光电直接检测系统 莫尔条纹 2013.ppt

6.1 光电直接检测系统的基本工作原理 光电直接检测系统是将待光信号直接入射到光检测器光敏面上，光检测器响应光辐射强度（幅度）并输出相应的电流和电压。 检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信号，前端还可经过频率滤波和空间滤波等处理。 强度 调制器 光学天线 光学通道 接收天线及光电检测器 光电信号处理器 光源 信号 发射机 背景噪声场 接收机 电路噪声 回收的信息 强度调制直接检测模型 光电探测器的平方律特性 假定入射信号光的电场 es(t)=Escosωst 是等幅正弦变化， 这里ωs是光频率。 因为光功率 Ps(t)∝e2(t)， 所以由光电探测器的光电转换定律： 对e2s(t)的时间平均是因为光电探测器的响应时间远远大于光频变化周期， 所以光电转换过程实际上是对光场变化的时间积分响应。 时间平均 式中Ps是入射信号光的平均功率。若探测器的负载电阻是RL，那么，光电探测器的电输出功率： 将正弦变化的入射信号光场 es(t)=Escosωst 代入，则： 该式说明，探测器的电输出功率正比于入射光功率的平方。所以，我们应该建立这样的观念：光电探测器的平方律特性包含着两层含义： 其一是光电流正比于光电场振幅的平方； 其二是电输出功率正比于入射光功率的平方。 如果入射光场是调幅波: 交流成份中包含调制信号信息 若光探测器输出有隔直流电容，则输出光电流只包含第二项，即直接探测的基本物理过程。 注意：探测器响应的是光场的包络，目前尚无直接响应光频率的探测器。 直流项 信噪比性能分析 考虑到信号和噪声的独立性， 应用 设输入光电探测器的信号光功率为 si ，噪声功率为ni ， 光电探测器的输出电功率为 so ， 输出噪声功率为no，则总的输入功率为(si+ni)，总的输出功率为(so+no)。由光电探测器的平方律特性 so+no=k(si+ni)2 =k(s2i+2sini+n2i) 输出功率信噪比为： 从上式可以得出如下结论： ? 若 si/ni1, 则 输出信噪比近似等于输入信噪比的平方。 这说明直接探测方式不适宜于输入信噪比小于1或者微弱 信号的探测。实际上，要想对弱光信号实施直接探测，还 必须在探测体制上进行改革。 ? 若 si /ni 1, 则 输出信噪比近似等于输入信噪比的一半，即经光电转换后信噪比损失了3dB，适于实际应用； 直接探测方式不能改善输入信噪比，但适宜于较强光信号的探测，且探测方法简单、易于实现、可靠性高，成本较低，因此应用广泛。 直接检测系统的举例 计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。光敏元件可以是光敏二极管，也可以是光电池。透射式光栅一般是用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区。 莫尔条纹测长仪 在检测技术中常用的是计量光栅。计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分辨力，可优于0.1?m。 黑白光栅 莫尔条纹光栅原理 构成： 主光栅---标尺光栅，定光栅； 指示光栅---动光栅 ?计量光栅由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成，标尺光栅和指示光栅的刻线宽度和间距完全一样。将指示光栅与标尺光栅叠合在一起，两者之间保持很小的间隙（0.05mm或0.1mm）。在长光栅中标尺光栅固定不动，而指示光栅安装在运动部件上，所以两者之间可以形成相对运动。? 在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠和在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ，光栅节距为P。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。莫尔条纹是周期性函数。 计量光栅 主光栅 q 指示光栅 这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹，条纹方向与刻线方向近似垂直(?)。通常在光栅的适当位置安装光敏元件，即可检测到亮暗变化。? 当指示光栅沿x轴（例如水平方向）自左向右移动时，莫尔条纹的亮带和暗带将顺序自下而上不断地掠过光敏元件（在演示中就是我们的眼睛）。光敏元件“观察”到莫尔条纹的光强变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距P，光强变化一个周期。 由于光栅的刻线非常细微，很难分辨到底移动了多少个栅距，而利用莫尔条纹具有放大作用，当光栅移动了一个节距时P，莫尔条纹移动了一个宽度B。且满足关系式： ? q sin P B = 莫尔条纹演示 莫尔条纹有如下特征： ? 1）平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。 ? 2）对应关系：当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运