非相干光的檢測與變換

非相干光的檢測與變換1第1頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)

光電信號變換與光電測量系統(tǒng)概述非相干光學(xué)信號是指光載波為非相干光，用于檢測光功率、光頻率或相位，或者光載波是相干的，但檢測的是光功率2第2頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四變換的目的1）將待處理的信息加載到光載波上，得到光載波的信號2）改善系統(tǒng)的時間或空間分辨率和動態(tài)品質(zhì)，用以提高傳輸效率和檢測精度3）改善系統(tǒng)的檢測信噪比，提高系統(tǒng)可靠性3第3頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四變換的方法借助于幾何光學(xué)、物理光學(xué)、光電子學(xué)等幾何光學(xué)：直線性、透射、反射、折射、成像等物理光學(xué)：干涉、衍射、光強(qiáng)、波長變換、偏振等光電子學(xué)：電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、空間調(diào)制等4第4頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電信號變換方法與應(yīng)用范圍

變換方法光學(xué)原理應(yīng)用范圍幾何光學(xué)法透射、反射、折射、散射、遮光、光學(xué)成像等非相干光學(xué)現(xiàn)象或方法光開關(guān)、光學(xué)編碼、光掃描、瞄準(zhǔn)定位、光準(zhǔn)直、外觀質(zhì)量檢測、測長測角、測距等物理光學(xué)法干涉、衍射、散斑、全息、波長變換、光學(xué)拍頻、偏振等相干光學(xué)現(xiàn)象或方法莫爾條紋、干涉計量、全息計量、散斑計量、外差干涉、外差通信、光譜分析、多普勒測速等光電子學(xué)法電光效應(yīng)，聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、空間光調(diào)制、光纖傳光與傳感等光調(diào)制、光偏轉(zhuǎn)、光開關(guān)、光通信、光記錄、光存儲、光顯示等5第5頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四

光源、光學(xué)變換系統(tǒng)和光電接收器件構(gòu)成了光電檢測系統(tǒng)直接檢測光電系統(tǒng)相干檢測光電系統(tǒng)光信息為光強(qiáng)，被測量被攜帶于光載波的強(qiáng)度之中，光電器件直接接收光強(qiáng)度變化，再用解調(diào)的方法檢測出被測信息的系統(tǒng)光信息加載于相干光源的光載波的振幅、頻率、相位之中的系統(tǒng)6第6頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四

非相干檢測光電系統(tǒng)光源為非相干光，用調(diào)制的方法使被測信息加載于調(diào)制光的幅度、頻率、相位之中，再用光電檢測的方法從調(diào)制光檢測出被測信息的系統(tǒng)7第7頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電變換的基本形式1)被測對象為輻射源的形式8第8頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電探測器件直接探測物體本身的輻射量以確定目標(biāo)物的存在。光電變換的基本形式1)被測對象為輻射源的形式為了克服直流放大器中零點漂移和環(huán)境溫度的影響，以及減少背景輻射的噪聲干擾——常采用光學(xué)調(diào)制技術(shù)或電子斬波器調(diào)制，通過濾波器可提高信噪比。9第9頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四1)被測對象為輻射源的形式設(shè)物體全輻射通量密度光電變換的基本形式在近距離測量時，前置放大器輸出電壓信號（不計大氣吸收）ε—發(fā)射率；σ—波爾茲曼常數(shù)；T—絕對溫度τ—光學(xué)系統(tǒng)的透過率；m—光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)的透過率；S—光電器件光電靈敏度；G—電路變換系數(shù)；A—放大器放大倍數(shù)；R—光電變換系數(shù)10第10頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電變換的基本形式2)光透過被測對象的形式11第11頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電變換的基本形式當(dāng)光透過均勻介質(zhì)時，光被吸收而減弱的規(guī)律為2)光透過被測對象的形式Ф0—入射到介質(zhì)表面的通量；α—介質(zhì)吸收系數(shù)；d—介質(zhì)的厚度實驗表明：在液體或氣體中，α(=μγ)值與物質(zhì)的濃度成正比。(μ—表示液體或氣體對光的吸收性質(zhì)；γ—濃度)光電變換器的輸出電壓為12第12頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電變換的基本形式3)光由被測對象反射的形式13第13頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光反射有鏡面反射和漫反射兩種形式——其反射的物理性質(zhì)有所不同光電變換的基本形式3)光由被測對象反射的形式14第14頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電變換的基本形式4)光由被測對象遮擋的形式15第15頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電變換的基本形式設(shè)光電器件光敏面的寬度和高度為b，而被測物體的寬度大于b，物體遮擋光的位移量為Δl，則物體遮擋入射到器件的光照面積的變量為4)光由被測對象遮擋的形式變換器輸出位移量的信號電壓為：16第16頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電變換的基本形式5)被測對象經(jīng)光信息量化的形式17第17頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電變換的基本形式6)光傳輸信息的形式18第18頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)

光電直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理檢測系統(tǒng)可經(jīng)光學(xué)變換或直接由檢測器接收被測信號在其前端還可經(jīng)過頻率濾波（如濾光片）和空間濾波（如光闌）等處理此時光學(xué)變換也接收到背景輻射，并與信號一起入射到檢測器的光敏面上19第19頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四假定入射的信號光強(qiáng)為A—信號光強(qiáng)振幅ω—信號光的圓頻率其平均光功率為而光檢測器輸出的電流為式中20第20頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四若檢測器的負(fù)載電阻為RL，則光電檢測器輸出電功率為上式說明光電檢測器輸出的電功率正比于入射光功率的平方21第21頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四如果入射光是調(diào)幅波，即

X(t)—調(diào)制信號檢測器件輸出的電流為若光電檢測器輸出端由隔離直流的電容，則只有第二項輸出——這就是包絡(luò)檢測的意思22第22頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性1、檢測系統(tǒng)的信噪比設(shè)入射到檢測器的信號光功率為PS

設(shè)入射到檢測器的噪聲功率為Pn檢測器輸出的信號電功率為P0

檢測器輸出的噪聲功率為Pn023第23頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性考慮到信號與噪聲的獨立性，則有24第24頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性根據(jù)信噪比的定義，則輸出功率信噪比為①若，則有這說明輸出信噪比等于輸入信號比的平方由此可見，直接檢測光電系統(tǒng)不適用于輸入信噪比小于1或者微弱光信號的檢測25第25頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性②若，則有上式表明輸出信噪比等于輸入信噪比的一半，即經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后信噪比損失了3dB，在實際應(yīng)用中還是可以接受的從上述得知：直接檢測方法并不能改善輸入信噪比——這是其檢測系統(tǒng)的弱點（與相干或外差系統(tǒng)相比）但它對不是十分微弱光信號的檢測則是很適宜的檢測方法——因為該方法比較簡單，易于實現(xiàn)，可靠性高，成本低，應(yīng)用廣泛26第26頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性2、直接檢測系統(tǒng)的檢測極限及趨近方法如果考慮直接檢測系統(tǒng)存在的所有噪聲，則輸出噪聲的總功率為信號光背景光暗電流負(fù)載電阻及放大器熱噪聲之和27第27頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性輸出信號噪聲比為當(dāng)熱噪聲是直接檢測系統(tǒng)的主要噪聲源，而其它可以忽略時，信噪比為28第28頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性當(dāng)散粒噪聲遠(yuǎn)大于熱噪聲時，熱噪聲可以忽略，則直接檢測系統(tǒng)受散粒噪聲限制，這是的信噪比為29第29頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性當(dāng)背景噪聲是直接檢測系統(tǒng)主要噪聲源時，這是的信噪比為PB為背景輻射功率掃描熱檢測系統(tǒng)的理論極限即由背景噪聲極限所決定30第30頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性當(dāng)入射的信號光波所引起的散粒噪聲是系統(tǒng)的主要噪聲源——系統(tǒng)受信號噪聲限制上式為直接檢測系統(tǒng)在理論上的極限信噪比，也稱為直接檢測系統(tǒng)的量子極限31第31頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性

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)理論上可以測量的最小功率為假定檢測器的量子效率η=1，測量帶寬Δf=1Hz得到系統(tǒng)的最小可檢測功率為2hν,已接近單個光子的能量32第32頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性

3、直接檢測系統(tǒng)的視場角視場角是直接檢測系統(tǒng)的性能指標(biāo)之一它表示系統(tǒng)能“觀察”到的空間范圍對于檢測系統(tǒng)，被測物看作是在無限遠(yuǎn)處且物方與像方兩側(cè)的介質(zhì)相同故在上述條件下檢測器位于焦平面上時，其半視場角為檢測器直徑33第33頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性或視場角立體角為而從觀察范圍看，即從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的觀點考慮：希望視場角愈大愈好從上式可看出，增大Ω，可增大Ad或減少f而這兩個方面對檢測系統(tǒng)的影響都不利①Ad的增大——增大了系統(tǒng)的噪聲②減少焦距使系統(tǒng)的相對孔徑加大—一般不允許③Ω加大后背景輻射也隨之增加檢測器面積34第34頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性4、系統(tǒng)的通頻帶寬度頻帶寬度Δf是光電檢測系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一光電檢測系統(tǒng)要求Δf應(yīng)保存原有信號的調(diào)制信息，并使系統(tǒng)達(dá)到最大輸出功率信噪比系統(tǒng)按傳遞信號能力可有以下幾種方法確定Δf35第35頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性

①等效矩形帶寬令I(lǐng)(ω)為信號的頻譜，則信號的能量為等效矩形Δω帶寬定義為I(ω0)為ω=ω0時的頻譜分量，而I(ω0)=I(0)為最大頻譜分量36第36頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性

例：以鐘形波表示的脈沖激光信號的等效矩形帶寬I(ω)I(0)OΔωω0ω

激光波形為

式中β為脈沖峰值τ0—激光脈沖寬度37第37頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性激光脈沖能量E為38第38頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性等效矩形帶寬Δω1為39第39頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性

②頻譜曲線下降3dB的帶寬40第40頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性

③包含90%能量的帶寬在90%處能量的帶寬為式中：式中41第41頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光電檢測系統(tǒng)（非相干）的基本特性

當(dāng)給定誤差函數(shù)的值時，由誤差函數(shù)表可求出x值，再求出ω值，即由以上分析可知，頻帶寬度Δf愈寬，通過信號的能量愈多，但系統(tǒng)的噪聲功率也增大42第42頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四直接檢測系統(tǒng)的距離方程上述用信噪比來表示系統(tǒng)的靈敏度也有用檢測系統(tǒng)距離來評價系統(tǒng)的靈敏度特別是在對地測距、搜索和跟蹤等系統(tǒng)中43第43頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四直接檢測系統(tǒng)的距離方程1、被動檢測系統(tǒng)的距離方程設(shè)被測目標(biāo)的光譜幅射強(qiáng)度為Ieλ經(jīng)大氣傳播后到達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)表面的光譜輻射強(qiáng)度為Eeλ為被測距離L內(nèi)的大氣光譜透過率L為目標(biāo)到光電檢測系統(tǒng)的距離44第44頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四直接檢測系統(tǒng)的距離方程入射到檢測器上的光譜功率為

分別為接收光學(xué)系統(tǒng)的入射孔徑面積及光譜透過率

45第45頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四直接檢測系統(tǒng)的距離方程根據(jù)目標(biāo)輻射強(qiáng)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的輻射波段，可得到檢測器的輸出信號電壓為

為光電檢測器的光譜響應(yīng)度令光電檢測器的方均根噪聲電壓為Vn，則它的輸出信噪比為46第46頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四直接檢測系統(tǒng)的距離方程上式中的各參數(shù)都是波長的復(fù)雜函數(shù)，很難表示通常處理方法是做簡化處理：①取為被測距離L在區(qū)域內(nèi)的平均透過率②光學(xué)系統(tǒng)的透過率也取在光譜范圍內(nèi)的平均值③把檢測器對波長內(nèi)的響應(yīng)度看成是一個矩形帶寬，即認(rèn)為的光譜響應(yīng)度為零；而在的光譜范圍內(nèi)響應(yīng)度為常值④根據(jù)物體的溫度T查表，計算出在考查波段范圍內(nèi)的黑體輻射強(qiáng)度，再乘以物體的平均比輻射率，可以得到物體在波段范圍內(nèi)的輻射強(qiáng)度Ie47第47頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四直接檢測系統(tǒng)的距離方程把上述的按簡化處理的各參數(shù)平均值代入輸出信噪比中故可得到48第48頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四直接檢測系統(tǒng)的距離方程又因檢測器的歸一化檢測度檢測器面積系統(tǒng)的帶寬P0=A0Ie入射到接收光學(xué)系統(tǒng)的平均功率49第49頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四直接檢測系統(tǒng)的距離方程為了清楚看出系統(tǒng)各部件對作用距離的影響，現(xiàn)把調(diào)制特性考慮為對入射功率的利用系數(shù)目標(biāo)輻射特性及大氣透過率的影響光學(xué)系統(tǒng)特性的影響檢測器特性的影響信息處理系統(tǒng)的影響50第50頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四直接檢測系統(tǒng)的距離方程2、主動檢測距離方程主動檢測系統(tǒng)的光源主要是激光光源令其發(fā)射功率為發(fā)射束發(fā)散立體角為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過率為經(jīng)調(diào)制的光能利用率為則發(fā)射功率為51第51頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四直接檢測系統(tǒng)的距離方程激光在大氣中傳播時，能量若按指數(shù)規(guī)律衰減（衰減系數(shù)為），經(jīng)傳播距離L后光斑面積為，光斑的輻射照度為設(shè)在距光源為L處有一目標(biāo)，其反射面積為Sa一般情況下把反射體看成是朗伯反射（在半球內(nèi)均勻反射，反射系數(shù)為r），單位立體角的反射光輻射強(qiáng)度為52第52頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四直接檢測系統(tǒng)的距離方程假定接收機(jī)和發(fā)射機(jī)在一處，則接收功率為D0為光學(xué)系統(tǒng)的接收孔徑為接收光學(xué)系統(tǒng)的立體角53第53頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四直接檢測系統(tǒng)的距離方程如果接收光學(xué)系統(tǒng)的透過率為，則光電檢測器上接收到的總功率為光電檢測器上的輸出電壓為54第54頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四直接檢測系統(tǒng)的距離方程將檢測器的光譜響應(yīng)度代入上式中，得到距離為若目標(biāo)反射面積等于光斑照射面積，上式可簡化為55第55頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四直接檢測系統(tǒng)的距離方程可看出，影響檢測距離的因素很多——發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)的大氣特性及目標(biāo)反射特性都將影響L56第56頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)

時變光信號的直接變換與測量隨時間變化的光電信號F（t）幅值法頻率法零位法差動法直讀法補(bǔ)償法頻率測量法波數(shù)測量法相位法時間法57第57頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)

時變光信號的直接變換與測量隨空間變化的光電信號F（x,y,z）幾何中心與幾何形狀檢測亮度中心檢測輪廓光電掃描電子指示線對準(zhǔn)像分析器光焦點檢測PSD法像分解象限分解掃描與跟蹤測量58第58頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四樣品光電器件放大顯示準(zhǔn)直鏡透鏡Φ0一、幅值法1、直讀法τΦSKM59第59頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四τMKSθΦ0Φ一、幅值法1、直讀法60第60頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四準(zhǔn)直鏡讀數(shù)裝置激勵線圈SKM物鏡Q檢偏器起偏器磁光物質(zhì)P一、幅值法2、指零法61第61頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四KSQθτΦ0θxθ0Φ1一、幅值法2、指零法以上兩種方法均為單通道測量方法62第62頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四M

Kτsθ一、幅值法3、差動法（雙通道測量系統(tǒng)）標(biāo)準(zhǔn)透過率被測透過率63第63頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四若64第64頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四65第65頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四66第66頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四θMK讀數(shù)一、幅值法4、補(bǔ)償法此方法是差動法和指零法的組合67第67頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四68第68頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光通量的變化隨被測信息呈現(xiàn)周期性變化時，被測量信息載荷與光通量變化次數(shù)和頻率快慢之中，可用測量頻率和波數(shù)方法來檢測二、頻率測量法頻率法比幅值法具有更高的測量精度，主要因為頻率的穩(wěn)定度遠(yuǎn)高于幅值的穩(wěn)定度69第69頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四1、波數(shù)測量法二、頻率測量法用測量光通量隨被測信息變化的周期數(shù)來檢測準(zhǔn)直鏡指示光柵光電器件標(biāo)尺光柵X70第70頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四1、波數(shù)測量法二、頻率測量法光電元件光敏面上的光通量變化當(dāng)光柵位移為d，則引起光通量變化一個周期若光通量變化周期數(shù)（波數(shù)）為N時i—脈沖當(dāng)量M—脈沖數(shù)m—細(xì)分?jǐn)?shù)（一個周期內(nèi)）71第71頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四2、頻率測量法二、頻率測量法若光柵有運動速度，則可對位移進(jìn)行微分處理上述兩種方法都是對光通量的幅度變化不敏感，所以對光源的穩(wěn)定性要求較低72第72頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四1、相位測量法三、光通量的相位和時間測量法被測信息加載于光通量的相位之中，檢測相位值即可確定被測值的大小比如：光電光波測距73第73頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四1—半導(dǎo)體激光器激勵源2—半導(dǎo)體激光器3，5—光學(xué)系統(tǒng)

4—靶鏡6—光電器件7—放大電路D123764574第74頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光源與激勵電流成正比D1237645光由發(fā)射到接收的時間為相位變化量若能測出相位變化量，就可以得到測距量75第75頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四設(shè)輻射光通量變化一個周期，光波傳播距離為L0若再考慮折射率的影響76第76頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四2、時間測量法三、光通量的相位和時間測量法利用周期性光通量的周期和單個脈沖的時間間隔來測量被測量的方法比如：脈沖式激光測距儀、激光雷達(dá)等77第77頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四D

125431—激光器2，4—光學(xué)系統(tǒng)3—目標(biāo)

5—光學(xué)器件最簡單的方法就是在確定的時間起始點和終止點之間用填脈沖的方法來計數(shù)，可以得到1X10-10S的計時精度78第78頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光源發(fā)送光學(xué)系統(tǒng)光電測距系統(tǒng)傳輸介質(zhì)目標(biāo)物傳輸介質(zhì)接收光學(xué)系統(tǒng)光電檢測器件電子線路79第79頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四激光測量技術(shù)80第80頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四激光測距1969年的月距實驗（LURE）創(chuàng)造了長距離脈沖測量方法的記錄81第81頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四激光相位測距原理激光相位測距時，連續(xù)激光光束被調(diào)幅成正弦波設(shè)調(diào)制頻率為f，相應(yīng)的角頻率若調(diào)制光束在發(fā)射點和目標(biāo)間往返一次所產(chǎn)生的總相位變化為，則光的往返時間為被測距離為82第82頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四激光相位測距原理若以π弧度作的度量單位而總可以表示為n個π和不到π小數(shù)部分之和就有83第83頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)激光測距的分類分類脈沖測距法相位測距法干涉測距法84第84頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)85第85頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)86第86頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)激光發(fā)射部分87第87頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)對激光發(fā)射機(jī)基本特性的要求：88第88頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)

激光電源89第89頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)

90第90頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)該系統(tǒng)常用望遠(yuǎn)系統(tǒng)，主要是雙反射型發(fā)射望遠(yuǎn)系統(tǒng)以及開普勒和伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)激光器再加上光學(xué)系統(tǒng)就組成了發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)加上光學(xué)系統(tǒng)主要是壓縮激光發(fā)散角，縮小目標(biāo)處的光斑直徑光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)越大，光束發(fā)散角越小，光斑直徑越小光斑直徑越小，能量越集中，發(fā)射到接收系統(tǒng)的能量越強(qiáng)，測距系統(tǒng)的作用距離越遠(yuǎn)91第91頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)脈沖式最常用的發(fā)射系統(tǒng)是倒裝的伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)可壓縮從激光器輸出的光束發(fā)射角其出射光瞳大于入射光瞳，輸出的光束截面擴(kuò)大——擴(kuò)束作用又因伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)沒有實焦點，也就不存在激光束使空氣產(chǎn)生電離以至能量損耗的問題92第92頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)

93第93頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)

94第94頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)發(fā)散光學(xué)系統(tǒng)倍率的選取，視情況而定此倍率就是發(fā)散角被壓縮的倍率倍率大，外形尺寸也要增大，會帶來一些限制一般的測距，發(fā)散角不小于1mrad高精度、超遠(yuǎn)距測距，光束發(fā)散角可在0.1~1mrad光學(xué)系統(tǒng)目鏡和物鏡的選取要以激光束全部通過為原則—目鏡通光孔徑略大于激光光束直徑95第95頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)

激光接收系統(tǒng)96第96頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)為了盡可能將目標(biāo)反射回來的激光能量會聚到探測器上要適當(dāng)限制接收視場，以減少雜散光的干涉來提高接收的靈敏度和信噪比提高測距系統(tǒng)的測距精度和作用距離在接收器前面加上光學(xué)系統(tǒng)97第97頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)接收光學(xué)系統(tǒng)常用牛頓型、卡塞格林、格里高里、折反射型、伽利略和開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)接收光學(xué)系統(tǒng)的選型主要取決于光電探測器的類型和系統(tǒng)對接收系統(tǒng)體積的限制98第98頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)加入特殊元件，可以提高激光測距系統(tǒng)、激光雷達(dá)的性能提高接收裝置的靈敏度，增大作用距離提高瞄準(zhǔn)跟蹤精度，擴(kuò)大增益范圍，改善體積特殊光學(xué)元件99第99頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)1、濾光片降低背景光噪聲、提高接收裝置的信噪比是激光測距、激光跟蹤雷達(dá)的重要問題濾光片的種類：選擇性吸收濾光片、選擇性散射濾光片、選擇性折射濾光片、偏振濾光片等實用的濾光片大多采用基于多層膜反射干涉原理而工作的干涉濾光片100第100頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)干涉濾光片的中心波長與它對光源的傾角有關(guān)設(shè)計時應(yīng)保證能夠微調(diào)干涉濾光片的傾角，使其的中心波長正好對應(yīng)激光信號的中心波長，以獲得最佳信噪比一般的激光測距系統(tǒng)，選用半寬度在30?~40?范圍的濾光片較合適101第101頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)2、衰減片測量不同遠(yuǎn)近的目標(biāo)時，激光的回波能量也不同若激光回波能量太強(qiáng)就會燒毀探測器因此需要在接收裝置中加入衰減片來限制激光能量衰減片是在接收系統(tǒng)中實現(xiàn)光學(xué)自動增益的光學(xué)元件102第102頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距系統(tǒng)常用衰減片的形式：迭層衰減片：衰減片由具有吸收特性的光學(xué)材料制成，衰減量的選擇是階梯式的雙光楔衰減片：利用具有對光吸收性質(zhì)的材料制成，衰減量可以實現(xiàn)連續(xù)的透過率變化變密度盤：利用鍍膜的方法制成103第103頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距誤差分析和測距精度測距誤差源104第104頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距誤差分析和測距精度

激光主波和回波信號對計數(shù)器的取樣脈沖部位差測距系統(tǒng)的固定光延時105第105頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四脈沖式激光測距誤差分析和測距精度提高脈沖激光測距精度的主要途徑測距精度由大氣折射、晶振頻率、非真空光速、晶振頻率穩(wěn)定度、計數(shù)器的分辨率、主波與回波各經(jīng)不同的線路等因素影響采取的措施：1、提高計數(shù)器頻率2、時間內(nèi)插法3、采用恒比定時技術(shù)4、質(zhì)心探測電路106第106頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四現(xiàn)代激光雷達(dá)微波雷達(dá)與激光雷達(dá)傳統(tǒng)雷達(dá)是以微波和毫米波作為載波的雷達(dá)激光雷達(dá)是以激光作為載波的雷達(dá)激光波長比微波和毫米波短得多激光雷達(dá)利用激光光波完成對目標(biāo)的跟蹤測量任務(wù)激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)和微波雷達(dá)結(jié)構(gòu)原理并無本質(zhì)區(qū)別107第107頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四現(xiàn)代激光雷達(dá)108第108頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四現(xiàn)代激光雷達(dá)二者在波束寬度、波段、波長及頻率方面有較大區(qū)別一個是微波段，工作波束寬一個是光波段，工作波束窄光的波長比微波短好幾個數(shù)量級109第109頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四現(xiàn)代激光雷達(dá)110第110頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四現(xiàn)代激光雷達(dá)111第111頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四現(xiàn)代激光雷達(dá)112第112頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四現(xiàn)代激光雷達(dá)113第113頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四現(xiàn)代激光雷達(dá)

114第114頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四現(xiàn)代激光雷達(dá)

115第115頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四現(xiàn)代激光雷達(dá)激光雷達(dá)特點：116第116頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四現(xiàn)代激光雷達(dá)最基本構(gòu)成117第117頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四一、幾何中心檢測法第四節(jié)

隨空間變化的光電信號變換與檢測幾何中心檢測法用于光強(qiáng)隨空間分布的光信號位置檢測，也稱為光學(xué)目標(biāo)定位光學(xué)目標(biāo)：不考慮被測對象的物理性質(zhì)，而只把它看成與背景有一定反差的幾何形體或景物118第118頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)

隨空間變化的光電信號變換與檢測復(fù)雜圖形景物：結(jié)構(gòu)細(xì)密、空間頻率高、亮度等極為豐富，對其測量的目的在于研究圖形的細(xì)節(jié)和層次簡單光學(xué)目標(biāo)：由點、線、面等規(guī)則圖形組成，測量的目的在于確定圖形相對于基準(zhǔn)坐標(biāo)的角度或位置偏差，被稱為空間定位119第119頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四簡單光學(xué)目標(biāo)如：刻線、狹縫、十字線、光斑、方框窗口等光學(xué)目標(biāo)的信息采集通常用光學(xué)成像方法來完成，如：望遠(yuǎn)、準(zhǔn)直、攝像、顯微等系統(tǒng)120第120頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四光學(xué)目標(biāo)和其襯底間的反差形成物體表面輪廓輪廓中心位置稱為幾何中心通過測量與目標(biāo)輪廓分布響應(yīng)的響空間輪廓分布來確定物體中心位置方法為幾何中心檢測法其特點：121第121頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四像分析和幾何參量調(diào)制像分析：通過對目標(biāo)的像的幾何中心相對基準(zhǔn)的偏移來確定該物體在空間位置的方法像分析器：將像相對基準(zhǔn)位置的偏差信息變換位于基準(zhǔn)位置有關(guān)的某一取樣窗口光通量，在通過測量光通量的變化來確定物體的坐標(biāo)位置122第122頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四像分析器是將幾何位置信息調(diào)制到光載波上的光通量，形成光學(xué)信號的調(diào)制器，稱為G/O變換器最簡單的單通道像分析器是由光學(xué)狹縫和光電元件組成的狹縫對準(zhǔn)器物是工件上的刻線，檢測刻線是否對準(zhǔn)在光軸上123第123頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四取狹縫寬L=像寬B，狹縫高H=像高D當(dāng)刻線中心位于光軸上時，刻線像剛好與縫重合此時，像的透過率為τ=0當(dāng)刻線未對準(zhǔn)光軸時，τ≠0，因而照度為E=τE0124第124頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四簡單分析上述方法的定位特性Ф(x)Ф為透過狹縫的光通量x為像位置坐標(biāo)：像中心相對狹縫中心的偏移量引入取樣窗口的窗口函數(shù)h(x)，有在理想情況下：125第125頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四126第126頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四對簡單像分析器的要求：所形成的被測目標(biāo)的像要有一定的照度分布在像面上要設(shè)置測光窗口；此窗口是定位基準(zhǔn)和光路的光軸保持正確的相對位置（狹縫、刀口等）觀測窗口的形狀和尺寸與目標(biāo)像保持嚴(yán)格關(guān)系，以形成確定的定位特性像分析器應(yīng)由線性的定位特性照度變化、像質(zhì)量、窗口質(zhì)量對測量影響很大127第127頁，共144頁，2023年，2月20日，星期四結(jié)論組成簡單像分析器的基本要求像分析器的定位特性給出了該裝置輸出光通量和輸入目標(biāo)像偏移量間的定量關(guān)系（像分析器本質(zhì)上是調(diào)制器或位移——光