02(直接检测系统)1.ppt

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1、第二章非相干光信号变换方法第二章非相干光信号变换方法 根据光信号的时空特点，在光电系统中常用的各种信号大根据光信号的时空特点，在光电系统中常用的各种信号大根据光信号的时空特点，在光电系统中常用的各种信号大根据光信号的时空特点，在光电系统中常用的各种信号大致可分作下面的两种类型：致可分作下面的两种类型：致可分作下面的两种类型：致可分作下面的两种类型：随时间变化的光信号随时间变化的光信号随时间变化的光信号随时间变化的光信号。这类信号的变换通常集中发生于局部的空间范。这类信号的变换通常集中发生于局部的空间范围，它的特征参量只随时间缓慢地，或周期性或瞬时地变化，因此是时间的围，它的特征参量只随时间缓慢

2、地，或周期性或瞬时地变化，因此是时间的一维函数而与空间坐标无关，可用函数一维函数而与空间坐标无关，可用函数F(t)表示。表示。随空间变化的光电信号随空间变化的光电信号随空间变化的光电信号随空间变化的光电信号。这类信号发生在一定的空间坐标范围内，光。这类信号发生在一定的空间坐标范围内，光信号的参量随空间位置而改变。因此是二维或三维空间的函数，用函数信号的参量随空间位置而改变。因此是二维或三维空间的函数，用函数F(x,y,z)表示，其中随时间变化的信号称作时空变化的光电信号，用函数表示，其中随时间变化的信号称作时空变化的光电信号，用函数F(x,y,z,t)表示。表示。1时时时时间间间间变变变变化化

3、化化光光光光信信信信号号号号直直接接检检测测调调制制和和解解调调幅值法幅值法频率法频率法相位法相位法时间法时间法单通道单通道双通道双通道波数测量波数测量频率测量频率测量连续波调制连续波调制脉冲调制脉冲调制调幅调幅调频调频直读法直读法指零法指零法差动法差动法比较法比较法2空空空空间间间间变变变变化化化化光光光光信信信信号号号号简单光学目简单光学目标空间定位标空间定位光学图像的光学图像的扫描扫描亮度中心检亮度中心检测法测法几何中心检几何中心检测法测法图像扫描图像扫描实体扫描实体扫描光度变换光度变换空间编码空间编码象分析象分析扫描调制扫描调制光学象分析光学象分析象限监测器象限监测器几何参量的几何参量

4、的检测检测线值测量线值测量轴向测距轴向测距机械式机械式光束式光束式电子式电子式运动物体运动物体静止物体静止物体空间搜索空间搜索32.1、时变光信号的直接检测、时变光信号的直接检测 光学信号有各种不同的变化形式，光学信号有各种不同的变化形式，一般光电系统所处理的一般光电系统所处理的一般光电系统所处理的一般光电系统所处理的输入信号是辐射（光）通量的变化输入信号是辐射（光）通量的变化输入信号是辐射（光）通量的变化输入信号是辐射（光）通量的变化。因此，。因此，光信号的直接检测，光信号的直接检测，光信号的直接检测，光信号的直接检测，就是光通量的测量就是光通量的测量就是光通量的测量就是光通量的测量，所以了

5、解和掌握光通量的一般测量方法，所以了解和掌握光通量的一般测量方法，对于光电系统的分析和设计是最基本知识。对于光电系统的分析和设计是最基本知识。4 光通量可以是不随时间变化的量值，可以是随时间缓慢变光通量可以是不随时间变化的量值，可以是随时间缓慢变化的，也可以是随时间周期性变化的。周期性变化的光信号可化的，也可以是随时间周期性变化的。周期性变化的光信号可以用信号的振幅、频率和相位来表征。以用信号的振幅、频率和相位来表征。根据这一特点，光信号的测量可以分为根据这一特点，光信号的测量可以分为振幅型振幅型振幅型振幅型的，的，频率型频率型频率型频率型的和的和相位型相位型相位型相位型的，的，直流的或变化缓

6、慢的信号采用振幅测量法，而直流的或变化缓慢的信号采用振幅测量法，而直流的或变化缓慢的信号采用振幅测量法，而直流的或变化缓慢的信号采用振幅测量法，而时间脉冲信号多采用频率或相位测量时间脉冲信号多采用频率或相位测量时间脉冲信号多采用频率或相位测量时间脉冲信号多采用频率或相位测量。5 各种类型的测量方法的测量误差有明显的不同，在通常条各种类型的测量方法的测量误差有明显的不同，在通常条件下件下振幅测量的相对误差是振幅测量的相对误差是振幅测量的相对误差是振幅测量的相对误差是10102 210104 4数量级数量级数量级数量级，而一般，而一般频率测频率测频率测频率测量，其相对误差可低于量，其相对误差可低于

7、量，其相对误差可低于量，其相对误差可低于10106 610108 8。这是由于频率的基准可以。这是由于频率的基准可以达到很高的精度。例如，利用专门的稳频装置的激光器的频率达到很高的精度。例如，利用专门的稳频装置的激光器的频率稳定度可达稳定度可达1014，谱线的宽度只有几个赫兹，显然其测量精度谱线的宽度只有几个赫兹，显然其测量精度还可提高。时间脉冲的测量具有类似频率测量的精度，因为频还可提高。时间脉冲的测量具有类似频率测量的精度，因为频率和时间测量之间是有确定关系的，即率和时间测量之间是有确定关系的，即f1T。6一、光通量的幅度测量一、光通量的幅度测量 被测光通量沿单一光学通道传送到光电接收器的

8、系统称作被测光通量沿单一光学通道传送到光电接收器的系统称作被测光通量沿单一光学通道传送到光电接收器的系统称作被测光通量沿单一光学通道传送到光电接收器的系统称作单通道测量系统。单通道测量系统。单通道测量系统。单通道测量系统。单通道测量系统常用的测量方法是单通道测量系统常用的测量方法是单通道测量系统常用的测量方法是单通道测量系统常用的测量方法是直读法和指零法。直读法和指零法。直读法和指零法。直读法和指零法。71.1.直读法直读法 为了测量样品的为了测量样品的透过率透过率透过率透过率，可以在光路中轮流放置透过率已，可以在光路中轮流放置透过率已知的标准样品，每次对电表值标定。经过这样的处理后，再将知的

9、标准样品，每次对电表值标定。经过这样的处理后，再将被测样品放在光路中，即可由电表的指示直接得到被测的透过被测样品放在光路中，即可由电表的指示直接得到被测的透过率值。率值。8 设照明样品的光通量为设照明样品的光通量为0，样品透过率为，样品透过率为，透过样品并为光电检测器透过样品并为光电检测器接收的光通量为接收的光通量为，检测器电流灵敏度为检测器电流灵敏度为S1，放大器增益为放大器增益为K，电表的传递电表的传递系数为系数为M，转角示值为转角示值为，则直读系统的测量值可表示为：则直读系统的测量值可表示为：9 当当K0保持恒定不变时，被测值保持恒定不变时，被测值和电表示值和电表示值之间存在着之间存在着

10、一一对应的关系，可借以确定被测的一一对应的关系，可借以确定被测的值。值。但实际上但实际上但实际上但实际上K K0 0值不是完全不变的，特别是值不是完全不变的，特别是值不是完全不变的，特别是值不是完全不变的，特别是 0 0项项项项与照明状态有与照明状态有与照明状态有与照明状态有关，存在着长期工作的不稳定性和不重复性。关，存在着长期工作的不稳定性和不重复性。关，存在着长期工作的不稳定性和不重复性。关，存在着长期工作的不稳定性和不重复性。直读法的特点直读法的特点102.2.指零法指零法 指零测量法指零测量法可以消除由于辐射光通量、光检测器和放大可以消除由于辐射光通量、光检测器和放大可以消除由于辐射光

11、通量、光检测器和放大可以消除由于辐射光通量、光检测器和放大器工作参数不稳定造成的影响器工作参数不稳定造成的影响器工作参数不稳定造成的影响器工作参数不稳定造成的影响，图中表示了采用指零法测量，图中表示了采用指零法测量偏振物质偏振面转角偏振物质偏振面转角的光电装置及系统方框图，在光路中布的光电装置及系统方框图，在光路中布置有起偏器和检偏器。置有起偏器和检偏器。11基础知识回顾基础知识回顾 起偏器：起偏器：能够将自然光变为偏振光的器件称为起偏器。能够将自然光变为偏振光的器件称为起偏器。检偏器：检偏器：用于检验偏振光的器件称为检偏器。用于检验偏振光的器件称为检偏器。从起偏器出射的光经过一检偏器，则透过

12、两个偏振器后的从起偏器出射的光经过一检偏器，则透过两个偏振器后的光强光强I随两器件透光轴的夹角随两器件透光轴的夹角而变化。即：而变化。即：I=I0 cos2 12测量测量测量测量偏振物质偏振面偏振物质偏振面偏振物质偏振面偏振物质偏振面转角转角转角转角13 事先使检偏器的偏振面相对起偏器转成事先使检偏器的偏振面相对起偏器转成90，此时检测器光敏面上的，此时检测器光敏面上的光通量为零光通量为零。在偏振器之间放置具有偏光性质的被测样品，它引起偏振面的旋转在偏振器之间放置具有偏光性质的被测样品，它引起偏振面的旋转增大了透过光的数值，借助于指示电表可以观察到相对于零位的偏差。增大了透过光的数值，借助于指

13、示电表可以观察到相对于零位的偏差。若转动检偏器，重新使电表指零，则检偏器的转角等于由被测样品若转动检偏器，重新使电表指零，则检偏器的转角等于由被测样品引起的偏振面的转角。引起的偏振面的转角。用高精度的角度基准对检偏器转角逐点标定后，只要测量出检偏器用高精度的角度基准对检偏器转角逐点标定后，只要测量出检偏器相对零位的转角即可得到所需的偏振面旋转值。相对零位的转角即可得到所需的偏振面旋转值。工作原理：工作原理：14 设设被测偏振面转角为被测偏振面转角为被测偏振面转角为被测偏振面转角为 x x，检偏器的读出转角为检偏器的读出转角为检偏器的读出转角为检偏器的读出转角为0 ，偏振器组合的相对转角，偏振器

14、组合的相对转角x0 对于透光率对于透光率的转换因子为的转换因子为M，则对偏振器组合和测量电表输出转角则对偏振器组合和测量电表输出转角分别分别表示为：表示为：求解以上二式有求解以上二式有式中，式中，0为入射照明光通量；为入射照明光通量；SI为光电器为光电器件灵敏度；件灵敏度；K为放大器增益。为放大器增益。15 在无试样的标准状态下，即在无试样的标准状态下，即x0 0时，调整时，调整0 ，使，使0 0。随后加入试样则随后加入试样则x00 ，因而因而00 ，重新调整重新调整0使使再次为零，再次为零，此时由此时由=K0(x-0)有有 x=0上式表明：上式表明：在指示电表指零状态下，检偏器的转角示值在指

15、示电表指零状态下，检偏器的转角示值在指示电表指零状态下，检偏器的转角示值在指示电表指零状态下，检偏器的转角示值 0 0代表代表代表代表了被测偏振面的旋转值了被测偏振面的旋转值了被测偏振面的旋转值了被测偏振面的旋转值 x x。16 在上述系统中，电路部分没有直接用于读数，而只是用作电表的指零，在上述系统中，电路部分没有直接用于读数，而只是用作电表的指零，指零的效果是由于被测量和已知量相互平衡造成的，这种通过指零将被测量指零的效果是由于被测量和已知量相互平衡造成的，这种通过指零将被测量和已知量进行比较测量的方法称作指零法或零示法。和已知量进行比较测量的方法称作指零法或零示法。它的测量精度取决于读数

16、装置的精度和指零装置的零位漂移。光通量的它的测量精度取决于读数装置的精度和指零装置的零位漂移。光通量的它的测量精度取决于读数装置的精度和指零装置的零位漂移。光通量的它的测量精度取决于读数装置的精度和指零装置的零位漂移。光通量的不稳定性对误差影响不大，不稳定性对误差影响不大，不稳定性对误差影响不大，不稳定性对误差影响不大，因为系统的读数是在零光通量的情况下进行的。因为系统的读数是在零光通量的情况下进行的。指零法的特点指零法的特点17单通道测量的主要缺点：单通道测量的主要缺点：单通道测量的主要缺点：单通道测量的主要缺点：入射光通量的波动会直接影响测量结果，为了克服这入射光通量的波动会直接影响测量结

17、果，为了克服这一缺点，采用具有两个光学通道的测量方法。一缺点，采用具有两个光学通道的测量方法。18反射镜反射镜透镜透镜标准样品标准样品被测样品被测样品光电探测器光电探测器放大比较器放大比较器光源光源19 用作测量透过率的双通道测量系统示意图如图所示。图中，光辐射源用作测量透过率的双通道测量系统示意图如图所示。图中，光辐射源1 1借助于反射镜和透镜分别沿着基准通道借助于反射镜和透镜分别沿着基准通道和测量通道和测量通道并行传送。在基准并行传送。在基准通道通道的光路中放置具有固定透过率的标准样品的光路中放置具有固定透过率的标准样品2 2，通过光检测器，通过光检测器5 5监视入监视入射光通量射光通量0

18、的变化。在测量通道的变化。在测量通道中放置被测样品中放置被测样品4 4，透过被测样品的光通，透过被测样品的光通量量经光检测器经光检测器6 6后在放大器后在放大器7 7中和基准通道的参考信号相比较，通过不同中和基准通道的参考信号相比较，通过不同形式的比较处理最终得到测量结果。形式的比较处理最终得到测量结果。双通道系统不仅能完全消除入射光辐双通道系统不仅能完全消除入射光辐双通道系统不仅能完全消除入射光辐双通道系统不仅能完全消除入射光辐射的起伏影响而且可在一定程度上消除杂光引起的不稳定性，是光通量幅射的起伏影响而且可在一定程度上消除杂光引起的不稳定性，是光通量幅射的起伏影响而且可在一定程度上消除杂光

19、引起的不稳定性，是光通量幅射的起伏影响而且可在一定程度上消除杂光引起的不稳定性，是光通量幅度测量中常用的方法。度测量中常用的方法。度测量中常用的方法。度测量中常用的方法。双通道系统的信号处理方法常采用双通道系统的信号处理方法常采用差动法和交替法差动法和交替法差动法和交替法差动法和交替法。工作原理工作原理201.1.差动法差动法 在它的测量通道中装置有可变透过率的光屏在它的测量通道中装置有可变透过率的光屏3 3。它是一块破璃平板，沿。它是一块破璃平板，沿着各截面镀有吸收率不同的膜层。着各截面镀有吸收率不同的膜层。反射镜反射镜透镜透镜标准样品标准样品被测样品被测样品光电探测器光电探测器放大比较器放

20、大比较器光源光源212.补偿法补偿法22在装上被测样品在装上被测样品4 4之前，光屏处于最大吸收位置，并使二通道的输出光通量相之前，光屏处于最大吸收位置，并使二通道的输出光通量相等，处于平衡状态。等，处于平衡状态。光屏的移动由与之相连的指针机构光屏的移动由与之相连的指针机构9 9显示，指针的位置和不同被测样品的透过显示，指针的位置和不同被测样品的透过率相对应。率相对应。当插入被测样品之后，测量通道的光通量减少。此时若移动光屏改变透过率值当插入被测样品之后，测量通道的光通量减少。此时若移动光屏改变透过率值使光屏上透过增大恰好等于被测样品的吸收值，这就可以使二个通道重新达到平使光屏上透过增大恰好等

21、于被测样品的吸收值，这就可以使二个通道重新达到平衡。衡。这样，光屏或指针的位置就是被测透过率的量度值，并在二通道的输出光通量这样，光屏或指针的位置就是被测透过率的量度值，并在二通道的输出光通量相等时读出。相等时读出。23 二个通道的光通量分别由检测器接收，由差动放大器二个通道的光通量分别由检测器接收，由差动放大器7 7得到增益。放大得到增益。放大器输出电压接到伺服电机器输出电压接到伺服电机8 8的控制绕组上。当两个通道的光通量不相等时，的控制绕组上。当两个通道的光通量不相等时，放大器的输出端产生控制电压使电机轴转动带动光屏移动，一直到输出电压放大器的输出端产生控制电压使电机轴转动带动光屏移动，

22、一直到输出电压为零停止。控制电机的转动方向是根据光通量的关系为零停止。控制电机的转动方向是根据光通量的关系，还是还是 ，按按照负反馈的连接方法确定。照负反馈的连接方法确定。2425差动放大器的失调信号为：差动放大器的失调信号为：S1、S2是两通道光电接收器的灵敏度；是两通道光电接收器的灵敏度；0为输入光通量；为输入光通量；r是基准通道标准是基准通道标准样品的透过率；样品的透过率；x 是被测透过率；是被测透过率；0 是可变透过率，它是指针是可变透过率，它是指针转角转角的函数，并的函数，并有关系式有关系式26上式表示了在两通道平衡时被测透过率与指针位置的对应关系。可以看出比例因上式表示了在两通道平

23、衡时被测透过率与指针位置的对应关系。可以看出比例因子子K0与入射光通量无关。从而减少了光辐射源的不稳定对测量误差的影响。与入射光通量无关。从而减少了光辐射源的不稳定对测量误差的影响。当两个通道平衡时，当两个通道平衡时，I0，则则273.3.交替法交替法 例如带有光孔的不透明转盘或者带缺口的反射镜等。当转盘的不透明例如带有光孔的不透明转盘或者带缺口的反射镜等。当转盘的不透明部分遮断测量通道的光通量时，基准通道的光通量通过光孔传送到接收器上。部分遮断测量通道的光通量时，基准通道的光通量通过光孔传送到接收器上。反之，基准光通量被遮断，则测量通道的光被接收。两路信号的转换频率通反之，基准光通量被遮断，

24、则测量通道的光被接收。两路信号的转换频率通常是几百赫兹，因此，常是几百赫兹，因此，系统中的光电放大器是交流的系统中的光电放大器是交流的系统中的光电放大器是交流的系统中的光电放大器是交流的。在这种系统中，两个通道的光通量在这种系统中，两个通道的光通量轮流投射到光电接收器上、轮流投射到光电接收器上、轮流投射到光电接收器上、轮流投射到光电接收器上、为此可采为此可采用各种不同的交替装置。用各种不同的交替装置。28对于相等的两路光通量，对于相等的两路光通量，光电流和负载电阻上的信号光电流和负载电阻上的信号电压是等幅的电压是等幅的，如图如图(a)a)所示，所示，此时交流放大器没有输出电此时交流放大器没有输

25、出电压。压。如果光通量不相等，则接收器的电流将按转换频率交替变如果光通量不相等，则接收器的电流将按转换频率交替变化，相邻半周期的幅度差取决于两通道的不平衡状态。输出化，相邻半周期的幅度差取决于两通道的不平衡状态。输出信号波形如图信号波形如图(b)b)所示所示,根据光通量根据光通量或或的不同，信的不同，信号的相位改变号的相位改变180，借以控制伺服电机，借以控制伺服电机8 8的转动方向。的转动方向。29(二)双通道测量系统2.比较法30 光通量的幅度测量方法适合于检测光通量的幅度测量方法适合于检测直流或缓慢直流或缓慢直流或缓慢直流或缓慢变化变化变化变化的光信号，在光度测量中有广泛的应用。的光信号

26、，在光度测量中有广泛的应用。对于复杂的高精度的测量，多采用单个接收器对于复杂的高精度的测量，多采用单个接收器的双通道系统。而在要求一般的场合常采用两个接的双通道系统。而在要求一般的场合常采用两个接收器的双通道系统或指零法单通道系统。收器的双通道系统或指零法单通道系统。光通量的幅度测量方法的应用场合光通量的幅度测量方法的应用场合31 设计一套测量材料透过率的光电测试自动装置，要求消设计一套测量材料透过率的光电测试自动装置，要求消除光源的不稳定性因素的影响。除光源的不稳定性因素的影响。绘出工作原理图。绘出工作原理图。绘出原理框图。绘出原理框图。说明工作原理。说明工作原理。32二、光通量的频率测量二

27、、光通量的频率测量 某些光电系统所处理的光通量是某些光电系统所处理的光通量是随被测信息的规律呈周期随被测信息的规律呈周期随被测信息的规律呈周期随被测信息的规律呈周期性变化性变化性变化性变化，这种变化可以是正弦的，也可以是方波的。不论哪，这种变化可以是正弦的，也可以是方波的。不论哪种形式，信息是载荷在光通量变化的次数多少和频率快慢之中。种形式，信息是载荷在光通量变化的次数多少和频率快慢之中。经过相应的光电转换，采用常规信号的波数和频率测量方法就经过相应的光电转换，采用常规信号的波数和频率测量方法就可以检测出所需要的信息。可以检测出所需要的信息。33 和光通量的幅度测量相比较，和光通量的幅度测量相

28、比较，频率测量有较高的测量精度频率测量有较高的测量精度频率测量有较高的测量精度频率测量有较高的测量精度。这是由。这是由于频率测量的基准可以达到很高的水平。于频率测量的基准可以达到很高的水平。此外频率测量是数字式的，此外频率测量是数字式的，测量结果易于和计算机连结测量结果易于和计算机连结测量结果易于和计算机连结测量结果易于和计算机连结，使用较为，使用较为方便。因此在现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法。方便。因此在现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法。产生光通量随时间变化的方法是多种多样的产生光通量随时间变化的方法是多种多样的产生光通量随时间变化的方法是多种多样的产生光通量随时间变化的方法是

29、多种多样的。例如用几何光学方法实。例如用几何光学方法实现的斩光盘和工业制品的计数检测；用物理光学方法实现的光栅及干涉条现的斩光盘和工业制品的计数检测；用物理光学方法实现的光栅及干涉条纹测量以及用光电子学方法实现的光束调制等。下面以干涉测量为例介绍纹测量以及用光电子学方法实现的光束调制等。下面以干涉测量为例介绍一些典型测量方法的基本原理和特点。一些典型测量方法的基本原理和特点。34波数测量波数测量 测量臂的位移测量臂的位移x引起于涉场上光强分布引起于涉场上光强分布的变化的变化,干涉条纹光强干涉条纹光强随位移随位移x的变化可的变化可用下式表示用下式表示迈克尔逊干涉仪示意图迈克尔逊干涉仪示意图式中：

30、式中：/2/2是光强变化的周期。是光强变化的周期。是干涉仪所用光波波长；是干涉仪所用光波波长；0是光强变化的幅度。是光强变化的幅度。35 干涉条纹光强干涉条纹光强以以/2/2为周期变化，也就是当为周期变化，也就是当x移动移动/2/2长度时引起长度时引起一个周期的变化。将一个周期的变化。将变化的周期数用波数变化的周期数用波数N表示，可以得到位移表示，可以得到位移x和和波数波数N的关系为：的关系为：36 通过测量光通量随时间变化的周期数来检测被测值的方通过测量光通量随时间变化的周期数来检测被测值的方法称作法称作波数测量或波形计数波数测量或波形计数波数测量或波形计数波数测量或波形计数。在一般情况下波

31、数测量的作法是将由被测量在一般情况下波数测量的作法是将由被测量x引起的周期引起的周期变化的光通量光电转换为电脉冲，再用电子计数器来计数波变化的光通量光电转换为电脉冲，再用电子计数器来计数波数的变化数的变化N，最后根据下列公式计算出测量结果最后根据下列公式计算出测量结果x 。xm0N式中式中m0称脉冲当量，表示单位波数变化对应的被测值。脉冲称脉冲当量，表示单位波数变化对应的被测值。脉冲当量可通过计算和实验标定得到。当量可通过计算和实验标定得到。37频率测量频率测量 干涉仪系统还可以用来测量物体的运动速干涉仪系统还可以用来测量物体的运动速度。此时将被测物体安装在测量臂上，并以速度。度。此时将被测物

32、体安装在测量臂上，并以速度。移动。则它移动了移动。则它移动了/2/2距离的时间为距离的时间为这个时间便是光通量的变化周期。相应的光通量的变化频率这个时间便是光通量的变化周期。相应的光通量的变化频率f可表示成可表示成式中式中C为光速；为光速；为干涉仪光源的光频率。为干涉仪光源的光频率。38实际上，实际上，可以直接对可以直接对x求求微分得到：微分得到：式中：式中：f=dN/dt是波数的时间变化率是波数的时间变化率。/2/2是常数，运动速度与是常数，运动速度与光通量的变化频率成正比，只要测得光通量的变化频率即可光通量的变化频率成正比，只要测得光通量的变化频率即可计算出所需的运动速度。计算出所需的运动

33、速度。39激光波长为激光波长为0.55m的干涉仪，测得的光通量变化的干涉仪，测得的光通量变化频率为频率为4105Hz。求物体的运动速度应求物体的运动速度应。40 频率测量广泛应用于各种物理量的频率测量广泛应用于各种物理量的速率测量中速率测量中速率测量中速率测量中，例如激光测速仪、光，例如激光测速仪、光电转速测量等。电转速测量等。在这些测量中应首先将光通量的变化速度转换为电脉冲的在这些测量中应首先将光通量的变化速度转换为电脉冲的在这些测量中应首先将光通量的变化速度转换为电脉冲的在这些测量中应首先将光通量的变化速度转换为电脉冲的频率，采用电子频率计测量脉冲计数率频率，采用电子频率计测量脉冲计数率频

34、率，采用电子频率计测量脉冲计数率频率，采用电子频率计测量脉冲计数率f f，最后根据脉冲当量值最后根据脉冲当量值最后根据脉冲当量值最后根据脉冲当量值mm0 0。即可计即可计即可计即可计算出被测速率算出被测速率算出被测速率算出被测速率：式中，式中，是线速度，角速度或其它变量的时间变化率，脉冲当量是线速度，角速度或其它变量的时间变化率，脉冲当量m0可通过可通过计算和实验标定。计算和实验标定。光通量的频率测量方法的应用场合光通量的频率测量方法的应用场合41 波形计数和频率测量法能得到波形计数和频率测量法能得到5105107 7以上的相对精度。以上的相对精度。这主要是由于采用这主要是由于采用频率稳定度很

35、高的激光器作辐射源频率稳定度很高的激光器作辐射源频率稳定度很高的激光器作辐射源频率稳定度很高的激光器作辐射源，此外数，此外数字测频的电测法有十几位的读数能力和示值精度。至于光电接字测频的电测法有十几位的读数能力和示值精度。至于光电接收器和供电系统的不稳定性，实际上对测量结果影响不大，因收器和供电系统的不稳定性，实际上对测量结果影响不大，因为信号幅度的改变，将不影响到计数和测频的准确性。为信号幅度的改变，将不影响到计数和测频的准确性。42三、光通量的相位测量三、光通量的相位测量 在光电检测系统中辐射光通量随被测信息或时间周期变化，若在某一在光电检测系统中辐射光通量随被测信息或时间周期变化，若在某

36、一瞬间信号的变化相位代表了被测信息的瞬时值，那么检测到这个相位值即瞬间信号的变化相位代表了被测信息的瞬时值，那么检测到这个相位值即能确定被测的信息值。能确定被测的信息值。如在波数测量中介绍的利用干涉条纹波形计数测量位移的应用中，若如在波数测量中介绍的利用干涉条纹波形计数测量位移的应用中，若打算进一步确定打算进一步确定在一个波形变化周期内的微小位移在一个波形变化周期内的微小位移在一个波形变化周期内的微小位移在一个波形变化周期内的微小位移，就需要进行相位测量，就需要进行相位测量，通常称作通常称作条纹的细分技术条纹的细分技术。43激光相位测距原理激光相位测距原理 半导体激光半导体激光器作辐射源，若在

37、器作辐射源，若在激光器供电电路中激光器供电电路中外加谐波电压外加谐波电压U0就就能得到接近正弦的能得到接近正弦的辐射光波，其初始辐射光波，其初始相位和激励电压相位和激励电压U0相同。相同。4445 实际上，用一台测距仪直接测量两点光波传播的相移是不可能的。因实际上，用一台测距仪直接测量两点光波传播的相移是不可能的。因此，采用在此，采用在B B点设置一个反射器（即协作靶），使从测距仪发出的光波经靶点设置一个反射器（即协作靶），使从测距仪发出的光波经靶标反射在返回到测距仪，由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进标反射在返回到测距仪，由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进行测量。行测量。

38、46LS作为度量距离的光尺。作为度量距离的光尺。47 相位测量技术只能测量出不足相位测量技术只能测量出不足2的相位尾数的相位尾数，即只能确定余数，即只能确定余数m，因此当，因此当L大于大于LS时，用一把光尺是无法测定距离的。时，用一把光尺是无法测定距离的。当距离小于当距离小于LS时，即时，即m=0时，可确定距离为：时，可确定距离为：48四、光通量的时间测量四、光通量的时间测量 利用周期性光通量变化的时间周期或单个光脉冲间的时利用周期性光通量变化的时间周期或单个光脉冲间的时间间隔来测量信息的时间测量法，在光电检测中同样有着广间间隔来测量信息的时间测量法，在光电检测中同样有着广泛应用。时间测量和相

39、位测量有许多相近处。最简单的测时泛应用。时间测量和相位测量有许多相近处。最简单的测时方法是在确定时间起止点间用时钟脉冲填冲计数，这种方法方法是在确定时间起止点间用时钟脉冲填冲计数，这种方法可以得到可以得到11010s以上的测时精度。以上的测时精度。49 时间测量法的原理示意图如图所示时间测量法的原理示意图如图所示。由固体激光器由固体激光器1 1产生产生的能量为几兆瓦、作用时间为几纳秒、发射角为毫弧度的激的能量为几兆瓦、作用时间为几纳秒、发射角为毫弧度的激光脉冲经光学系统射向被测目标光脉冲经光学系统射向被测目标2 2，经目标，经目标2 2漫反射之后返回漫反射之后返回到接收系统到接收系统3 3。通

40、过测量主波脉冲和回波脉冲的时间差即可测。通过测量主波脉冲和回波脉冲的时间差即可测量出被测距离。量出被测距离。50 图图(b)b)和和(c)c)给出了脉冲测时的原理框图和波形图。主波脉冲和回波脉冲经给出了脉冲测时的原理框图和波形图。主波脉冲和回波脉冲经光电转换分别形成电脉冲，控制触发器产生确定脉宽光电转换分别形成电脉冲，控制触发器产生确定脉宽t的定时脉冲。在此脉冲的定时脉冲。在此脉冲持续时间内由频率为持续时间内由频率为f=1T的时钟脉冲填充计数，若计数值为的时钟脉冲填充计数，若计数值为N，则脉宽则脉宽持续时间为持续时间为51 在利用脉冲计数完成时间测量后可根据实际计数值在利用脉冲计数完成时间测量

41、后可根据实际计数值N和脉冲当量和脉冲当量K得到得到被测距离。被测距离。最小可测距离最小可测距离最小可测距离最小可测距离D Dminmin由时钟脉冲频率由时钟脉冲频率由时钟脉冲频率由时钟脉冲频率f f决定决定决定决定。f愈高，愈高，Dmin愈小。愈小。通常通常f可达可达300MHz，对应的对应的Dmin值为值为0.5m。52 设计一台有合作目标的光电测距装置。说明工作原理、设计一台有合作目标的光电测距装置。说明工作原理、画出原理框图。画出原理框图。532.2、时变光信号的调制检测、时变光信号的调制检测一、调制的基本原理和类型一、调制的基本原理和类型载波和调制载波和调制 在光电系统中，在光电系统中

42、，光通量是信息的载体。光通量是信息的载体。光通量是信息的载体。光通量是信息的载体。光通量光通量“载荷载荷”信息的方法有信息的方法有多种形式。更多的情况是通过人工的变换方法把被测信息多种形式。更多的情况是通过人工的变换方法把被测信息“裁荷裁荷”到光通到光通量上。这里，量上。这里，光通量作为载体称作光通量作为载体称作光通量作为载体称作光通量作为载体称作载波载波载波载波。使光载波信号的一个或几个特征。使光载波信号的一个或几个特征。使光载波信号的一个或几个特征。使光载波信号的一个或几个特征参数按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法称作参数按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方

43、法称作参数按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法称作参数按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法称作调制调制调制调制。54 调制技术给辐射参数以确定的时间或空间变换，初看起来似乎增加了调制技术给辐射参数以确定的时间或空间变换，初看起来似乎增加了信号的复杂性，但是信号的复杂性，但是 它可以改善光电系统的工作品质，有助于传输过程的信号处理，它可以改善光电系统的工作品质，有助于传输过程的信号处理，提提提提高传输能力高传输能力高传输能力高传输能力。能更好地从背景噪声干扰中分离出有用信号，能更好地从背景噪声干扰中分离出有用信号，提高信噪比和测量灵提高信噪比和测量灵提高信噪比和测

44、量灵提高信噪比和测量灵敏度敏度敏度敏度。调制信号可以调制信号可以简化检测系统的结构简化检测系统的结构，改善工作条件改善工作条件。有时利用调制。有时利用调制还可以扩大目标定位系统的视场和搜索范围。还可以扩大目标定位系统的视场和搜索范围。因此调制技术是光电位测系统中常用的方法。因此调制技术是光电位测系统中常用的方法。调制检测的优点：调制检测的优点：55光学调制的分类光学调制的分类 光学调制按时空状态和载波性质可分作以下几种类型。光学调制按时空状态和载波性质可分作以下几种类型。1.1.按时空状态分类按时空状态分类(1)(1)时间调制：时间调制：时间调制：时间调制：载波随时间和信息变化。载波随时间和信

45、息变化。(2)(2)空间调制：空间调制：空间调制：空间调制：载波随空间位置变化后再按信息规律调制载波随空间位置变化后再按信息规律调制(3)(3)时空混合调制：时空混合调制：时空混合调制：时空混合调制：载波随时间、空间和信息同时变化。载波随时间、空间和信息同时变化。2.2.按载波波形和调制方式分类按载波波形和调制方式分类(1)(1)直流载波：载波不随时间而只随信息变化，直流载波：载波不随时间而只随信息变化，(2)(2)交变载波：载波随时间周期变化。交变载波：载波随时间周期变化。56交变载波：交变载波：交变载波：交变载波：连续载波连续载波调幅波调幅波、调频波、调相波。调频波、调相波。脉冲载波脉冲载

46、波脉冲调宽、调幅、调频等。脉冲调宽、调幅、调频等。光通量的调制可以在辐射源或光路系统中进行，光通量的调制可以在辐射源或光路系统中进行，光通量的调制可以在辐射源或光路系统中进行，光通量的调制可以在辐射源或光路系统中进行，能实现能实现调制作用的装置称作调制作用的装置称作调制器调制器。从已调制信号中分离提取有用。从已调制信号中分离提取有用信息的过程称作信息的过程称作解调解调。57二、调制器二、调制器 可以实现单色光波或复合光通量调制作用的装置称作可以实现单色光波或复合光通量调制作用的装置称作调制器调制器调制器调制器，调制器包括，调制器包括机电调制器，电光调制器，辐射源调机电调制器，电光调制器，辐射源

47、调制器和电子调制器制器和电子调制器。58机电调制器机电调制器 常用的机电调制器包括常用的机电调制器包括机电振子、旋转光闸机电振子、旋转光闸以及利用以及利用电致伸缩的电致伸缩的压电型调制器压电型调制器。利用遮光或改变透过率方式的。利用遮光或改变透过率方式的调制器主要用作光通量的幅度调制和二次调制。改变光束调制器主要用作光通量的幅度调制和二次调制。改变光束反射、折射方向的调制器有时兼有扫描和搜索的扩大视场反射、折射方向的调制器有时兼有扫描和搜索的扩大视场作用。作用。59 在金属或玻璃圆盘上在金属或玻璃圆盘上用光学或机械方法用光学或机械方法加工成不同形状的通光加工成不同形状的通光孔，用电机带动圆盘旋

48、转，组成旋转调制盘。投向圆盘的光束被调孔，用电机带动圆盘旋转，组成旋转调制盘。投向圆盘的光束被调制盘交替遮断，相当于光路中的光闸，给光束加入调制信号。典型制盘交替遮断，相当于光路中的光闸，给光束加入调制信号。典型的旋转光闸如图所示。的旋转光闸如图所示。60 旋转光闸的第一个应用是旋转光闸的第一个应用是对辐射光源的直流光通量进行调对辐射光源的直流光通量进行调对辐射光源的直流光通量进行调对辐射光源的直流光通量进行调制制制制。基本的光路布置如图所示。基本的光路布置如图所示。图中，图中，1 1为辐射光源，为辐射光源，2 2为聚光镜，为聚光镜，3 3为调制盘，为调制盘，4 4为调制盘电机。根为调制盘电机

49、。根据调制盘通光孔的形状和调制盘据调制盘通光孔的形状和调制盘面上照明光斑的形状不同，可以面上照明光斑的形状不同，可以得到谐波形式、方波脉冲形式或得到谐波形式、方波脉冲形式或锯形波等各种波形的调制光通量。锯形波等各种波形的调制光通量。61 旋转光闸的第二个用法是旋转光闸的第二个用法是交替转接交替转接交替转接交替转接两路光束两路光束两路光束两路光束，如图所示。图中旋转圆盘，如图所示。图中旋转圆盘l l半周透光，半周全反射。随调制盘的旋半周透光，半周全反射。随调制盘的旋转，两个通道的照明光束转，两个通道的照明光束2 2和和3 3被交替反被交替反射、透射到光电接收器射、透射到光电接收器4 4上，完成转

50、接上，完成转接光束的作用。光束交替调制器用于双光光束的作用。光束交替调制器用于双光束分光测量中，此外，调制盘还可以用束分光测量中，此外，调制盘还可以用作光斑二维坐标探测器，在活动目标跟作光斑二维坐标探测器，在活动目标跟踪定位等军事应用中广泛使用。踪定位等军事应用中广泛使用。62光控调制器光控调制器 对于对于光学性质随方向而异的一些介质光学性质随方向而异的一些介质光学性质随方向而异的一些介质光学性质随方向而异的一些介质，常发生一束入射光分解为两，常发生一束入射光分解为两束折射光的现象，称作束折射光的现象，称作双折射双折射双折射双折射，相应的介质称，相应的介质称各向异性材料各向异性材料各向异性材料