华侨大学信息科学与工程学院.ppt

华侨大学信息科学与工程学院 光电信号检测与处理 目录第一章信息检测技术基础第二章信号分析基础第三章辐射传感器第四章常用信息检测系统第五章图像传感器探测系统第六章特殊领域的信息检测系统 第一章信息检测技术基础1 1信息 信号和检测技术一 信息与信息科学1 信息信息究竟是什么 虽然入们对信息还没有 个统一的确切的定义 但人们确切地知道信息所包合的意义 例如 某人病了 这类消息 它既不是物质也不是能量 但我们知道有一定的能量和物质与它相对应 如有体温的升高 能量变化 脉搏加快 运动 白血球增加 数量变化 等 体温 脉搏 白血球数都需要通过检测技术来得到它们的定量变化量 它们可通称为信号 信号是物理性的 它是物质 具有能量 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 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 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 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 随着科学技术 工农业生产飞速向前发展 对检测技术的要求也越来越高 先进的检测方法和仪器 应能在不破坏被测物工作状态的过程中进行高度自动化的检测 光电检测技术在这方面有其独特的优点 在工业生产中 先进的光电检测装置能在零件的加工过程中进行在线 online 测量 或在传送带上产品的传输过程中检测和发出信号 这可以减少工作人员 节省检测时间 提高生产率 在光电信息检测系统中 信息的传输是以光为媒介 光于是信息的载体 被测信息与光的光子数 光的波长和相位 光的速度等参数联系在一起 所以光电检测的精确度高 灵敏度高 可以检测变化速度极快的现象 例如 以光的波长为基准的激光干涉比长仪 其分辨率为波长的1 8 采用细分后甚至更小 光栅测长系统的分辨卒可小于1nm 采用光子计数技术 可以测量到单个光子 采用条纹相机可以测量到皮秒和飞秒 10 15 的光学事件 20世纪的信息工程主要依靠电子学和微电子学 例如 从无线电到微波通信 从电子管到大规模集成电路为基础的电子计算机 随着信息容量骤增 由于光子的速度比电子速度快得多 光的频率比无线电的频率高得多 为提高传输速度和载波密度 由电子发展到光子是必然的趋势 把光子作为信息载体 是20世纪中的一个划时代的变化 光纤通讯代替电缆和微波通信 使信息的传输发生了本质性的变化 使信息传输的容量 速度 质量都得到了提高 利用光信息远距离传输的特点 可以实现光电遥测 遥控 例如 激光测距 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 必须指出 信源的输出是不确定的 因为 如果事先已经知道信源的输出 那么就无信息可言 正如所研究的物理过程 它应是未知的 这时才有研究的价值 信源的输出常用随机变量或随机矢量来描述 或者说用概率空间来描述 从随机变量出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 自信息事件发生的不确定性与事件发生的概率有关 事件发生的概率越小 事件发生所包含的不确定性和信息量就越大 而事件发生的概率越大 人们猜测这件事发生的可能性就越大 不确定性就越小 对于发生概率等于1的必然事件 就不存在不确定性 因此 某事件发生所含有的信息量 应该是该事件发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I xi 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xi发生时的信息量 故义称为自信息 I xi 代表两种含义 1 当事件xi发生以前 表示事件xi发生的不确定性 2 当事件xi发生以后 表示事件xi所含有 或所提供 的信息量 自信息采用的度量单位取决于所取对数之底 如果以2为底 则所得信息量单位为比特 bit 以e为底 则为余特 nat 以10为底 则为哈持 hart 等 般都采用以2为底的对数 因为当P xi 1 2时 I xi 1bit 所以 1bit信息量就是两个互不相容的等可能事件之 发生时 所提供的信息量 2 信息熵把自信息的数学期望定义为信息熵 它表示信源的平均信息量 信息熵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 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 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 一旦赛完 人们获得的信息量大 信息熵的基本性质如下 1 对称性 当概率空间中P x1 P x2 顺序任意互换时 熵函数的值不变 2 确定性如果信源的输出只有一个状态是必然的 即P x1 1 P x2 P x3 0 则信源的熵 3 非负性非负性即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 极值性信源各个 状态为等概率分布时 熵值最大 并且等于信源输出状态数 因为当 1 2测量仪表与测量系统一 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比较 并确定被测量对标准量的比值 标准量 国际上或国家所公认的 性能稳定的量 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 即调零 把重物和珐码分别放到两侧秤盘中 叫对比 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 叫平衡 根据珐码的大小和多少 必要时再加指针偏移大小 读出数字值 叫读数 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y f 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 选择功能设计制造仪表时 除特定的输入输出关系外 一般不希望u1 u2 um等影响因素对y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素的功能 这种选择功能是测量仪表重要的功能之一 3 比较功能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 比较过程实际上是脉冲的计数过程 4 显示功能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 数字值及符号文字 或图像 显示出来 因而显示方法也可相应分为指示 记录 打印等 二 测量仪表的基本性能1 精确度 1 精密度 它说明仪表指示值的分散性 即对某一稳定的对象 被测量 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 其测量结果 示值 的分散程度 愈小则说明测量愈精密 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 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