Transcript 第9章光电检测技术的典型应用

第9章 光电检测技术的
典型应用
9.1 微弱光信号检测技术
常用与微弱光信号检测的仪器：
锁相放大器
取样积分器
光子计数器
9.1.1 锁相放大器
用于对交变信号进行相敏检波。
利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号
作比较基准，只对被测信号本身和与参考信号同频、同
相的噪声分量有响应。
说明：锁相放大器的输出是一个直流电压，正比于是输
入信号中某一特定频率（参数输入频率）的信号幅值，
而输入信号中的其他频率成分将不能对输出电压构成任
何贡献。即使有用的信号被淹没在噪声信号里面，只要
知道有用的信号的频率值，就能准确地测量出这个信号
的幅值。
1. 锁相放大器的构成
信号通道：对信号选频放大，对噪声做初步的窄带滤波
参考通道：提供参考电压
相敏检波：混频，滤波，得差频信号
2. 锁相放大器的原理
设信号通道输出Vs与参考通道输出Vr为：
Vs  Vsm cos0   t   
Vr  Vrm cos0t
经乘法混频器后，输出信号：
V0  Vs Vr
1
 VsmVrm cos  t   cos20   t   
2
经低通滤波器的差频信号：
1
V0 '  VsmVrm cos  t 
2
3. 锁相放大技术的四个基本环节：
• 通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设
定的高频范围内。检测系统变成交流系统；
• 在调制频率上对有用信号进行选频放大；
• 在相敏检波中对信号解调。同步解调作用截断了非
同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范
围内；
• 通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。
4. 方波控制的相敏检波器
采用方波信号，可使相敏检波器工作稳定，开关效率高
5. 锁相放大器的特点
• 要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅
光信号的检测；
• 极窄带高增益放大器，增益可达1011，带宽窄到
0.0004Hz；
• 交流－直流信号变换器；
• 可以补偿光检测中的背景辐射噪声＆前置放大器的
固有噪声。信噪比改善可达1000倍。
6. 锁相放大器组成的弱光检测系统举例
零值平衡系统
9.1.2 取样积分器（Boxcar平均器）
利用取样＆平均化技术测定深埋在噪声中的周期性信
号的测量装置。
1. 运行步骤：
• 利用检测光脉冲的激励源取得＆输入光脉冲同步的
触发信号；
• 利用门延时＆门脉冲宽度控制单元形成与触发脉冲
具有恒定时延或时延与时间成线性关系的可调脉宽
取样脉冲串；
• 取样脉冲控制取样开关对连续的周期性变化信号进
行扫描取样；
• 积分器对取样信号进行多次线性累加，经过滤波后
获得输出信号。
利用周期信号的重复特性，而噪声多次重复的统计
平均值为零。
工作模式：定点式，扫描式
2. 定点式取样积分器
对信号固定点取样、平均
3. 扫描式取样积分器
4. 取样积分器的特点
• 适用于由脉冲光源产生的连续周期变化的信号波形测
量或单个光脉冲的幅度测量。需要有与光脉冲同步的
激励信号；
• 是一个取样放大器，在每个信号脉冲周期内只取一个
输入信号值；
• 在多次取样过程中，门积分器对被测信号的多次取样
值进行线性叠加，而对随机噪声是矢量叠加，所以，
对信号有恢复＆提取作用；
• 在测量占空比小于50％的窄脉冲光强度下，信噪比好
于锁相放大器；
• 用扫描方式测量信号波形时能得到100ns的时间分辨
率；
• 双通道系统能提供自动背景＆辐射源补偿。
5. 取样积分器举例
9.1.3 光子计数器
一种利用光电倍增管能检测当管子能量的功能，通过
光电子计数的方法测量极微弱光脉冲信号的装置。
类型：
• 基本的光子计数系统；
• 源补偿的光子计数系统 ；
• 背景补偿的光子计数系统。
1. 基本的光子计数器
入射到光电倍增管阴极上的光子引起输出信号脉
冲，经过放大器输送到一个脉冲高度鉴别器上，从中
分离出单光子脉冲，再用计数器计数光子脉冲数。计
算出一定时间间隔内的计数值，以数字＆模拟形式输
出。
放大器
模拟
输出
比例计
鉴别器
数字
输出
计数器
PMT
光子
参考
电压
噪声
光子脉冲
技术
脉冲
数模转换器
模拟
输出
2. 基本过程
• 用光电倍增管检测弱光的光子流，形成包括噪声信
号在内的输出光脉冲；
• 利用脉冲幅度鉴别器鉴别噪声脉冲＆多光子脉冲，
只允许单光子脉冲通过；
• 利用光子脉冲计数器检测光子数，根据测量目的，
折算出被测参量
3. 辐射源补偿的光子计数器
RA
源补偿信号
与辐射源的起伏无关——源补偿
RC
4. 背景补偿的光子计数器
5. 光子计数器特点
• 只适合于极弱光测量，不能测量包含许多光子的短
脉冲强度；
• 良好的信噪比；
• 必需选择带有制冷器的光电倍增管；
• 不用数模转换即可提供数字输出。
6.光子计数器的应用举例
9.2 光电开关与光电转速计
9.2.1 光电开关
主动型光电开关
LED及光电二极管、
光电三极管等
被动型光电开关
光敏电阻、光电二
极管等
光电开关
1. 透射分离型主动光电开关
2. 反射型主动光电开关
光纤式光电开关应用
光纤
耦合器
电路板标志检测
传输光纤
出射光纤
标志孔
当光纤发出
的光穿过标志孔
时，若无反射，
说明电路板方向
放置正确。
3. 光电耦合器
4. 编码计数型主动开关
5. 被动光电开关
利用自然光源对光电开关提供信号
热电器件
接收器
红外光敏电阻
红外光电二极管
9.2.2 光电转速计
1. 光电转速计原理
60 f
转速： n 
m
2. 频率测量
① 计数测频法
② 周期测量法
9.3 条形码技术
9.3.1 条形码的概念及特点
条形码，别名条码，是由宽度不同、反射率不同的
条和空，按照一定的编码规则编制成的，用以表达一组
数字或字母符号信息的图形标识符。条形码是一组粗细
不同，按照一定的规则安排间距的平行线条图形，一般
就是由反射率相差很大的黑条（简称条）和白条（简称
空）组成的。
条形码技术是随着计算机与信息技术的发展和应用
而诞生的，它是集编码、印刷、识别、数据采集和处理
于一身的新型技术。
目前世界上常用的码制有ENA条形码、UPC条形
码、二五条形码、交叉二五条形码、库德巴条形码、
三九条形码和128条形码等，而商品上最常使用的就
是EAN商品条形码。
EAN商品条形码的编码遵循唯一性原则，以保
证商品条形码在全世界范围内不重复，即一个商品项
目只能有一个代码，或者说一个代码只能标识一种商
品项目。不同规格、不同包装、不同品种、不同价格、
不同颜色的商品只能使用不同的商品代码。
部分国家地区的条形码前缀码：
美国、加拿大 00-09 挪威 70 日本 45-49
瑞士 76 西班牙 84 芬兰 64 智利 780
奥地利 90-91 瑞典 73 新西兰 94 意大利 80-83 捷克
859 德国 400-440 澳大利亚 93 韩国 880
台湾 471 新加坡 888 俄罗斯 460-469 香港 489
中国大陆 690-692 法国 30-37 英国 50
……
9.3.2 条形码的工作原理
条形码系统：条形码符号、符号载体、打印设备、
扫描阅读设备
9.3.3 条形码的识别原理及装置
1. 条形码的识别原理
2. 条形码的识别器
要求：
① 建立光学系统
② 接收系统能采集到反射光并有一定的敏感程
度
③ 电子电路将接收到的光信号不失真地转换为
电脉冲
识别设备：扫描阅读器（扫描器+阅读器）
扫描器：将光信号变为电信号
阅读器：电信号的解码、识别
① 手持装置
光笔
手持式条形码扫描器
② 固定光束的光学扫描阅读器
工业用固定式
条形码扫描器
③ 移动光束的光学扫描阅读器
一般工业用扫描器
超级市场用扫描器
激光扫描器进行物料分拣
9.4 光电遥控技术
光电遥控原理
9.5 红外方位检测系统
典型例子：空-空导弹的导引头
9.5.1 基于调制盘的方位检测原理
① 进行空间滤波、抑制背景杂光
② 测量目标空间方位
调制盘输出周期信号的幅值反映了光斑中心离开
调制盘中心的位置；周期信号的相位反映了光斑中心
在调制盘上的辐角位置：
u  u sint   
9.5.2 基于位标器的方位检测系统结构
① 位标器结构
② 坐标变换
基准信号：
坐标变换电路
9.5.3 光电检测在遥感方面的应用
遥感：从遥远处感知、测量并识别目标特性的技术。
具体指从高空（飞机或卫星）根据物体发射和反射电
磁波的差异来探知地物结构。广泛用于对地形精确测绘、
地球资源勘探、农作物生长状况检测及军事观察等方面。
遥感技术的基础：
利用物体之间辐射、反射光谱的差别；发射偏振
特性的差异及物体空间特性如形状、大小等，采用红
外相机、辐射计、光谱扫描计等仪器把物体的特征加
以记录、分析、处理并复原。
① 遥感仪简介
平台：空中稳定测量器具
导航：使空中平台按一定
的飞行路线提供坐标数据
传感器：接收光学系统、
探测器、信号预处理器
地面信息处理器
遥感方块图
② 遥感测量原理
通常将瞬时视场角作为
衡量地面目标的分辨本
领，称空间分辨率l:
③ 遥感测量原理
补充内容：光电信号的变换与检测技术
一、时变光信号的直接检测
光信号的直接检测，就是光通量的检测。
光通量可以随时间周期性变化，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。根据这一特
点，光信号的测量课分为振幅型的、频率型的和相位
型的。
1. 光通量的幅度测量
(1) 单通道测量系统
直读法
指零法
(2) 双通道测量系统
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
差动法
比较法
交替法
交替法
2. 光通量的频率测量
和光通量的幅度测量相比较，频率测量具有较高的
测量精度，这是由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，测量结果易于和计算机
连结，因此在现代光电测量中常优先考虑频率测量法。
（1）波数测量
（2）频率测量
波数测量系统可测物体的运动速度，则
3. 光通量的相位和时间测量
（1）相位测量
1——半导体激光器；
2——反射镜（合作目标）
（2）时间测量
时间测量法：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号
二、时变光信号的调制检测
光学调制的分类
A 按时空状态分类
1）时间调制：载波随时间和信息变化
2）空间调制：载波随空间位置变化后再按信息规律调
制
3）时空混合调制：载波随时间、空间和信息同时变化
B 按载波波形和调制方式分类
1）直流载波：载波不随时间而只随信息变化
2）交变载波：载波随时间周期变化
连续载波——调幅波、调频波、调相波
脉冲载波——脉冲调宽、调幅、调频等
三、简单光学目标的形位检测
光学目标：不考虑被测对象的物理本质，只看作是与背
景间有一定光学反差的几何形体或图形景物。
光学目标的几何中心与亮度中心：
几何中心：光学目标轮廓尺寸的中心位置
亮度中心：将光学目标按能量相等的标准分割为两部
分，其中心位置称为亮度中心。
1. 几何中心检测法
像分析
像分析器的基本工作原理：
将被测物体的光学像相对于像面基准的几何坐标
变换为通过该基准某一取样窗口的光通量，通过检测该
光通量的变化来解调出物体的坐标位置。
2. 亮度中心检测法
主要手段：
将来自被测目标的光辐射通量相对于系统的测量
基准轴分解到不同坐标象限上，再根据这些图像在各
象限上能量分布的比例，检测出目标的亮度中心位置。
（1）光学像分解
光学像分解：
在光学系统中附加各种分光元件使入射光束分别
向确定的不同方向传播，再在各自终端安装上有单一
光敏面的光电元件。
中心孔式
分光式
反射式
全息分光式
（2）象限探测器
四象限探测器
光电位置传感器