第五章光电检测系统

1、0吕勇吕勇12变换方法变换方法光学原理光学原理应用应用几何光学法几何光学法透射、反射、折射、散透射、反射、折射、散射、遮光光学成像等非射、遮光光学成像等非相干光学现象相干光学现象光开关、光学编码、光扫描光开关、光学编码、光扫描、瞄准定位、光准直、外观、瞄准定位、光准直、外观质量检测、测长测角、测距质量检测、测长测角、测距等。等。物理光学法物理光学法干涉、衍射、散斑、全干涉、衍射、散斑、全息、波长变换、光学拍息、波长变换、光学拍频、偏振等相干光学现频、偏振等相干光学现象。象。莫尔条纹、干涉计量、全息莫尔条纹、干涉计量、全息计量、散斑计量、外差干涉计量、散斑计量、外差干涉、外差通讯、光谱分析、多、

2、外差通讯、光谱分析、多普勒测速等。普勒测速等。光电子学法光电子学法电光效应，声光效应、电光效应，声光效应、磁光效应、空间光调制磁光效应、空间光调制、光纤传光与传感等、光纤传光与传感等光调制、光偏转、光开关、光调制、光偏转、光开关、光通信、光记录、光存储、光通信、光记录、光存储、光显示等光显示等456 7891011 如果光源是如果光源是非相干非相干光，但用光调制的方法使被光，但用光调制的方法使被测信息载荷于调制光的幅度、频率或相位之中，然测信息载荷于调制光的幅度、频率或相位之中，然后用光电的方法从调制光的幅度、频率或相位之中后用光电的方法从调制光的幅度、频率或相位之中检测出被测信息，则仍为非相

3、干检测。因此，把检测出被测信息，则仍为非相干检测。因此，把直直接检测光信息的光强（或叫光功率）接检测光信息的光强（或叫光功率）以及以及检测非相检测非相干光调制频率、振幅或相位干光调制频率、振幅或相位的方法统称为的方法统称为。12)sin()(sssStatU221( )sin()2SssssP tata平均212dSssIK PK aqKhqh13222()LdsLSLqPIRPRh1( )dSsIK Pd t14RfkTfqIPPfSqIdbsN/42)(22RfkTfqIPPfSqPSIISNRdbsSNdsd/42)(2222215Lsff 16 cosssssEtAtf cosLLLL

4、EtAtf coscossssLLLE tAtfAtf17LssLfff 22220022220000000000( )( )( )( )2( )( )cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()hsssssssssssssssIEK U tU tK UtUtU t U tKaaatata ata at0002cos()()hssssIa at18),(cos(),(1),(yxyxyxAI192222244dmsoLodssLsIk P P RPGIk P RPsPoP20fhNEP212223242526内调制内调制：将要传输的信号直接加载于光源，改变光源：将要传输的信号

5、直接加载于光源，改变光源的输出特性来实现调制；其中最简单的是对半导体的输出特性来实现调制；其中最简单的是对半导体激光器的驱动电源用调制信号直接控制，实现对所激光器的驱动电源用调制信号直接控制，实现对所发射激光的强度的调制。另一个就是把调制元件（发射激光的强度的调制。另一个就是把调制元件（如电光、声光晶片）放在激光器的谐振腔内，用要如电光、声光晶片）放在激光器的谐振腔内，用要传输的信号控制该调制元件物理性质的变化，改变传输的信号控制该调制元件物理性质的变化，改变光腔参数，实现调制激光输出；光腔参数，实现调制激光输出；外调制外调制：在光源外的光路上放置调制器，将要传输的：在光源外的光路上放置调制器

6、，将要传输的信号加载于调制器上，当光通过调制器时，透过光信号加载于调制器上，当光通过调制器时，透过光的物理性质将发生改变，实现信号的调制。的物理性质将发生改变，实现信号的调制。27 ：28： 。29 ：30：31321050 50 100 It 150 200驱动电流驱动电流(mA)输出输出功率功率(mW)33输出功率直流偏置直流偏置调制信号调制信号输出光强信号输出光强信号ttt(b)CLLD调制信号调制信号直流偏置直流偏置(a)34Ub+EcIc已调光波(a)PoutItIco(b)35LD2LD1LED1LED2LED3LED4I(mA)Pout(mW)1614121086420 100

7、200 300 40036偏置电流调制电流幅度阈值电流偏置电流调制电流幅度mm:LED:LD37PoutIbID ttI( a)OPoutIO t( b)38 3940 调制盘 41 波形调制波形调制 将入射的光辐射转变为将入射的光辐射转变为是调制盘的基本功能是调制盘的基本功能之一。所产生交变量的波形不仅与光辐射光束形状和分布有关，还与调制盘之一。所产生交变量的波形不仅与光辐射光束形状和分布有关，还与调制盘( (这这里主要是斩波器里主要是斩波器) )开口大小和形状有关。开口大小和形状有关。1.1.正弦波调制的产生正弦波调制的产生 在辐射测量中，为与后继电路很好地配合，提高信号的利用和信噪比，有

8、时在辐射测量中，为与后继电路很好地配合，提高信号的利用和信噪比，有时希望经调制后希望经调制后成为单一频率的正弦波，其表达式为成为单一频率的正弦波，其表达式为 tPPtPsin10半圆形斩波器半圆形斩波器旋转叶片斩波器旋转叶片斩波器新月形斩波器新月形斩波器42 产生正弦调制的原理设计比较容易，实际实施却相当困难。在工作中常产生正弦调制的原理设计比较容易，实际实施却相当困难。在工作中常从方波调制产生的信号中，从方波调制产生的信号中，。 仍用半圆形斩波器讨论，如图仍用半圆形斩波器讨论，如图(a)所示。假设目标像点比斩波器的开口小所示。假设目标像点比斩波器的开口小得多，使探测器输出波形的前、后沿均十分

9、陡，则当像点进入斩波器开口期得多，使探测器输出波形的前、后沿均十分陡，则当像点进入斩波器开口期间，对应输出一个近似矩形的脉冲，如图间，对应输出一个近似矩形的脉冲，如图(b)所示。可用下式表达所示。可用下式表达)12()12(0)12(2)(0KtKKtKPtP 式中式中K可为任意整数。可可为任意整数。可见只要像点远小于斩波器开口见只要像点远小于斩波器开口尺寸的情况下，都能产生近似尺寸的情况下，都能产生近似的矩形波或方波。的矩形波或方波。 如如。43 由于正弦调制不易实现，考虑建立一种调制装置，使它对像点光由于正弦调制不易实现，考虑建立一种调制装置，使它对像点光辐射调制产生周期性变化，其辐射调制

10、产生周期性变化，其，再由电子系统滤去谐波这种调制与正弦调制等效，称为，再由电子系统滤去谐波这种调制与正弦调制等效，称为。 实际系统中常采用扇形齿和开口的斩波器对圆形开孔光辐射进行实际系统中常采用扇形齿和开口的斩波器对圆形开孔光辐射进行调制。此时获得等效正弦调制的条件为：调制。此时获得等效正弦调制的条件为： (1)(1)斩波器直径较之其齿或开口尺寸大很多；斩波器直径较之其齿或开口尺寸大很多； (2)(2)斩波器上二齿和开口尺寸相等；斩波器上二齿和开口尺寸相等； (3) (3)要求辐射圆孔直径要求辐射圆孔直径(2R)与斩波器开口宽度与斩波器开口宽度(2r）成一定比例，成一定比例，即即R/r0.8；

11、 (4) (4)电子系统的中心频率选为电子系统的中心频率选为f=2，并有适当的带宽，式中，并有适当的带宽，式中是斩波器的转速；是斩波器的转速； (5) (5)斩波器与圆形像点在同一平面上。斩波器与圆形像点在同一平面上。44 如图所示的方齿形斩波器，假定目标像点被如图所示的方齿形斩波器，假定目标像点被图中扇形光阑所限制，该扇形的曲率中心与斩波图中扇形光阑所限制，该扇形的曲率中心与斩波器中心重合，扇形孔对中心的张角为器中心重合，扇形孔对中心的张角为a a，斩波器，斩波器的齿和开口等宽，一对齿口对中心的张角为的齿和开口等宽，一对齿口对中心的张角为t t。斩波器以角速度斩波器以角速度按顺时针旋转。则根

12、据按顺时针旋转。则根据a a与与t t的相互关系可以产生以下各种调制波形。通常只的相互关系可以产生以下各种调制波形。通常只讨论到等腰三角波形为止。但各种波形都可按傅讨论到等腰三角波形为止。但各种波形都可按傅立叶级数进行展开，如用立叶级数进行展开，如用C Crmsrms表示基波的均方根表示基波的均方根转换因子，并引入相对几何因子转换因子，并引入相对几何因子a a/t t，则有，则有第三章第三章 信号调制与调制盘信号调制与调制盘 t t/2/2a at t/2/2a at t/2/2a at t/2 /2 a at t a a45 设某交流波的瞬时值设某交流波的瞬时值a(t)(t)由下式表示由下式

13、表示 式中幅值式中幅值a0，角频率，角频率和初相位和初相位可以是常量或缓慢变化的量，而可以是常量或缓慢变化的量，而是时间为是时间为t时信时信号的相角。号的相角。 当当a0 0、和和 均为常数时，该交流波只是一定频率的简谐波或称均为常数时，该交流波只是一定频率的简谐波或称并无并无其他更多的信息存在。如果其他更多的信息存在。如果时，就把时，就把该交流波叫做该交流波叫做。载波中某个或几个参量随时间按照外界某物理量的规律发。载波中某个或几个参量随时间按照外界某物理量的规律发生变化的过程称之为生变化的过程称之为。按照所调制参量的不同，调制可分为。按照所调制参量的不同，调制可分为两种两种形式，而调角又可分

14、为形式，而调角又可分为。 调制信号与载波信号相比是调制信号与载波信号相比是的时间函数，因此，载波频谱通常在高频的时间函数，因此，载波频谱通常在高频区，区，。此外，载波的正弦波谱在谱函数频。此外，载波的正弦波谱在谱函数频率轴上只对应一个点，但在载波的一个参量随时间变化而成为调制波时，则变成率轴上只对应一个点，但在载波的一个参量随时间变化而成为调制波时，则变成，在频域中则对应有一个频谱存在，其谱结构，在频域中则对应有一个频谱存在，其谱结构与调制信号及类型有关。与调制信号及类型有关。 按载波的类型不同调制方式可分为按载波的类型不同调制方式可分为两类。两类。 00sinsina tata46 2 2

15、用连续波用连续波( (如正弦或余弦波如正弦或余弦波) )作载波的调制叫做连续波调制，包括调幅、调频和作载波的调制叫做连续波调制，包括调幅、调频和调相三种方式。调相三种方式。 。设调制信号如图所示其中。设调制信号如图所示其中g(t)为调制信号，载波为余弦波，为调制信号，载波为余弦波，频率为频率为fc。因此调制波可表示为。因此调制波可表示为 0( ) cos 2( )cos 2AMccetakg tf tA tf t 常常，它表征，它表征用百分数表示。于是用百分数表示。于是 01M ( )cos2AMcetg taf t 通常假定通常假定g(t)g(t)的极大值的极大值|gmax(t)|1，MM必须满足必须满足0M时，用低通滤波器可以滤除时，用低通滤波器可以滤除Uo中的高频项中的高频项(2)，得到相敏检波，得到相敏检波器的最终输出器的最终输出Uo为为 81相敏检波的这些性质使之在调制信号的处理中得到广泛地应用。