光电信号检测1(2012)

光电信号检测教材光电信号检测原理与技术赵远编机械工业出版社参考教材光电技术江文杰等科学出版社光电检测技术蒲昭邦机械工业出版社红外物理张建奇等西安电子科技大学出版社授课 教师 教师简历教师简历教师简历教师简历教师简历 赵远联系电话86414120(O)13904504035引言：近代科学技术的特点是对物质运动变化进行定量的描述和控制，必须对物理量进行测量直接测量：利用已有的确定标准完成，如：米尺、卡尺、千分尺间接测量：利用物理规律（物理量之间的变化规律）完成测量如：迈克尔逊干涉仪测量精度达到波长量级10-5—10-7m。光的变化光强变化（能量），偏振变化。检测光的变化当时只能依靠人眼的直接观察。电磁波谱光电子技术：光电子技术主要研究光的产生、控制、传输及其探测技术。光子技术和电子技术的结合。光的产生：激光原理光的控制、传输：激光技术光纤技术光与物质的相互作用光学材料光子学光的探测光电检测技术光电检测技术的含义：光电检测是利用光探测器件把光辐射转化成电信号，经过一系列电信号的处理，提取某些必需的信息。利用的基本原理—光电效应、光热效应光电探测系统的构成和原理光源传输路径目标及背景光电转换显示 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 计算机及信号处理1、光辐射与目标相互作用产生信息载体（信号光）2、对信号光传输变化进行控制3、光辐射（信号光）的探测过程，利用光探测器把光辐射转换为电学量4、利用电子学和计算机技术提取信息光电检测技术的主要应用范围1．辐射度量和光度量的检测（光辐射能量的检测）采用光电检测的方法来测定光度量和辐射度量。方法简便，能达到很高的精度。目前常用的这类仪器有：光强度计、光亮度计、辐射计、以及光测高温计和辐射测温仪等。2．光学材料、元件的检测光学仪器及测量技术中所涉及的材料、元件的测量，如：材料、元件的光谱特性；都需要借助于光电检测的方法来实现测量。3．非光物理量的光电检测和控制所能完成的检测对象十分广泛。包括:把非光物理量转换为光信号。再对带有待测信息的光信号进行光电检测，实现对待测非光物理量的检测。各种射线强度；各种几何量如尺度、坐标；各种机械量如重量、应力、压强、位移、速度、加速度、转速、振动、流量，以及材料的硬度和强度等参量；。光电检测技术系统的应用激光雷达，测距，定位，夜视光通信，宽带网DVD,VCD，光驱，光电隔离数码相机，公安交通监测，森林防火报警医学影像，微光电视航空、卫星遥感，深海测量傅立叶光谱，天文干涉光谱仪光电探测系统的构成和原理1．防盗报警系统光电探测系统的构成和原理2.红外测温系统光电探测系统的构成和原理3.傅立叶变换光谱议光电探测系统的构成和原理4.单脉冲激光测距雷达光电探测系统的构成和原理5.红外3D激光成像雷达光电检测系统的分类和应用范围光电系统光谱可见光光电系统红外光电系统照明被动照明系统主动照明系统功能用途光学计量测试系统光电控制系统搜索、跟踪、距离和方位的系统温差分布、热成像系统天文、医学、军事光电系统光电探测技术的发展方向3、光电检测系统的发展：在不改变被测物性质的条件下，检测非接触化，远程化。多信息量：多光谱、多变量，图像。集成化、自动化、“智能”化。1、“光子挑战电子，电子联盟光子”利用光子技术可望突破电子技术中逻辑门器件运行速度的“瓶颈效应”，可以大大提高信息处理的速度和扩大信息传输的容量。2、光电子材料的研究得到了迅速发展，特别是半导体超晶格材料和量子阱结构与器件的研究发展，使垂直腔面发射激光器得以实现。光子晶体半导体新型光子器件、有机聚合物光子晶体、光子晶体光纤和光子晶体光纤放大器均取得了一定的进展，光电探测器件向着高灵敏度和高性能方向发展，其工作波长范围也向红外、紫外方向扩展。第一章：光辐射物理第二章：光辐射探测器第三章：光辐射直接探测和外差探测第四章：光电信号的前置放大电路和滤波第五章：微弱信号检测第六章典型的光电信号检测系统《光电信号检测》课程内容(一)光辐射的度量一、辐射度量的基本物理量1）辐射能量Q以电磁波的形式发射、传输或接收的能量2)辐射能密度ω辐射场单位体积中的能量(J/m3)3）辐射功率P单位时间内发射传输接收的辐射能量(J)第一章光辐射物理基础(W)点源与扩展源当不使用光学系统时，相对观测者辐射源的最大尺寸小于观测距离十倍以内时，一般都可称为点辐射源，否则，即为扩展源。当使用光学系统时，充满光学系统视场的辐射源作扩展源处理，而未充满视场的则算作点源。立体角：半径为R的部分球面△A的边缘各点对球心连线所包围的空间4)辐射度M辐射源单位 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面积向半球空间发射的功率(W/m2)5)辐射强度I点辐射源在某方向单位立体角的辐射功率(W/Sr)6)辐射亮度L扩展源在某方向单位投影面积和单位立体角发射的辐射功率(W/m2Sr)7)辐射照度E入射到单位接收表面上的辐射功率(W/m2)光谱辐射度量和光子辐射度量光谱辐射量指定波长附近单位波长间隔内的辐射量，光子辐射量单位时间发射或接收的光量子数定义的各辐射量光度学：以“标准人眼”的视觉响应对辐射量进行度量1、人眼的视觉响应存在生理、心理影响，光度学不是客观标准2、1924年国际照明委员会，根据200多位观察者的测定，给出平均人眼对可见光的平均灵敏度，称为人眼视觉函数1）视觉函数（光效函数）V(λ)明视V(λ)，峰值波长555nm（绿光），锥体细胞的强光反应暗视V’(λ)，峰值波长505nm，杆体细胞的弱光反应2）光度的基本物理量⑴光能量Q以电磁波的形式发射、传输或接收的能量（只考虑可见光）⑵光能密度ω辐射场单位体积中的光能量流明(lm)（lm/m2)⑶光通量F单位时间内发射、传输、接收的光能量3）光度量与辐射度量间的对应关系在明视情况下，波长λ＝0.555μm的V(λ)=1.，c=683Ｌｍ/Ｗ1W辐射功率=683Lm光通量。对于λ＝0.555μm以外的光辐射1W辐射功率=683·V(λ)Lm光通量⑷面发光度（光出射度）M面光源单位表面积向半球空间发射的光通量（lm/m2)⑸光强度I点辐射源在某方向单位立体角的光通量(lm/Sr=cd)坎德拉1Candela（坎德拉）＝1流明/单位立体角，在英制cd=烛光cd是光度学的基本单位，1979年国际计量大会通过决议：“cd是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出的频率为540×1012Hz的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为（1/683）W/sr”⑺光照度E入射到单位接收表面上的光通量（lm/m2=lx)　勒克斯⑹光亮度L扩展源在某方向单位投影面积和单位立体角发射的光通量（lm/m2Sr=nt）（尼特）（三）朗伯余弦定律与小面源辐射特性1、朗伯余弦定律：辐射源（反射体）单位表面积向某一方向单位立体角发射（或反射）的辐射功率，与该方向与表面法线的余弦成正比2、朗伯辐射源的辐射亮度3、朗伯辐射源L与M的关系光电探测系统的构成和原理典型光电检测系统光源传输路径目标及背景光电转换显示记录计算机及信号处理黑体能够完全吸收入射辐射功率并具有最大辐射强度的物体，称为绝对黑体。不能完全吸收入射辐射功率的物体，称为温度辐射体，或非黑体。具有同一温度的非黑体与黑体的辐射度之比，称为物体的发射率，或称为发射本领，记为ε（T）。二、人工辐射源及目标、背景的辐射特性灰体与选择辐射体发射率不随波长变化且ε（T）<1的物体称为灰体，其发射率又叫作黑度。光谱发射率：指定波长处单位波长间隔的发射率全波发射率：包括全部波长范围的发射率半球发射率：包括整个半球空间的发射率方向发射率：对于某方位很小立体角内的发射率物体的发射率与材料的性质及表面状态有关，是物体温度、辐射波长、辐射方向的函数，发射率随波长变化的温度辐射体称为选择辐射体。二、人工辐射源及目标、背景的辐射特性（一）、人工黑体辐射特性1、黑体辐射源的用途：a、标定各种红外辐射源的辐射强度b、标定各种红外探测器的性能c、测定红外光学系统的透射比d、研究各种物质的热辐射特性e、研究大气吸收或投射性能2、黑体的性能参数：有效发射率，黑体腔工作温度3、人工黑体系列的技术指标黑体系列产品温度范围：从-50℃～3000℃其中:温度范围-50℃～100℃为低温黑体辐射远红外波段50℃～300℃为中温黑体，辐射中远红外波段1500℃～3000℃为高温黑体，带玻璃窗腔口。辐射近外波段腔口发射率已经做到0.995～0.997以上。温度分辨达到0.01℃～0.1℃，温度的稳定度＜±0.5℃/min。3、人工黑体腔体材料：石墨、陶瓷、不锈钢，具有氧化层的钢或铜等。腔壁辐射率ε〉0.84、黑体腔体形状球形，圆柱形或圆锥形。腔体有效辐射率与腔长L和腔体开口尺度2R的比值L/2R成正比。5、典型的人工黑体的结构（6）实用辐射源能斯特炽热灯,材料：氧化锆，氧化钇，氧化鈰，氧化钍温度：1700～1800K辐射波长：2～15μm电路钨丝灯碳化硅棒工作温度：1500k辐射波长：2-15μm工作温度：3300k辐射波长：0.2-2.8μm金属蒸汽灯和放电光源低压钠灯(589μm),低压汞灯（253μm）高压氙灯（二）目标辐射与背景辐射1、目标辐射目标：被系统探测、测量、定位或识别的对象。目标辐射取决于目标本身的材料、温度，表面面积、形状和表面辐射率。各类飞机、导弹、火箭、汽车等都是很重要的温度辐射源螺旋桨飞机发动机的外壳(80～300℃)排气尾管部分(650～800℃)，喷气飞机尾焰和火箭、导弹的排气喷管(温度可高达900K)。人体目标的辐射率很高。皮肤温度为32℃时大约有32％的辐射能量处在8～13μm波长，仅有1％的辐射能量处于3.2～4.8μm波段，2、背景辐射太阳辐射（～6000K黑体）λmax=480nm，天空、海面、陆地对太阳辐射的散射、反射、和他们自身的温度辐射。--主要的背景辐射目标辐射以外的辐射称为背景辐射，均具有一定的随机性与太阳相垂直的表面上的辐照度1353W/m2，太阳常数地面辐射λmax=0.5μm，λmax=10μm第三节受激辐射与激光器1）受激吸收与辐射处于低能态的原子由于受到外界光子激发并吸收光子而向高能态跃迁的过程，称为受激吸收过程。处于高能态的原子由于受到外界光子激发而向低能态跃迁而发射光子的过程，称为受激辐射过程。2）激光的形成及特点激光形成的条件⑴一定的激光物质，⑵受激吸收形成粒子数翻转：N2>N1⑶光学谐振腔----使受激辐射加强，形成激光输出。激光的特点⑴高方向性，发散角小，沿光轴方向直线传播；⑵高亮度与高功率密度⑶极高的单色性，Δν<106Hz⑷相干性非常好,τ=1/Δν.激光器的分类⑴按工作物质分类：固体激光器，气体激光器，液体激光器，半导体激光器⑵按谐振腔分类：共焦腔，平面腔，非稳定腔等⑶按泵浦分类：电、热、光、化学、核泵浦和太阳泵浦等⑷按输出特性分类：单模、多模、横模、纵模；可调谐与不可调谐波长；连续波或脉冲波工作方式等。激光器的某些特性参数高能量（高功率）——kJ,kW,MW工作方式：连续或脉冲，窄脉冲——ns,10ns高重复频率——kHz,40kHz,100kHz高稳定度（频率稳定度，功率稳定度）模式：单横模（如TEM00——基横模），多模波长：①大气窗口②安全③可调谐方向性：小发散角——mrad，通常1～3mrad；半导体激光器约几度脉冲能量：E(J)脉冲宽度：(s)峰值功率：Pm(W)脉冲能量：E(J)重复频率：f(Hz)平均功率：(W)例：常见激光器系统及其特性1）固体激光器系统以掺杂离子型绝缘晶体或玻璃体为工作物质，常见的有：红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石等，其工作方式有：单脉冲、重复脉冲、连续、调Q和锁模。红宝石激光器的结构红宝石激光器晶体中Cr3+离子的能级Al2O3（Cr3+-0.05%)红宝石激光器掺钕钇铝石榴石（Nd3+:YAG)的能级特点：阈值低，效率高，寿命长，可连续或脉冲工作。YAG激光器调QYAG固体激光器参数波长1064nm平均功率≥3W@30kHz脉冲重复频率单脉冲至100kHz偏振度>100:1,垂直脉冲宽度<15ns@30kHz长时间功率稳定性<±2%(8小时以上)脉冲稳定性<2%rms升温时间<10分钟空间模式TEM00光束直径(1/e2)0.36mm光束发散角<4.5毫弧度静态准直裕量光束位置光束角度±0.2mm±2毫弧度二极管泵浦固体激光器（DPL）产品型号波长（nm）平均功率（W）（10KHz)重复频率（KHz）光束发散角（mrad）模式脉宽（ns）稳定性（％）GYB2-05Y532305～25≤4多模≤120≤2GYL20-01Y1064205～25≤4单膜≤120≤2GYL100-01Y10641005～25≤5多模≤120≤2GYL200-01Y1064200　≤8多模　≤42）气体激光器氦氖气体激光器采用气体作激光工作物质，工作稳定，结构简单，造价低廉，使用方便。采用气体作激光工作物质，工作稳定，结构简单，造价低廉，使用方便。氦氖激光器氦氖激光器二氧化碳激光器以CO2气体为工作物质的激光器。特点：可获得大的激光功率和丰富的激光谱线，光束质量好、工作稳定。二氧化碳激光器二氧化碳激光器CO2激光器参数(G-150)氩离子激光器氩离子激光器由放电管、磁场和谐振腔组成。氩离子激光器的能级图3P44S氩离子激光器3）染料激光器以液体物质为激光介质的激光器，其突出特点是输出波长可以调谐，光束光学质量好染料分子由许多原子组成，结构复杂，常见的有若丹明、二乙基噻三碳化菁、7－羟基香豆素T0T1S1S2S0激光半导体激光器半导体激光器特点是：体积小、重量轻、结构简单，可由电源直接调制发光，具有较高的效率，缺点是发散角较大，易受温度影响，输出功率较小。红光半导体激光器近红外小功率半导体激光器近红外大功率半导体激光器光纤耦合半导体激光器高亮度光纤耦合半导体激光器大功率激光二极管列阵准连续波激光器型号LDAQ1-0808-060WLDAQ1-0808-100W单位光学参数 准连续输出功率Po60100W列阵长度L1010mm中心波长λc780nm-830nm780nm-830nm中心波长范围 ±5 ±5nm光谱宽度Δλ≤3≤3nm光发区面积80×180×1μm光发区数目100100光束发散角θ∥×θ⊥8×408×40 电学参数斜率效率Es(/bar)≥1≥1W/A阈值电流Ith≤20≤25A工作电流Io≤75≤115A工作电压Vf≤2≤2V（4）0～1MHz重复频率可调皮秒激光器系统高重复频率1060-x系列光纤激光器