《光电测量技术》(第七章)ppt课件.ppt

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1、第七章非相干光变换与检测1第一节光电信号变换与光电测量系统概述非相干光学信号是指光载波为非相干光，用于检测光功率、光频率或相位，或者光载波是相干的，但检测的是光功率2变换的目的1）将待处理的信息加载到光载波上，得到光载波的信号2）改善系统的时间或空间分辨率和动态品质，用以提高传输效率和检测精度3）改善系统的检测信噪比，提高系统可靠性3变换的方法借助于几何光学、物理光学、光电子学等几何光学：直线性、透射、反射、折射、成像等物理光学：干涉、衍射、光强、波长变换、偏振等光电子学：电光效应、声光效应

2、、磁光效应、空间调制等4光电信号变换方法与应用范围变换方法光学原理应用范围几何光学法透射、反射、折射、散射、遮光、光学成像等非相干光学现象或方法光开关、光学编码、光扫描、瞄准定位、光准直、外观质量检测、测长测角、测距等物理光学法干涉、衍射、散斑、全息、波长变换、光学拍频、偏振等相干光学现象或方法莫尔条纹、干涉计量、全息计量、散斑计量、外差干涉、外差通信、光谱分析、多普勒测速等光电子学法电光效应，声光效应、磁光效应、空间光调制、光纤传光与传感等光调制、光偏转、光开关、光通信、光记录、光存储、光显示

3、等5光源、光学变换系统和光电接收器件构成了光电检测系统直接检测光电系统相干检测光电系统光信息为光强，被测量被携带于光载波的强度之中，光电器件直接接收光强度变化，再用解调的方法检测出被测信息的系统光信息加载于相干光源的光载波的振幅、频率、相位之中的系统6非相干检测光电系统光源为非相干光，用调制的方法使被测信息加载于调制光的幅度、频率、相位之中，再用光电检测的方法从调制光检测出被测信息的系统7光电变换的基本形式1)被测对象为辐射源的形式8光电探测器件直接探测物体本身的辐射量以确定目标物的存在。光电变

4、换的基本形式1)被测对象为辐射源的形式为了克服直流放大器中零点漂移和环境温度的影响，以及减少背景辐射的噪声干扰——常采用光学调制技术或电子斩波器调制，通过滤波器可提高信噪比。91)被测对象为辐射源的形式设物体全辐射通量密度光电变换的基本形式在近距离测量时，前置放大器输出电压信号（不计大气吸收）ε—发射率；σ—波尔兹曼常数；T—绝对温度τ—光学系统的透过率；m—光学调制系统的透过率；S—光电器件光电灵敏度；G—电路变换系数；A—放大器放大倍数；R—光电变换系数10光电变换的基本形式2)光透过被测对

5、象的形式11光电变换的基本形式当光透过均匀介质时，光被吸收而减弱的规律为2)光透过被测对象的形式Ф0—入射到介质表面的通量；α—介质吸收系数；d—介质的厚度实验表明：在液体或气体中，α(=μγ)值与物质的浓度成正比。(μ—表示液体或气体对光的吸收性质；γ—浓度)光电变换器的输出电压为12光电变换的基本形式3)光由被测对象反射的形式13光反射有镜面反射和漫反射两种形式——其反射的物理性质有所不同光电变换的基本形式3)光由被测对象反射的形式14光电变换的基本形式4)光由被测对象遮挡的形式15光电变换

6、的基本形式设光电器件光敏面的宽度和高度为b，而被测物体的宽度大于b，物体遮挡光的位移量为Δl，则物体遮挡入射到器件的光照面积的变量为4)光由被测对象遮挡的形式变换器输出位移量的信号电压为：16光电变换的基本形式5)被测对象经光信息量化的形式17光电变换的基本形式6)光传输信息的形式18第二节光电直接检测系统的基本工作原理检测系统可经光学变换或直接由检测器接收被测信号在其前端还可经过频率滤波（如滤光片）和空间滤波（如光阑）等处理此时光学变换也接收到背景辐射，并与信号一起入射到检测器的光敏面上19

7、假定入射的信号光强为A—信号光强振幅ω—信号光的圆频率其平均光功率为而光检测器输出的电流为式中20若检测器的负载电阻为RL，则光电检测器输出电功率为上式说明光电检测器输出的电功率正比于入射光功率的平方21如果入射光是调幅波，即X(t)—调制信号检测器件输出的电流为若光电检测器输出端由隔离直流的电容，则只有第二项输出——这就是包络检测的意思22光电检测系统（非相干）的基本特性1、检测系统的信噪比设入射到检测器的信号光功率为PS设入射到检测器的噪声功率为Pn检测器输出的信号电功率为P0检测器输出的噪

8、声功率为Pn023光电检测系统（非相干）的基本特性考虑到信号与噪声的独立性，则有24光电检测系统（非相干）的基本特性根据信噪比的定义，则输出功率信噪比为①若，则有这说明输出信噪比等于输入信号比的平方由此可见，直接检测光电系统不适用于输入信噪比小于1或者微弱光信号的检测25光电检测系统（非相干）的基本特性②若，则有上式表明输出信噪比等于输入信噪比的一半，即经光电转换后信噪比损失了3dB，在实际应用中还是可以接受的从上述得知：直接检测方法并不能改善输入信噪比——这是其检测系统的弱点（与相干或外差系统