光电信号检测第八章
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8 光电检测电路与信号处理
(r 0,1,2, , m)
r——间断时移值。
1 N R xy r x i yi r N i 1
用这一公式作离散相关应经过下列几个步骤： 1. 取r=0，将所有对应采样点的x（i）和y（i）相乘； 2. 将所有乘积相加； 3. 以总采样点数作平均。这样得到相关函数的一个值Rxy(0)。 4. 取r=1，将所有对应采样点的 x（i）和y（i+1）相乘，然后相加，平均得Rxy(1)。 依次取r=2，r=3，… 分别按以上步骤重复进和计算得Rxy(2)，Rxy(3)。
自相关检测框图
◆自相关函数是τ的偶函数，满足下式：
R x τ R x τ
互相关函数不是τ的偶函数，也不是奇函数，而满足下式
R xy τ R yx τ
◆当τ=0时，自相关函数具有最大值，此时能量信号 R x τ
1 功率信号 R x τ lim T T
取样积分器
取样积分器又称为Boxcar 平均器，是一种基 于自相关接收理论的弱信号检测设备
取样积分器通常有两种工作方式，即定点式和 扫描式。定点式取样积分器测量周期信号的某 一瞬态平均值；扫描式取样积分器则可以恢复 和记录被测信号波形
定点式取样积分器
定点式取样积分器及工作波形
扫描式取样积分器
扫描式取样积分器及其工作波形
2016/5/24
光电检测原理与技术--第8章 非光物理量的光电检测
1 (1 n) →0。
在有些电路中，采用两光通量比(除)的信号处理方法，那么光 源波动的影响可以完全消除。设 1 ， 1 / 2 n / 2 n 则
1' / '2 ((2 2 ) /(1 1 )) n
(8-10)
3. 单个探测器的差动测量
在光电差动测量中，精度在很大程度上取决于两光电探测器性 能上的差异，两者完全一致将十分困难。因此提出采用单光电探测 器的设想，其装置原理如图8-5所示。其通量波形图如图8-6(a)所示。 当Φ1≠Φ2时，则产生交变信号，经放大和相敏整流后输出，波形如 图8-6(b)所示，幅值的大小表示两通量的差值Φ=Φ1-Φ2，信号的正、 负表示ΔΦ的正负。
图8-8 单通道光楔补偿系统
2. 双通道光电补偿式测量
采用双光路双元件进行补偿测量时，信息光通量Φ1可由下式 导出 1S1 2 S2 K 即 式中，K为补偿系数。 这时相对误差的最大值ε为： S S K 1 1 2 2 1 S1 S2 2 K
1 (S2 / S1 )2 K
于电机连续旋转，该装置测速较快，其测速主要受人眼观察速度的
限制。
(2) 电动态补偿法 利用电信号的动态补偿法是将信号电流直接控制惯性极小的可 控阻值元件，如晶体二极管或三极管等，把它们作为补偿器来实现 电动态补偿测量。这种纯电路的处理方法可将检测速度提高很多。 这里的关键是选用可控阻值元件，通常要求其阻值与控制电流 或电压成线性关系，且稳定性好。图8-10所示是锗晶体二极管的Rf(I)曲线。由曲线可知，当电流I由0变化到I0之间，阻值变化基本呈 线性，作为可控阻值元件只应使用这一范围。
在有些电路中，采用两光通量比(除)的信号处理方法，那么光 源波动的影响可以完全消除。设 1 ， 1 / 2 n / 2 n 则
1' / '2 ((2 2 ) /(1 1 )) n
(8-10)
3. 单个探测器的差动测量
在光电差动测量中，精度在很大程度上取决于两光电探测器性 能上的差异，两者完全一致将十分困难。因此提出采用单光电探测 器的设想，其装置原理如图8-5所示。其通量波形图如图8-6(a)所示。 当Φ1≠Φ2时，则产生交变信号，经放大和相敏整流后输出，波形如 图8-6(b)所示，幅值的大小表示两通量的差值Φ=Φ1-Φ2，信号的正、 负表示ΔΦ的正负。
图8-8 单通道光楔补偿系统
2. 双通道光电补偿式测量
采用双光路双元件进行补偿测量时，信息光通量Φ1可由下式 导出 1S1 2 S2 K 即 式中，K为补偿系数。 这时相对误差的最大值ε为： S S K 1 1 2 2 1 S1 S2 2 K
1 (S2 / S1 )2 K
于电机连续旋转，该装置测速较快，其测速主要受人眼观察速度的
限制。
(2) 电动态补偿法 利用电信号的动态补偿法是将信号电流直接控制惯性极小的可 控阻值元件，如晶体二极管或三极管等，把它们作为补偿器来实现 电动态补偿测量。这种纯电路的处理方法可将检测速度提高很多。 这里的关键是选用可控阻值元件，通常要求其阻值与控制电流 或电压成线性关系，且稳定性好。图8-10所示是锗晶体二极管的Rf(I)曲线。由曲线可知，当电流I由0变化到I0之间，阻值变化基本呈 线性，作为可控阻值元件只应使用这一范围。
光电检测技术及应用第8章 外形尺寸检测201607
sin 1 sin
n
由几何关系得：BC 2K H
(K
tan
arcsin(
1 n
sin
)
cos
)
光束宽度为：
h 2K H
此光束被线阵CCD接收，输出两个携带有被测玻璃管壁
厚信息的光强脉冲信号，经电子学系统采集和数据处理后，
可以得到h的值。玻璃管壁厚为：
H h
第8章 外形尺寸检测
五、光电三维形貌检测法
第8章 外形尺寸检测
五、光电三维形貌检测法
非接触式三维测量方法很多，常用的有：激光扫描 测量、结构光扫描测量和工业CT等。大体上可以分为以 下两大类，一类是二维分析法，包括遮挡阴影法、莫尔 条纹法、聚焦法，光度法等；另一类是三维模型法，包 括飞行时间距离探测法、被动三角法和主动三角法。
第8章 外形尺寸检测
五、光电三维形貌检测法
常用的基于三角测量法的主动三维扫描技术：
点激光测量技术： 通过激光发射单点到物体表面，采用 传感器在另外一侧观测，通过每一次的测量点反映物体的三 维信息。其特点是精度较高，但测量速度慢，用于检测相比 三坐标系统要快。
第8章 外形尺寸检测
五、光电三维形貌检测法
多狭缝检测原理格栅向上秱动时通光面积增大向下秱动通光面积减小光电器件输出的光电流也随之第88章外形尺寸检测三光电扫描检测法1光学扫描法激光扫描检测系统原理图第88章外形尺寸检测三光电扫描检测法信号检出和计数过程dvt?jj2n??gj2???j4vnf?j4dnft?00ntntf??j04nfdnf?0jnfn?4dfnn?4fdnn?第88章外形尺寸检测三光电扫描检测法位秱误差分析图影响测量精度的因素?量化误差?旋转棱镜8面体的几何形状误差?工件在秱动过程中迚行检测时带来的位秱误差?扫描轴线不工件轴线丌垂直误差?随机误差扫描面不工件轴线丌垂直误差cos1cosdddd???????i0avddfxv???扫第88章外形尺寸检测三光电扫描检测法2电扫描法?真空摄像管检测法摄像管检测装置的示意图第88章外形尺寸检测三光电扫描检测法设扫描电子束每扫一行的有效距离为l定时器所计一行的脉冲数为n则每一脉冲的当量即量化单位
第8章 光电信号的最佳检测
第8章 光电信号的最佳检测
ˆ 定理：X的最小方差估计 X MV ( Z ) 是在测量矢量为Z
的条件下， X的条件数学期望， 即
ˆ X MV (Z ) E( X | Z )
其中：
(8.1 - 11)
E( X | Z )
x1 f ( x1 | Z1 , Z 2 ,, Z m )dx1
f ( z | x) |x xML max ˆ
(8.1 - 24)
f ( z | x ) |x xML 0 ˆ x ln f ( z | x ) |x xML 0 ˆ x
(8.1 - 25)
(8.1 - 26)
第8章 光电信号的最佳检测
8.1.5 线性最小方差估计
定义：设X为被估计量， Z是X的观测值， 如果
ˆ xx
(8.1 - 41) (8.1 - 42)
T T ˆk ( H k H k ) 1 H k Z k x
第8章 光电信号的最佳检测
Z Z1 Z2 Z3 Z4
Zk
O
t1
t2
t3
t4
tk
t
图 8.1 - 2 曲线拟合
第8章 光电信号的最佳检测
例 8 - 3 (曲线拟合)为要根据测量结果， 估计出Z 与t的关系， 进行k次独立测量， 得到k个测量点(t1, Z1), (t2, Z2), …, (tn, Zn), 如图8.1 - 2所示。 由于测量误差， 测 量点(ti, Zi)不一定在曲线Z(t)上， 现在要用曲线 Z(t)=a0+a1t+a2t2+…+antn
光电技术第8章非相干光变换2
从原则上讲，用通频带很窄的滤波器也可从噪声 中提取信号。但滤波器的中心频率必须调在信号频率 上。对于周期不固定或者频率不能作到绝对恒定的信 号，滤波器的频带不能过窄，因此信噪比的改善不可 能很大。相关检测器相当于一个跟踪滤波器，因而没 有这方面的限制。
信号的相关性用相关函数来描述，它代表线性相 关的度量，是随机过程在两个不同时间相关性的一个 重要统计参量。
如果两个变化量是具有相同基波频率的周期函数， 则它们的互相关函数将保存它们的基波频率以及两 者所共有的谐波。互相关函数中基波及谐波的相位 为两个原函数的相位差。
二、相关检测
相关检测的实质就是利用信号有良好的时间相 关性和噪声的不相关性（或在短时间内部分相关）， 使信号进行积累而噪声不积累的原理，从而把被噪 声淹没的信号提取出来。相关检测分为自相关检测 和互相关检测。
即使是对较强的光信号，为提高信号的抗干扰能 力，实现精确的检测，也都需要有从噪声中提取、恢 复和增强被测信号的技术措施。
理想的微弱光信号检测后置处理器的构成要根
据信号最佳检测的某一判据进行原理设计，根据最 佳检测理论派生出的信号相关检测和积累接收技术 以及光子计数检测技术。
第1节 相关检测原理
利用信号在时间上相关这一特性可把深埋于噪声 中的周期信号提取出来，这种提取方法称为相关检测 或相关接收，是微弱信号检测的基础。
一、 相关函数
信号的相关性用相关函数来描述，它代表线性相 关的度量，是随机过程在两个不同时间相关性的一个 重要统计参量。
如果两个变化量是具有相同基波频率的周期函数， 则它们的互相关函数将保存它们的基波频率以及两 者所共有的谐波。互相关函数中基波及谐波的相位 为两个原函数的相位差。
二、相关检测
相关检测的实质就是利用信号有良好的时间相 关性和噪声的不相关性（或在短时间内部分相关）， 使信号进行积累而噪声不积累的原理，从而把被噪 声淹没的信号提取出来。相关检测分为自相关检测 和互相关检测。
即使是对较强的光信号，为提高信号的抗干扰能 力，实现精确的检测，也都需要有从噪声中提取、恢 复和增强被测信号的技术措施。
理想的微弱光信号检测后置处理器的构成要根
据信号最佳检测的某一判据进行原理设计，根据最 佳检测理论派生出的信号相关检测和积累接收技术 以及光子计数检测技术。
第1节 相关检测原理
利用信号在时间上相关这一特性可把深埋于噪声 中的周期信号提取出来，这种提取方法称为相关检测 或相关接收，是微弱信号检测的基础。
一、 相关函数
光电检测原理与技术--第8章 非光物理量的光电检测
第8章 非光物理量的光电检测
本章的主要内容
8.1 光强型光电检测系统 8.2 脉冲型光电检测系统 8.3 相位型和频率型光电检测系统 8.4 利用物理光学原理的光电检测系统 8.5 其它光电检测系统
8.1 光强型光电检测系统
本节主要包括以下几部分内容： 8.1.1 直接测量法 8.1.2 差动测量法 8.1.3 补偿测量法 8.1.4 补偿式轴径检测装置 8.1.5 利用比较法检测透明薄膜的厚度 8.1.6 利用 射线测量块规厚度的装置 利用α射线测量块规厚度的装置 8.1.7 圆形物体偏心度的光电检测 8.1.8 利用补偿法测量线材直径 8.1.9 对圆柱形零件的外观检查
8.1.1 直接测量法 1. 直接测量法原理
将携带被检测物理量信息的光 量，投射到光电探测器上转换为电 信号，经放大后由检测机构直接读 出待测量。 图8-l所示为采用微安表 直接读出入射到光电探测器GD上 的光通量。
图8-1 直接测量电路 Rｗ为校正电阻，用以校正回路的灵敏度。µA表为读出机构。 当探测器处于线性工作区中，则有
n = 60 f / m
(8-17)
8.2.6 利用脉冲持续时间测定零件尺寸
脉冲法测来自百度文库轴径的原理如图8-26所示。
图8-26 脉冲法测定轴直径原理 脉宽的脉冲计数原理如图8-27所示。
图8-27 脉宽的脉冲计数原理
如图8-28所示是利用光电方法在匀速运动速度为v的传送带上 测定零件长度的方法。通过测定光电探测器产个暗脉冲的持续时 间t，测定零件的长度l。其关系为 L = vt 。
本章的主要内容
8.1 光强型光电检测系统 8.2 脉冲型光电检测系统 8.3 相位型和频率型光电检测系统 8.4 利用物理光学原理的光电检测系统 8.5 其它光电检测系统
8.1 光强型光电检测系统
本节主要包括以下几部分内容： 8.1.1 直接测量法 8.1.2 差动测量法 8.1.3 补偿测量法 8.1.4 补偿式轴径检测装置 8.1.5 利用比较法检测透明薄膜的厚度 8.1.6 利用 射线测量块规厚度的装置 利用α射线测量块规厚度的装置 8.1.7 圆形物体偏心度的光电检测 8.1.8 利用补偿法测量线材直径 8.1.9 对圆柱形零件的外观检查
8.1.1 直接测量法 1. 直接测量法原理
将携带被检测物理量信息的光 量，投射到光电探测器上转换为电 信号，经放大后由检测机构直接读 出待测量。 图8-l所示为采用微安表 直接读出入射到光电探测器GD上 的光通量。
图8-1 直接测量电路 Rｗ为校正电阻，用以校正回路的灵敏度。µA表为读出机构。 当探测器处于线性工作区中，则有
n = 60 f / m
(8-17)
8.2.6 利用脉冲持续时间测定零件尺寸
脉冲法测来自百度文库轴径的原理如图8-26所示。
图8-26 脉冲法测定轴直径原理 脉宽的脉冲计数原理如图8-27所示。
图8-27 脉宽的脉冲计数原理
如图8-28所示是利用光电方法在匀速运动速度为v的传送带上 测定零件长度的方法。通过测定光电探测器产个暗脉冲的持续时 间t，测定零件的长度l。其关系为 L = vt 。
第8章 光电检测
8.2 光电耦合器件
光电耦合器件（光耦）是以光为媒介传输电信 号的一种电-光-电转换器件。它由发光源和受 光器两部分组成。把发光源和受光器组装在不 透光密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。 8.2.1 光电耦合器件的结构和原理
塑料密封型和金属密封型：
8.2 光电耦合器件
8.2.2 光电耦合器件的组合形式（集成化）
电阻两端输出电压，或串毫安表测电流。
8.1 光电效应及光电器件
光敏晶体管的符号及接线法如图示。 光敏晶体管比光敏二极管具有更高的灵敏度。
PNP型光敏晶体管?
8.1 光电效应及光电器件
光敏管（白光）
光敏管
发射管
接收头
光敏管对光谱响应有选 择性，通常发射管与接 收管配对使用！
8.1 光电效应及光电器件
8.1 光电效应及光电器件
LED的光谱特性
GaP λp=565nm 1.0 GaAsP λp=670nm GaAs λp=950nm
相 对 0.8 灵 敏 0.6 度 0.4
0.2 0
GaAsP λp=655nm
600
700
800
900
1000 λ/nm
8.1 光电效应及光电器件
4、激光器
激光具有高方向性、高单色性、高亮度的重要特性。 波长从240nm至远红外。 激光器按工作物质分类：固体激光器、气体激光器、 半导体激光器和液体激光器。 固体激光器：如红宝石激光器、钕玻璃激光器等。小 而坚固，功率大。钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率 最大的器件，可到几十太瓦（TW, 1012W）。利用阿 波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器曾成功地用于 地球到月球距离测量。
付小宁版“光电检测技术与系统”第八章光纤探测技术与系统
（1）光纤连接损耗 在光纤连接器和固定接头中，功率 损耗可分成两类：固有损耗和附加 损耗。
阶跃折射率光纤的端面间隙将引起 附加损耗，端面间隙对耦合损耗的 影响也与数值孔径有关。数值孔径 越大，未入射到接收光纤纤芯中的 光所占的百分比越大。对光纤传感 器使用的光纤，NA大多接近于 0.15。10%的纤芯直径偏差只产 生0.2dB的损耗。而纤芯直径一半 的端面间隙将产生0.7dB左右的耦 合损耗。如果是固定接头，则不存 在这种损耗。
光纤
SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM
分类
FF FF FF FF FF
强度调制 光纤 传感器
偏振调制 光纤 传感器
频率调制 光纤 传感器
遮光板遮断光路 半导体透射率的变化 荧光辐射、黑体辐射 光纤微弯损耗 振动膜或液晶的反射 气体分子吸收 光纤漏泄膜
法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 光弹效应
2 耦合器的基本工作原理 耦合器的工作原理可由模式耦合理论来说明（单模光纤），也可由光 纤的弯曲损耗理论来分析（多模光纤）。
2020/5/28
13
3 耦合器性能参数及制备方法
耦合器的性能可从以下几个方面来描述。
（1）耦合比：表示由输入信道i耦合到指定输出信道j的功率大小，定
义为输出信道功率 Pj 与输入功率 Pi 之比
温度、振动、压力、加速度、位移 温度 温度 振动、压力、加速度、位移 振动、压力、位移 气体浓度 液位
光电检测技术—第八章
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第八章相干检测方法与系统
第八章相干检测方法与系统
掌握内容
–相干检测系统
理解内容
–形成各光电检测系统的方法
了解内容
–各光电系统的运用
第八章相干检测方法与系统
8.1 相干检测的基本原理 8.2 基本干涉系统及应用 8.3 同频率相干信号的相位调制与检测方法 8.4 光外差检测方法与系统
8.1 相干检测的基本原理
相干检测就是利用光的相干性对光载波所携带的信息信号进行检测和处理，它只有采用相干性好的激光器作为光源才能实现。从理论上讲，相干检测能准确检测到光波振幅、频率和相位所携带的信息。
8.1 相干检测的基本原理
但由于光波的频率很高，迄今为止的任何光电探测器都还不能直接感受光波本身的振幅、相位、频率及偏振的变化，而只能探测光的强度。因此，光的这些特征参量最终都须转换为光强的变化进行探测。而这种转换就必须通过干涉测量技术。
8.1 相干检测的基本原理
（一）光学干涉和干涉测量
–光干涉是指可能相干的两束或多束光波相叠加，它们的合成信号的光强度随时间或空间有规律的变化。–干涉测量的作用就是把光波的相位关系或频率状态以及它们随时间的变化关系以光强度的空间分布或随时间变化的形式检测出来。
8.1 相干检测的基本原理
–干涉条纹的强度信息和被测量的相关参数相对应。对干涉条纹进行计数或对条纹形状进行分析处理，可以得到相应的被测信息。
8.1 相干检测的基本原理
（二）干涉测量技术中的调制和解调
–干涉测量实质是被测信息对光载波的调制和解调的过程。–各种类型的干涉仪或干涉装置是光频载波的调制器和解调器。–幅值调制、相位调制、频率调制、偏振调制、光波谱调制。
《光电测量技术》(第八章)
一、相干光信息及光干涉原理 光干涉是指可能相干的两束或多束光波 相重叠，它们的合成光波随其空间相位 关系表现出不同的光强空间分布或时序 变化的现象
4
光电信息测控技术与装备研究所
第一节 相干变换与检测原理
以两束光干涉为例
1）当两束光频率相同时
1 2 , 0
I x,y A x, y 1+r x,y cos x, y
41
光电信息测控技术与装备研究所
条纹比较法波长测量原理图
3）干涉条纹跟踪测量法
光电检测器 放大器 控制器
该方法是一种平衡测 量法（与零位指示法 相似）
光电信息测控技术与装备研究所
α增大，使相干度下降；α小，入射光的平行性好，相干度上升
35
③光电接收元件的接收孔阑的影响
l
h
若干涉条纹间距为D，则沿x方 向的条纹光强分布为
D x x0
2 I x a a 2a1a2 cos x D
2 1 2 2
36 光电信息测控技术与装备研究所
为上述目的在干涉仪中采取的相应技术措施， 称为保证空间相干性
21
光电信息测控技术与装备研究所
第二节 相干光的相位调制和检测
一、单频光相位调制和条纹检测
1、单频光的相位调制
4
光电信息测控技术与装备研究所
第一节 相干变换与检测原理
以两束光干涉为例
1）当两束光频率相同时
1 2 , 0
I x,y A x, y 1+r x,y cos x, y
41
光电信息测控技术与装备研究所
条纹比较法波长测量原理图
3）干涉条纹跟踪测量法
光电检测器 放大器 控制器
该方法是一种平衡测 量法（与零位指示法 相似）
光电信息测控技术与装备研究所
α增大，使相干度下降；α小，入射光的平行性好，相干度上升
35
③光电接收元件的接收孔阑的影响
l
h
若干涉条纹间距为D，则沿x方 向的条纹光强分布为
D x x0
2 I x a a 2a1a2 cos x D
2 1 2 2
36 光电信息测控技术与装备研究所
为上述目的在干涉仪中采取的相应技术措施， 称为保证空间相干性
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第二节 相干光的相位调制和检测
一、单频光相位调制和条纹检测
1、单频光的相位调制
光电检测 第八章 固体成像器件
第 八 章 固 体 成 像 器 件
——在摄像应用中用光注入的斱式。
——在滤波、延迟线和存储器应用情冴下用
电注入的斱法;
返回
8.1
电荷耦合器件
光注入
这是摄像器件采叏的唯一的注入斱法。 当先照射到CCD硅片上时,在栅极附近的半寻体 体内产生电子-空穴对,多数载流子被栅极电压排斥, 少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。当辒 入栅开启后,第一个转秱栅上加以时钟电压时,这些代
返回 第 八 章 固 体 成 像 器 件
8.1
电荷耦合器件
电荷耦合原理与电极结构 1.电荷存储
2.电荷耦合
3.CCD电极结构形式
第 八 章 固 体 成 像 器 件
返回
8.1
电荷耦合器件
1.电荷存储
构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧
化物-半寻体)结构。如图(a)所示。当
栅极斲加正电压UG(此时UG小于等于
第 八 章 固 体 成 像 器 件
因此N型CCD比P型CCD的工作频率高徆多。
返回
8.1
电荷耦合器件
3.CCD电极结构形式
仍上面分析可知,CCD中电荷的存储和传辒是
通过改发各电极上所加电压实现的。如果按照加在
电极上的脉冲电压相数来分, 常见的CCD电极的结
构包括：二相、三相、四相等结构形式。它们都必
向向前连续运动。
——在摄像应用中用光注入的斱式。
——在滤波、延迟线和存储器应用情冴下用
电注入的斱法;
返回
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电荷耦合器件
光注入
这是摄像器件采叏的唯一的注入斱法。 当先照射到CCD硅片上时,在栅极附近的半寻体 体内产生电子-空穴对,多数载流子被栅极电压排斥, 少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。当辒 入栅开启后,第一个转秱栅上加以时钟电压时,这些代
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8.1
电荷耦合器件
电荷耦合原理与电极结构 1.电荷存储
2.电荷耦合
3.CCD电极结构形式
第 八 章 固 体 成 像 器 件
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8.1
电荷耦合器件
1.电荷存储
构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧
化物-半寻体)结构。如图(a)所示。当
栅极斲加正电压UG(此时UG小于等于
第 八 章 固 体 成 像 器 件
因此N型CCD比P型CCD的工作频率高徆多。
返回
8.1
电荷耦合器件
3.CCD电极结构形式
仍上面分析可知,CCD中电荷的存储和传辒是
通过改发各电极上所加电压实现的。如果按照加在
电极上的脉冲电压相数来分, 常见的CCD电极的结
构包括：二相、三相、四相等结构形式。它们都必
向向前连续运动。
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11
信息光电子研究所 Information optoelectronics research
线阵CCD的驱动器除产生CCD所 需要的各种驱动脉冲以外，还要 产生行同步控制脉冲fc和用做二 值化计数的输入脉冲（或主脉冲） fM，并要求fc上升沿对应于CCD 输出信号的第一个有效像素单元。 fM脉冲的频率是复位脉冲RS频率 的整数倍，或为CCD的采样脉冲。
13
信息光电子研究所 Information optoelectronics research
8.1.3光电信号二值化数据采集与接口
SH fc
CCD视频信号 二值化输出
阈值电平
N1
N2
图8-10边沿送数法二值化数据采集电路工作波形 在这种方式下计数器在fc高电平期间计下CCD输出的像元位置序号。另外， CCD输出的载有被测物体直径像的视频信号经过二值化处理电路产生被测 信号的方波脉冲，其前、后边沿分别对应于线阵CCD的两个位置。将该方 波脉冲分别送给两个边沿信号产生电路，产生两个上升沿，分别对应于方 波脉冲的前、后边沿，即线阵CCD的两个边界点。用这两个边沿脉冲的上 升沿锁存二进制计数器在上升沿时刻所计得数值N1和N2，则N1为二值化 方波前沿时刻所对应的像元位置值，N2为后沿所对应的像元位置值。在行 周期结束时，计算机软件分别将N1和N2的值通过数据总线DB存入计算机 内存，便可获得二值化方波脉冲的宽度信息与被测图像在线阵CCD像敏面 上的位置信息。 信息光电子研究所
第8章 光电信号的数据采集与微机 接口
王静
信息光电子研究所 Information optoeleБайду номын сангаасtronics research
8.1光电信号的二值化处理
光电信号的二值处理：将光电信号转换成计算机能识别的“0” 或“1”数字信号的过程。
8.1.1单元光电信号的二值化处理
单元光电信号：由一个或几个光电转换器件构成的光电转换 电路所产生的独立信号称为单元光电信号。
8.1.3光电信号二值化数据采集与接口
显示器 延时电路 二值化信号 与门
CK锁存器
fM
计数器
fc
图8-7硬件二值化数据采集原理 框图 •CCD的视频信号经二值化处理电路产生的方波脉冲，加到与门 电路的输入端，控制输入脉冲fM是否能够送到二进制计数器的 计数输入端。用fc的低电平作为计数器的复位脉冲。锁存器的 触发输入端CK直接接在二值化输出信号后沿触发的送数脉冲电 路（延时电路）的输出端上，多存起的输出经数据总线送至计 算机。
4
信息光电子研究所 Information optoelectronics research
8.1.1单元光电信号的二值化处理
例2、切钢板时，当被 照光电池刚好被遮挡一半时， 切刀落下，将钢 板切下，这需要对单元 光电信号进行二值化处 理，给出0，1信号。在 考虑到光源发光强度的 稳定度直接影响测量误 差时，就要考虑用浮动 阈值法。
Information optoelectronics research
14
线阵CCD在对物体外形尺寸、位置、振动等的测量应用中常采用二值化 处理方法。
1、硬件二值化数据采集电路
硬件二值化数据采集电路由与门电路、二进制计数器、锁存器和显示器 等硬件逻辑电路构成。 电路原理方框图如图8-7所示，，工作波形如图8-8所示。
10
信息光电子研究所 Information optoelectronics research
例：光学系统把被测对象成像在CCD光敏件上，由于被测物与 背景在光强上强烈变化，反映在CCD视频信号中所对应的图像 尺寸边界处会有明显的急剧的电平变化。通过二值化处理会 把CCD视频信号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值电平。
实现CCD视频信号二值化处理方法很多，可以用电压比较器进 行固定阈值或浮动阈值处理方法，也可以采用微分法等进行 二值化处理方法。
2、浮动阈值法二值化处理电路 图8-4为阈值电压随光源浮动的二值电路。图中的阈值电 压为从光源分得一部分光加到光电二极管上。光电二极 管在适当的偏置下输出与光源的发光强度呈线性变化的 电压信号。用这个电压信号作为阈值，即可得到随发光 强度浮动的阈值Uth。将Uth加到电压比较器的“—”输入端， 将检测信号的输出加到电压比较器的正输入端，在输出 端所得到的信号U。即为随发光强度浮动的二值化信号。
R2 Ui R1 +5V Uth Rp + A _ U。
优点：电路简单、可靠； 缺点：受光源的不稳定影响 大，需要稳定光源，或在要 求控制精度较低的场合应用。
6
信息光电子研究所 Information optoelectronics research
图8-3固定阈值法二值化处理电路
8.1.1单元光电信号的二值化处理
图8-5浮动阈值的二值化电路 CCD视频输出的脉冲调制信号经过低通 视频信号 微分I 绝对值 微分II
O
O O O O
A
A'
t t t t t t
过零触发
二值化信 O 号
9
信息光电子研究所 图8-6电路工作波形 Information optoelectronics research
8.1.3光电信号二值化数据采集与接口
8
信息光电子研究所 Information optoelectronics research
8.1.2视频信号的二值化处理
CCD 视频信号 低通滤波 微分II
微分 I 过零触发
绝对值
二值化
滤波后变成连续信号，再通过微分I电路， 输出视频信号的变化率，信号电压的最 大值对应视频信号边界过渡区变化率最 大点A及A‘。微分I电路对应视频信号的 上升边与下降边输出了两个极性相反的 信号，经过绝对值电路将微分I电路输出 的信号转变成同级性。信号的最大值对 应边界特征点。信号通过微分II电路后， 获得对应最大绝对值处的过零信号，再 经过过零触发电路后，输出了两个过零 信号，它们就是视频信号起初边界的特 征信息。计算连个脉冲的间隔，可获得 图像的二值化宽度。
S2
S3
图8-1运动机件的控制
3
8.1.1单元光电信号的二值化处理
需要在S、A、B三个点设置三个光电转换器，从 而得到三个单元信号。根据控制的要求，只需要 给出机件是否到达A、B 、 S点，即A、B 、 S点的 光信号输出时0还是1的问题，计算机可根据0，1 的变化时间判断出方向，决定发出的控制（速 度）。这是一个简单的单元光电信号的二值化处 理问题。可用固定阈值法进行二值化处理。
2
信息光电子研究所 Information optoelectronics research
8.1.1单元光电信号的二值化处理
例1、运动机件的控制：
运动过程： S
V1高速
V2低速
A
V2低速 V1高速
B
D1 S V1 A
D2 B V2
D3
V1
S1
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SP fc 二值化 fM 锁存CK
图8-8硬件二值化数据采集电路工作波形
•适用于在一个行周期内只有一个二值化脉冲情况，只能采集二值 化脉冲宽度或被测物体的尺寸而无法检测被测物体在视场中的位置。
12
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8.1.3光电信号二值化数据采集与接口
2、边沿送数法二值化数据电路
数据总线DB
CCD 视频信号
反相器 二值化电路
锁存器1 fM fc
锁存器2
计数器
图8-9边沿送数法二值化数据采集电路原理方框图 •由线阵CCD行同步脉冲fc控制的二进制计数器计得每行的标准脉冲fM(可以 是CCD的复位脉冲RS或像元采样脉冲SP)数。当标准脉冲为CCD的复位脉 冲RS或像元采样脉冲SP时，计数器某时刻的计数值为线阵CCD在此刻输 出像敏单元的位置序号，若将此刻的数值用边沿锁存器锁存，那么边沿锁 存器就能够将CCD某特征像元的位置输出，并存储起来。
8.1.3光电信号二值化数据采集与接口
图8-8中fc的低电平使计数器清“0”；它在变成高电平以后， 计数器可进行计数工作。 •主时钟脉冲fM的频率是采样 脉冲SP或抚慰脉冲RS频率的 整数(N)倍，而SP或RS脉冲周 期恰为CCD输出1个像元周期 的1/ N。方波脉宽中的fM脉冲 数为方波范围内像敏单元的N 倍。可见，采用高于采样脉冲 SP频率N倍的主时钟fM为计数 脉冲，能够获得细分像敏单元 的效果，使测量的精度更高。
Vcc Ui Rp R1 R2 + A _
U。
Uth
光电检测系统 的精度不受光 源的稳定性影 响情况下适用
7
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图8-4浮动阈值的二值化处理电路
8.1.2视频信号的二值化处理
二值化处理是把图像和背景作为分离的二值图像对待。
光电器件
成像物镜
被测钢板边缘
图8-2钢板边缘位置光电检测
5
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8.1.1单元光电信号的二值化处理
1、固定阈值法二值化处理电路
图8-3为典型固定阈值法二值化处理电路。图中电压比较 器的“—”输入端接能够调整的固定电位Uth。由电压比较 器的特性可知，当输入的光电信号值使同相输入的电压 U+高于固定电位Uth时，比较器输出高电平，即为1；当 U+低于Uth时，不管其值如何接近于Uth，其输出都为低电 平，即为0。
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线阵CCD的驱动器除产生CCD所 需要的各种驱动脉冲以外，还要 产生行同步控制脉冲fc和用做二 值化计数的输入脉冲（或主脉冲） fM，并要求fc上升沿对应于CCD 输出信号的第一个有效像素单元。 fM脉冲的频率是复位脉冲RS频率 的整数倍，或为CCD的采样脉冲。
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8.1.3光电信号二值化数据采集与接口
SH fc
CCD视频信号 二值化输出
阈值电平
N1
N2
图8-10边沿送数法二值化数据采集电路工作波形 在这种方式下计数器在fc高电平期间计下CCD输出的像元位置序号。另外， CCD输出的载有被测物体直径像的视频信号经过二值化处理电路产生被测 信号的方波脉冲，其前、后边沿分别对应于线阵CCD的两个位置。将该方 波脉冲分别送给两个边沿信号产生电路，产生两个上升沿，分别对应于方 波脉冲的前、后边沿，即线阵CCD的两个边界点。用这两个边沿脉冲的上 升沿锁存二进制计数器在上升沿时刻所计得数值N1和N2，则N1为二值化 方波前沿时刻所对应的像元位置值，N2为后沿所对应的像元位置值。在行 周期结束时，计算机软件分别将N1和N2的值通过数据总线DB存入计算机 内存，便可获得二值化方波脉冲的宽度信息与被测图像在线阵CCD像敏面 上的位置信息。 信息光电子研究所
第8章 光电信号的数据采集与微机 接口
王静
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8.1光电信号的二值化处理
光电信号的二值处理：将光电信号转换成计算机能识别的“0” 或“1”数字信号的过程。
8.1.1单元光电信号的二值化处理
单元光电信号：由一个或几个光电转换器件构成的光电转换 电路所产生的独立信号称为单元光电信号。
8.1.3光电信号二值化数据采集与接口
显示器 延时电路 二值化信号 与门
CK锁存器
fM
计数器
fc
图8-7硬件二值化数据采集原理 框图 •CCD的视频信号经二值化处理电路产生的方波脉冲，加到与门 电路的输入端，控制输入脉冲fM是否能够送到二进制计数器的 计数输入端。用fc的低电平作为计数器的复位脉冲。锁存器的 触发输入端CK直接接在二值化输出信号后沿触发的送数脉冲电 路（延时电路）的输出端上，多存起的输出经数据总线送至计 算机。
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8.1.1单元光电信号的二值化处理
例2、切钢板时，当被 照光电池刚好被遮挡一半时， 切刀落下，将钢 板切下，这需要对单元 光电信号进行二值化处 理，给出0，1信号。在 考虑到光源发光强度的 稳定度直接影响测量误 差时，就要考虑用浮动 阈值法。
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线阵CCD在对物体外形尺寸、位置、振动等的测量应用中常采用二值化 处理方法。
1、硬件二值化数据采集电路
硬件二值化数据采集电路由与门电路、二进制计数器、锁存器和显示器 等硬件逻辑电路构成。 电路原理方框图如图8-7所示，，工作波形如图8-8所示。
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例：光学系统把被测对象成像在CCD光敏件上，由于被测物与 背景在光强上强烈变化，反映在CCD视频信号中所对应的图像 尺寸边界处会有明显的急剧的电平变化。通过二值化处理会 把CCD视频信号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值电平。
实现CCD视频信号二值化处理方法很多，可以用电压比较器进 行固定阈值或浮动阈值处理方法，也可以采用微分法等进行 二值化处理方法。
2、浮动阈值法二值化处理电路 图8-4为阈值电压随光源浮动的二值电路。图中的阈值电 压为从光源分得一部分光加到光电二极管上。光电二极 管在适当的偏置下输出与光源的发光强度呈线性变化的 电压信号。用这个电压信号作为阈值，即可得到随发光 强度浮动的阈值Uth。将Uth加到电压比较器的“—”输入端， 将检测信号的输出加到电压比较器的正输入端，在输出 端所得到的信号U。即为随发光强度浮动的二值化信号。
R2 Ui R1 +5V Uth Rp + A _ U。
优点：电路简单、可靠； 缺点：受光源的不稳定影响 大，需要稳定光源，或在要 求控制精度较低的场合应用。
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图8-3固定阈值法二值化处理电路
8.1.1单元光电信号的二值化处理
图8-5浮动阈值的二值化电路 CCD视频输出的脉冲调制信号经过低通 视频信号 微分I 绝对值 微分II
O
O O O O
A
A'
t t t t t t
过零触发
二值化信 O 号
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信息光电子研究所 图8-6电路工作波形 Information optoelectronics research
8.1.3光电信号二值化数据采集与接口
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8.1.2视频信号的二值化处理
CCD 视频信号 低通滤波 微分II
微分 I 过零触发
绝对值
二值化
滤波后变成连续信号，再通过微分I电路， 输出视频信号的变化率，信号电压的最 大值对应视频信号边界过渡区变化率最 大点A及A‘。微分I电路对应视频信号的 上升边与下降边输出了两个极性相反的 信号，经过绝对值电路将微分I电路输出 的信号转变成同级性。信号的最大值对 应边界特征点。信号通过微分II电路后， 获得对应最大绝对值处的过零信号，再 经过过零触发电路后，输出了两个过零 信号，它们就是视频信号起初边界的特 征信息。计算连个脉冲的间隔，可获得 图像的二值化宽度。
S2
S3
图8-1运动机件的控制
3
8.1.1单元光电信号的二值化处理
需要在S、A、B三个点设置三个光电转换器，从 而得到三个单元信号。根据控制的要求，只需要 给出机件是否到达A、B 、 S点，即A、B 、 S点的 光信号输出时0还是1的问题，计算机可根据0，1 的变化时间判断出方向，决定发出的控制（速 度）。这是一个简单的单元光电信号的二值化处 理问题。可用固定阈值法进行二值化处理。
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信息光电子研究所 Information optoelectronics research
8.1.1单元光电信号的二值化处理
例1、运动机件的控制：
运动过程： S
V1高速
V2低速
A
V2低速 V1高速
B
D1 S V1 A
D2 B V2
D3
V1
S1
信息光电子研究所 Information optoelectronics research
SP fc 二值化 fM 锁存CK
图8-8硬件二值化数据采集电路工作波形
•适用于在一个行周期内只有一个二值化脉冲情况，只能采集二值 化脉冲宽度或被测物体的尺寸而无法检测被测物体在视场中的位置。
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信息光电子研究所 Information optoelectronics research
8.1.3光电信号二值化数据采集与接口
2、边沿送数法二值化数据电路
数据总线DB
CCD 视频信号
反相器 二值化电路
锁存器1 fM fc
锁存器2
计数器
图8-9边沿送数法二值化数据采集电路原理方框图 •由线阵CCD行同步脉冲fc控制的二进制计数器计得每行的标准脉冲fM(可以 是CCD的复位脉冲RS或像元采样脉冲SP)数。当标准脉冲为CCD的复位脉 冲RS或像元采样脉冲SP时，计数器某时刻的计数值为线阵CCD在此刻输 出像敏单元的位置序号，若将此刻的数值用边沿锁存器锁存，那么边沿锁 存器就能够将CCD某特征像元的位置输出，并存储起来。
8.1.3光电信号二值化数据采集与接口
图8-8中fc的低电平使计数器清“0”；它在变成高电平以后， 计数器可进行计数工作。 •主时钟脉冲fM的频率是采样 脉冲SP或抚慰脉冲RS频率的 整数(N)倍，而SP或RS脉冲周 期恰为CCD输出1个像元周期 的1/ N。方波脉宽中的fM脉冲 数为方波范围内像敏单元的N 倍。可见，采用高于采样脉冲 SP频率N倍的主时钟fM为计数 脉冲，能够获得细分像敏单元 的效果，使测量的精度更高。
Vcc Ui Rp R1 R2 + A _
U。
Uth
光电检测系统 的精度不受光 源的稳定性影 响情况下适用
7
信息光电子研究所 Information optoelectronics research
图8-4浮动阈值的二值化处理电路
8.1.2视频信号的二值化处理
二值化处理是把图像和背景作为分离的二值图像对待。
光电器件
成像物镜
被测钢板边缘
图8-2钢板边缘位置光电检测
5
信息光电子研究所 Information optoelectronics research
8.1.1单元光电信号的二值化处理
1、固定阈值法二值化处理电路
图8-3为典型固定阈值法二值化处理电路。图中电压比较 器的“—”输入端接能够调整的固定电位Uth。由电压比较 器的特性可知，当输入的光电信号值使同相输入的电压 U+高于固定电位Uth时，比较器输出高电平，即为1；当 U+低于Uth时，不管其值如何接近于Uth，其输出都为低电 平，即为0。