)時域反射技術(shù)（OpticalTime-domainReflectometry），簡稱OTDR。其基本原理是利用分析光纖中后向散射光或前向散射光的方法測量因散射、吸收等原因產(chǎn)生的光纖傳輸損耗和各種結(jié)構(gòu)缺陷引起的結(jié)構(gòu)性損耗，當(dāng)五、分布式光纖傳感器光纖某一點受溫度或應(yīng)力作用時，該點的散射特性將發(fā)生變化，因此通過顯示損耗與光纖長度的對應(yīng)關(guān)系來檢測外界信號分布于傳感光纖上的擾動信息。圖4.4.1-5給出了一種基于后向散射光檢測的OTDR原理圖。圖4.4.1-5基于后向散射光檢測的OTDR原理圖脈沖激光光源后向散射回波傳感光纖3dB光電檢測與信號處理系統(tǒng)設(shè)光纖上距離始端Z處、長度為dZ的一段光纖產(chǎn)生的后向散射光傳播至光纖始端的功率為

上式可變換為

由于外界因素引起的沿光纖長度上的某一點散射信號的變化，可以通過OTDR方法獨立地探測出來，而不受其他點散射信號改變的影響，因此可以采用OTDR方法實現(xiàn)對光纖的分布式測量。

圖4.4.1-6后向散射光檢測波形示意圖

相對回波光功率初始脈沖作用點終端費涅爾回波長度ZOTDR的空間分辨力由W注入光脈沖的寬度決定，為，為提高空間分辨力，應(yīng)使用窄的光脈沖。當(dāng)波長為的低功率光脈沖注入到傳感光纖時，將產(chǎn)生自發(fā)后向喇曼散射，包括兩條譜線，一條波長為，稱為斯托克斯線。另一條波長為

，稱為反斯托克斯線。反斯托克斯線光強與斯托克斯線光強之比為

4.4.1-21由上式可見，自發(fā)后向喇曼散射中反斯托克斯線光強與斯托克斯線光強之比僅是光介質(zhì)所處溫度的函數(shù)，隨著環(huán)境溫度的升高比值呈指數(shù)規(guī)律增加。一、反射式位移傳感器反射式位移傳感器，其基本原理如圖4.4.2-1所示探測器光源被測面?zhèn)鬏敼饫w接收光纖§4.4.2傳輸型光纖傳感器

原理：光源發(fā)出的光通過光纖射向被測物體，其反射光由接收光纖收集，送到探測器，通過信號處理得到光纖端面與被測面之間距離的變化（位移）。下面分析接收光強變化與位移之間的關(guān)系，參考圖4.4.2-2。圖4.4.2-2光耦合示意圖被測面?zhèn)鬏敼饫w接收光纖傳輸光纖像da2r假設(shè)兩根光纖均為階躍折射率光纖，芯徑為2r，數(shù)值孔徑為NA，兩光纖間隔為a，并定義當(dāng)距離時，兩光纖的光耦合為零，即沒有反射光進入接受光纖；當(dāng)時，兩光纖的耦合最強，接收光。強達到最大值。此時輸入光纖的像發(fā)出的光錐完全覆蓋接收光纖端面.

在線性近似條件下，可得到交疊面積與光纖芯面積之比為

假設(shè)反射面無光吸收，兩光纖的光功率耦合效率F即為交疊面積與光錐底面積之比

上述關(guān)系式提供了反射式傳感器的設(shè)計依據(jù)。圖4.4.2-3給出了一個設(shè)計實例，主要參數(shù)為：2r=200μm，NA=0.5，a=100μm。圖4.4.2-3耦合效率與距離關(guān)系的理論曲線2004006000510F/%d/μmd=320μmF=7.2%設(shè)入射光強為出射光強為

，在經(jīng)過長度為的半導(dǎo)體材料后，只有能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg的光子才能被吸收本征吸收時電子從導(dǎo)帶躍遷到價帶的形式有兩種，即間接躍遷與直接躍遷，這由半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)所決定。GaAs半導(dǎo)體是典型的直接躍遷材料，當(dāng)光子能量hv大于材料的禁帶寬度Eg時，吸收系數(shù)可以寫成：二、半導(dǎo)體吸收溫度傳感器另一方面，對于GaAs材料，其禁帶寬度Eg與溫度具有如下關(guān)系：

上式表明GaAs材料的禁帶寬度Eg

隨溫度的升高而降低，產(chǎn)生本征吸收要求的最低光頻Vg減小了，即是說溫度升高時，吸收曲線向短波長方向移動，相應(yīng)的，透射曲線向長波長方向移動，意味著有更多的光子被吸收，如圖4.4.2-4所示。透過率T01.00.5

λgλ/nm光源輻射譜T(λ,t)t1<t2t1t2圖4.4.2-4半導(dǎo)體材料的透過率特性

圖4.4.2-5為透射式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4.4.2-5半導(dǎo)體吸收溫度傳感器示意圖光源探測器傳輸光纖GaAs如圖4.4.2-6所示，當(dāng)頻率為f的激光經(jīng)光纖照射到以速率v為運動的散射物體O上時，一部分散射光又進入到光纖中，其光頻為

三、光纖多普勒速度傳感器反射光波fd3dB光電檢測與信號處理系統(tǒng)激光光源vθ入射光波fO

§4.5.1激光打印機和復(fù)印機

§4.5.2光盤存儲

§4.5.3攝像機和數(shù)碼相機

§4.5.4攝像測量§4.5光電信息技術(shù)其它應(yīng)用激光打印機是光電技術(shù)和電子照相技術(shù)相結(jié)合的一種印字方式，它綜合利用了激光器，光束調(diào)制和偏轉(zhuǎn)、精密光學(xué)機械和電子計算機處理技術(shù)，是一種非常有代表性的光電子儀器。它有以下特點：

1．像素密度高，印字清晰，分辨率比機械點陣式高近百倍。

2．打印速度快，比普通打印機快6～30倍。

3．工作無撞擊，打印噪聲小?！?.5.1激光打印機和復(fù)印機一、激光打印機的特點激光打印機結(jié)構(gòu)如圖4.5.1-－1所示。激光打印機的打印原理如圖4.5.1-－2所示。二、激光打印機原理

1．

吸鼓帶電

對應(yīng)圖4.5.1-－2的1位置，在感光鼓〔也稱吸鼓〕上用電極對感光體表面高壓電暈放電，使感光層表面帶電荷。感光鼓是在導(dǎo)電基體表面上涂有硒或其它光電導(dǎo)材料層，光電導(dǎo)層在光照時的電阻率下降。

2．

掃描曝光對應(yīng)圖4.5.1-－2的2位置，用受被打印內(nèi)容調(diào)制的激光束對感光層掃描曝光，受光照區(qū)域的電阻率下降，表面電荷被中和而消失，在感光層上形成由靜電荷分布構(gòu)成的潛像（電荷圖象）。激光掃描寫入系統(tǒng)主要包括激光光源、光調(diào)制器、光偏轉(zhuǎn)器、掃描透鏡等光路元件及相應(yīng)的控制電路。

3．

靜電成像對應(yīng)圖4.5.1-－2的3位置，用含有炭精粉粒的顯像劑與感光層接觸，在靜電場的作用下，炭精粉粒附在感光層的曝光區(qū)域上，形成可見的炭精粉圖象，這過程也稱顯像過程。

4．著色轉(zhuǎn)印對應(yīng)圖4.5.1-－2的4位置，打印紙與已經(jīng)顯像的感光體接觸，同時采用電暈帶電體從紙的反面加電場，這時感光體表面的顯像劑轉(zhuǎn)移到打印紙上完成轉(zhuǎn)印。

5.熱壓定影對應(yīng)圖4.5.1-－2的5位置，用熱壓器加熱加壓使著色劑牢固粘結(jié)在打印紙上，完成了靜電打印。

6．

清洗吸鼓對應(yīng)圖4.5.1-－2的6位置，將感光體用清洗器清除殘留的色粉，準(zhǔn)備下一張打印。1.激光器和調(diào)制器

實用的激光打印機—般采用He—Ne激光器或半導(dǎo)體激光器作激光光源。激光打印機中使用的光調(diào)制器早期多為聲光調(diào)制器。隨著半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，直接電流調(diào)制的方式已逐步代替聲光調(diào)制方式。2．光偏轉(zhuǎn)器

光偏轉(zhuǎn)器實現(xiàn)激光束的掃描，大多采用旋轉(zhuǎn)多面鏡的方式，它是由以正多角柱體的側(cè)面為鏡面的多面反射鏡和使其高速旋轉(zhuǎn)的電動機組合而成。3．

激光打印機的主要技術(shù)指標(biāo)激光打印機的主要技術(shù)指標(biāo)是打印寬度、打印速度和清晰程度。三．激光打印機的光電技術(shù)同激光打印機相同，復(fù)印機也是利用光電技術(shù)和電子照相技術(shù)相結(jié)合的一種印字方式。復(fù)印機與激光打印機的主要區(qū)別是圖象信息產(chǎn)生的方式不同。復(fù)印機是實物文件被反射照明后由成像鏡頭成像曝光在感光體上；而激光打印機則是由主計算機產(chǎn)生的圖象數(shù)據(jù)經(jīng)控制電路控制激光束的偏轉(zhuǎn)和光強度掃描曝光完成打印的。四．靜電復(fù)印機

一．光盤存儲的類型

1、記錄用光盤記錄用光盤也稱“寫后直讀型”(draw)光盤，它兼有寫入和讀出兩種功能，并且寫入后不需處理即可直接讀出所記錄的信息，因此可用作信息的追加記錄。這類系統(tǒng)根據(jù)記錄介質(zhì)和記錄方式的不同又可分為作一次寫入和可擦重寫兩類。

2、專用再現(xiàn)光盤專用再現(xiàn)光盤也稱“只讀”型(readonly)。它只能用來再現(xiàn)由專業(yè)工廠事先復(fù)制的光盤信息，不能由用戶自行追加記錄．

§4.5.2光盤存儲

1)存儲密度高、容量大

2)寫入讀出率高

3)存儲壽命長

4)每信息位的價格最低，易復(fù)制、壽命長。

5)有隨機尋址能力，隨機存取時間小于60ms。

6)光盤存儲是非接觸寫入讀出，防塵耐污染，操作方便，易與計算機聯(lián)機使用。

二、光盤存儲的特點

三、光盤存儲的工作原理在光盤上寫入信息的裝置稱作光盤記錄系統(tǒng)；能從光盤上讀出數(shù)據(jù)的裝置是光盤重放系統(tǒng)。大多數(shù)光盤裝置具有記錄和重放的雙重功能。

1、只讀型將載有音頻、視頻或文件信息的調(diào)制激光束被聚焦透鏡縮小成直徑1um左右的光點。高能量密度的細束激光加熱光盤的記錄介質(zhì)表面，使局部位置發(fā)生永久性變形，使介質(zhì)表面光學(xué)特性的二值化改變。在光盤面上會形成軌跡為螺旋狀的一系列微小凹坑或其它形式的信息記錄點。這些信息點的不同編碼方式就代表了被存儲的信息數(shù)據(jù)。

在讀出狀態(tài)時，將照射激光束聚焦在光盤信息層上。當(dāng)激光束落在光盤信息層的平坦區(qū)域時，大部分光束被反射回物鏡，落在凹坑邊緣的反射光因衍射作用而向兩側(cè)擴散，只有少量反射光能折回物鏡。落入凹坑底部的光束由于坑深為l／4，故反射光相位與坑上反射光相位差為1／2，由干涉理論可知，當(dāng)二束光相位差為1／2

時，由于干涉而形成暗條紋。由此可見，當(dāng)激光束全部照在光盤信息層的平坦區(qū)域時，反射光為亮紋，而當(dāng)部分激光束落到凹坑底部時，反射光為暗紋，只要用光電檢測器接收反射回來的被信息點調(diào)制的光強，就可得到：“0”或“1”的信號。工作原理

2．可擦型同只讀型類似，只是在激光束照射光盤時，使光盤表面的磁性膜磁化或使介質(zhì)表面結(jié)晶狀態(tài)發(fā)生變化。另一種光存方法采用基于光熱磁效應(yīng)的光磁盤裝置它的基本設(shè)備也和光盤裝置相類似，主要的區(qū)別在于采用的是磁性的記錄介質(zhì)。在細束激光的調(diào)制作用下，通過改變磁介質(zhì)的磁化方向完成信息的存儲。在信息讀出時不是檢測光的反射率，而是通過檢測反射光的偏振狀態(tài)檢測信息點處的磁化方向。。光盤存儲系統(tǒng)的核心裝置是光盤驅(qū)動器，它是一種超精密光電子裝置。主要包括：光學(xué)系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、伺服跟蹤系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。

四．光盤存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1．

光學(xué)系統(tǒng)

(1)激光聚束光路

(2)寫入光調(diào)制器

(3)循跡跟蹤反射鏡

(4)光電檢測系統(tǒng)

2．

機械系統(tǒng)

(1)轉(zhuǎn)臺機構(gòu)

(2)滑板機構(gòu)

(3)光電頭機構(gòu)

3．

控制系統(tǒng)

(1)轉(zhuǎn)臺恒速控制系統(tǒng)

(2)滑板位移控制系統(tǒng)

(3)調(diào)焦控制系統(tǒng)

(4)循跡跟蹤系統(tǒng)

4．

信號處理系統(tǒng)

(1)寫入信號處理器

(2)讀出信號處理器

(3)控制器1、電視圖像的像素

人眼對被觀察的物體相鄰兩點間最小分辨距離的視角的倒數(shù)稱人眼的分辨率。對應(yīng)于電視圖像，如圖4.5.3－1所示，人眼能分辨上下相鄰兩行像素D的視角為，觀看電視的距離為L，則

＝57.360D/L=3438D/L（分）

D＝

L/3438§4.5.3攝像機和數(shù)碼相機一、全電視信號設(shè)眼睛所能分辨的條紋數(shù)為Z，則Z＝H/D＝3438H/L

由于眼睛長時間看電視圖像比較容易疲勞，一般?。?.5分，而眼睛對圖像的最佳垂直視角約15度左右，即最佳觀看距離L＝5H，代上式得：Z＝458（線）我國用PAL制式的標(biāo)準(zhǔn)，每幀圖像由二場組成，每場為312.5行。主要參數(shù)如下：場頻＝50Hz場周期＝20ms

行頻＝15625Hz行周期＝64s

場逆程時間＝25H＝1.6ms（H為行周期）行逆程時間＝11.8s

2．電視的2：1隔行掃描制式根據(jù)國際慣例，全電視信號由亮度信號B、復(fù)合消隱信號A和復(fù)合同步信號S組成。B信號：一般采用負極性視頻信號，反映了一行中像素的明暗變化的情況，如圖4.5.3－3（a）所示。A信號：分水平消隱和垂直消隱，水平消隱也叫行消隱，如圖4.5.3－3（b）所示。垂直消隱也稱場消隱，如圖4.5.3－3（c）所示。

3．

全電視信號

S信號：分行同步信號和場同步信號，保證攝像信號與電視信號的一致，校正電視機的掃描誤差。如圖4.5.3－4所示。攝像機是將光圖像信息轉(zhuǎn)換成電信號，最后形成全電視信號。

1．光電導(dǎo)攝像機的組成部分

鏡頭：同照相機相同，對被攝物進行成像，所成的像照射在攝像管的光電導(dǎo)靶面上。

聚焦線圈：使攝像管陰極發(fā)射的電子束聚焦且使其垂直上靶。

偏轉(zhuǎn)線圈：使電子束對光電靶面進行掃描，一對是上下偏轉(zhuǎn)，一對是左右偏轉(zhuǎn)。

攝像管：陰極的電子槍發(fā)射恒定的電子束，轟擊光電導(dǎo)靶面，實現(xiàn)光電信息的轉(zhuǎn)換。

一、光電導(dǎo)攝像機2．?dāng)z像管由半導(dǎo)體能帶理論可知，當(dāng)圖像的光子大量入射到半導(dǎo)體光電導(dǎo)材料上時，使大量的電子吸收能量進入導(dǎo)帶，從而使其導(dǎo)電性能改善，電導(dǎo)率增加或電阻下降，形成了電子圖像信號，這就是攝像管工作的基本原理。

(1）電子槍：產(chǎn)生電子束，由電加熱陰極，電子束在電場中加速，最后轟擊光電導(dǎo)靶面。電子束的大小和加速度是恒定的，方向由偏轉(zhuǎn)線圈控制。

（2）光電導(dǎo)靶面：光電導(dǎo)靶面是由無數(shù)個光電導(dǎo)像素單元組成，每個光電導(dǎo)像素單元可以等效為一個電阻和一個電容并聯(lián)的電路，其電阻值和電容值為：光電導(dǎo)靶面的工作原理如下：當(dāng)陰極發(fā)射的電子接通某一像素時，該像素單元的電容C0

就立即被充電到靶電源的電壓，當(dāng)電子束離開該像素單元時，電容便通過該單元的等效電阻R0

放電，放電時電容兩端電壓為：

第一種情況：無光照時。在一幀時間內(nèi)電子束掃描完各個點，使這些點為地電位后，C0

充滿電，由于電容放電時間＝R0C0＝0.53秒，遠大于一幀的掃描時間0.04秒，故電容幾乎沒有放電，當(dāng)?shù)诙螔呙钑r，無充電電流流過RS

，B點電位ET，這時無視頻信號輸出。

第二種情況：有光照時。當(dāng)有光照射在靶面上時，R0

隨光強的大小而變化，掃描后C0

放電時間變化，光越強，R0

越小，放電越快，在下一次電子束掃描該像素時所補充的電荷就越多，就會有較大的電流流過負載電阻RS而產(chǎn)生較大的信號電壓輸出，負極性視頻信號反映了圖像的明暗程度。

第三種情況：光照均勻時。當(dāng)光照均勻無起伏時，R0

不變，輸出為直流分量，直流量反映了平均照度。由此可見，只有電子束按全電視信號的要求對靶面進行掃描，就可在輸出端得到視頻信號，將視頻信號加上消隱信號和同步信號，就形成了全電視信號，就可送入電視機進行逆過程變換，形成一幅幅電視圖像，也可送入錄像機用磁帶保存全電視信號。

CCD攝像機是利用MOS光敏元在光照后產(chǎn)生電子和空穴分離的現(xiàn)象，電子被吸收到勢阱，勢阱內(nèi)的光生電子數(shù)與入射到勢阱附近的光強成正比，也與光照時間（曝光時間）成正比。假設(shè)一個MOS元就是一個像素，則在半導(dǎo)體硅片上制有上萬個獨立的MOS元，如照在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖像，則在光敏元上就會產(chǎn)生一幅與光照強度相對應(yīng)的光生電荷圖像，這就形成了影像信號。

三．CCD攝像機

CCD攝像機使用面陣CCD。CCD攝像機完成攝像需經(jīng)歷以下過程：

1．曝光

2．光生電荷平移到移位寄存器

3．移位寄存器中光生電荷串行輸出，轉(zhuǎn)換成電壓信號

4．形成全電視信號

四．

數(shù)碼相機數(shù)碼相機原理同CCD攝像機，所不同的是CCD攝像機是采集連續(xù)的圖像，而數(shù)碼相機只采集一幅圖像；攝像機將采集的連續(xù)變化的圖像信號轉(zhuǎn)換成全電視信號后保存在磁帶中，而數(shù)碼相機將一幅圖像的信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字量保存在內(nèi)存或軟盤中。

一．?dāng)z像監(jiān)視攝像監(jiān)視一般采用CCD攝像頭對被監(jiān)視的區(qū)域成像，最后通過監(jiān)視電視顯示出來，也可用存儲設(shè)備保存以備后用。如將攝像頭與有關(guān)控制系統(tǒng)或報警系統(tǒng)相連，則可起到防盜報警、防火報警等功能。

二．?dāng)z像檢測攝像檢測主要用于工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)，可實現(xiàn)遠距測量、非接觸測量和在線測量。

目前，攝像檢測主要應(yīng)用攝像技術(shù)和計算機數(shù)字圖象處理技術(shù)對被測量進行自動檢測和控制。下面舉例說明。

§4.5.4攝像測量隨著攝像測量技術(shù)和模式識別技術(shù)的發(fā)展，已研制出底片的攝像測量法，利用計算機對攝像的焊縫底片進行自動識別。其原理框圖如圖4.5.4－1所示。

三．高壓容器焊縫底片缺陷的攝像測量1、焊縫底片圖象的攝像輸入2、圖象預(yù)處理（1）灰度變換運用全域線形變換，增強缺陷與背景的反差，使圖象清晰，特征明顯。設(shè)p0(i,j)為原始圖象的灰度，p1(i,j)為經(jīng)過變換后的灰度。初始灰度級范圍為(a,b)，變換后的灰度級范圍為(a‘,b’),則：p1(i,j)=a+(b'-a')*[p0(i,j)-a]/(b-a)ap0(i,j)b

即將原來的(a,b)范圍擴展為(a',b')范圍。經(jīng)灰度變換后，圖象對比度增強了（見圖4.5.4－3）。（2）降噪處理

降噪處理通常稱為平滑或濾波。其目的在于濾除干擾，突出目標(biāo)特征。對濾波處理的要求有兩條：一是使圖象清晰；二是不要破壞圖象中的輪廓和邊緣等有用信息。常用的方法分為空域法和頻域法?？沼蚍òㄔ肼曄ā⑧徲蚱骄?、中值濾波法、掩模匹配法等。頻域法有低通濾波法等。

模糊加權(quán)均值濾波器(FWA)將濾波窗內(nèi)的樣本看作一個模糊集A中的元素，窗內(nèi)樣本xi根據(jù)其