光电检测技术(第十一章 光电检测技术的典型应用)课件

第十一章光电检测技术的典型应用本章内容：光电准直光电测距锁相放大器取样积分器光子计数光学传递函数重点内容：光电准直光电测距锁相放大器取样积分器光子计数难点内容：锁相放大器取样积分器第一节光电测绘技术一、波带板激光准直1、激光准直的方法利用激光方向性好的特点，将激光束通过望远镜系统射出，在需要准直的点上用光电探测器接收；利用激光相干性好的特点，在望远镜前加设一个波带板，此时在望远镜前的一段距离内，可观察到由波带板衍射效应所形成的衍射图样，衍射图样中心光斑的连续，就是仪器所给的准直线，它适用于长距离、高精度的准直测量。pqABCC’Δ2、波带板激光准直原理波带板是一种特殊光栅，它被激光器点光源发射的单色相干光源照满时，有类似光学透镜的聚焦作用，在点光源至波带板中心延长线的一定距离处形成衍射图案。同时点光源到波带板的距离p＆波带板至点光源的距离q的关系为：位移传感器ND控制器K位移计显示器接收头自动准直测量的接收装置当波带板成像照射在接收头上偏离中心时，接收头就有差动信号输出，经放大器放大后，再经过功率放大，推动可逆电机。可逆电机由丝杆＆接收头连接，使接收头向波带板成像中心一定，直至没有差动信号输出才停止。在接收头上装有位移传感器，接收头一定时，位移传感器将位移量转换成电信号，经过位移计处理，由显示器显示位移值。4、应用激光铅垂仪：定铅垂线的仪器，用在矿山竖井测量投射垂线方向等；激光导向仪：进行定向控制的仪器，当需定向的工作机械等上装有光电接收器时，通过自动控制系统可使工作机械等恢复到原位；激光水准仪等：利用激光准直线定水平或水平面的仪器；激光经纬仪：进行角度坐标测量＆定向准直测量的仪器。二、光电测距它是以光为发射源，利用光波传播的距离等于光速与传播时间的乘积这一基本原理进行测距的。（一）脉冲法激光测距仪结构可分为发射系统、接收系统与观察瞄准系统三大部分以及供电的电源。（见下页）（二）相位法激光测距仪（三）超高频及多波相位测距仪激励源激光器脉冲放大及整形光电管门控电子门时钟振荡器复零电路计数器显示器1、发射系统：带有调Q装置的固体激光器＆发射光学系统组成。发射光学系统通常采用伽利略望远镜，将激光器置于该望远镜的目镜处，从而利用望远镜的视角放大率来减小激光的发散角。激光物质激光波长相对值效率导热值稳定值红宝石6.943Ǻ高0.3%好较好铷玻璃1.06um低1%不好次之YAG1.06um更低1%较好次之三种固体激光物质的主要性能比较2、接收系统：由接收光学系统、光电变换器件及放大、计数、显示灯电子线路组成。接收光学系统常采用光电倍增管；光电变换器件常采用足够小的时间常数的光电探测器，如光电发射型的光电倍增管＆光伏型的硅光电二极管或光电三极管。3、观察瞄准系统一般采用开普勒望远镜。脉冲激光测距仪的测距公式：HDDT记录仪光电摄像机HDDTHDDT复印机接口快速查看设备计算机（VAX11/780)数组处理机图像存储器左电视屏幕右电视屏幕数字绘图桌高效光栅扫描绘图机打印机终端设备磁带机磁盘机第二节微弱光信号检测技术一、锁相放大器它是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。利用＆被测信号有相同频率＆相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身＆那些与参考信号同频（或倍频）、同相的噪声分类有响应，故能大幅度抑制无用噪声，改善信噪比。并且具有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单。1、构成：见下页。选频锁相环移相器输入信号AC参考信号AC信号通道相敏检波输出信号DC前放混频乘法器低通滤波器锁相放大器的组成方框图参考通道2、锁相放大技术的四个基本环节：通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的高频范围内。检测系统变成交流系统；在调制频率上对有用信号进行选频放大；在相敏检波中对信号解调。同步解调作用截断了非同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范围内；通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。3、特点：要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅光信号的检测；极窄带高增益放大器，增益可达1011，带宽窄到0.0004Hz；交流－直流信号变换器；可以补偿光检测中的背景辐射噪声＆前置放大器的固有噪声。信噪比改善可达1000倍。A1A2门脉冲门延时整形器扫描发生器输入放大器取样开关积分器输出放大器输出信号参考输入固定触发输入信号2、特点：适用于由脉冲光源产生的连续周期变化的信号波形测量或单个光脉冲的幅度测量。需要有与光脉冲同步的激励信号；是一个取样放大器，在每个信号脉冲周期内只取一个输入信号值；在多次取样过程中，门积分器对被测信号的多次取样值进行线性叠加，而对随机噪声是矢量叠加，所以，对信号有恢复＆提取作用；在测量占空比小于50％的窄脉冲光强度下，信噪比好于锁相放大器；用扫描方式测量信号波形时能得到100ns的时间分辨率；双通道系统能提供自动背景＆辐射源补偿。PMT比例计计数器数模转换器放大器光子参考电压光子脉冲噪声技术脉冲鉴别器模拟输出数字输出模拟输出基本的光子计数系统入射到光电倍增管阴极上的光子引起输出信号脉冲，经过放大器输送到一个脉冲高达鉴别器上，从中分离出单光子脉冲，再用计数器计数光子脉冲数。计算出一定时间间隔内的计数值，以数字＆模拟形式输出。2、基本过程：用光电倍增管检测弱光的光子流，形成包括噪声信号在内的输出光脉冲；利用脉冲幅度鉴别器鉴别噪声脉冲＆多光子脉冲，只允许单光子脉冲通过；利用光子脉冲计数器检测光子数，根据测量目的，折算出被测参量；为补偿辐射源或背景噪声的影响，可采用双通道测量方法。第三节光学传递函数检测技术1、三个传递函数调制传递函数（MTF）：表示系统对不同空间频率光分布的传输函数；相位传递函数（PTF）：表示系统对不同空间频率光分布的相位推移；光学传递函数（OTF）：表征滤波器对其中的光学信息进行滤波变换的能力。2、测量OTF的基本环节：光学目标发生器：以典型激励图形为单元，组成空间变化的物面标准图形。通过合适的光路投射到被测系统上作为理想的物函数；目标像检测器：利用光检测器测量被待测系统空间调制了的目标物函数，得到反映像面光强分布的时序信号；目标像频谱分析器：对表示像面光强分布的实现电信号进行频谱分析，解调出待测的光学传递函数。PMT选频检测狭缝被测物镜扫描光栅3、测试仪的结构构成及原理原理示意图被非相干光均匀照明的无穷远的狭缝通过被测物镜在扫描光栅上形成扩散像。扫描光栅是亮暗不等宽的举行格子板，它在恒速电机带动下连续扫描狭缝像，实现光强分布的调制。被调制的光强经过PMT进行光电变换，然后输往电气部分进行信号窄带滤波，显示出相应空间频率的MTF值。由于狭缝扩散像的弥散程度反映了被测物镜的像差＆衍射情况，这样，被测物镜的光学特征北调制在扩散像上而经过空间－时间变换＆光电变换通过电信号的处理被检测出来。各种装饰性光导纤维