《光电测量技术》(第七章)解读
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量以确定目标物的存在。
为了克服直流放大器中零点漂移和环境 温度的影响，以及减少背景辐射的噪声 干扰——常采用光学调制技术或电子斩 波器调制，通过滤波器可提高信噪比。
9
光电变换的基本形式
1)被测对象为辐射源的形式
设物体全辐射通量密度 M T 4
ε—发射率；σ—波尔兹曼常数；T—绝对温度
在近距离测量时，前置放大器输出电压信号 （不计大气吸收）
检测器件输出的电流为
iS
1 A2
2
A2 X t
若光电检测器输出端由隔离直流的电容，则只有 第二项输出——这就是包络检测的意思
22
光电检测系统（非相干）的基本特性
1、检测系统的信噪比
设入射到检测器的信号光功率为PS 设入射到检测器的噪声功率为Pn 检测器输出的信号电功率为P0 检测器输出的噪声功率为Pn0
A b l
变换器输出位移量的信号电压为：
U0 E A R EbRl
16
光电变换的基本形式
5)被测对象经光信息量化的形式
光 学 变
换
光源
光电器件
信息
17
光电变换的基本形式
6)光传输信息的形式
调制器 信息
解调器 信息
18
第二节 光电直接检测系统的基本工作原理
检测系统可经光学变换或直接由检测器接收被 测信号
在其前端还可经过频率滤波（如滤光片）和空 间滤波（如光阑）等处理
此时光学变换也接收到背景辐射，并与信号一 起入射到检测器的光敏面上
19
假定入射的信号光强为 ES t Acost
A—信号光强振幅 ω— 信号光的圆频率
其平均光功率为 PS ES2t A2 2
而光检测器输出的电流为
IS
PS
e h
ES2 t
e h
A2
式中
e h
光电灵敏度
ES2t 时间的平均值
20
若检测器的负载电阻为RL，则光电检测器输出电
功率为
P0
I
2 S
RL
e h
2
PS2
RL
上式说明光电检测器输出的电功率正比于入射光 功率的平方
21
如果入射光是调幅波，即 ES t A1 X tcost
X(t)—调制信号
U0 MmSGA MR
τ—光学系统的透过率；m—光学调制系统的透过率；S—光电器件光电
灵敏度；G—电路变换系数；A—放大器放大倍数；R—光电变换系数
10
光电变换的基本形式
2)光透过被测对象的形式
光源
透光均匀介质
光电器件
11
光电变换的基本形式
2)光透过被测对象的形式
当光透过均匀介质时，光被吸收而减弱的规律为
13
光电变换的基本形式
3)光由被测对象反射的形式 光反射有镜面反射和漫反射两种形式——其反射
的物理性质有所不同
14
光电变换的基本形式
4)光由被测对象遮挡的形式
遮光物质
光源
光电器件
15
光电变换的基本形式
4)光由被测对象遮挡的形式
设光电器件光敏面的宽度和高度为b，而被测物体的 宽度大于b，物体遮挡光的位移量为Δl，则物体遮挡 入射到器件的光照面积的变量为
3）改善系统的检测信噪比，提高系统可靠性
3
变换的方法
➢借助于几何光学、物理光学、光电子学等
➢ 几何光学：直线性、透射、反射、折射、成像等
➢ 物理光学：干涉、衍射、光强、波长变换、偏振等
➢ 光电子学：电光效应、声光效应、磁光效应、空间 调制等
4
光电信号变换方法与应用范围
变换方法
光学原理
应用范围
几何光学法 透射、反射、折射、散射、遮 光开关、光学编码、光扫描、瞄准定
光、光学成像等非相干光学现象 位、光准直、外观质量检测、测长测
或方法
角、测距等
物理光学法
干涉、衍射、散斑、全息、波长 莫尔条纹、干涉计量、全息计量、散
变换、光学拍频、偏振等相干光 斑计量、外差干涉、外差通信、光谱
学现象或方法
分析、多普勒测速等
光电子学法
电光效应，声光效应、磁光效 应、空间光调制、光纤传光与传 感等
0ed
Ф0—入射到介质表面的通量；α—介质吸收系数；d—介质的厚度 实验表明：在液体或气体中，α(=μγ)值与物质的浓度成正比。
(μ—表示液体或气体对光的吸收性质；γ—浓度)
0ed 光电变换器的输出电压为
U 0 0R
12
光电变换的基本形式
3)光由被测对象反射的形式
光源
具有反射介质 光电器件
第七章 非相干光变换与检测
1
第一节 光电信号变换与光电测量系统概述
非相干光学信号是指光载波为非 相干光，用于检测光功率、光频率 或相位，或者光载波是相干的，但 检测的是光功率
2
变换的目的
1）将待处理的信息加载到光载波上，得到光载 波的信号
2）改善系统的时间或空间分辨率和动态品质， 用以提高传输效率和检测精度
光调制、光偏转、光开关、光通信、 光记录、光存储、光显示等
5
✓ 光源、光学变换系统和光电接收器件 构成了光电检测系统
✓ 直接检测光电系统
光信息为光强，被测量被携带于光载波的强 度之中，光电器件直接接收光强度变化， 再用解调的方法检测出被测信息的系统
✓ 相干检测光电系统
光信息加载于相干光源的光载波的振幅、频 率、相位之中的系统
2
Pn
①若
PS Pn 1 ，则有
2
SNRP
PS Pn
➢ 这说明输出信噪比等于输入信号比的平方
➢ 由此可见，直接检测光电系统不适用于输入信噪比小于1 或者微弱光信号的检测
25
光电检测系统（非相干）的基本特性
➢ ②若 PS Pn 1
，则有
SNRP
1 2
PS Pn
➢ 上式表明输出信噪比等于输入信噪比的一半，即经光电 转换后信噪比损失了3dB，在实际应用中还是可以接受的
➢ 从上述得知：直接检测方法并不能改善输入信噪比—— 这是其检测系统的弱点（与相干或外差系统相比）
➢ 但它对不是十分微弱光信号的检测则是很适宜的检测方 法——因为该方法比较简单，易于实现，可靠性高，成 本低，应用广泛
6
➢ 非相干检测光电系统
光源为非相干光，用调制的方法使被测信息 加载于调制光的幅度、频率、相位之中，再 用光电检测的方法从调制光检测出被测信息 的系统
7
光电变换的基本形式
1)被测对象为辐射源的形式
辐射源 光学系统 光电器件
8
光电变换的基本形式
1)被测对象为辐射源的形式 光电探测器件直接探测物体本身的辐射
P0
Pn0
e h
2
RL PS
Baidu Nhomakorabea
Pn
2
23
光电检测系统（非相干）的基本特性
考虑到信号与噪声的独立性，则有
P0
e h
2
RL PS2
Pn0
e h
2
RL
2PS Pn
Pn2
24
光电检测系统（非相干）的基本特性
根据信噪比的定义，则输出功率信噪比为
SNRP
P0 Pn0
1
PS Pn 2PS
为了克服直流放大器中零点漂移和环境 温度的影响，以及减少背景辐射的噪声 干扰——常采用光学调制技术或电子斩 波器调制，通过滤波器可提高信噪比。
9
光电变换的基本形式
1)被测对象为辐射源的形式
设物体全辐射通量密度 M T 4
ε—发射率；σ—波尔兹曼常数；T—绝对温度
在近距离测量时，前置放大器输出电压信号 （不计大气吸收）
检测器件输出的电流为
iS
1 A2
2
A2 X t
若光电检测器输出端由隔离直流的电容，则只有 第二项输出——这就是包络检测的意思
22
光电检测系统（非相干）的基本特性
1、检测系统的信噪比
设入射到检测器的信号光功率为PS 设入射到检测器的噪声功率为Pn 检测器输出的信号电功率为P0 检测器输出的噪声功率为Pn0
A b l
变换器输出位移量的信号电压为：
U0 E A R EbRl
16
光电变换的基本形式
5)被测对象经光信息量化的形式
光 学 变
换
光源
光电器件
信息
17
光电变换的基本形式
6)光传输信息的形式
调制器 信息
解调器 信息
18
第二节 光电直接检测系统的基本工作原理
检测系统可经光学变换或直接由检测器接收被 测信号
在其前端还可经过频率滤波（如滤光片）和空 间滤波（如光阑）等处理
此时光学变换也接收到背景辐射，并与信号一 起入射到检测器的光敏面上
19
假定入射的信号光强为 ES t Acost
A—信号光强振幅 ω— 信号光的圆频率
其平均光功率为 PS ES2t A2 2
而光检测器输出的电流为
IS
PS
e h
ES2 t
e h
A2
式中
e h
光电灵敏度
ES2t 时间的平均值
20
若检测器的负载电阻为RL，则光电检测器输出电
功率为
P0
I
2 S
RL
e h
2
PS2
RL
上式说明光电检测器输出的电功率正比于入射光 功率的平方
21
如果入射光是调幅波，即 ES t A1 X tcost
X(t)—调制信号
U0 MmSGA MR
τ—光学系统的透过率；m—光学调制系统的透过率；S—光电器件光电
灵敏度；G—电路变换系数；A—放大器放大倍数；R—光电变换系数
10
光电变换的基本形式
2)光透过被测对象的形式
光源
透光均匀介质
光电器件
11
光电变换的基本形式
2)光透过被测对象的形式
当光透过均匀介质时，光被吸收而减弱的规律为
13
光电变换的基本形式
3)光由被测对象反射的形式 光反射有镜面反射和漫反射两种形式——其反射
的物理性质有所不同
14
光电变换的基本形式
4)光由被测对象遮挡的形式
遮光物质
光源
光电器件
15
光电变换的基本形式
4)光由被测对象遮挡的形式
设光电器件光敏面的宽度和高度为b，而被测物体的 宽度大于b，物体遮挡光的位移量为Δl，则物体遮挡 入射到器件的光照面积的变量为
3）改善系统的检测信噪比，提高系统可靠性
3
变换的方法
➢借助于几何光学、物理光学、光电子学等
➢ 几何光学：直线性、透射、反射、折射、成像等
➢ 物理光学：干涉、衍射、光强、波长变换、偏振等
➢ 光电子学：电光效应、声光效应、磁光效应、空间 调制等
4
光电信号变换方法与应用范围
变换方法
光学原理
应用范围
几何光学法 透射、反射、折射、散射、遮 光开关、光学编码、光扫描、瞄准定
光、光学成像等非相干光学现象 位、光准直、外观质量检测、测长测
或方法
角、测距等
物理光学法
干涉、衍射、散斑、全息、波长 莫尔条纹、干涉计量、全息计量、散
变换、光学拍频、偏振等相干光 斑计量、外差干涉、外差通信、光谱
学现象或方法
分析、多普勒测速等
光电子学法
电光效应，声光效应、磁光效 应、空间光调制、光纤传光与传 感等
0ed
Ф0—入射到介质表面的通量；α—介质吸收系数；d—介质的厚度 实验表明：在液体或气体中，α(=μγ)值与物质的浓度成正比。
(μ—表示液体或气体对光的吸收性质；γ—浓度)
0ed 光电变换器的输出电压为
U 0 0R
12
光电变换的基本形式
3)光由被测对象反射的形式
光源
具有反射介质 光电器件
第七章 非相干光变换与检测
1
第一节 光电信号变换与光电测量系统概述
非相干光学信号是指光载波为非 相干光，用于检测光功率、光频率 或相位，或者光载波是相干的，但 检测的是光功率
2
变换的目的
1）将待处理的信息加载到光载波上，得到光载 波的信号
2）改善系统的时间或空间分辨率和动态品质， 用以提高传输效率和检测精度
光调制、光偏转、光开关、光通信、 光记录、光存储、光显示等
5
✓ 光源、光学变换系统和光电接收器件 构成了光电检测系统
✓ 直接检测光电系统
光信息为光强，被测量被携带于光载波的强 度之中，光电器件直接接收光强度变化， 再用解调的方法检测出被测信息的系统
✓ 相干检测光电系统
光信息加载于相干光源的光载波的振幅、频 率、相位之中的系统
2
Pn
①若
PS Pn 1 ，则有
2
SNRP
PS Pn
➢ 这说明输出信噪比等于输入信号比的平方
➢ 由此可见，直接检测光电系统不适用于输入信噪比小于1 或者微弱光信号的检测
25
光电检测系统（非相干）的基本特性
➢ ②若 PS Pn 1
，则有
SNRP
1 2
PS Pn
➢ 上式表明输出信噪比等于输入信噪比的一半，即经光电 转换后信噪比损失了3dB，在实际应用中还是可以接受的
➢ 从上述得知：直接检测方法并不能改善输入信噪比—— 这是其检测系统的弱点（与相干或外差系统相比）
➢ 但它对不是十分微弱光信号的检测则是很适宜的检测方 法——因为该方法比较简单，易于实现，可靠性高，成 本低，应用广泛
6
➢ 非相干检测光电系统
光源为非相干光，用调制的方法使被测信息 加载于调制光的幅度、频率、相位之中，再 用光电检测的方法从调制光检测出被测信息 的系统
7
光电变换的基本形式
1)被测对象为辐射源的形式
辐射源 光学系统 光电器件
8
光电变换的基本形式
1)被测对象为辐射源的形式 光电探测器件直接探测物体本身的辐射
P0
Pn0
e h
2
RL PS
Baidu Nhomakorabea
Pn
2
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光电检测系统（非相干）的基本特性
考虑到信号与噪声的独立性，则有
P0
e h
2
RL PS2
Pn0
e h
2
RL
2PS Pn
Pn2
24
光电检测系统（非相干）的基本特性
根据信噪比的定义，则输出功率信噪比为
SNRP
P0 Pn0
1
PS Pn 2PS