现代光电信息技术及应用幻灯片.ppt
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1、现代光电信息技术及应用现代光电信息技术及应用第1页,共103页,编辑于2022年,星期一目录激光告警技术及应用激光告警技术及应用瞬态表面高温光电探测技术及应用瞬态表面高温光电探测技术及应用甲烷浓度光电测试技术及其应用甲烷浓度光电测试技术及其应用棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用棱镜反射光技术及其在溶液浓度测量中的应用 人眼视光学特性光电信息技术及应用人眼视光学特性光电信息技术及应用激光光幕技术及应用激光光幕技术及应用第2页,共103页,编辑于2022年,星期一第一章 激光告警技术和应用本章的主要内容有本章的主要内容有:1.1.现代光电信息技术现代光电信息技术 2.2.激光告警技术定义、装
2、置、应用方式和理想的激光告警激光告警技术定义、装置、应用方式和理想的激光告警 装置应满足的要求。装置应满足的要求。3.3.光谱识别型激光告警技术光谱识别型激光告警技术 A.A.成像光谱型告警技术的阵列单元组成、多元相关告警原理、杂散成像光谱型告警技术的阵列单元组成、多元相关告警原理、杂散光干扰的抑制。光干扰的抑制。B.B.成像光谱识别型激光告警装置的构成,优缺点及实例。成像光谱识别型激光告警装置的构成,优缺点及实例。4.4.相干识别型激光告警技术相干识别型激光告警技术第3页,共103页,编辑于2022年,星期一第一章 激光告警技术和应用A.F-PA.F-P标准具的结构及工作原理及典型标准具的结
3、构及工作原理及典型F-PF-P型激光告警系型激光告警系 统。统。B.B.迈克尔逊(迈克尔逊(MichelsonMichelson)型干涉型激光告警技术原理及优缺点。)型干涉型激光告警技术原理及优缺点。C.C.光栅衍射型激光告警的工作原理、系统设计及参数选择光栅衍射型激光告警的工作原理、系统设计及参数选择D.D.傅里叶变换激光告警的基本理论、分辨力和光谱函数、干涉图采样、傅里叶变换激光告警的基本理论、分辨力和光谱函数、干涉图采样、告警技术、等效斜楔干涉具设计、信号采集与处理系统设计等。告警技术、等效斜楔干涉具设计、信号采集与处理系统设计等。E.E.其他相干激光告警技术其他相干激光告警技术5.5.
4、激光告警技术的发展趋势激光告警技术的发展趋势第4页,共103页,编辑于2022年,星期一第一章 激光告警技术和应用 1 1 现代光电信息技术现代光电信息技术 多学科综合技术:多学科综合技术:光学技术、光电子技术、微电子技 术、信息技术、光信息技术、计算机技术、图像处理技术等。研究内容:研究内容:光的辐射、传输、探测、光与物质相互作用以及光电信息的转换、存储、处理与显示等。特点:特点:其一,有效延伸人眼的视觉功能,使其探测阈值达到光子探测的极限水平;其二:以光为信息载体,结合计算机的研究成果,极大提高了光电系统的响应速度、带宽和信息容量。第5页,共103页,编辑于2022年,星期一第一章 激光告
5、警技术和应用2 2 激光告警激光告警技术:技术:是光电对抗的组成部分,它是指在太阳光、闪电、雷电等光干 扰复杂背景下,实时、可靠地告警敌方激光威胁的存在,确定威胁源的方位、种类及工作特性,进行光电报警的技术。装置:装置:它是指用来探测和识别敌方来袭激光特征信息的光电被动侦察设备。应用方式:应用方式:一种是自保护方式;另一种是电子侦察方式。装置构成:装置构成:有辐射探测和信息处理两部分。装置分类:装置分类:主要分为光谱识别型和相干识别型。第6页,共103页,编辑于2022年,星期一第一章 激光告警技术和应用3 3 光谱识别型激光告警技术光谱识别型激光告警技术非成像光谱识别型激光告警装置:非成像光
6、谱识别型激光告警装置:通常采用具有特定空间分布的光电二极管作为激光告警元件,来确定威胁源的方位,若在圆形阵列中均匀分布N个光电二极管,则水平方向的角度分辨力为180/2N。优点:优点:结构简单、技术难度小、成本低、告警灵敏度高。缺点:缺点:只能探测有限的几个特定波长、定位精度高,虚警率高。阵列单元:阵列单元:激光告警头、信号处理器及报警/显示器。多元相关告警原理:多元相关告警原理:当有来袭激光进入该阵列单元时,信号经放大后由两阈值比较器进行比较,把低于阈值的噪声滤出,此后送至相关处理器。杂散光干扰的抑制措施:杂散光干扰的抑制措施:光谱滤波、电子滤波和门限控制。第7页,共103页,编辑于2022
7、年,星期一第一章 激光告警技术和应用告警器自身的白噪身是产生虚警的主要因素之一。适当增加阵列单元的数量可以提高角分辨力。光纤天线激光告警机的原理图和组成见图1-1。第8页,共103页,编辑于2022年,星期一第一章 激光告警技术和应用成像光谱识别型激光告警设备:成像光谱识别型激光告警设备:由探测和显控两个部件组成。优点:优点:视场大、角分辨力、虚警率低。缺点:缺点:光学系统复杂,只能单波长工作且成本高,难小型化。鱼眼透镜:鱼眼透镜:一种焦距极短且视角很大的广角镜头。优点:优点:可以凝视半球或超半球空域。作用:作用:以畸变为代价而大幅扩大视角的一种特殊光学系统“拉赫韦斯拉赫韦斯”(LAHAWSL
8、AHAWS)成像型激光告警设备的工作原理:)成像型激光告警设备的工作原理:鱼眼透镜:接收的激光辐射通过4:1分束镜分成两个光学通道,80的光能通过窄带滤光片,经光谱滤光后聚集于CCD光敏面,其20的光再经两块分束镜和窄带滤光片进一步分成1;1的两条光学通道,各自进入一个PIN硅光电二极管探测器中,其中一个通道包含激光和背景信号,另一个通道只包含背景信号,经相减放大,把PIN光电二极管的输出,经差分放大和高阈值比较器处理后,区分出背景照明和激光辐射,产生音响和灯光指示。第9页,共103页,编辑于2022年,星期一第一章 激光告警技术和应用4 4 相干识别型激光告警技术相干识别型激光告警技术 相干
9、识别型激光告警装置的分类:相干识别型激光告警装置的分类:基于分振幅干涉的激光告警装置(布里-珀罗(F-P)型、迈克逊型、傅里叶变换)和基于分波面干涉的激光告警装置(光栅衍射型)。F-P F-P标准具:标准具:由两块内表面镀有半反半透膜的相距为d的平行玻璃板组成。标准具出射光强标准具出射光强I I与折射角与折射角的关系的关系:光强透过率光强透过率T()T()与与 的关系的关系 第10页,共103页,编辑于2022年,星期一第一章 激光告警技术和应用标准具出射光强标准具出射光强I I和折射角和折射角的关系曲线的关系曲线第11页,共103页,编辑于2022年,星期一第一章 激光告警技术和应用从上面曲
10、线可以看出:在I-的曲线中可见出射光强信号是一个随变化的调频波,对称分布于=0的两侧。当=0时,在A点的位置,=0。在B点的位置=B出射光强极小,则:B=0-第12页,共103页,编辑于2022年,星期一第一章 激光告警技术和应用F-PF-P标准具型激光告警装置:标准具型激光告警装置:利用F-P标准具对激光的调制特性来告警和识别激光的,它包括一个或多个F-P标准具,其后接有CCD。优点:优点:具有视场大、虚警率低、角分辨力高。缺点:缺点:难以探测单、窄脉冲激光,成本高、工艺难度大。阶式阶式F-PF-P标准具抑制背景光干扰的工作原理标准具抑制背景光干扰的工作原理:当背景光(非相干光)投射到阶式标
11、准具上,上、下两部分均有光输出,并投射到各自的光电告警器上,这两个光电告警器分别接收标准具两个部分透射的辐射。当有激光入射到阶式标准具上时,标准具上、下两部分厚度有/4n的奇数倍差异,激光干涉结果使上、下两部分的输出一个是亮纹,一个是暗纹第13页,共103页,编辑于2022年,星期一第一章 激光告警技术和应用迈克尔逊(迈克尔逊(MichelsonMichelson)干涉型激光告警装置:主要由)干涉型激光告警装置:主要由的组成、工作原理和优缺点-P11-P12第14页,共103页,编辑于2022年,星期一第一章 激光告警技术和应用光栅型激光告警装置光栅型激光告警装置的组成和工作原理-P13-P1
12、4第15页,共103页,编辑于2022年,星期一第一章 激光告警技术和应用傅里叶变换激光告警技术 第16页,共103页,编辑于2022年,星期一第一章 激光告警技术和应用等效斜楔干涉具设计需要了解:基本结构 P24干涉具的光程差分析 P25干涉条纹个数与激光频谱的关系 P26倾斜角的选择:P26P27波长分辨力分析:P27最大有效光程差:X=2nLtan则光谱分辨力为:R=第17页,共103页,编辑于2022年,星期一第一章 激光告警技术和应用E.其他相干激光告警技术采用了光纤延迟技术、光学劈尖、非制冷红外焦平面器件5 激光告警技术发展趋势激光告警技术8个主要研究方向-P31-32第18页,共
13、103页,编辑于2022年,星期一第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用主要内容:主要内容:1.1.瞬态表面高温测量系统:蓝宝石光纤黑体腔设计、传感瞬态表面高温测量系统:蓝宝石光纤黑体腔设计、传感器结构、黑体腔数学模型、传热方程的建立;响应时间测定;器结构、黑体腔数学模型、传热方程的建立;响应时间测定;测温原理;瞬态高温测试实例。测温原理;瞬态高温测试实例。2.2.可溯源瞬态表面温度传感器动态校准系统组成及工作原理;可溯源瞬态表面温度传感器动态校准系统组成及工作原理;热电偶温度传感器时间常数的定义和表示、测试实验及分析、热电偶温度传感器时间常数的定义和表示
14、、测试实验及分析、动态校准实验及分析。动态校准实验及分析。3 3瞬态超高温测试的外推方法的含义;蓝宝石光纤黑体腔温度外瞬态超高温测试的外推方法的含义;蓝宝石光纤黑体腔温度外推测试方法的含义、模型的建立和分析、外推测温的实验验证、推测试方法的含义、模型的建立和分析、外推测温的实验验证、仿真结果和误差分析。仿真结果和误差分析。第19页,共103页,编辑于2022年,星期一第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用1.1.瞬态表面高温测量系统瞬态表面高温测量系统蓝宝石光纤黑体腔设计:蓝宝石光纤单晶探头目前主要有两种制作方法。P34蓝宝石光纤黑体腔传感器结构。P35黑
15、体腔传热模型:薄膜传热 腔内绝热;一维导热体系;忽略热损耗第20页,共103页,编辑于2022年,星期一第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用黑体腔传热模型:薄膜传热 腔内绝热;一维导热体系;忽略热损耗传热方程的建立:A.模型的单值条件 B.微分方程的建立P36第21页,共103页,编辑于2022年,星期一第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用黑体腔传感器响应时间测定-P37:测温原理-P3740第22页,共103页,编辑于2022年,星期一第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用某
16、导弹反射箱前框瞬态高温测试高温测量系统组成:第23页,共103页,编辑于2022年,星期一第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用温度测量光电放大器-P41 实验结果-P41P43 a)影响热响应时间c的因素是薄膜材料的密度、比热容与周围环境的换热系数及镀膜厚度。b)解决关键技术,为恶劣环境下的高温测试提供了一种可靠的方法。第24页,共103页,编辑于2022年,星期一第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用2 可溯源瞬态表面温度传感器动态校准系统系统组成及工作原理:第25页,共103页,编辑于2022年,星期一第二章:瞬
17、态表面高温光电探测技术及应用第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用可溯源动态校准的三个步骤:-P44P45A红外探测器静态校准 红外探测器动态校准和被校温度传感器动态校准瞬态温度的动态校准热电偶温度传感器动态特性实验研究:热电偶温度传感器时间常数的定义、表示、测试实验及分析-P45-P48热电偶温度传感器动态校准实验及分析-P49-P51第26页,共103页,编辑于2022年,星期一第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用3 3 瞬态超高温测试的外推方法瞬态超高温测试的外推方法瞬态超高温测试的外推方法的含义瞬态超高温测试的外推方法的含义 外推方法是从测试物体
18、某一等温面上的温度变化规律出发,采取一定模式与合适的解法,外推出物体边界或内部其它等温面上温度变化规律的过程。若将由边界条件、初始条件以及传热模型确定的物体内部温度变化的物体导热过程称为正面解,则由物体内部某等温面温度变化规律、初始条件以及外推出边界值或内部其它等温面上温度变化的外推过程的反面解。第27页,共103页,编辑于2022年,星期一第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用蓝宝石光纤黑体腔温度外推测试方法蓝宝石光纤黑体腔温度外推测试方法假设假设 假设黑体腔导热过程是一个半无限大物体一维非稳态导热建模建模 P53模型求解:模型求解:最终温度的表示式 T
19、(x,)x,)+g(x,)其中g(x,)不难求得,而 x,)是关于n的无穷项的加法运算,由于正弦函数是有界函数,所以 x,)收敛于某一常数值,从而可以选择合适的N,变为 x,)第28页,共103页,编辑于2022年,星期一第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用外推测温实验验证外推测温实验验证实验方案实验方案 -P55第29页,共103页,编辑于2022年,星期一第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用实验结果实验结果-P56-P56 通过进行外推测温实验验证,利用外推模型进行外推计算,采用分离法求解,得到的外推结果温度最
20、高值出现在49.7ms。温度为1127,把外推结果和红外测温仪测得的黑体腔表面温度1174对比,可得出在最高温度上产生误差为47,两者在变化趋势及峰值处表现出好的一致性。第30页,共103页,编辑于2022年,星期一第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用仿真结果:仿真是外推模型的反面验证,即黑体腔的传热过程。见下图。其总的变化趋势基本一致。第31页,共103页,编辑于2022年,星期一第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用第二章:瞬态表面高温光电探测技术及应用误差分析误差分析1建模过程中引入的误差。2 分离变量法求解过程中引入的误差。3黑体腔腔口反射率看作
21、常数1引入误差。4其他误差的引入。包括光纤传光损耗的影响、光电探测器零点漂移的影响,环境温度的影响,背景噪音及高频干扰的影响。利用外推方法可以拓展温度测试仪器的测温范围,同时可以降低对传感器性能的要求。第32页,共103页,编辑于2022年,星期一第三章:甲烷浓度光电测试技术及应用第三章:甲烷浓度光电测试技术及应用主要内容:主要内容:1.1.影响瓦斯爆炸的三个主要因素。影响瓦斯爆炸的三个主要因素。2.2.瓦斯气体检测得七个基本方法。瓦斯气体检测得七个基本方法。3.3.气体特征光谱吸收原理。气体特征光谱吸收原理。4 4 单波长双光路和双波长单光路差分吸收技术、谐波检测技单波长双光路和双波长单光路
22、差分吸收技术、谐波检测技术。术。第33页,共103页,编辑于2022年,星期一第三章:甲烷浓度光电测试技术及应用第三章:甲烷浓度光电测试技术及应用5 5差分吸收法和谐波检测法的总体方案设计;基于光谱吸收原差分吸收法和谐波检测法的总体方案设计;基于光谱吸收原理的甲烷浓度检测系统模块的构成及各模块的组成、选择、设理的甲烷浓度检测系统模块的构成及各模块的组成、选择、设计;实验及测试结果。计;实验及测试结果。6 6瓦斯浓度与温度无线光纤光电混合网络的系统构成、无线传感网瓦斯浓度与温度无线光纤光电混合网络的系统构成、无线传感网络节点、节点软件的设计、区域差分定位算法、上位机监控系统。络节点、节点软件的设
23、计、区域差分定位算法、上位机监控系统。第34页,共103页,编辑于2022年,星期一第三章:甲烷浓度光电测试技术及应用第三章:甲烷浓度光电测试技术及应用 1影响瓦斯爆炸的三个主要因素。影响瓦斯爆炸的三个主要因素。A 甲烷浓度 B 火源C 空气中氧气的含量2.2.瓦斯气体检测的七个基本方法。瓦斯气体检测的七个基本方法。第35页,共103页,编辑于2022年,星期一第三章:甲烷浓度光电测试技术及应用第三章:甲烷浓度光电测试技术及应用 光干涉测量法 热催化测量法 热导型测量法 超声测量法 气敏传感测量法 荧光检测法 红外光谱吸收测量法3.3.气体特征光谱吸收原理。气体特征光谱吸收原理。-P60-P6
24、0P62P62第36页,共103页,编辑于2022年,星期一第三章:甲烷浓度光电测试技术及应用第三章:甲烷浓度光电测试技术及应用4 4 基于光谱吸收原理的检测方法基于光谱吸收原理的检测方法 直接检测甲烷系统中影响灵敏度的主要因素有光源的稳定性、环境因素、电路元器件的漂移、光纤传输特性的干扰、光路耦合处状态的变化 差分吸收法和谐波检测法是基于红外吸收原理的甲烷浓度检测方法。差分吸收技术差分吸收技术:差分吸收技术分为:单波长双光路和双波长单光路第37页,共103页,编辑于2022年,星期一第三章:甲烷浓度光电测试技术及应用第三章:甲烷浓度光电测试技术及应用差分吸收技术差分吸收技术:差分吸收技术分为
25、:单波长双光路和双波长单光路。单波长双光路第38页,共103页,编辑于2022年,星期一第三章:甲烷浓度光电测试技术及应用第三章:甲烷浓度光电测试技术及应用双波长单光路第39页,共103页,编辑于2022年,星期一第三章:甲烷浓度光电测试技术及应用第三章:甲烷浓度光电测试技术及应用谐波检测技术谐波检测技术-P65-P65P67P67第40页,共103页,编辑于2022年,星期一第三章:甲烷浓度光电测试技术及应用第三章:甲烷浓度光电测试技术及应用5 5 瓦斯气体监测系统设计瓦斯气体监测系统设计差分吸收法总体方案设计-P6768谐波检测法总体方案设计-P6869 基于光谱吸收原理的甲烷浓度检测系统
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