第09章_直接探测和相干探测精选PPT.ppt
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1、第09章_直接探测和相干探测第1页,此课件共81页哦测距测距计时计时器器放大、滤波、放大、滤波、比较比较主波主波回波回波光学信号变换光学信号变换光电信号变换光电信号变换激光脉冲测距原理示意图激光脉冲测距原理示意图电学信号变换电学信号变换光电信号变换与处理光电信号变换与处理第2页,此课件共81页哦光学信号变换光学信号变换 光电信号光电信号变换与处理变换与处理光电信号变换光电信号变换电学信号变换电学信号变换教材第八章教材第八章教材第九章教材第九章教材第十章教材第十章第3页,此课件共81页哦人眼和探测器人眼和探测器可以可以响应平均光功率响应平均光功率平方律器件平方律器件光光电电信号变换信号变换 光电
2、光电探测器探测器光信号光信号电信号电信号第4页,此课件共81页哦光光电电信号变换信号变换 光电光电探测器探测器光信号光信号电信号电信号光的频率:光的频率:10141015Hz 探测器响应频率探测器响应频率1010Hz 第5页,此课件共81页哦光电信号变换光电信号变换 光电光电探测器探测器光信号光信号电信号电信号响应平均光功率响应平均光功率 直接探测直接探测响应光的频率响应光的频率 相干探测相干探测第6页,此课件共81页哦光光电电信号变换信号变换 光电光电探测器探测器光信号光信号电信号电信号入射光与探测器相互作用的物理过程入射光与探测器相互作用的物理过程 第7页,此课件共81页哦第第0909章章
3、 直接探测和相干探测直接探测和相干探测 直接探测直接探测 (平均光功率)(平均光功率)相干探测相干探测 (光的波动参数)(光的波动参数)探测方法的改进探测方法的改进光电信号变换光电信号变换第8页,此课件共81页哦9.1 9.1 直接探测直接探测9.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理9.1.3直接探测的应用举例直接探测的应用举例Drirect Detection,又称为非相干探测,又称为非相干探测装置简单,光源为装置简单,光源为相干光源相干光源或或非相干光源非相干光源,只能探测平均只能探测平均光功率(光强)光功率(光强)9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离直接探测系统的视场和作用距离
4、第9页,此课件共81页哦1.1.直接探测基本物理过程:直接探测基本物理过程:9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理光光 波:波:光功率:光功率:第10页,此课件共81页哦1.1.直接探测基本物理过程:直接探测基本物理过程:9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理平方律器件:平方律器件:光波:光波:光功率:光功率:第11页,此课件共81页哦1.1.直接探测基本物理过程:直接探测基本物理过程:9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理平方律器件:平方律器件:光波:光波:第12页,此课件共81页哦光场包络光场包络的的频率频率1010Hz 光场光场的频率
5、的频率10141015Hz 1.1.直接探测基本物理过程:直接探测基本物理过程:光电探测器响光电探测器响应光场包络应光场包络平方律器件:平方律器件:9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理第13页,此课件共81页哦9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理设光栅的栅距P40m相对移动的速度V=1cm/s半导体激光器,波长=890nm例例1 1 比较光场频率和光强度信号的变化频率光强度信号的变化频率f=?光场频率 v=?第14页,此课件共81页哦2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比1)信噪比定义:信噪比定义:电电信号功率和信号功率和电电噪声功率之比噪声功率之
6、比 9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理第15页,此课件共81页哦2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理1)信噪比定义:信噪比定义:电流(电压)信噪比:电流(电压)信噪比:功率信噪比:功率信噪比:第16页,此课件共81页哦2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理模拟信号系统:模拟信号系统:35,精度高时精度高时10100信噪比信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标指标 数字脉冲系统:数字脉冲系统:例如,光通信误
7、码率例如,光通信误码率10-9 要求信噪比要求信噪比20dB第17页,此课件共81页哦2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理提高系统信噪比的基本途径:提高系统信噪比的基本途径:光学方法光学方法,如场镜、光锥、浸没透镜如场镜、光锥、浸没透镜 应用光学应用光学电学方法电学方法,如滤波、低噪声放大、弱信如滤波、低噪声放大、弱信 号检测号检测第第十章十章热力学方法热力学方法,制冷降低探测器噪声制冷降低探测器噪声 第18页,此课件共81页哦9.1.19.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理光学方法光学方法,如场镜、光锥、浸没透镜如场镜、
8、光锥、浸没透镜例:红外探测系统第19页,此课件共81页哦信号光电流、背景光电流和器件暗电流信号光电流、背景光电流和器件暗电流热噪声热噪声 散粒噪声散粒噪声2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比2)直接探测的直接探测的信噪比极限信噪比极限:以光电二极管为例以光电二极管为例 第20页,此课件共81页哦最理想情况,只有最理想情况,只有信号光电流引起信号光电流引起的散粒噪声的散粒噪声(忽略吗?忽略吗?)直接探测的直接探测的量子极限量子极限 2)直接探测的直接探测的信噪比极限:信噪比极限:2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比第21页,此课件共81页哦直接探测的直接探测的量子极限量子极限 量
9、子极限的另一种表达是:量子极限的另一种表达是:直接探测的直接探测的噪声等效功率噪声等效功率 例:例:为为1,f为为1Hz,2h,已很接近单个光子的能量,已很接近单个光子的能量h。实际上,几乎不可能?实际上,几乎不可能?2)直接探测的直接探测的信噪比极限:信噪比极限:2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比第22页,此课件共81页哦物理学中物理学中“量子量子”的定义:的定义:直接探测直接探测噪声等效功率噪声等效功率 例:例:为为1,f 为为 1Hz,可探测可探测 2hv频率为频率为v的电磁波的能量是一份一份的,的电磁波的能量是一份一份的,一份最一份最小的能量小的能量hv称为量子。称为量子。量
10、子极限:量子极限:2.直接探测系统的信噪比直接探测系统的信噪比第23页,此课件共81页哦9.1 9.1 直接探测直接探测9.1.1直接探测的基本原理直接探测的基本原理9.1.3直接探测的应用举例直接探测的应用举例Drirect Detection,又称为非相干探测,又称为非相干探测装置简单,光源为装置简单,光源为相干光源相干光源或或非相干光源非相干光源,只能探测平均只能探测平均光功率(光强)光功率(光强)9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离直接探测系统的视场和作用距离第24页,此课件共81页哦9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离直接探测系统的视场和作用距离视场视场dAd/f 2 光电探
11、测器的视场角光电探测器的视场角:光电探测器光电探测器第25页,此课件共81页哦9.1.2*直接探测系统的视场和作用距离直接探测系统的视场和作用距离作用距离:作用距离:主动主动探测系统框图探测系统框图 被动被动探测系统框图探测系统框图 第26页,此课件共81页哦9.1.39.1.3直接探测的应用举例直接探测的应用举例激光制导、飞行物自动跟踪激光制导、飞行物自动跟踪激光稳频、机器人视觉激光稳频、机器人视觉几何量(长度、位移几何量(长度、位移)表面形状参量(工件粗糙度、伤痕表面形状参量(工件粗糙度、伤痕)光学参量(吸收、反射光学参量(吸收、反射)电磁量(电流、电场、磁场电磁量(电流、电场、磁场)应用
12、于测量:应用于测量:应用于控制:应用于控制:第27页,此课件共81页哦特点:特点:信息加载信息加载辐通量(光强)辐通量(光强)几何量(长度、位移几何量(长度、位移)表面形状参量(工件粗糙度、伤痕表面形状参量(工件粗糙度、伤痕)光学参量(吸收、反射光学参量(吸收、反射)电磁量(电流、电场、磁场电磁量(电流、电场、磁场)辐通量辐通量(幅度、(幅度、频率频率、相位、相位)9.1.39.1.3直接探测的应用举例直接探测的应用举例第28页,此课件共81页哦例例1.1.光电磁场测量光电磁场测量磁场光通量(磁场光通量(幅度幅度)磁场磁场振动方向旋转角度振动方向旋转角度 光通量幅度光通量幅度9.1.39.1.
13、3直接探测的应用举例直接探测的应用举例第29页,此课件共81页哦例例2.2.光栅莫尔条纹测位移光栅莫尔条纹测位移t精度已可达精度已可达0.1m/m 位移光通量(位移光通量(频率频率)9.1.39.1.3直接探测的应用举例直接探测的应用举例第30页,此课件共81页哦测测“幅度幅度”与与“频率频率”方法,方法,测量精度测量精度的比较:的比较:基准精度测量精度基准稳定方法幅度10-310-410-210-3模拟量稳定电路频率10-610-810-510-7晶振,数字锁相环现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法!第31页,此课件共81页哦例例3.3.光电测距光电测距光电光波测距光电光波测距发射光波发射
14、光波接收光波接收光波距离光通量(距离光通量(相位相位)9.1.39.1.3直接探测的应用举例直接探测的应用举例第32页,此课件共81页哦第九章第九章 直接探测和相干探测直接探测和相干探测 直接探测直接探测 (平均光功率)(平均光功率)相干探测相干探测 (光的波动参数)(光的波动参数)探测方法的改进探测方法的改进光电信号变换光电信号变换第33页,此课件共81页哦第第09章章 直接探测和相干探测直接探测和相干探测直接探测:直接探测:(非相干探测)(非相干探测)相干探测:相干探测:(光学外差探测)(光学外差探测)装置简单,光源为装置简单,光源为相干光源相干光源或或非相干光源非相干光源,只能探测只能探
15、测光功率(光强)光功率(光强)。装置复杂,光源必须为装置复杂,光源必须为相干光源相干光源,间接探,间接探测测光波的振幅、频率和相位光波的振幅、频率和相位等参数。等参数。第34页,此课件共81页哦9.2 相干探测相干探测9.2.1 相干探测的基本原理相干探测的基本原理9.2.2 相干探测的条件相干探测的条件9.2.3 相干探测的应用举例相干探测的应用举例Coherent Detection 又称为又称为光外差探测光外差探测 第35页,此课件共81页哦1.相干探测的物理过程相干探测的物理过程原理框图原理框图 信号光s(本地、异地)参考光ru双频光波:9.2.1 9.2.1 相干探测的基本原理相干探
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