光电探测与信号处理

光电探测与信号处理光电探测与信号处理 课程名称：光电探测与信号处理课程名称：光电探测与信号处理 课程学时：课程学时：48教材名称：光电检测技术与应用郭培源，付扬著北京航空航教材名称：光电检测技术与应用郭培源，付扬著北京航空航 天大学出版社天大学出版社2006年第一版年第一版主要参考书：主要参考书：1.光电检测技术曾光宇，张志伟，张存林主编清华大学出光电检测技术曾光宇，张志伟，张存林主编清华大学出 版社；北京交通大学出版社版社；北京交通大学出版社2005年第一版年第一版 2.光电探测技术与应用，卢春生主编主编机械工业出版光电探测技术与应用，卢春生主编主编机械工业出版 社社1992年年 3.光电检测技术钱浚霞，郑坚立编著机械工业出版社，光电检测技术钱浚霞，郑坚立编著机械工业出版社，1993年年 教学计划安排教学计划安排 第一章第一章 绪论绪论人类发展的基本要素物质信息能量构成世界的基础物质运动的动力信息技术信息技术微电子信息技术光子信息技术光电信息技术光电信息技术光电信息技术“光频段的微电子技术光频段的微电子技术”光电系统：用电子学的方法对光学信息处理与控制的系统。光电系统：用电子学的方法对光学信息处理与控制的系统。光电系统基本模型：光电系统基本模型：光发射机光学信道光接收机光源或被检测物体光源或被检测物体的热辐射发射的热辐射发射介质：大气，光纤等介质：大气，光纤等接收透镜系 统光 电检测器后续检测处理器接受到的光场光接收机的两种基本类型：光接收机的两种基本类型：接受到的光场光电检测器聚焦光场频率滤波器空间滤波器透镜直接检测接收机：直接检测接收机：接受到的光场光电检测器聚焦光场准直后的光场透镜本地激光器合束镜本地光场外差检测接收机：外差检测接收机：光电系统工作过程：光电系统工作过程：几何成像几何成像 干涉干涉 衍射衍射 偏振偏振 扫描扫描 全息全息 光谱光谱 莫尔莫尔（望远、（望远、（应变）（应变）显微、显微、摄影）摄影）光源光源光学系统光学系统显示显示输出输出电信号电信号处理处理CPU存储存储控制控制被测对象被测对象光学变换光学变换光电转换光电转换光载波光载波光信息光信息电信息电信息光电转换器件光电转换器件光电系统分类：光电系统分类：1.1.光电测绘系统光电测绘系统 例：多谱勒测速（测振）；光电测绘（径纬仪）；光电例：多谱勒测速（测振）；光电测绘（径纬仪）；光电准直（激光直仪）。准直（激光直仪）。2 2光学显微内窥镜光学显微内窥镜 光电瞄准光电瞄准3.3.光电摄像光电摄像 可视电话（图象压缩与解码）可视电话（图象压缩与解码）4.4.军用光电系统军用光电系统 激光测距仪（相位法测距，脉冲法测距）激光测距仪（相位法测距，脉冲法测距）对潜艇通讯：对潜艇通讯：532nm532nm激光（蓝绿光）容易通过海水窗口。激光（蓝绿光）容易通过海水窗口。激光探潜、探水雷激光探潜、探水雷 激光侦听（红外激光）激光侦听（红外激光）5.5.大气光学（光谱）大气光学（光谱）气象雷达，粉尘检测，光谱分析气象雷达，粉尘检测，光谱分析6.6.天文观测天文观测 哈勃望远镜哈勃望远镜7.7.光电检测系统：光电检测系统：用光电的方法对某些物理量（声、光谱、热、电、磁、用光电的方法对某些物理量（声、光谱、热、电、磁、力）；化学量（浓度等）；几何量（长度、角度、表面粗力）；化学量（浓度等）；几何量（长度、角度、表面粗糙度）进行检测的系统。糙度）进行检测的系统。光电光电检测检测技术：将光学技术与电子技术相结合实现各种量的技术：将光学技术与电子技术相结合实现各种量的测测 量量。检测与测量的概念检测与测量的概念检测检测：通过一定的物理方式，分辨出被测参数量并归属到某一：通过一定的物理方式，分辨出被测参数量并归属到某一 范围带，以此来判别被测参数是否合格或参数量是否存范围带，以此来判别被测参数是否合格或参数量是否存 在。在。测量测量：将被测的未知量与同性质的标注量进行比较，确定被测：将被测的未知量与同性质的标注量进行比较，确定被测 量对标注量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过量对标注量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过 程。程。测量的两种方式：测量的两种方式：直接测量直接测量：由仪表读数直接得出被测量的数值。：由仪表读数直接得出被测量的数值。温度计，万用表温度计，万用表间接测量间接测量：测量与被测量有关的物理量，间接计算得出被测量：测量与被测量有关的物理量，间接计算得出被测量 的数值。的数值。功率功率P=IV光电传感器与敏感器光电传感器与敏感器传感器传感器将非电量转换为与之有对应关系的电量输出将非电量转换为与之有对应关系的电量输出敏感器敏感器将被测非电量转换为可用非电量将被测非电量转换为可用非电量光电传感器光电传感器：基于光电效应，将光信号转换为电信号的传感器。：基于光电效应，将光信号转换为电信号的传感器。组成部分：光源、光学系统、光电信息转换器组成部分：光源、光学系统、光电信息转换器 （光电二极管，光电三极管，光敏电阻，光电池等）（光电二极管，光电三极管，光敏电阻，光电池等）光电传感器的光电传感器的分类分类 （根据光源、光学系统和光电转换器放置位置的不同）：（根据光源、光学系统和光电转换器放置位置的不同）：1.1.直射型直射型2.2.反射型反射型3.3.辐射型辐射型 1.1.高精度高精度 2.2.高速度高速度 3.3.远距离，大量程远距离，大量程 4.4.非接触测量非接触测量 接触测量力易引起误差的场合适用接触测量力易引起误差的场合适用 无法用接触的方法测量（远程、高温、危险）无法用接触的方法测量（远程、高温、危险）5.5.空间分辨率高空间分辨率高 6.6.实时测量实时测量 7.7.信息处理和运算能力强信息处理和运算能力强光电检测技术的特点：光电检测技术的特点：光电检测的基本方法光电检测的基本方法1.1.直接作用法直接作用法：直接获得被测物理量：直接获得被测物理量2.2.差动测量法差动测量法：由被测量与标准量的比较获得被测量的大小：由被测量与标准量的比较获得被测量的大小被测物理量被测物理量光通量光通量光电传感器光电传感器放大放大,定标定标直接读数直接读数LRU放大放大相敏检波器相敏检波器C光楔光楔调制盘调制盘被测物被测物A A21+E例：双光路差动测量法测物体的长度例：双光路差动测量法测物体的长度0t1=21212120t1 21212120t1 21212120tU0tU0tUU=S(1-2）相敏检波器：相敏检波器：乘法器乘法器滤波器滤波器uiuRuO11112sinsintfEtEuiii22222sinsintfEtEuiRR21212cos21tffEERi21212cos21tffEEuuuRiRio高频，过滤掉高频，过滤掉3.3.补偿测量法补偿测量法：用光或电补偿因被测量变化而引起的光通量：用光或电补偿因被测量变化而引起的光通量 的变化的变化LRU放大放大相敏检波器相敏检波器C光楔光楔调制盘调制盘被测物被测物21+E读数读数4.4.脉冲测量法脉冲测量法：将被测量的光通量转换成电脉冲：将被测量的光通量转换成电脉冲nv计数器N高频脉冲R1R2+EL=vt=vkN=KN例例1 1 脉宽法测长度脉宽法测长度例例2 2 频率法测速频率法测速n计数NR整形放大控制时间t+E反射片m:反射片数目反射片数目 n:转速转速/分钟分钟 n=60N/(mt)f=nm/60=N/t光电检测在生产中的应用：光电检测在生产中的应用：朱伟，等：光电传感器在自动化生产线上的应用朱伟，等：光电传感器在自动化生产线上的应用.电子工程师电子工程师.2004，Vol.30 No.8，7273带材跑偏检测器带材跑偏检测器：用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的：用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向大小及方向,从而为纠偏控制电路提供纠偏信号从而为纠偏控制电路提供纠偏信号,主要用于印染、主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。送纸、胶片、磁带生产过程中。当充填高度当充填高度h 偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执行机偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。构将包装物品推出进行处理。若包装物品规定底色为白色，若包装物品规定底色为白色，在产品包装前先由光电检测色在产品包装前先由光电检测色质，物品泛黄时就有比较电压差输出，接通电磁阀，由压缩空质，物品泛黄时就有比较电压差输出，接通电磁阀，由压缩空气将泛黄物品吹出。气将泛黄物品吹出。利用反射式光电传感器可以检测布料的有无和宽度。利用遮挡利用反射式光电传感器可以检测布料的有无和宽度。利用遮挡式光电传感器检测布料的下垂度式光电传感器检测布料的下垂度,其结果可用于调整布料在传送其结果可用于调整布料在传送中的张力。中的张力。1.发展纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术发展纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术2.发展小型的、快速的未见光、机、电检测系统发展小型的、快速的未见光、机、电检测系统3.非接触、快速在线测量非接触、快速在线测量4.向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术发展向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术发展5.实现光电测量与光电控制一体化实现光电测量与光电控制一体化6.发展光电跟踪与光电扫描技术发展光电跟踪与光电扫描技术 等等光电检测技术的发展趋势：光电检测技术的发展趋势：