第九章-现代光电技术

1、第一节概述 第二节激光测量技术 第三节视觉检测技术 第四节光纤测量技术 现代光电测试技术的发展与新光源、新光电器件及微电子技术、计算机技术 的发展密不可分。自从1960年第一台氦氖激光器出现以来，由于激光的 单色性、方向性、相干性、稳定性极好使激光测量技术得到突飞猛进的发展。 1983年第十七届国际计量大会正式通过了米的新定义，以饱和吸收稳频的 激光辐射或以饱和吸收的激光辐射波长为基准定义米。扫描隧道显微镜和原 子力显微镜开创了纳米测量的先河，但它z向测量的标定是用激光干涉仪进行 的，表明了激光干涉测量的高精度。而激光外差干涉仪被普遍认为是纳米测 量的重要技术。此外在激光准直、激光全息、激光扫

2、描、激光跟踪、激光光 谱、激光多普勒技术等都显示了激光测量的巨大优越性。可以说激光测量技 术是现代光电测试技术中的最重要技术。 一、 激光干涉测长技术 二、共光路激光干涉仪测量技术 三、激光外差干涉测量技术 四、激光扫描测量、扫描定位与扫描跟踪 CONTOUR XLRic激光测量系统主要由以下几个部 分组成： (1) 测距仪 (2)高效电池 (3)智能充电器 (4)说明书 (5)高强度携带箱 量程远，精度高 重量轻，体积小 防水、防尘(IP67、NEMA 6) 方形激光瞄准框，方便确定实际激光尺寸和位置 独特的坏天气模式，保证仪器可以在雨天、雪天、大雾和沙尘天 气使用 仪器四周橡胶防磕碰 人体

3、工学设计，方便手持测量 电源开关 测试/回车 亮度/声音模式 菜单/退出 PWR电源开关 在仪器开机状态下，按住改按键超过2秒钟，仪器进入关机状态；再次按动该 按键，仪器重新开机； MENU/ESE 菜单/退出 在任何操作模式下，按动该按键，系统将进入主菜单界面。在主菜单界面中， 又有许多分菜单，通过按动“上、下”选择按键和ENTER回车，可以进入分 菜单并进行各种设定；再次按动该按键，将退出菜单模式，设备将进入此前 的操作模式； MODE模式 该按键有两个功能：1，选择工作模式；2，代表一个翻页箭头(菜单模式时） BRT/VOL电源开关 该按键有两个功能：1，调节红色激光瞄准框的亮度、调节蜂

4、鸣器的声音的大 小、打开或者关闭LCD背景光；2，代表一个翻页箭头(菜单模式时) TEST/ENTER 测试/回车 在菜单模式下，按动该按键表示选定某选项或者可以保存设定值；其余任何 模式下，按动该按键进行系统自测试(自检)； 电池的正确使用 新电池再首次使用前，必须充电达到6个小时；在仪器没有报警低电 压时，不要充电；按照此规则反复三次后，电池将达到最好的使用效 果； 充电器的正确使用 充电器是智能充电器，具有“放电”和“充电”的功能。在把电池装 到充电器中进行充电的程序是这样的：先把放电按键按下，黄灯亮； 说明放电正在进行。等放电完毕，黄灯闪烁，同时绿灯亮；说明开始 充电。待充电完毕，绿灯

5、也开始闪烁。此时说明充电完成。（前三次 充电要达到6个小时） 1,基本测量功能 距离测量，倾斜角度测量，磁偏角或真北偏角测量； 距离测量范围是3米1850米，测量分辨率是0.1米；精度小于0.2米 倾斜角度测量范围是+/-40度（显示为50130度）；精度0.2度 水平角度测量范围0360度；精度0.5度 2,所有测量模式（共11个模式） 标准模式2点测高模式3点测高模式 2点中分测量模式水平距离模式坡度测量模式 3点弧垂测量模式水平线测量模式3D线测量模式 矩形面积测量任意形状面积测量 1,标准模式(R/B/I MODE) 瞄准目标后，按动测量按键，将会在LCD显示器上显示”仪器到目标的距离

6、”， “仪器到目标的水平偏角(磁偏角或真北偏角)”，“仪器到目标的垂直倾角”； 注意：要想获得比较精确的结果，瞄准目标后，让仪器稳定2-3秒后再按动测量 按键测量； 持续按住仪器操作键，可以连续测量；松开按键后，显示最后一个测量结果； 对于不易测量的目标，可以延长按住测量键的时间，直到结果显示出来； 2,2点测高模式(2 shot height mode) 该模式用于测量任意两点间的高差；（同一目标或不同目标） 当显示Measure #1，表示可以瞄准第一个点进行测量了（注：第一点可以是高 点，也可以是低点）；等第一个点测量结束，屏幕会显示Measure #2，表示可 以瞄准第二个点进行测量了

7、；等全部测量完成，LCD会显示两点间的垂直高差； 测量两点时，仪器的位置(高度)不要发生大的变化，否则误差会明显增大； 仪器的倾角范围是+/-40度，所以注意不要超过这个范围。否则，不会有结果。 通过移动你的测量位置，可以很容易保证满足这个倾角范围要求； 3,3点测高模式(3 shot height mode) 该模式用于测量一个垂直物体的高度； 测量过程是先测量物体最高点和最低点间的任意一点(该测量实际得到的是仪器 到目标的水平距离)；然后分别测量最高点和最低点（该两次测量实际是测量最 高点和最低点对应的仰角和俯角）；最后得到物体的高度； 注意：测量的这三个点，必须在一个垂直线上（或者尽量在

8、一个垂直线上），否 则得到的结果误差会比较大； 4,2点中分测量模式(2 shot Bisect) 该模式用于在设立电力线杆的支撑拉绳时，测量确定拉绳的方位走向； 测量过程是这样的：1，先背对着需要安装拉绳的线杆，面对它一侧的线杆测 量；2，同样的操作过程，对着它旁边的另外一个线杆测量；3，沿着支撑拉绳 的大概方向走出34米开外，然后面对线杆测量距离，知道到达你们需要的距 离；4，持续按着测量按键，瞄准线杆，左右走动测量，知道显示“0.0”；5，那 个 位置就是需要安装地桩的位置； 注意：如果需要多个拉绳，那个测量的这个位置时主拉绳的位置； 模式功能详解 5,水平距离测量模式(Horiz Di

9、st Mode) 该模式用于测量仪器到目标间的水平距离； 测量过程是这样的：对准目标的任何部位进行测量，都将自动得到水平距离。测 量时仪器同时测量了倾斜距离和倾斜角度，内部计算机运算后，直接显示水平距 离； 主要用于有障碍物阻挡时的水平距离（因为仪器水平放置测量时，会受障碍物影 响）； 模式功能详解 6,坡度(梯度)测量模式(Slope/Grade Mode) 该模式用于测量两点间的连线的坡度或梯度； 测量过程是这样的：先测量一个点，再测量另外一个点，得到坡度或梯度值； 如果第二个测量点比第一个测量点高，那个坡度或梯度是正的；否则为负值； 模式功能详解 7,3点弧垂测量模式(3-shot Sa

10、g Mode) 该模式用于测量两个线杆间导线的下垂垂度； 测量过程是这样的：先测量一个线杆上线的连接点，再测量另外一个线杆上的连 接点，然后按住测量按键扫描下垂部分的最底部；等到观察窗里面显示0.0-0.3 时，松开按键，读取结果； 注意：扫描线的底部时，测量按键不能松开； 模式功能详解 8,水平线测量模式(Horiz Line Mode) 该模式用于测量两个目标间的水平距离； 测量过程是这样的：先测量一个目标上的一个点，再测量另外一个目标上的一个 点，然后就能得到这两个点之间的”水平距离“； 注意：测量的是两外两个目标间的水平距离，而不是仪器到目标间的距离； 模式功能详解 9,3D线测量模式

11、(3-D Line Mode) 该模式用于测量两个目标间的斜距； 测量过程是这样的：先测量一个目标上的一个点，再测量另外一个目标上的一个 点，然后就能得到这两个点之间的”连线长度“； 注意：测量的是两个目标间的距离，而不是仪器到目标间的距离； 模式功能详解 10,矩形面积测量模式(Rectangular Area Mode) 该模式用于测量一个矩形形状的面积； 测量过程是这样的：站在矩形外边，任意测量三个点（顺序测量），可以顺时针 测量，也可以逆时针测量；然后得到面积； 注意：不能跨点测量，必须顺序测量； 模式功能详解 11,任意形状面积测量模式(Area Mode) 该模式用于测量一个任意形

12、状的面积和周长； 测量过程是这样的：比较复杂，看图解释； 1，目标：形状，大小，颜色，材料，表面状态等； 2，天气：温度，雨，雪，灰尘，烟，雾等，明，暗等； 3，瞄准的稳定性； 4，磁影响； 5，操作者的经验和技能； 6，其它因素； 轻拿轻放； 防水，防过热，防过冷；（-30到+60度） 机器不用，拿下电池； 外出用箱子携带； Charge Coupled Device（CCD）电荷耦合 器件,一种半导体装置,能够把光学影像转化 为数字信号.在实际情况中,光栅的变化会导 致相干图样的改变，CCD将这些细微改变转 化为电信号，传输给计算机进行分析，从而 做出相应的反应。 相干性好相干性好 亮度极

13、高亮度极高 颜色极纯颜色极纯 在CCD接受靶运动过程中， 实时计算检测位置与初始 位置的坐标差 (Y,X,H), 其中 Y=Y-Y0; X=X-X0 根据坐标差,工程师就可以 方便地找到需要调整的位 置，调整方向及调整量。 Rmrm 二、共光路激光干涉仪测量技术 (一) 斐索共路干涉仪 (二)米勒干涉仪 (三)散射板干涉仪 (四)错位式共路干涉仪 43 干涉测长的基本原理 激光干涉测长的基本光路是一个迈克尔逊干涉仪,如图6-1示, 用干涉条纹来反映被测量的信息。 图6-1 激光干涉测长仪的原理图 44 原理：激光器发出的激光束到达半透半反射镜P后被分成两束，当两束 光的光程相差激光半波长的偶数

14、倍时，它们相互加强形成亮条纹；当 两束光的光程相差半波长的奇数倍时，它们相互抵消形成暗条纹。 因此，M2沿光束2方向上每移动半波长的长度，光束2的光程就改变了 一个波长，于是干涉条纹就产生一个周期的明、暗变化。 这个变化由光电转换装置转变成一个电信号而被光电计数器计数，并 由显示和记录装置加以显示和记录。我们只要记下M2移动时干涉条纹 变化的周期数N就可以得到被测长度(即M2移动的距离)。 被测长度L通过运算和显示电路直接显示出来 2 NL j M J j N i ii lnln 11 45 如果我们不考虑计数N的误差，则由于波长的不稳定所造成的测长L的相 对误差为(前者是干涉测长系统的设计问

15、题，后者是波长的相对误差) 如果我们要求在一米长的范围内由于波长不稳定所引起的测量误差小于 0.1m，则要求激光波长的稳定度为 上述要求也是对激光频率稳定度的要求。实际上，除频率不稳定引起的 误差外，还有条纹计数误差、对准误差等等一系列的测量误差。因此， 对激光频率的稳定性的要求就更高些。在本书第四章中曾指出，一般环 境条件影响引起的频率相对变化约为10-7，所以要获得： 的频率稳定度，必须采取一定的稳频措施 LNL LNL 7 6 10 1 1 . 010 7 10 46 激光光源：它一般是采用单模的He-Ne(同位素)气体激光器，输出的 是波长为0.6328微米的红光。为提高光源的单色性，

16、对激光器要采取 稳频措施； 迈克尔逊干涉仪：由它来产生干涉条纹；（核心部件） 可移动平台：它携带着迈克尔逊干涉仪的一块反射镜和待测物体一起 沿入射光方向平移。由于它的平移，使干涉仪中的干涉条纹移动； 光电计数器：其作用是对干涉条纹的移动进行计数； 显示和记录装置：其作用是显示和记录光电计数器中记下的干涉条纹 移动的个数或与之对应的长度； 光电显微镜：作用是对准待测物体，分别给出起始信号和终止信号； 47 迈克尔逊干涉仪是激光干涉测长系统的核心部分，其分光器件、反射器 件和总体布局有若干可能的选择。 干涉仪的分光器件原理：可以分为分波阵面法、分振幅法和分偏振法。 分振幅平行平板分光器和立方棱镜分

17、光器 偏振分光器：(参见图6-6中的B2)以及由晶轴正交的偏光棱镜组成如沃拉 斯顿棱镜。 干涉仪中常用的反射器件：平面反射器、角锥棱镜反射器（图6-2a）、 直角棱镜反射器（图6-2b）、猫眼反射器（图6-2c） 图6-2 反射器 48 激光干涉仪的典型光路布局有使用角锥棱镜反射器的光路布局 移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分。常用的移相方法有机械 移相、翼形板移相、金属 膜移相和偏振法移相。 作用：提高仪器的分辨力， 对干涉条纹进行细分。 图6-3 典型光路布局 图6-4 机械法移相原理图 49 实际应用的激光干涉仪的光路与原理光路的最主要区别是 可逆计数； 如果只有一组干涉条纹信号输入

18、计数器，工作台的微小倒 退信号也会引起计数器增加计数，带来误差，因此需要判 断工作台的运动方向，而且计数器具有减的功能，即需要 “可逆计数器”； 设计方向判别部分，将记数脉冲分为加脉冲和减脉冲两种。 当测量镜正向移动时产生的脉冲为正脉冲，而反向移动时 产生的脉冲为负脉冲。 50 干涉条纹计数时，通过移相获得两路相差/2的干涉条纹的光强 信号，该信号经放大，整形，倒向及微分等处理,可以获得四个 相位依次相差/2的脉冲信号（图6-5）。实现干涉条纹的四倍频 记数。相应的测量方程变为 图6-5 判向计数原理框图 8 LN 51 直流干涉仪：前置放大器为直流放大器。动镜从静止运动静止； 干涉条纹变化频

19、率从0 最大值0；光强转化的直流信号的频率变化 范围也从0开始，需用直流放大器。 缺点：外界环境干扰能力差，只能在恒温防震条件下使用。 外差干涉仪：在干涉仪的信号中引入一定频率的载波，使被测信号通 过这一载波来传递，干涉仪能够采用交流放大，隔绝外界环境干扰造 成的直流电平漂移。 载波信号产生方法：使参与干涉的两束光产生一个频率差，这样的两 束光干涉会产生“光学拍”现象，转化为电信号得到差频信号。（光外 差干涉）。 52 其中氦氖激光器上沿轴向施加以磁场，由于塞曼效应激光被分裂成有 一定频率差的左旋偏振光f1和右旋偏振光f2 测量反射镜运动产生的多普勒频移可以表示为 测量镜的位移量可由下式计算

20、图6-6 双频激光干涉仪光路图 c D 22 NdtdtdtL ttt D 222 000 53 激光测角的原理与小角度干涉仪类似,都是采用三角正弦原理。如图 6-7所示。被测的转角为： R dt R L t DD 2 arcsinarcsin 0 21 图6-7 激光测角原理示意图 1:偏振分光棱镜组；2: 角锥棱镜组；3, 3: 检偏器；4, 4: 光电接收器； 5,5: 放大器；6: 倍频和计数卡；7: 计算机 54 激光测气体折射率： 图6-8 双频激光干涉仪测量空气折射率 1:偏振分光棱镜；2: 分光器；3: 波片；4: 真空室；5: 抽气口；6: 角锥棱镜；7: 检偏器；8: 光电

21、接收器；9: 补偿环 0 1 2 m nN L 55 光的衍射现象，按衍射物和观察衍射条纹的屏幕(即衍射场)之间的位 置关系一般分为两种类型：菲涅耳衍射和夫琅和费衍射。 单缝衍射测量： 单缝衍射测量的原理单缝衍射测量的原理：单缝夫琅和费衍射。条纹的光强可表示为单缝夫琅和费衍射。条纹的光强可表示为： 图6-9 衍射测量原理图 2 0 2 sin sin sintan k k b II xL 暗条纹 单缝衍射测量的基本公式单缝衍射测量的基本公式: ,: , 当被测物体尺寸改变当被测物体尺寸改变时，相当于狭缝尺时，相当于狭缝尺 寸改变寸改变，衍射条纹的位置也随之改变，衍射条纹的位置也随之改变, ,

22、可得可得 k x kL b 0 0 11 kk xx kLbb 单缝衍射测量的分辨力、精度和量程单缝衍射测量的分辨力、精度和量程: : kL b dx db t k 2 2 2 22 k kkk x x kL L x k x kL b 56 图（6-10）表示了圆孔的夫琅和费衍射原理，接收屏上衍射条纹的光 强分布为 中心亮斑(即第一暗环)的直径为 图6-10 圆孔的夫琅禾费衍射原理示意图 2 1 0 )(2 x xJ II P a f d 22. 1 2sin 1.22 a x 57 其基于单缝衍射的原理。作尺寸的比较测量,如图6-11(a)。作工件形状 的轮廓测量，如图6-11(b)。作为应

23、变传感器使用，如图6-11(c)。 用间隙测量法测量位移,即测量狭缝宽度b的改变量=b-b,可采用绝对 法,求出变化前后的两个缝宽b和b，然后相减。也可以用增量法。后 者所用公式为 图6-11 间隙测量法的应用 sinsin ) ( sin sin Nkk kk bb 58 反射衍射是利用被测物的边缘和反射镜构成的狭缝来进行衍射测量的。 图6-12 反射衍射法原理图 在在P P点处出现第级暗条纹的光程差应满足点处出现第级暗条纹的光程差应满足 , ,在该图的几何关系在该图的几何关系 下缝宽可以表示为下缝宽可以表示为 kbbsin2sin2 sin 2 cos2 L x xkLb k k 59 利

24、用参考物与被测物不在同一平面内情况下所形成的衍射条纹进行精 密测量的方法称为分离间隙法。 测量出正负不同级次k1和k2上的暗条纹的位置 和 即可由下式计算出 狭缝宽度和间隔 图6-13 分离间隙法原理图 1k x 2k x L zx x Lk L zx x Lk b k k k k 22 2 2 21 1 1 60 激光互补衍射测量法的原理是巴俾涅互补定理。 巴俾互补涅定理：如下两个互补屏。当用平面波照射时，它们产生的 衍射图形的形状和光强完全相同，仅相位相差。 可以测量细丝、薄带； 互补测量法测量细丝直径的范围一般是0.010.1mm，测量精度可 达到0.05微米。 图6-14 巴比涅互补衍

25、射屏 61 基于圆孔夫朗和费衍射的测量方法称作爱里斑测量法。 原理：用爱里斑中归一化光强的大小的测量来确定被测孔的直径。 图6-15是用爱里斑测量人造纤维或玻璃纤维加工中的喷丝头孔径的原 理图。 图6-15 喷丝头孔径的爱里斑测量原理示意图 62 薄膜材料表面涂层厚度测量 ：使用分离间隙法，图6-16所示为其原理。 图6-16 薄膜材料表面涂层厚度测量 63 薄带宽度测量 钟表工业中的游丝以及电子工业中的各种金属薄带(一般宽度在1毫米) 以下，均可利用激光衍射互补测量法进行测量。在测量时要求薄带相 对激光束的光轴有准确的定位，否则将引起测量误差。图6-17是薄 带宽度测量原理图。 图6-17

26、薄带宽度测量原理图 一、视觉检测系统的组成 二、典型视觉检测系统 三、视觉检测的标定方法 四、视觉检测图像处理基础 一、视觉检测系统的组成 1)被测物移动而摄像系统不动。 2)被测物和摄像器件不动而光学系统运动。 3)被测物和光学系统不动而摄像器件运动。 一、视觉检测系统的组成 图9-28视觉检测系统组成框图 二、典型视觉检测系统 (一)一维尺寸视觉检测 (二)二维尺寸视觉检测 (三)三维尺寸视觉检测 (四)视觉检测技术在医学和生物学中的应用 (一)一维尺寸视觉检测 图9-29一维尺寸视觉检测 a)成像型b)直接接收型 (一)一维尺寸视觉检测 图9-30一维尺寸测量应用实例 a)外径测量b)宽

27、度测量c)位置和形状测量 (二)二维尺寸视觉检测 9-31 (二)二维尺寸视觉检测 9-32 (二)二维尺寸视觉检测 图9-33二维视觉坐标测量机原理图 (三)三维尺寸视觉检测 1.双目立体视觉系统 2.主动三维视觉测量 1.双目立体视觉系统 图9-34双目三维视觉原理图 2.主动三维视觉测量 图9-35激光三角 法原理图 2.主动三维视觉测量 图9-36光切割法测量焊接形状原理及其得到的图像 a)焊缝检测b)V型钢板检测c)切割形状检测 (四)视觉检测技术在医学和生物学中的应用 1.医学红外热成像技术 2. X射线数字影像设备 3. X射线计算机断层扫描(CT) 4.生物芯片检测仪 三、视觉

28、检测的标定方法 视觉坐标测量机所获取的三维物体的二维图像是以像素 为单位的，如何确定物体的三维空间坐标和与二维图像 的对应关系是系统标定工作所要解决的问题。空间物体 表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相 互关系是由摄像机的几何模型决定的。为了得到这些几 何参数而进行的实验与计算的过程称为标定。 一、光纤测量技术概述 二、光纤位移测量技术 三、光纤温度测量技术 四、光纤压力测量技术 五、光纤电流测量技术 光纤主要参数的测量光纤主要参数的测量 1. 光纤衰减的测量光纤衰减的测量 衰减是光纤、光缆的重要传输特性之一。传输特性与光纤 的激励条件及光纤所处的状态有关。对衰减的测量，是指测量对

29、衰减的测量，是指测量 每单位长度的衰减值每单位长度的衰减值(以以dB/km表示表示)。只有当被测光纤处在模。只有当被测光纤处在模 功率近似稳态分布条件下才有可能。功率近似稳态分布条件下才有可能。 建立稳态模的方法主要有三种：建立稳态模的方法主要有三种： (1) 扰模法。扰模法。利用扰模器，使被测光纤在距注入端不远处产 生周期性弯曲，或者利用突变渐变突变光纤顺序排列插入 光源与被测光纤之间。 一、光纤测量技术概述 扰模器如图13.1所示。 它由若干可移动的圆柱 体组成。圆柱体的数量和它们之间的距离是可以 调节的。 将光纤曲折地绕在扰模器的圆柱体上， 可以使光纤内的高次模损失而保存低次模，即改可以

30、使光纤内的高次模损失而保存低次模，即改 变光纤传输的模分布。变光纤传输的模分布。恰当地调节圆柱体的个数 和距离，就可以建立稳态模。 为了检验光纤传输是否建立了稳态模，可 以先用长光纤(LLe)接入光源不加扰模器，测得 光纤功率的稳态分布。然后用长度约3 m的短光 纤经扰模器，观察光纤输出功率的模场分布， 并 与长光纤所得的稳态模比较。调节圆柱体的个数 和间距，使两者相似，扰模器即调整合适。 图 13.1 扰模器 a d 光纤 光纤衰减测量的常用方法光纤衰减测量的常用方法 1) 切断法切断法 已知光纤长度为L，将被测光纤经扰模器接至光源，如图 13.2所示。 图 13.2 切断法测光纤衰减 光源

31、 扰模器 切断 光纤 P 1 L P 2 先测得光纤终端输出功率P2。 然后在扰模器附近的地方切断， 测得光功率P1， 它相当于输入光纤的功率。如果略去扰模器上的 短光纤的长度， 则光纤每千米衰减为 光纤的端面必须平整清洁，否则将影响测量的正确性。 切断法是测量光纤衰减最基本、最直观、最简单的方法， 精 确性较高， 但它必须破坏光纤，一般在工程现场不能采用。 dB/km lg 10 2 1 L P P a (13.1) 2) 插入法插入法 插入法原理如图13.3所示。利用长光纤(LLe)建立稳态模。 光源发送固定的光功率，于是在光纤终端接收到的光功率可以光源发送固定的光功率，于是在光纤终端接收

32、到的光功率可以 表示光纤的衰减值。表示光纤的衰减值。如果接收端装有对数放大器，则光纤衰减 可用dB数直读。 图 13.3 插入法测光纤衰减 光功 率计 光源 连接器连接器 被测光纤 L P 1 P 2 稳态模光纤 e L L 3) 反向散射法反向散射法(光时域反射仪光时域反射仪) 反向散射法测量光纤衰减，其工作原理与光学雷达相似。 当光纤输入端注入一个强脉冲并沿光纤传输时，由于光纤内部 存在微小不均匀而产生瑞利散射，在反方向观察到衰减的连续 回波， 利用回波可以测量光纤的平均衰减系数、沿光纤长度衰 减系数的变化、接头损耗等等。 按上述原理做成的仪器叫做光学时域反射仪。用一个方向 耦合器或波束分

33、离器将周期性的窄光脉冲注入光纤一端， 因瑞 利散射引起的回波用高速响应的检测器检波，通过分析反向散 射回波波形来确定光纤特性。反向散射法的测试装置构成如图 13.4所示， 图 13.4 光学时域反射仪 脉冲 发生器 示波器 图示仪 放大平均 LD APD 瑞利散射 方向耦合器 光纤 回波波形如图13.5所示，它有一些明显的特点： 由光纤 输入端面Fresnel反射引起的初始脉冲。 在理想情况下，光纤 端面反射大约4%的功率； 沿光纤长度分布的反向散射光， 沿着光纤受到衰减； 光纤连接接头的光功率损耗， 引起回 波的突然下降； 光纤断裂处，Fresnel反射引起脉冲上升， 利用初始脉冲与断裂处反

34、射脉冲之间的时间差，可以确定光纤 断裂位置， 即 图 13.5 回波波形 P反射 初始脉冲 盲区 反向散射 接头损耗 断裂 LL 2 L 1 L 距离 P 1 P 2 O 利用光时域反射仪可以测量光纤任意点的衰减，参阅图13.5。 当光脉冲到达L1时，发生的反射脉冲回到始端的强度为P1。同样， 光脉冲到达离L1的距离为L的点L2时，发生的反射脉冲回到始 端的强度为P2。 从而求得L1 L2间的平均衰减为 L P P P L L P P d d lgd 5 lg 5 lg10 2 1 2 1 2 1 (13.3) 光时域反射分析仪光时域反射分析仪(OTDR)测量光纤的缺点是两端测出的 衰减值有差

35、别， 这是因为无法控制反向散射的模场分布，从而 导致测出的光纤衰减与散射损耗值不会真正相等，通常要取两 端测出的平均值。 另外，用OTDR测量光纤时，在始端有一个盲区(端面反射 区)，多模光纤的盲区较小； 单模光纤的盲区则较大， 相当于 100 m左右长的光纤。因此，测量单模光纤时，要先连接长度在 100 m以上的参考光纤，才能进行测试。 应当指出，用OTDR测光纤时，在两根光纤的连接点可能 出现“增益”假象，其实这是连接点的光反射。这种情况只出 现在两根光纤芯径不同时，当光由较大的芯径向较小的芯径传 输时， 有一部分光在连接点产生反射，从而出现增益的假象。 2. 光纤带宽的测量光纤带宽的测量

36、 1) 时域法 图 13.6 时域法测试方框图 驱动接收 脉 冲 发生器 取样 示波器 X-Y 记录仪 计算机 LD光纤APD 切 断 t f1(t) t f2(t) 脉冲发生器产生出很窄的电脉冲波， 驱动激光器产生很窄 的光脉冲。测试时，首先将被测光纤接在收和发两端之间，测 出光纤的脉冲输出波形f2(t)；然后在离发送端23 m 处剪断光纤， 测量短段光纤的输出波形f1(t)作为被测光纤的输入波形，接收 端的计算机按间隔时间逐点取样，进行快速傅里叶变换(FFT)， 得出频域曲线并计算出光纤的带宽值。 如果接收端没有计算机设备， 也可用估算法求出光纤带宽， 由式(8.17)可得带宽 MHz 4

37、40 2 1 2 2 B 式中，的单位为ns，为f1(t), f2(t)的半高全宽。此时， f1(t), f2(t) 以接近高斯波形为宜。 例如，设1=0.5 ns，2=1.2ns，则 403MHz 5 . 02 . 1 440 2 1 2 B 用估算法测光纤带宽时，除其波形应接近高斯型外， 其发送脉 冲应很窄并满足21.41，否则精确度差。 2) 频域法 频域法的原理是在光纤的输入端送入光正弦信号，在光纤输 出端由选频表读取经检测器变换出来的电信号幅值，在保持送 入信号幅值不变的情况下，改变其频率，输出端信号幅值下降6 dB时频率变化的范围即为光纤带宽(电带宽)。 实际测量时，采 用扫频法。

38、而不必逐点读取，见图13.7。采用频域法测量光纤的 带宽，要求检测接收系统的频率响应应与光源的调制频率相适 应，在测试的光功率范围内检测系统应是线性的。因此，测试 时需先将发送端与接收端用一般短光纤相连，将发送功率调到 接收器的线性范围内。频域法测量光纤带宽的测试分两步进行： 第一步测出被测光纤的输出光功率谱；第二步在注入端2 m处剪 断光纤并测出其光功率谱，即输入的光功率谱(见图13.8)，测出 6 dB的电带宽。 图 13.7 频域法测试方框图 调制的 光 源 注入器件 及扰模 检测及 记录 滤模器 去包层 模器 被测光纤 触发信号(需要时间) 切断 3) 带宽与线路长度的换算 上述两种方

39、法所测出的带宽都是光纤全长的总带宽， 而 工程上要知道光纤每千米的带宽值。设每千米带宽值为B， 长 度为L km，总带宽为B，则按式(8.19)，B=BLE MHzkm。 图 13.8 频域法测试曲线 dB 6 dB 输出1 1 2 2 输入 f 光发射机指标的测量光发射机指标的测量 1. 光发射机平均输出光功率的测量光发射机平均输出光功率的测量 这里所说的平均输出光功率是指光发射机输入伪随机码时 的平均输出光功率。因此，该项指标的测试应该按照图 13.9 所 示的框图进行。端机接电源稳定工作后，PCM系统分析仪(或 伪码发生器 )便送出伪随机码。这样，在不需要太多费用的情 况下， 便可进行该

40、项指标的测试。 图 13.9 光发射机平均输出光功率和消光比测量框图 PCM 系统分析仪 光发射机 光功 率计 连接器 光源 尾巴光纤 对光发射机的光源调制后，由光功率计测出此时光发射机 的平均输出光功率。 测量时应注意光功率计的选择。对短波长系统，必须选用 短波长的光功率计， 或者换用短波长的探头。长波长系统应该 选用长波长的光功率计或换长波长探头。 光功率一般用相对值 “dBm”或者用绝对值“W”表示。 2. 光发射机消光比的测量光发射机消光比的测量 消光比是光发射机的重要技术指标。在数字通信系统中， 光发射机发送的是“0”码和“1”码的光脉冲。 完善的光发射 机， 在发“0”码时应无光功

41、率输出。 实际的光发射机，由于 其本身的缺陷，在发“0”码时会有残留矮尖脉冲存在，或者由 于直流偏置IB的选择不当，光发射机在工作时会有多余光功率 输出。 表明光发射机存在这种缺点的程度用消光比(EXT)表示。 光发射机在发“0”码时有矮尖脉冲存在，或者光发射机在 工作时有一定多余光功率输出等现象，称为光发射机调制的不 完善。上述两种现象都要产生额外噪声使系统的信噪比恶化， 从而影响光接收机的灵敏度。消光比越大，灵敏度下降越厉害。 因此，为了保证光接收机有足够的接收灵敏度，通常要求光发 射机的消光比小于 0.1，即要求EXT0.1。可见，测量光发射机 是否满足EXT0.1的要求，对保证光接收机

42、灵敏度是十分重要 的。 光发射机消光比的测量系统框图， 仍见图 13.9。 按照定义， 测量时首先测出全“0”码时的平均输出光功率P0，然后再测出 全“1”码时的平均输出光功率P1。PCM系统分析仪或伪码发生 器送出的是伪随机码， 基本上认为它产生“1”码的概率与产生 “0”码的概率是相等的。因此，实测的全“1”码平均输出光功 率P1应乘以 2。考虑到这一情况后，光发射机的消光比应该按 照下式计算： 1 0 2 EXT P P (13.4) 实际操作时，先将光发射机接通电源，待其工作稳定后， PCM系统分析仪便送出伪随机码信号。 这时，通过光功率计测 出平均输出光功率P1。然后，将光端机中的码

43、变换盘拔出，再 测光发射机此时的输出光功率，即全“0”码时的光功率P0。最 后， 按式(13.4)计算出该光发射机的消光比EXT。例如，实测值 分别为P1=6.23 W，P0 =3.8 W，通过式(13.4) 计算得EXT=0.3。 显然，该光发射机消光比不符合要求，应该采取措施降低消 光 比。 光接收机主要技术指标的测量光接收机主要技术指标的测量 1. 光接收机接收灵敏度的测量光接收机接收灵敏度的测量 图 13.10 光接收机灵敏度和动态范围测试系统框图 PCM 系统分析仪 光发射机 活动连接器 光接收机 可变光 衰减器 光功率计 按照图 13.10 进行光接收机灵敏度测试时，还应考虑到光纤 活动连接器的损耗值。由于灵敏度功率Pmin是在活动连接器前测 量的，因此实际灵敏度应该减去活动连接器的损耗。例如， 经 测试按式(1.19)计算出光接收机的接收灵敏度为Pr=-50.3 dBm， 光纤活动连接器的损耗为 0.7 dBm，则光接收机的实际接收灵 敏度应该为-50.3-0.7=-51 dBm。 另外，在对