光電技術(shù)第8章非相干光變換1課件

1、 第八章 非相干光光電信號變換方法 在光電系統(tǒng)的信號形成、傳送、檢測和處理過程中，通常要借助于幾何光學的、物理光學的或光電子學的方法對信號的組編形式和能量狀態(tài)進行人為的變換，包括將一種光量轉(zhuǎn)換為另一種光量，將非光量轉(zhuǎn)換為光量或?qū)⑦B續(xù)光量變換為脈沖光量等。 這種變換的目的在于：將待處理信息載荷到光載波上進而形成光電信號；改善系統(tǒng)的時間空間分辨能力和動態(tài)品質(zhì)，提高傳輸和檢測精度；改善系統(tǒng)的檢測信噪比，提高工作可靠性和對環(huán)境的適應能力。幾何變換的光電方法是基于將光學現(xiàn)象看作是直線光束傳輸?shù)慕Y(jié)果，是在幾何光學的意義上利用光束傳播的直線性、透光、反射、折射、成象等光學方法進行的信號變換。物理變換的光電方

2、法是將光學現(xiàn)象看作是電磁波振蕩傳播的結(jié)果，是在物理光學的意義上利用光的衍射、干涉、光譜、波長變換等光學現(xiàn)象和參量進行的信號變換。隨著光電子學的發(fā)展，出現(xiàn)了各種新型的光控制器件，它們?yōu)楣庑盘柕膶崟r變換和光路的集成化提供了廣闊的發(fā)展前景。這些變換方法常常單獨或者若干組合后應用于不同目的的光電系統(tǒng)中。典型光電信號變換方法的光學原理和應用變換方法光 學 原 理應 用幾何光學直進、遮光；反射、折射；光學成象等非相干光的光學現(xiàn)象。光開關(guān)、光學編碼、光學掃描、瞄準定位、準直定向、測長測角、測距、成象測量等。物理光學衍射、干涉、光譜、波長變換、光學拍頻等相干光的光學現(xiàn)象。莫爾條紋、干涉計量、外差通訊、光譜分析

3、、散斑全息測量等。光電子學電光效應、磁光效應、聲光效應、空間光調(diào)制、光束纖維傳輸傳感等光電現(xiàn)象。光調(diào)制、光束偏轉(zhuǎn)、光通訊、光記錄、光存儲、光顯示、傳光、傳象、傳感等。 對非相干光采用幾何變換的各種光電方法。 根據(jù)光電信號的時空特點，在光電系統(tǒng)中常用的各種信號大致可分作下面的兩種類型： （1）隨時間變化的光電信號。這類信號的變換通常集中發(fā)生于局部的空間范圍，它的特征參量只隨時間緩慢地，或周期性或瞬時地變化，因此是時間的一維函數(shù)而與空間坐標無關(guān)，可用函數(shù)F(t)表示。（2）隨空間變化的光電信號。這類信號發(fā)生在一定的空間坐標范圍內(nèi)，光電信號的參量隨空間位置而改變。因此是二維或三維空間的函數(shù)，用函數(shù)F

4、(x,y,z)表示，其中隨時間變化的信號稱作時空變化的光電信號，用函數(shù)F(x,y,z,t)表示。非相干光時變光電信號變換與檢測方法分類非相干光空變光電信號變換與檢測方法分類 一、光通量的幅度測量 （一）單通道測量系統(tǒng) 被測光通量沿單一光學通道傳送到光電接收器的系統(tǒng)。第1節(jié) 時變光信號的直接測量 單通道測量系統(tǒng)常用的測量方法是直讀法和指零法。 1、直讀法直讀法原理圖與框圖 2、指零法 測量精度高，消除了由于輻射光通量和檢測器不穩(wěn)定造成的影響。采用指零法測量偏振物質(zhì)偏振面轉(zhuǎn)角的光電裝置及系統(tǒng)框圖如下。 （二）雙通道測量系統(tǒng) 優(yōu)點：完全消除入射光輻射的起伏影響，消除雜光引起的不穩(wěn)定性。雙通道測量系統(tǒng)

5、的信號處理方法常采用差動法，補償法，比較法和交替法等。、差動法 2、補償法是差動法和指零法的結(jié)合。 3、比較法 比較測量中的光電接收器采用組成電橋的光敏電阻。 二、光通量的頻率測量 優(yōu)點： 精度高； 數(shù)字式，測量結(jié)果易和計算機連接。 產(chǎn)生方法： 幾何光學方法實現(xiàn)，透光或反光，例如使光通過旋轉(zhuǎn)的多孔圓盤或反光的多面體。（電機轉(zhuǎn)速測量） 物理光學方法實現(xiàn)，例如光柵及干涉條紋測 量及光電子的光束調(diào)制等。（一）波數(shù)測量：干涉條紋計數(shù)激光干涉儀計數(shù)與判向系統(tǒng)通過測量光通量隨時間變化的周期數(shù)來檢測被測值稱波數(shù)測量或波形計數(shù)。一般情況下，將被測量引起的周期變化的光通量光電轉(zhuǎn)換為電脈沖，再用電子計數(shù)器來計數(shù)波

6、數(shù)的變化。（一）波數(shù)測量：莫爾條紋計數(shù)光柵莫爾條紋測量原理圖用莫爾條紋原理實現(xiàn)的線位移測量系統(tǒng)光柵尺用莫爾條紋原理實現(xiàn)的角位移測量系統(tǒng)光柵編碼器（二）頻率測量、測量物體的速度、用于轉(zhuǎn)數(shù)的測量三、光通量的相位和時間測量（一）相位測量典型應用：光電光波的測距激光相位測距：通過對光強度進行調(diào)制實現(xiàn)的。設調(diào)制頻率f，用“光尺”測量距離C是光速。AB相移設測距儀接收器在A相位測量技術(shù)只能測量小數(shù)部分m當L Ls時，整數(shù)部分m是不知道的，僅用一把“光尺”是無法測量距離的。但LLs時，如果降低頻率，Ls增大，但假設測相精度不變，為1 ，精度又下降。解決方案：改變調(diào)制頻率，用幾把“光尺”例如： Ls=1000

7、m, 測得L584m； Ls10m， 測得L4.76m 實際距離L584.76m差頻測相原理框圖設測距儀測程要求100km；精確到0.01m； 測相精度1，則需要三把“光尺”應用：連續(xù)光波輸出，可有合作目標，也可沒有。測量距離中等。應用范圍廣，如大地測量等。（二）時間測量激光測距（飛行時間法）脈沖激光測距待測目標距離Lc：光速，t光脈沖往返時間。脈沖激光測距原理圖（a）激光測距儀結(jié)構(gòu)簡圖 （b）各點信號波形圖N：計數(shù)器計到的個數(shù)，f0：計數(shù)脈沖（填充脈沖）頻率?？梢怨浪悖喝粢蠓直媛蕿?m，則f0應達到150MHz。誤差源（1）測量t的誤差（2）光速c受大氣折射率影響（Edlen公式）短距離（

8、幾至幾十千米）主要是測量t的誤差。應用激光瞬時功率極大，可有合作目標，也可沒有。測量距離幾千米至月地距離測量。目前已有可測幾米距離的，但技術(shù)難度大。應用范圍廣，如大地測量、戰(zhàn)術(shù)前沿測距，導彈軌道跟蹤，衛(wèi)星、地球月球距離測量等。 第2節(jié) 時變光信號的調(diào)制和解調(diào)一、調(diào)制的基本原理 在光電系統(tǒng)中，光通量是信息的載體。光通量作為信息的物質(zhì)載體稱作載波。使光載波信號的一個或幾個特征參數(shù)按被傳送信息的特征變化，以實現(xiàn)信息檢測傳送目的的方法稱作調(diào)制。 光載波可以利用復合的非相干光波，也可以利用窄帶單色、有確定初相位的相干光波。許多種光學參量都可以作為載波的特征參數(shù)非相干光輻射能量的幅度、變化頻率和相位以及脈

9、沖時間；相干光輻射波振幅、光頻、相位、偏振方向以及光束的傳播方向或光學介質(zhì)的光學常數(shù)等。 光載波可以是將信息直接調(diào)制到光載波上的廣義的調(diào)制，在更多的情況下是人為地使載波光通量隨時間或空間變化，形成多變量的載波信號，然后再使其特征參數(shù)隨被測信息改變。這種方法稱作二次調(diào)制 有助于傳輸過程的信號處理和傳輸能力的提高；能更好地從背景噪聲和干擾中分離出有用信號，提高信噪比和測量靈敏度；能簡化檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，改善系統(tǒng)的工作品質(zhì)；有時利用調(diào)制還可以擴大目標定位系統(tǒng)的視場和搜索范圍。 二、光學調(diào)制的分類 按時空狀態(tài)和載波性質(zhì)可分類 1）時間調(diào)制：載波隨時間和信息變化。 2）空間調(diào)制：載波的空間狀態(tài)按信息規(guī)律調(diào)

10、制。 3）時空混合調(diào)制：載波隨時間空間和信息調(diào)制變化。 按載波波形和調(diào)制方式分類 1）直流載波：載波不隨時間而只隨信息變化。 2）交變載波：載波隨時間周期變化。 連續(xù)載波調(diào)幅波、調(diào)頻波、調(diào)相波。 脈沖載波脈沖調(diào)寬、調(diào)幅、調(diào)頻等。模擬調(diào)制 脈沖調(diào)制光通量的調(diào)制可以在輻射源或光路系統(tǒng)中進行，能實現(xiàn)調(diào)制作用的裝置稱作調(diào)制器。從已調(diào)制信號中分離提取出有用信息的過程稱作解調(diào)。 二極管檢波解調(diào)三、典型的調(diào)制方法1、連續(xù)波調(diào)制式中，0是光通量的直流分量，一般不載荷任何信息。m和是載波交變分量的振幅和角頻率。被測信息可以對交變分量的振幅、頻率或者初相位進行調(diào)制。 一般情況下，調(diào)制后的載波具有下列形式：振幅調(diào)制

11、（AM）：調(diào)制參量為光通量振幅mV(t)；頻率調(diào)制（FM）：調(diào)制參最為載波頻率V(t)；相位調(diào)制（PM）：調(diào)制參量為載波的初始相位V(t)。調(diào)幅與調(diào)頻1）光信號的振幅調(diào)制 光載波信號的振幅瞬時值隨調(diào)制信息成比例變化，其頻率和相位保持不變的調(diào)制方法稱振幅調(diào)制或調(diào)幅。此時，式中的mV(t)表示為式中，V(t)是調(diào)制函數(shù)，規(guī)定|V(t)|1；m是調(diào)制度或調(diào)制深度，表示V(t)對載波幅度的調(diào)變能力。m為載波幅度，m為調(diào)制波的幅度變化量。調(diào)制函數(shù)為簡單正弦變化情況下調(diào)幅波的形式及其頻譜分布。此時，被傳送信息按單一諧波規(guī)律變化，即式中，2F是被測信息的諧波變化角頻率。F、是相應的頻率和初相位。正弦調(diào)制函數(shù)

12、的調(diào)幅信號除零頻分量0外尚包含有三個諧波分量：以載波頻率為中心頻率的基頻分量和振幅為基波振幅之半、頻率分別為中心頻率與調(diào)制頻率之和頻和差頻的兩個邊頻分量。和正弦調(diào)制函數(shù)本身的單一譜線相比，調(diào)幅波的頻譜由低頻移向高頻，并且增加了兩個邊頻。可以證明，對于頻譜分布在F0F范圍的任意復雜函數(shù)V(t)，其對應調(diào)幅波的頻譜由以載波頻率f0為中心的一系列邊頻組成。這些邊頻是f0F1、f0F2、f0F，其中F1、F2、是F內(nèi)的頻譜分量。 若調(diào)制信號具有連續(xù)的帶寬Fmax，則調(diào)幅波的頻帶是f0Fmax，帶寬為Bm2Fmax，其中Fmax是調(diào)制函數(shù)的最高頻率。2）光信號的頻率調(diào)制 光載波的頻率按調(diào)制信號的幅度改變

13、，偏離開原有的載波頻率，其瞬間偏離值與調(diào)制信號瞬時值成正比例，載波的振幅保持不變，這種調(diào)制方法稱頻率調(diào)制或調(diào)頻。此時，原式中的調(diào)制項可表示成式中，V(t)是調(diào)制函數(shù)，規(guī)定|V(t)|1。 f/2是調(diào)制后載波頻率相對于中心頻率f0的最大頻率偏差，稱作頻偏。當調(diào)制函數(shù)|V(t)|l時，載波頻率的變化最大，為0。對應的載波信號表達式為 對于最簡單的余弦調(diào)制函數(shù)的情況，有式中，2F是調(diào)制角頻率。此時有式中，mf/f/F稱作調(diào)制指數(shù)。f和F分別是頻偏和調(diào)制頻率。mf表示了單位調(diào)制頻率的變化引起的頻偏變化的大小，mf值在設計時選定，mf1時稱寬帶調(diào)頻，mf1時稱窄帶調(diào)頻。作近似將上式展開得當頻率調(diào)制指數(shù)m

14、f很小，載波頻率變化范圍不大時，按余弦規(guī)律調(diào)頻的載波信號的頻率和振幅調(diào)制一樣，是由三個諧波分量組成的（如圖b）。其中包括振幅為m的載波頻率0和振幅為mfm/2的兩個組合頻率0+和0-分量。在一般情況下調(diào)制信號形式復雜時，調(diào)頻波的頻譜是以載波頻率為中心的一個帶域，帶寬隨mf而異。對于 mf時，用低通濾波器可以濾除Uo中的高頻項(2)，得到相敏檢波器的最終輸出Uo為相敏檢波器消除了高次諧波的影響，輸出信號幅度與調(diào)幅信號的幅度成正比，因此能解調(diào)和再現(xiàn)出調(diào)制信號Umcost；相敏檢波器的輸出信號和載波與參考信號間的相位差有關(guān)。在載波信號幅度不變的條件下能單值地確定載波信號和參考信號間的相位差。1）幅度

15、不變而進行相位調(diào)制的情況，能解調(diào)出相位調(diào)制信息。2）對有極性的調(diào)幅信號（只取0和180兩種狀態(tài)）。載波與參考信號同相時輸出信號為正值；反之為負值。這個性質(zhì)被廣泛應用于光電法幾何位置偏差和運動方向的極性判斷中。（a）鑒相整流 （b）極性檢波 第3節(jié) 簡單光學目標的空間定位 所謂光學目標就是不考慮被測對象的物理本質(zhì)，只把它們看作是與背景間有一定光學反差的幾何形體或圖形景物。 簡單光學目標通常由點、線、平面等簡單規(guī)則圖形組成，信號處理的目的是確定目標相對基準坐標的角度或位置偏差，稱作空間定位。 很多對象可以制作或簡化成簡單的光學目標。特別是工業(yè)圖形大多是簡單和規(guī)則的，如刻線、狹縫、十字線、光斑、方框

16、窗口等。 光學目標形狀位置的檢測可歸結(jié)為檢測其象空間照度的分布及其隨時間的變化。 通過測量和目標的輪廓分布相對應的象空間輪廓分布來確定物體中心位置的方法稱作幾何中心檢測法。主要的處理方法有差分法、調(diào)制法、補償法和跟蹤法等。這些方法的主要依據(jù)是象分析。通過測量和目標物空間的亮度分布相對應的象空間照度分布來確定目標能量中心位置的方法稱作亮度中心檢測法。主要的處理方法有光學象分解和多象限檢測等，這些方法的依據(jù)是象限分割。一、幾何中心檢測法1、單通道像空間分析器（以靜態(tài)光電顯微鏡為例）2、掃描調(diào)制式像分析器與靜態(tài)光電顯微鏡f為振子掃描頻率對準狀態(tài)下輸出頻率為2f；未對準狀態(tài)下輸出頻率為有f成分，用相敏檢波判向（偏左or偏右）。3、差動式像分析器與動態(tài)光電顯微鏡4、極值檢測 在一個光學裝置中，若其輸出光通量值與其結(jié)構(gòu)參數(shù)或幾何形位間存在依賴關(guān)系，并事先能確定它們的定位特性，則通過檢測輸出光通量的數(shù)值就能確定這些參數(shù)的變化。若進一步利用極值特性的極值特點，通過掃描調(diào)制能判斷裝置對該極值的偏移，或通過反饋系統(tǒng)維持該裝置處于極值狀態(tài)上。這種方法稱作光電裝置的極值檢測和極值控制。例子：激光lamb凹陷穩(wěn)頻激光穩(wěn)頻原理的方框圖 二、亮度中心檢測法第4節(jié) 幾何參量的光電檢測一、激光掃描技術(shù)70年代中期發(fā)展起來的一項動態(tài)計量測試技術(shù)。 在計量測試領域可用于尺寸精密計量測試；面形檢測；三維尺寸