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华侨大学信息科学与工程学院光电信号检测与处理光电信号检测与处理目目 录录第一章第一章 信息检测技术基础信息检测技术基础第二章第二章 信号分析基础信号分析基础 第三章第三章 辐射传感器辐射传感器 第四章第四章 常用信息检测系统常用信息检测系统 第五章第五章 图像传感器探测系统图像传感器探测系统第六章第六章 特殊领域的信息检测系统特殊领域的信息检测系统 第一章第一章 信息检测技术基础信息检测技术基础 1.1.1 1 信息、信号和检测技术信息、信号和检测技术 一、信息与信息科学一、信息与信息科学 1信息信息信息究竟是什么信息究竟是什么?虽虽然然入入们们对对信信息息还还没没有有个个统统一一的的确确切切的的定定义义，但人们确切地知道信息所包合的意义。但人们确切地知道信息所包合的意义。例例如如“某某人人病病了了”这这类类消消息息，它它既既不不是是物物质质也也不不是是能能量量，但但我我们们知知道道有有一一定定的的能能量量和和物物质质与与它它相相对对应应，如如有有体体温温的的升升高高(能能量量变变化化)、脉脉搏搏加加快快(运动运动)、白血球增加、白血球增加(数量变化数量变化)等。等。体体温温、脉脉搏搏、白白血血球球数数都都需需要要通通过过检检测测技技术术来来得得到它们的定量变化量，它们可通称为信号。到它们的定量变化量，它们可通称为信号。信信号号是是物物理理性性的的，它它是是物物质质，具具有有能能量，信号是信息传输的载体。量，信号是信息传输的载体。一般来说，一个信息可能有多个信号与它相对应，反过来，一个信号也可能蕴含着多种信息。这种信息与信号之间的多元关系，给信息的采集、检测和分析处理展示了广阔的天地。2信息科学与技术 信息科学是研究信息现象和规律的科学。信息科学探明信息是如何产生的，研究识别、提取、变换、传送、检测、存贮、检索、处理和分析信息过程中的基本规律和关系；在信息的应用方面，主要研究利用信息进行有效控制和设计最佳系统的普遍原理和方法。二、信息论与信息检测技术 1信息论和广义通讯系统信息科学的理论基础是信息论信息论作为一门科学始于20世纪40年代末。在这一时期发展丁关于噪声理论、信号滤波和统计、检测和估计的理论、调制及信息处理的理论。现代信息理论在科学技术上的重要性，早已超越了狭义的通讯工程范畴。信息论中关于信息源、信息通道、干扰噪声、信号调制、滤波等理论和处理方法广泛地渗透到其他科学技术领域。有人把与信息流通有关的系统统称为广义通讯系统，诸如生物的神经系统，人类社会的管理系统，各种工程物理系统等。广义通讯系统模型在这个系统中，发信据又称为编码器，是把信息变换成物理信号的装置；受信器亦称为译码器，是把物理信号转换为信息传送对象能够感知的信息装置。信息通道(信道)即是传送信号的媒介；信息对象(信宿)即接收信息的入或机器。它之所以称为“广义”，是因为表达了信息传杨过程的共同规律。无线电通讯系统无线电通讯系统工件伤痕检测系统测量是人类认识客观事物本质的基本手段。科学上很多新的发明和理论，都建筑在实验及其测试的基础上。工业生产中产品的制造及工艺过程的研究和分析等，都与测量有紧密的联系，2信息检测技术 人类认识世界，是从以感官感知自然信息开始的。物体的颜色、形状、声响和温度变化等，可以由人的视觉、听觉、触觉等器官感知，但人的感官感知事物的变化有局限性。在人类所有的感官中，大脑对各器官采集的信息的吸收率分别为：视觉83；听觉11；嗅觉3.5；味觉1；触觉1.5。视觉具有最重要的意义。视觉系统的各种功能使人类能够分辨万物，感知它们的大小、形状、颜色、亮暗、动静、远近等。从某些意义上来说，光电信息检测系统正是人类视觉系统的延伸和扩展，是一种广义的通讯系统。光电信息检测系统就是利用光探测器把目标携载的光信息转变成电信号，同时在光学系统和电子线路或计算机中进行信号处理，以便光波捎带的信息转换成可以理解的信号，从而实现目标参数的(自动)测量、显示和记录；或者显示清晰的目标图像和提供图像参数，或者输入自动控制系统自动跟踪目标以及完成其他的测控任务。信息检测技术研究与此过程有关的被测信号的采集、调制、解调，信号的变换、传输、处理的理论和技术，研究检测仪表和检测系统及其设计的基本原理和技术。光电检测直径的原理图光电检测直径的原理图n 在光电检测中，大多数情况下，光传感器输出的情号较小，因此常需要设置放大器，把光电传号放大到一定幅度后再进行信号处理，然后驱动显示系统或测量机构，或者驱动报警器及产品分选装置等。由它们显示出被测物理量的数值，或对产品进行自动分类。n光电检测通常是无接触测量，在检测过程中没有力和力矩作用于被测物，因此即使被测物有较大的冲击作用，对检测仪表也无损害。光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置具有寿命长、反映速度快、工作可靠、准确度高、对被测物无形状和大小要求等优点。n 随随着着科科学学技技术术、工工农农业业生生产产飞飞速速向向前前发发展展对对检检测测技技术术的的要要求求也也越越来来越越高高。先先进进的的检检测测方方法法和和仪仪器器，应应能能在在不不破破坏坏被被测测物物工工作作状状态态的的过过程程中中进进行行高高度度自自动动化化的的检检测测，光光电电检检测测技技术术在在这这方方面面有有其其独独特特的的优优点点。在在工工业业生生产产中中，先先进进的的光光电电检检测测装装置置能能在在零零件件的的加加工工过过程程中中进进行行在在线线(online)测测量量，或或在在传传送送带带上上产产品品的的传传输输过过程程中中检检测测和和发发出出信信号号，这这可可以以减减少少工工作作人人员员，节节省省检检测测时时间间，提提高高生生产产率。率。n在在光光电电信信息息检检测测系系统统中中，信信息息的的传传输输是是以以光光为为媒媒介介，光光于于是是信信息息的的载载体体。被被测测信信息息与与光光的的光光子子数数、光光的的波波长长和和相相位位、光光的的速速度度等等参参数数联联系系在在一一起起，所所以以光光电电检检测测的的精精确确度度高高、灵灵敏敏度度高高，可以检测变化速度极快的现象。可以检测变化速度极快的现象。n例例如如：以以光光的的波波长长为为基基准准的的激激光光干干涉涉比比长长仪仪，其其分分辨辨率率为为波波长长的的1/8，采采用用细细分分后后甚甚至至更更小小；光光栅栅测测长长系系统统的的分分辨辨卒卒可可小小于于1nm；采采用用光光子子计计数数技技术术，可可以以测测量量到到单单个个光光子子，采采用用条条纹纹相相机可以测量到皮秒和飞秒机可以测量到皮秒和飞秒(10-15)的光学事件。的光学事件。20世世纪纪的的信信息息工工程程主主要要依依靠靠电电子子学学和和微微电电子子学学，例例如如，从从无无线线电电到到微微波波通通信信，从从电电子子管管到到大大规规模模集集成成电电路路为为基基础础的的电电子子计计算算机机。随随着着信信息息容容量量骤骤增增、由由于于光光子子的的速速度度比比电电子子速速度度快快得得多多，光光的的频频率率比比无无线线电电的的频频率率高高得得多多为为提提高高传传输输速速度度和和载载波波密密度度，由由电电子子发发展展到到光光子子是是必必然然的的趋趋势势.把把光光子子作作为为信信息息载载体体，是是20 世世纪纪中中的的 一一 个个划划时时代代的的变变化化，光光纤纤通通讯讯代代替替电电缆缆和和微微波波通通信信使使信信息息的的传传输输发发生生了了本本质质性性的的变变化化使使信信息息传传输输的的容容量量、速速度度、质质量量都都得得到到了了提提高高。利利用用光光信信息息远远距距离离传传输输的的特特点点，可可以以实实现现光光电电遥遥测测、遥遥控控，例例如如，激激光光测测距距、光电制导和光电跟踪等。光电制导和光电跟踪等。1离散信源模型与自信息(1)信源 信源一般是以符号(或信号)的形式发出信息。例如，人通过大脑的思维活动，指挥口腔或手以语言或文字的形式把信息表达出来，语言文字是一种表达信息的符号，是物理性的。语言是声信导，而文字是光信导。同一件事情，可用不同语言表达，也就是同一信息可用不同的编码方式转换成符号(或信号)。三、信息熵 必必须须指指出出，信信源源的的输输出出是是不不确确定定的的，因因为为，如如果果事事先先已已经经知知道道信信源源的的输输出出，那那么么就就无无信信息息可可言言。正正如如所所研研究究的的物物理理过过程程，它它应应是是未未知知的的，这时才有研究的价值。这时才有研究的价值。信信源源的的输输出出常常用用随随机机变变量量或或随随机机矢矢量量来来描描述述，或或者者说说用用概概率率空空间间来来描描述述。从从随随机机变变量量出出发来研究信息量是信息论的基础。发来研究信息量是信息论的基础。2)离散信源模型离散信源模型离散信源的数学模型是离散型概串空间，即离散信源的数学模型是离散型概串空间，即 例如掷硬币，在末抛下之前，可认为是一个未知的物理系统，抛下之后，必须是正、反两种状态之一，其信源模型为(3)自信息自信息 事事件件发发生生的的不不确确定定性性与与事事件件发发生生的的概概率率有有关关。事事件件发发生生的的概概率率越越小小，事事件件发发生生所所包包含含的的不不确确定定性性和和信信息息量量就就越越大大。而而事事件件发发生生的的概概率率越越大大，人人们们猜猜测测这这件件事事发发生生的的可可能能性性就就越越大大，不不确确定定性性就就越越小小。对对于于发发生生概概率率等等于于1的的必必然然事事件件，就就不不存存在在不不确确定定性性。因因此此，某某事事件件发发生生所所含含有有的的信信息息量量，应应该该是是该该事事件件发发生的先验概率的函数，即生的先验概率的函数，即式中P(xi)是事件xi发生的先验概率，I(xi)表示事件xi发生所含有的信息量。函数函数I(xI(xi i)应满足以下条件：应满足以下条件：P(xi)越大，I(xi)越小；当P(xi)1时，I(xi)0，必然事件信息量为零;当P(xi)0时，I(xi)，不可能发生的事件发生了，其信息量为无穷大;两个独立事件的联合信息量，应等于它们各自信息量之和 I(xi)描述了事件描述了事件xi发生时的信息量，故义称为自信息。发生时的信息量，故义称为自信息。I(xi)代表两种含义：代表两种含义：1)当事件当事件xi发生以前，表示事件发生以前，表示事件xi发生的不确定性；发生的不确定性；2)当事件当事件xi发生以后，表示事件发生以后，表示事件xi所含有所含有(或所提供或所提供)的信的信息量息量.自信息采用的度量单位取决于所取对数之底自信息采用的度量单位取决于所取对数之底如果以如果以2为底，则所得信息量单位为比特为底，则所得信息量单位为比特(bit)；以以e为底，则为余特为底，则为余特(nat)；以以10为底，则为哈持为底，则为哈持(hart)等。等。般都采用以般都采用以2为底的对数，因为为底的对数，因为当当P(xi)12时，时，I(xi)1 bit，所以，所以，1bit信息量就是两个互不相容的等可能事信息量就是两个互不相容的等可能事件之件之 发生时，所提供的信息量。发生时，所提供的信息量。2、信息熵信息熵 把自信息的数学期望定义为信息熵，它表示信源的平把自信息的数学期望定义为信息熵，它表示信源的平均信息量。均信息量。信息信息熵熵表证了信源整体的统汁特性。是总体表证了信源整体的统汁特性。是总体的平均不确定性的量度。的平均不确定性的量度。阿根廷队 VS 巴西队德国队 VS 印度队足球赛，其中一场，双方势均力敌，足球赛，其中一场，双方势均力敌，而另一场双方实力悬殊。当然，人而另一场双方实力悬殊。当然，人们希望看前一场，因为胜负难卜，们希望看前一场，因为胜负难卜，一旦赛完人们获得的信息量大。一旦赛完人们获得的信息量大。信息熵的基本性质如下：信息熵的基本性质如下：(1)对称性：对称性：当当概概率率空空间间中中P(x1)，P(x2)，顺顺序序任任意意互互换换时时，熵函数的值不变。熵函数的值不变。(2)确定性确定性 如如果果信信源源的的输输出出只只有有一一个个状状态态是是必必然然的的，即即P(x1)1，P(x2)P(x3)0，则则信信源源的的熵熵 (3)非负性非负性 非负性即非负性即H(x)0。(4)可加性可加性即统计独立信源x和y的联合信源的嫡等于它们各自的嫡之和。(5)极值性极值性信信源源各各个个状状态态为为等等概概率率分分布布时时，熵熵值值最最大大并并且等于信源输出状态数，因为当且等于信源输出状态数，因为当 12 测量仪表与测量系统测量仪表与测量系统 一、测量及测量仪表一、测量及测量仪表 测量就是以同性质的标准量与被测量进行测量就是以同性质的标准量与被测量进行比较，并确定被测量对标准量的比值。比较，并确定被测量对标准量的比值。标准量标准量国际上或国家所公认的、性能国际上或国家所公认的、性能稳定的量。稳定的量。上述定义可用数学公式表示，则为上述定义可用数学公式表示，则为 式中 x被测物理量；v标准量；g比值，无量纲的数值天平称重的分析，首先应检查空天平是否平衡，即天平称重的分析，首先应检查空天平是否平衡，即调零调零。把重物和珐码分别放到两侧秤盘中，叫把重物和珐码分别放到两侧秤盘中，叫对比对比。判别谁重谁轻，观察天平中间的指针偏向，以判别有无差值，叫判别谁重谁轻，观察天平中间的指针偏向，以判别有无差值，叫示差示差。如果存在差值就要调整珐码的大小，一直到平衡时为止，叫如果存在差值就要调整珐码的大小，一直到平衡时为止，叫平衡平衡。根据珐码的大小和多少根据珐码的大小和多少(必要时再加指针偏移大小必要时再加指针偏移大小)读出数字值，叫读出数字值，叫读数读数。测量仪表的基本功能(1)变换功能 设被测量为x，经变换后为输出量y，它们的函数关系(也常叫变换函数)为yf(x)，但这是理想情况，实际物理系统中还有许多其他影响因素(u1，u2,u3 um)以不同的程度影响着y，故有(2)选择功能选择功能 设计制造仪表时，除特定的输入输出关设计制造仪表时，除特定的输入输出关系外，一般不希望系外，一般不希望u1，u2，um等影响等影响因素对因素对y起作用。即仪表应该具有选择有起作用。即仪表应该具有选择有用输入信号、抑制其他一切无用影响因用输入信号、抑制其他一切无用影响因素的功能。这种选择功能是测量仪表重素的功能。这种选择功能是测量仪表重要的功能之一。要的功能之一。（3）比较功能）比较功能 通常被测量和标准量都要变换到一定程通常被测量和标准量都要变换到一定程度才能比较。模拟式仪表中标准量通常度才能比较。模拟式仪表中标准量通常表示成仪表盘的刻度，比较过程就在测表示成仪表盘的刻度，比较过程就在测量者的读数过程中实现。数字仪表中先量者的读数过程中实现。数字仪表中先将被测量转换成数码，然后与仪表内部将被测量转换成数码，然后与仪表内部标准脉冲或标准时间进行比较，比较过标准脉冲或标准时间进行比较，比较过程实际上是脉冲的计数过程。程实际上是脉冲的计数过程。(4)显示功能显示功能 显示是人一机联系方法之一。它将测量显示是人一机联系方法之一。它将测量结果用指针的转角、记录笔的位移、数结果用指针的转角、记录笔的位移、数字值及符号文字字值及符号文字(或图像或图像)显示出来。因显示出来。因而显示方法也可相应分为指示、记录、而显示方法也可相应分为指示、记录、打印等。打印等。二、测量仪表的基本性能 1精确度精确度(1)精密度精密度。它说明仪表指示值的分散性，即它说明仪表指示值的分散性，即对某一稳定的对象对某一稳定的对象(被测量被测量)由同一测量者用同由同一测量者用同一仪表在相当短的时间内连续重复测量多次，一仪表在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果其测量结果(示值示值)的分散程度。的分散程度。愈小则说愈小则说明测量愈精密。明测量愈精密。例如某温度仪表的精密度=0.5 ，意即多次测量结果的分散程度不大于0.5 。(2)(2)正确度正确度。它说明仪表示值偏差大小的程度，即示值有规则偏离真值的程度。例如某流量表的正确度0.3m3/s，即该仪表的指示值与真值偏离 0.3m3/s。(3)精度。它合有精密度与正确度两者之和的意思，即测量的综合优良程度。