呂勇lvyong@Ch6光電檢測(cè)原理與系統(tǒng)光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)系統(tǒng)相關(guān)概念直接（非相干）探測(cè)基本原理相干探測(cè)的基本原理光電探測(cè)有關(guān)電路數(shù)據(jù)處理與誤差分析

光電信號(hào)變換在光電系統(tǒng)中，通常要借助于幾何光學(xué)、物理光學(xué)和光電子學(xué)的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換，包括將一種光量轉(zhuǎn)換為另一種光量，將非光量轉(zhuǎn)換為光量或?qū)⑦B續(xù)光量轉(zhuǎn)換為脈沖光量等。變換的目的：①將待測(cè)信息載荷到光載波上進(jìn)而形成光電信號(hào)；②改善系統(tǒng)的時(shí)間或空間分辨力和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，提高傳輸效率和檢測(cè)精度；③改善系統(tǒng)的檢測(cè)信噪比，提高工作可靠性。光電信號(hào)的變換方法變換方法光學(xué)原理應(yīng)用幾何光學(xué)法透射、反射、折射、散射、遮光光學(xué)成像等非相干光學(xué)現(xiàn)象光開關(guān)、光學(xué)編碼、光掃描、瞄準(zhǔn)定位、光準(zhǔn)直、外觀質(zhì)量檢測(cè)、測(cè)長(zhǎng)測(cè)角、測(cè)距等。物理光學(xué)法干涉、衍射、散斑、全息、波長(zhǎng)變換、光學(xué)拍頻、偏振等相干光學(xué)現(xiàn)象。莫爾條紋、干涉計(jì)量、全息計(jì)量、散斑計(jì)量、外差干涉、外差通訊、光譜分析、多普勒測(cè)速等。光電子學(xué)法電光效應(yīng)，聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、空間光調(diào)制、光纖傳光與傳感等光調(diào)制、光偏轉(zhuǎn)、光開關(guān)、光通信、光記錄、光存儲(chǔ)、光顯示等光電信號(hào)的變換方法與應(yīng)用幾何光學(xué)變換法是利用幾何光學(xué)意義上的光傳播的直線性、通光、遮光、反射、折射、成像等光學(xué)方法進(jìn)行變換，在光開關(guān)、光掃描、光學(xué)編碼以及光電瞄準(zhǔn)、測(cè)距、幾何尺寸及外觀品質(zhì)檢驗(yàn)等技術(shù)中應(yīng)用十分廣泛；物理光學(xué)變換法是利用光的干涉、衍射、散斑、全息、光譜等光學(xué)方法進(jìn)行干涉計(jì)量、光譜分析、散斑全息測(cè)量等；光電子學(xué)法是利用光控器件及光導(dǎo)纖維光學(xué)等方法實(shí)現(xiàn)光調(diào)制、光記錄、光存儲(chǔ)、光傳輸?shù)?。光電系統(tǒng)的類型主動(dòng)和被動(dòng)光電系統(tǒng)

(攜帶信息的光源）可見、紅外、紫外光電系統(tǒng)（光譜范圍）點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)和面探測(cè)系統(tǒng)

(接收系統(tǒng))模擬和數(shù)字系統(tǒng)

(調(diào)制方式和信號(hào)處理電路的類型)直接探測(cè)系統(tǒng)和相干探測(cè)系統(tǒng)(光波對(duì)信息的攜帶方式)

光電系統(tǒng)的指標(biāo)信號(hào)的輸出信噪比SNRp模擬系統(tǒng)——線性度數(shù)字系統(tǒng)——誤碼率作用距離視場(chǎng)信號(hào)傳輸率，響應(yīng)速度，帶寬分辨率被動(dòng)光電系統(tǒng)和主動(dòng)光電系統(tǒng)光源、光電變換系統(tǒng)和光電接收器件一起構(gòu)成光電測(cè)量系統(tǒng)。如果信息源通過調(diào)制光源的電源電壓或電流，把信息載荷到光載波上，而發(fā)射調(diào)制光，或者用光電系統(tǒng)的光源（人工光源）照射目標(biāo)再進(jìn)行光電變換，然后由光電接收系統(tǒng)接收，稱為主動(dòng)光電系統(tǒng)。如果光電系統(tǒng)所接收的信號(hào)完全來(lái)自于被測(cè)對(duì)象的自發(fā)輻射而非人工光源照明，稱為被動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)；主動(dòng)系統(tǒng)通過信息調(diào)制光源，或者光源發(fā)射的光受被測(cè)物體調(diào)制。被動(dòng)系統(tǒng)光信號(hào)來(lái)自被測(cè)物體的自發(fā)輻射相干檢測(cè)與非相干檢測(cè)光載波所攜帶的被測(cè)光信息有多種，若光信息為光強(qiáng)，即被測(cè)量攜帶于光載波的強(qiáng)度之中，不論光源是相干光源還是非相干光源，光電器件都只直接接收光強(qiáng)度變化，最后用解調(diào)的方法檢出被測(cè)信息為直接檢測(cè)（非相干檢測(cè)）；若光信息載荷于相干光源的光載波的振幅、頻率或者相位變化之中，稱為相干檢測(cè)。非相干檢測(cè)如果光源是非相干光，但用光調(diào)制的方法使被測(cè)信息載荷于調(diào)制光的幅度、頻率或相位之中，然后用光電的方法從調(diào)制光的幅度、頻率或相位之中檢測(cè)出被測(cè)信息，則仍為非相干檢測(cè)。因此，把直接檢測(cè)光信息的光強(qiáng)（或叫光功率）以及檢測(cè)非相干光調(diào)制頻率、振幅或相位的方法統(tǒng)稱為非相干檢測(cè)。直接檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理直接檢測(cè)是將待測(cè)的光信號(hào)直接入射到光電器件的光敏面上，光電器件的輸出電流或電壓與入射光強(qiáng)度有關(guān)。若入射光波的振幅為那么入射光功率為光電檢測(cè)器件的輸出光電流為式中K為光電靈敏度其中為產(chǎn)生的電荷，為入射光功率。平方律：輸出光電流和輸入光振幅的平方成正比光電器件的輸出功率若光電器件的負(fù)載電阻為RL

，則它的輸出功率為：該式表明光電檢測(cè)器件輸出的功率正比于入射光功率的平方。若入射光信號(hào)為強(qiáng)度調(diào)制光，調(diào)制信號(hào)為d(t)，那么光電檢測(cè)器件輸出的光電流為：式中第一項(xiàng)為直流電平，第二項(xiàng)為有用信號(hào)，即光載波的包絡(luò)線。系統(tǒng)的基本特性系統(tǒng)噪聲：信噪比：表征檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度式中PS為輸入信號(hào)光功率。檢測(cè)距離：是系統(tǒng)靈敏度的另外一種評(píng)價(jià)指標(biāo)，與發(fā)射和接收系統(tǒng)的大氣特性以及目標(biāo)的反射特性有關(guān)。fS為信號(hào)光波，fL為本機(jī)振蕩光波，這兩束相干光入射到探測(cè)器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場(chǎng)。經(jīng)探測(cè)器變換后，輸出信號(hào)中包含的差頻信號(hào)，故又稱相干探測(cè)。

相干探測(cè)的基本原理設(shè)入射到探測(cè)器上的信號(hào)光場(chǎng)為：本機(jī)振蕩光場(chǎng)為：入射到探測(cè)器上的總光場(chǎng)為：式是光頻差；是相位差。兩束光合光時(shí)，光電探測(cè)器（平方律特性）輸出電流當(dāng)兩束光頻率相同時(shí)，Δω=0，稱為單頻光干涉。當(dāng)Δω不等于0時(shí)，干涉條紋將以Δω的角頻率隨時(shí)間波動(dòng)，形成光學(xué)拍頻，這時(shí)稱為外差干涉。光外差檢測(cè)的特性可獲得全部信息：不僅可探測(cè)振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可探測(cè)頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)，即在光探測(cè)器輸出電流中包含有信號(hào)光的振幅、頻率和相位等全部信息。轉(zhuǎn)換效率高：轉(zhuǎn)換增益可高達(dá)107-10８，對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)有利。外差檢測(cè)與直接檢測(cè)相比：

本振光功率，信號(hào)光功率差頻信號(hào)由具有恒定頻率（近于單頻）和恒定相位的相干光混頻得到。良好的濾波性能

取差頻信號(hào)為信息處理器的通頻帶，可以過濾頻帶外的雜散光，而在直接探測(cè)中，所有的雜散光都將被接收。信噪比損失小；檢測(cè)靈敏度高例如：量子效率為１，Δf為１Hz，則外差檢測(cè)的靈敏度極限為１個(gè)光子。系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器性能的要求光外差檢測(cè)對(duì)探測(cè)器的要求比直接檢測(cè)高響應(yīng)頻帶寬均勻性好工作溫度高

光電檢測(cè)有關(guān)電路（p120）----前置放大器

通常在選定探測(cè)器和相應(yīng)的偏置電路以后就可知所獲信號(hào)和噪聲的大小。用恒壓信號(hào)源或恒流信號(hào)源來(lái)等效探測(cè)器和偏置電路的輸出信號(hào),如圖所示。同時(shí)用源電阻的熱噪聲來(lái)等效探測(cè)器和偏置電路的總噪聲，用最小噪聲系數(shù)原則設(shè)計(jì)前置放大器。探測(cè)器與偏置電路的等效前置放大器設(shè)計(jì)的大致步驟（2）從噪聲匹配原則出發(fā)，選擇前置放大器第一級(jí)的管型，選擇原則如圖所示。（3）在管型選定后，第一、二級(jí)應(yīng)采用噪聲盡可能低的器件，按照最佳源電阻的原則來(lái)確定管子的工作點(diǎn)，并進(jìn)行工作頻率，帶寬等參量的計(jì)算及選擇。

（1）測(cè)試或計(jì)算光電探測(cè)器及偏置電路的源電阻RS；選用第一級(jí)放大器件的準(zhǔn)則檢測(cè)電路的帶寬電子系統(tǒng)的帶寬f在低噪聲前置放大及耦合電路的設(shè)計(jì)中是一個(gè)重要的參數(shù)，它與系統(tǒng)的性能有密切的關(guān)系;探測(cè)系統(tǒng)所接收的信號(hào)光功率占有的頻譜范圍都是有限的，而噪聲頻譜的范圍可認(rèn)為是無(wú)限的;所以，在保證信號(hào)有效帶寬的前提下，限制電子系統(tǒng)的通頻帶可有效地抑制噪聲。（1）根據(jù)所采用的光電探測(cè)器的噪聲譜和選定放大器的典型噪聲譜，確定工作(調(diào)制)頻率。典型探測(cè)器的噪聲譜如圖所示。放大器設(shè)計(jì)中頻率及帶寬的確定典型探測(cè)器的噪聲譜（2）光電檢測(cè)系統(tǒng)中按照白噪聲的特點(diǎn)，工作頻率選定后，應(yīng)盡可能減小電路的頻帶寬度。（3）當(dāng)信號(hào)頻率在一定范圍內(nèi)變化，不能選用固定頻率的窄帶濾波方式工作時(shí)，除確定必要的窄帶外，可采用設(shè)計(jì)選通積分器的方法來(lái)抑制噪聲。（4）在某些系統(tǒng)如脈沖系統(tǒng)中，為保持信號(hào)的波形，必須采用頻帶寬度較寬的處理電路。下圖說明了所需保持波形和電路3dB帶寬f之間的關(guān)系。帶寬對(duì)矩形脈沖波形的影響

0.250.50.751.01.251.51.752.0f

=4相對(duì)幅度相對(duì)脈沖持續(xù)時(shí)間

f

=0.5f

=1f

=0.2500.20.40.60.81.0最佳帶寬由于輸出噪聲功率隨帶寬線性增加，因而有一個(gè)最佳帶寬，脈沖峰值功率和噪聲功率之比為最大。對(duì)于矩形脈沖，當(dāng)f=0.5時(shí)出現(xiàn)最大值；對(duì)于其他各種形狀的脈沖來(lái)說，獲得信噪比最佳的帶寬都在f=0.25~0.75的范圍內(nèi);當(dāng)要求保持脈沖的形狀時(shí)，帶寬要求應(yīng)該更寬些。對(duì)于矩形脈沖，取f=4時(shí)，才能準(zhǔn)確保持脈沖形狀。而在f

>0.5以后輸出的峰值幅度已經(jīng)基本不變。所以從信噪比的要求出發(fā)，f不必超過0.5。放大器設(shè)計(jì)中的其它考慮：

（1）按最小噪聲系數(shù)原則設(shè)計(jì)前置放大器時(shí)，為減少后面各放大級(jí)噪聲對(duì)總噪聲的影響，其電壓放入倍數(shù)AV1不應(yīng)小于10倍，從而使噪聲系數(shù)FF1。當(dāng)然過高的前置放大器放大倍數(shù)沒有必要，且不易實(shí)現(xiàn)；（2）采用多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器時(shí)，總放大倍數(shù)AV可分配到各級(jí)中，；（3）級(jí)間加入不同型式的負(fù)反饋電路，可以起到提高電路的穩(wěn)定性，調(diào)整輸入阻抗、調(diào)整放大倍數(shù)和改變帶寬等作用；（4）大部分光電檢測(cè)系統(tǒng)要求有好的線性度和寬的動(dòng)態(tài)范圍，在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)予考慮；（5）完成電路設(shè)計(jì)前應(yīng)驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足噪聲系數(shù)、電壓放大倍數(shù)、頻帶寬度、穩(wěn)定性、阻抗匹配、線性度、動(dòng)態(tài)范圍等要求。如不滿足則應(yīng)反復(fù)修正。

放大器的噪聲類型熱噪聲散粒噪聲產(chǎn)生-復(fù)合噪聲1/f噪聲(電流噪聲)溫度噪聲低噪聲放大器實(shí)驗(yàn)電路29集成運(yùn)算放大器前置放大器的實(shí)例圖所示為光電導(dǎo)探測(cè)器電路中的前置放大器電路圖。它具有良好的線性度，電路是由A702A和A716兩個(gè)集成器件構(gòu)成。前置放大器電路實(shí)例當(dāng)探測(cè)器與前置放大器之間的阻抗不匹配時(shí)、可采用射極跟隨器進(jìn)行耦合。圖所示為一種實(shí)用的射極跟隨器電路圖。它是由兩個(gè)三極管組成，能使高輸出阻抗的光電探測(cè)器與相對(duì)低輸入阻抗的前置放大器之間得以匹配。

射極跟隨器電路實(shí)例當(dāng)輸入信號(hào)的幅度變化很大，為使信號(hào)不超出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，則要采用高輸入獲得低增益，低輸入獲得高增益的電路處理。該功能可用對(duì)數(shù)型增益的前置放大器完成。圖所示為對(duì)數(shù)型增益的前置放大器電路圖，三極管VT1起二極管作用，提供對(duì)數(shù)關(guān)系特性。對(duì)數(shù)型前置放大器實(shí)例光電耦合

為了提高系統(tǒng)的抗干擾性、安全性和可靠性，現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)經(jīng)常采用隔離放大器。所謂隔離放大器，是指前級(jí)放大器與后級(jí)放大器之間沒有電的聯(lián)系，而是利用光或磁來(lái)耦合信號(hào)。

幾種光電耦合放大器的傳輸特性光電耦合放大器線性光電耦合放大器性能優(yōu)良的線性光電耦合放大器選擇光電耦合放大器的注意事項(xiàng)：

光電隔離放大器的前、后級(jí)之間不能有任何電的連接。即使是“地線”也不能連接在一起，前、后級(jí)也不能共用電源，否則就失去了隔離的意義。一般前級(jí)放大器可以采用電池供電，或采用DC/DC變換器供電。

檢測(cè)量的誤差分析與數(shù)據(jù)處理（復(fù)習(xí)）檢測(cè)的誤差及分類：1.絕對(duì)誤差：2.相對(duì)誤差：檢測(cè)量的誤差分析與數(shù)據(jù)處理（復(fù)習(xí)）3.系統(tǒng)誤差：檢測(cè)過程中產(chǎn)生恒定不變的誤差（恒差）或者按照一定的規(guī)律變化的誤差（變差）統(tǒng)稱為系統(tǒng)誤差，包括工具誤差、裝置誤差、方法誤差、外界誤差和人為誤差等；-可消除或減小4.隨機(jī)誤差：反復(fù)多次等精度測(cè)量時(shí)，每一次測(cè)量的結(jié)果都不會(huì)完全相同，呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)則的隨機(jī)變化，則該誤差稱之為隨機(jī)誤差。-只能采用概率統(tǒng)計(jì)的方法予以處理，不可消除檢測(cè)量的誤差分析與數(shù)據(jù)處理（復(fù)習(xí)）誤差及誤差分類檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)：1.真值：某物理量的理論值或定義值（如光速、波長(zhǎng)、長(zhǎng)度量等）。在檢測(cè)技術(shù)中絕對(duì)的真值是不可能獲得的，但可以獲得逼近真值的測(cè)量值；2.指定值：國(guó)家或國(guó)際組織設(shè)立的各種盡可能維持不變的實(shí)物基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)原器所規(guī)定的值（如長(zhǎng)度量基準(zhǔn)等），通常是國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)；3.實(shí)用值：通過計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)傳遞的方法將指定值、基準(zhǔn)量逐級(jí)傳遞到各級(jí)計(jì)量站以及具體的檢測(cè)儀器中，各級(jí)計(jì)量站或檢測(cè)儀器在比較測(cè)量時(shí)，把上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器的量值作為近似的真值，則這些真值就叫做實(shí)用值、參考值或者傳遞值。檢測(cè)量的誤差分析與數(shù)據(jù)處理（復(fù)習(xí)）置信限與置信概率置信限：由于實(shí)際中真值是不可知的，測(cè)量值x可測(cè)，但Δx的具體值也不可能準(zhǔn)確得到，需要通過一定的方法和手段來(lái)估計(jì)Δx的大小，這種估計(jì)的誤差范圍或者誤差限稱之為置信限；置信概率：表示置信限估計(jì)準(zhǔn)確程度大小的值稱之為置信性或者置信概率。一般而言，置信限大則置信概率就高，反之亦反；在檢測(cè)過程中，多利用概率統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)隨機(jī)誤差進(jìn)行處理，以估計(jì)剩余誤差的影響。（前提是完全排除了系統(tǒng)誤差）隨機(jī)誤差的出現(xiàn)符合正態(tài)分布，即如果進(jìn)行N次等精度的測(cè)量，則各測(cè)得值出現(xiàn)的概率密度分布滿足檢測(cè)量的誤差分析與數(shù)據(jù)處理（復(fù)習(xí)）置信限與置信概率如果每個(gè)測(cè)量值x與真值μ的偏差為ξ，即真實(shí)誤差為ξ=x-μ，那么σ為正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差，即均方差對(duì)無(wú)窮多次采樣平均，對(duì)應(yīng)有1.絕對(duì)值相等的正負(fù)誤差出現(xiàn)