第11章典型光电系统的分析与设计（zm2014秋)

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1、光电探测与信号处理第11章典型光电系统的分析与设计光学与电子信息学院赵茗副教授zhaoming@hust.edu.cn光电探测与信号处理•11.1分布式光纤测温系统•11.2光谱测量系统•113CCD11.3CCD尺寸测量系统•11411114.4*光电精确制导系统•11.511.5*光测图像系统例：高压电力电缆人工测温－－便携式辐射测温仪可用于电力系统中电接头的温度检查···测温范围PT120:-20℃～1200℃瞄准方式：激光瞄准、望远镜瞄准人工测温：效率、适时、可靠性，···分布式光纤测温系统DistributedOpticFiberTemperatu

2、reSensor－－DOFTS•空间位置光学时域反射定位•温度数值被测点喇曼散射－温度效应分布式测温：效率、适时、可靠性，···空间位置－－光学时域反射定位OpticalTimeDomainReflection，OTDRlcTnctini=⋅=ΔΔ/(2)⋅(⋅=)/(2)cn/(2)f采样频率f决定了系统的空间分辨力，如1m的空间分辨力需要f达100MHz以上温度数值－－拉曼散射－温度效应瑞利散射光反斯托克斯光（Anti-Stocks）入射光子斯托克斯光瑞利散射光反斯托克斯光（StkStocks）（AtiAnti-StkStocks）13如G652单模光纤

3、Δ=×ν1.3210Hz瑞利散射光对温度光强度反斯托克斯光斯托克斯光不敏感受温度调制测温原理检测两光强的比值可消除：信号光－－光源的不稳定反斯托克斯光－－光纤接头损耗参考光瑞利散射光－－光纤弯曲损耗或斯托克斯光－－光纤传输损耗·········瑞利散射光4Φ()lKS=⋅⋅⋅⋅ναΦexp(2−⋅l)RR0e0反斯托克斯光4Φ(,)TlKS=⋅⋅⋅⋅ναΦRT()exp[(⋅−+⋅α))laaaea0a1RT()=aexp[hk⋅Δν/(T)]1−工作原理动态演示：实例：FGC－W30型分布式光纤温度传感器光学信号变换光电信号变换电学信号变换实例：FGC－W

4、30型分布式光纤温度传感器工作过程：讨论：--空间分辨率liTc=υ⋅⋅ΔΔ/2=⋅⋅iTni/(()2)=cn/()(2f)结论：1.采样频率f——空间分辨力1m的空间分辨力需要f达100MHz以上光纤l2反向散射光激光脉冲宽度τ的影响t2＋τt2＋τt2结论：2.采样频率τ——空间分辨力1m的空间分辨力，激光脉冲宽度τ<10ns分辨率讨论：温度分辨率(01(0.1℃)－－模拟量信噪比－－激光功率(～100W)－－取样信号处理空间分辨率（1m）－－采样频率（100MHz）－－激光脉冲宽度（10ns）光电探测与信号处理•11.1分布式光纤测温系统•11.2光

5、谱测量系统•113CCD11.3CCD尺寸测量系统•11411114.4*光电精确制导系统•11.511.5*光测图像系统光谱测量系统（光谱仪）是一类用于测量光源或物质光谱特性的典型光电系统，在颜色显示、生物化学、环境监测、航天等领域有着广泛的应用。反射光光谱特性11.2.1基于PMT的光谱辐射仪响应波段200～800nm光谱分辨率可达10nm11.2.2光学多通道分析仪OpticMulti-channelAnalyzer，OMA－－是一种综合光、机、电、算等多种技术的新型光谱测量仪器，具有单次测量光谱范围宽、响应速度快、灵敏度高、数据采集处理方便等特点。O

6、MA选用探测器为CCD摄像器件。Princeton仪器公司1530-PUV型OMA响应波段200～1100nm光谱分辨率可达0.05nm•响应波段:200--1100nm•光谱分辨率:可达0.05nm2011.2.3傅立叶变换红外光谱仪相干探测光谱分辨率红外波段探测器2红外光干涉系统－－测量系统探测器1激光干涉系统－－辅助系统(确定动镜移动速度或位置x)探测器3白光干涉系统－－辅助系统(确定采样起点)单色光，探测器的电流信号强度：2ISEtE=⋅+()()thsSr22=⋅++Saaaa(2cosΔφ)srsr两路光2=⋅Sa2(1cos)+Δφ强度相等0当

7、动镜连续移动时，探测器输出信号的交流部分为：⎛2π⋅2x⎞Ihs(AC)=2SarascosΔϕ=2Sarascos⎜⎟⎝λ⎠两路光2⎛4πx⎞⎛4πx⎞=2Sacos⎜⎟=4SΦcos⎜⎟强度相等0⎝λ⎠⎝λ⎠单色光双光束干涉：22IS=⋅++(2)(2aaaacosΔφ)hssrsr⎧22⎛⎞4π⋅⎫Vt=+S⎨⎬aaaasr+2rscos⎜⎟⎩⎭⎝⎠λ复色光双光束干涉：λm⎡4⎤24πIhs=∑⎢Im+Sm⋅2amcos(Vt)⎥λλ1⎣m⎦复色光的干涉图是由各种波长光在该点x干涉图的叠加构成复色光双光束干涉：∞⎛⎞4πτV傅里叶逆变换UUS()()τ

8、=+⋅2()()()()νΦν⋅cos⎜⎟νddν2