第七章 非相干光光电信号变换方法

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1、第七章非相干光光电信号检测主要内容非相干光光电信号转换方法时变光信号的直接测量时变光信号的调制和解调简单光学目标的空间定位光学图象的扫描几何参量的光电检测非相干光光电信号转换方法在光电系统的信号形成、传送、检测和处理过程中，通常要借助于几何光学的、物理光学的或光电子学的方法对信号的组编形式和能量状态进行人为的变换，包括将一种光量转换为另一种光量，将非光量转换为光量或将连续光量变换为脉冲光量等。这种变换的目的在于：将待处理信息载荷到光载波上进而形成光电信号；改善系统的时间空间分辨能力和动态品质，提高传输和检测精度；改善系统的检测信噪比，提高工

2、作可靠性和对环境的适应能力。典型光电信号变换方法的光学原理和应用变换方法光学原理应用几何光学直进、遮光；反射、折射；光学成象等非相干光的光学现象。光开关、光学编码、光学扫描、瞄准定位、准直定向、测长测角、测距、成象测量等。物理光学衍射、干涉、光谱、波长变换、光学拍频等相干光的光学现象。莫尔条纹、干涉计量、外差通讯、光谱分析、散斑全息测量等。光电子学电光效应、磁光效应、声光效应、空间光调制、光束纤维传输传感等光电现象。光调制、光束偏转、光通讯、光记录、光存储、光显示、传光、传象、传感等。几何变换的光电方法是基于将光学现象看作是直线光束传输的结

3、果，是在几何光学的意义上利用光束传播的直线性、透光、反射、折射、成象等光学方法进行的信号变换。物理变换的光电方法是将光学现象看作是电磁波振荡传播的结果，是在物理光学的意义上利用光的衍射、干涉、光谱、波长变换等光学现象和参量进行的信号变换。随着光电子学的发展，出现了各种新型的光控制器件，它们为光信号的实时变换和光路的集成化提供了广阔的发展前景。这些变换方法常常单独或者若干组合后应用于不同目的的光电系统中。本章将介绍对非相干光采用几何变换的各种光电方法。根据光电信号的时空特点，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：1）随时间变化的

4、光电信号。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，因此是时间的一维函数而与空间坐标无关，可用函数F(t)表示。2）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，光电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F(x,y,z,t)表示。时变光信号的直接测量光电系统所处理的输入信号有一类是辐射光通量直接随被测信息变化的。这种情况下的被测信息是载荷在光通量的幅度大小、变化频率或变化相位上，检测

5、这些参量可以测量出所需要的信息。例如，直接测量来自被测物体的光辐射进行的光谱分析和辐射测温；通过检测被测物体的透光率测量气体液体的浓度或薄膜厚度；以及通过测量反射率检测物体的表面状态等。下面介绍直接随信息改变的光通量测量方法。光通量的幅度测量1．单通道测量系统2．双通道测量系统光通量的频率测量1．波数测量2．频率测量光通量的相位和时间测量1．相位测量2．时间测量光通量的幅度测量1．单通道测量系统单通道测量系统和直读法a)原理示意图b)方框图1-辐射源2-被测样品（或标准样品）3-检测器4-光电信号放大器5-指示仪表被测光通量沿单一光学通道传

6、送到光电接收器，经由读出装置进行测量的系统称作单通道测量系统。图中，由辐射源1产生的光通量Φ0，经布置于光路上的被测样品或标准样品2的部分吸收或散射，投射到检测器3的光敏表面上。利用光电信号放大器4可以测量出载有信息的光通量Φ，最后由指示仪表5显示记录下被测量的结果。单通道测量系统常用的测量方法是直读法和指零法。1）直读法在单通道系统中，直接测量载荷信息的光通量值，并通过与标准样品的比对测定被测量的方法称作直读法。例如为了测量样品的透过率，可以在图a所示的光路中事先分别放置透过率已知的标准样品，每次对电表值进行标定。经过这样的处理后再将被测

7、样品放在光路中，即可由电表的示值直接得到被测的透过率值。直读法测量系统的方框图示于图b中。设照明样品的光通量为Φ0，样品透过率为τ，透过样品并为光电检测器接收的光通量为Φ，检测器的电流灵敏度为SI，放大器增益为K，读出装置的传递系数为M，输出值为θ，则直读系统的测量值可表示为θ＝SIKMΦ0τ＝K0τ或τ＝θ/K0式中K0＝SIKMΦ0当K0保持恒定不变时，被测值τ和读出示值θ之间存在着一一对应的关系，可根据θ确定被测的τ值。但实际上K0值不是完全不变的。特别是Φ0因子与照明状态有关，存在着长期工作的不稳定性和不重复性。比例因子K0的波动会

8、直接造成测量示值的偏差。此外定标所用基准的误差或在定标过程中引入的偏差也会直接影响测量结果，因此直读法在实际应用中受到一定的限制。2）指零法提高单通道测量系统测量精度的简单方法是