第11章典型光电系统的分析与设计课件.ppt

1、理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系- 便携式辐射测温仪便携式辐射测温仪可用于电力系统中电接可用于电力系统中电接头的头的温度检查温度检查测温范围测温范围 PT120:-20PT120:-2012001200瞄准方式：激光瞄准、瞄准方式：激光瞄准、 望远镜瞄准望远镜瞄准 光电系统实例：光电系统实例：理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系光电系统实例：光电系统实例：- CCDCCD玻璃管尺寸测控仪玻璃管尺寸测控仪均匀平行光照射玻璃管均匀平行光照射玻璃管 CCDCCD输出信号波形输出信号波形 理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系光电系统实例：光电系统实例：- - 激光半主

2、动寻的系统激光半主动寻的系统 光电系统实例：光电系统实例：- - 待发段火箭姿态图像实时识别处理系统待发段火箭姿态图像实时识别处理系统 该系统已成功应用于该系统已成功应用于“神舟神舟3 36 6号号”任务，为航天员任务，为航天员提供了可靠的安全保障。提供了可靠的安全保障。倾角差小于倾角差小于10 10 “黄色黄色告警线告警线”“红色红色逃逸线逃逸线”理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第1111章章 典型光电系统的分析与设计典型光电系统的分析与设计11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统11.2 光谱测量系统光谱测量系统11.3 CCD尺寸测量系统尺寸测量系统11.4* 光电

3、精确制导系统光电精确制导系统11.5* 光测图像系统光测图像系统11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统例：高压电力电缆例：高压电力电缆人工人工测温测温便携式辐射测温仪便携式辐射测温仪可用于电力系统中电接可用于电力系统中电接头的头的温度检查温度检查测温范围测温范围 PT120:-20PT120:-2012001200瞄准方式：激光瞄准、瞄准方式：激光瞄准、 望远镜瞄准望远镜瞄准 人工人工测温：效率、适时、可靠性，测温：效率、适时、可靠性， 11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统分布式分布式测温：效率、适时、可靠性，测温：效率、适时、可靠性， 高压电力电缆高压电力电缆光纤光纤线线温

4、度传感器温度传感器11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统Distributed Optic Fiber Temperature Sensor 简称简称DOFTS又叫分布式光纤温度传感器又叫分布式光纤温度传感器光纤光纤线线温度传感器温度传感器被测点被测点空间位置空间位置 光学时域反射定位光学时域反射定位 温度数值温度数值 喇曼散射温度效应喇曼散射温度效应 11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统空间位置空间位置 光学时域反射定位光学时域反射定位 Optical Time Domain Reflection，OTDR /2/(2 )/(2)liTc iTnicnf 采样频率采样频率

5、f 决定了系统的决定了系统的空间分辨力空间分辨力，如，如1m的空间的空间分辨力需要分辨力需要 f 达达100MHz以上以上11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统温度数值温度数值喇曼散射温度效应喇曼散射温度效应 入射光子入射光子 斯托克斯斯托克斯光光（Stocks）瑞利散射光瑞利散射光 反斯托克斯光反斯托克斯光（Anti-Stocks）如如G652G652单模光纤单模光纤131.32 10 Hz 11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统温度数值温度数值喇曼散射温度效应喇曼散射温度效应 瑞利散射光瑞利散射光 斯托克斯光斯托克斯光 反斯托克斯光反斯托克斯光对温度对温度不敏感不敏感 光强

6、度光强度受温度调制受温度调制测温原理测温原理信号光信号光 反斯托克斯光反斯托克斯光参考光参考光 瑞利散射光瑞利散射光 或或斯托克斯光斯托克斯光11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统温度数值温度数值喇曼散射温度效应喇曼散射温度效应 测温原理测温原理信号光信号光 反斯托克斯光反斯托克斯光参考光参考光 瑞利散射光瑞利散射光 或或斯托克斯光斯托克斯光检测检测两光强的比值两光强的比值可消除：可消除： 光源的不稳定光源的不稳定 光纤接头损耗光纤接头损耗 光纤弯曲损耗光纤弯曲损耗 光纤传输损耗光纤传输损耗 11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统温度数值温度数值喇曼散射温度效应喇曼散射温度效应

7、 瑞利散射光瑞利散射光 反斯托克斯光反斯托克斯光4RR0e0( )exp( 2)lKSl4aaaea0a( , )( ) exp () ) T lK S R Tl a1( )exp/() 1R ThkT理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统工作原理动态演示：工作原理动态演示： 11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统实例：实例：FGCFGCW30W30型分布式光纤温度传感器型分布式光纤温度传感器 光学光学信号变换信号变换 光电光电 信号变换信号变换 电学电学信号变换信号变换11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统实例：实例：FG

8、CFGCW30W30型分布式光纤温度传感器型分布式光纤温度传感器 工作过程：工作过程：11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统实例：实例：FGCFGCW30W30型分布式光纤温度传感器型分布式光纤温度传感器 信号处理特点：信号处理特点： -探测探测方法方法 弱信号检测弱信号检测 波分复用器波分复用器 干涉滤光片干涉滤光片 -信号信号处理处理 调制与解调调制与解调 取样积分取样积分 （软件硬件）（软件硬件）11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统实例：实例：FGCFGCW30W30型分布式光纤温度传感器型分布式光纤温度传感器 分布式分布式测温：测温：效率、适时、可靠性，效率、适时、可

9、靠性，应用：发电机绕组温度检测应用：发电机绕组温度检测 11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统讨论：讨论： - -空间分辨率空间分辨率 /2/(2 )/(2)liTc iTnicnf 1. 采样频率采样频率 f 空间分辨力空间分辨力 1m的空间分辨力需要的空间分辨力需要 f 达达100MHz以上以上结论：结论：11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统讨论：讨论： - -空间分辨率空间分辨率 2. 采样频率采样频率 空间分辨力空间分辨力 1m的空间分辨力，激光脉冲宽度的空间分辨力，激光脉冲宽度10ns结论结论：光纤光纤l2 激光脉冲激光脉冲宽度宽度的影响的影响t2t2t2 反向散射

10、光反向散射光11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统分辨率分辨率讨论：讨论： 空间分辨率空间分辨率（4m）采样频率（采样频率（50MHz）激光脉冲宽度（激光脉冲宽度（10ns）温度分辨率温度分辨率(0.1 )模拟量信噪比模拟量信噪比激光功率激光功率(100W)取样信号处理取样信号处理 理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第1111章章 典型光电系统的分析与设计典型光电系统的分析与设计11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统11.2 光谱测量系统光谱测量系统11.3 CCD尺寸测量系统尺寸测量系统11.4* 光电精确制导系统光电精确制导系统11.5* 光测图像系统光测图像

11、系统11.2 光谱测量系统光谱测量系统光谱测量系统（光谱仪）是一类用于测量光源或物光谱测量系统（光谱仪）是一类用于测量光源或物质光谱特性的典型光电系统，在颜色显示、生物化质光谱特性的典型光电系统，在颜色显示、生物化学、环境监测、航天等领域有着广泛的应用。学、环境监测、航天等领域有着广泛的应用。 氘灯的外形和光谱能量分布图氘灯的外形和光谱能量分布图 200250nm标准辐射光源标准辐射光源 光源光源光谱特性光谱特性11.2 光谱测量系统光谱测量系统光谱测量系统（光谱仪）是一类用于测量光源或物光谱测量系统（光谱仪）是一类用于测量光源或物质光谱特性的典型光电系统，在颜色显示、生物化质光谱特性的典型光

12、电系统，在颜色显示、生物化学、环境监测、航天等领域有着广泛的应用。学、环境监测、航天等领域有着广泛的应用。 多光谱扫描仪多光谱扫描仪估计小麦产量估计小麦产量反射光反射光光谱特性光谱特性11.2 光谱测量系统光谱测量系统吸收光吸收光光谱特性光谱特性激光雷达激光雷达 德国：德国：“VTB1型型”遥测激光雷达，利用微遥测激光雷达，利用微分吸收光谱学原理遥测分吸收光谱学原理遥测化学战剂，可实时地远化学战剂，可实时地远距探测并确定毒剂气溶距探测并确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、胶云的斜距、中心厚度、中心角坐标以及毒剂相中心角坐标以及毒剂相关参数等。关参数等。 11.2 光谱测量系统光谱测量系统11.2

13、.111.2.1基于基于PMTPMT的光谱辐射仪的光谱辐射仪 稳定发光光源稳定发光光源闪光灯等光源？闪光灯等光源？响应波段响应波段200800nm光谱分辨率可达光谱分辨率可达10nm11.2 光谱测量系统光谱测量系统11.2.2光学多通道分析仪光学多通道分析仪Optic Multi-channel Analyzer，OMA 是一种综合光、机、电、算等多种技术的新型是一种综合光、机、电、算等多种技术的新型光谱测量仪器，具有光谱测量仪器，具有单次测量光谱单次测量光谱 范围宽、响应范围宽、响应速度快、灵敏度高、数据采集处理方便等特点。速度快、灵敏度高、数据采集处理方便等特点。OMA选用探测器为选用探

14、测器为CCD摄像器件。摄像器件。 Princeton仪器公司仪器公司1530-PUV型型OMA响应波段响应波段2001100nm光谱分辨率可达光谱分辨率可达0.05nm11.2 光谱测量系统光谱测量系统响应波段响应波段200-1100nm？光谱分辨率可达光谱分辨率可达0.05nm ？11.2.2光学多通道分析仪光学多通道分析仪11.2 光谱测量系统光谱测量系统多功能光栅光谱仪多功能光栅光谱仪 多功能多功能光谱辐射仪光谱辐射仪 内部结构图内部结构图光栅（由步进电机驱动）光栅（由步进电机驱动）光电倍增管接收光电倍增管接收CCD接收接收出射狭缝出射狭缝入射狭缝入射狭缝11.2 光谱测量系统光谱测量系

15、统11.2 光谱测量系统光谱测量系统11.2.311.2.3傅立叶变换红外光谱仪傅立叶变换红外光谱仪 光谱分辨率光谱分辨率 红外波段红外波段 相干探测相干探测探测器探测器1 1 激光干涉系统激光干涉系统 辅助系统辅助系统 探测器探测器2 2 红外光干涉系统红外光干涉系统测量系统测量系统 探测器探测器3 3 白光干涉系统白光干涉系统 辅助系统辅助系统 11.2 光谱测量系统光谱测量系统探测器探测器1 1 激光干涉系统激光干涉系统确定位置确定位置x 探测器探测器2 2 红外光干涉系统红外光干涉系统测量系统测量系统 探测器探测器3 3 白光干涉系统白光干涉系统确定采样起点确定采样起点 11.2.31

16、1.2.3傅立叶变换红外光谱仪傅立叶变换红外光谱仪 11.2 光谱测量系统光谱测量系统单色光，探测器的信号强度：单色光，探测器的信号强度： 222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|( )( )|( )( )2( )( )cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata athssrcos(2)ISa avt 11.2.311.2.3傅立叶变换红外光谱仪傅立叶变换红外光谱仪 11.2 光谱测量系统光谱测量系统单色光，探测器输出的交流信号：单色光，探测器输出的交流信号： hssrcos

17、(2)ISa avt xaSaI2cossrhsxSxaSI2cos2cos212hs0单色光单色光 两路光两路光强度相等强度相等11.2.311.2.3傅立叶变换红外光谱仪傅立叶变换红外光谱仪 11.2 光谱测量系统光谱测量系统单色光，探测器输出的交流信号：单色光，探测器输出的交流信号： xSxaSI2cos2cos212hs0单色光的双光束干涉单色光的双光束干涉 ： 10000111110( ,)2( )1cos()2( )1cos(2)42( )1cos2( )( ,)( ,)( )( ,)4( ) 2( )1cosIkxVcUSIVSc 11.2.311.2.3傅立叶变换红外光谱仪傅立

18、叶变换红外光谱仪 11.2 光谱测量系统光谱测量系统单色光双光束干涉单色光双光束干涉 ： 202004( )2( )( ) cosdVUUSc 复色光双光束干涉复色光双光束干涉 ： 1100104( ,)() 2()1cos4() 2() cosVUScVUSc 11.2.311.2.3傅立叶变换红外光谱仪傅立叶变换红外光谱仪 11.2.311.2.3傅立叶变换红外光谱仪傅立叶变换红外光谱仪 单色光干涉图：单色光干涉图： 复色光干涉图：复色光干涉图： 复色光的复色光的干涉图干涉图是由各种波长是由各种波长光在该点光在该点x干涉图的叠加构成干涉图的叠加构成10104( , )( ) 2 ( ) c

19、osVUUSc 202004( )2( )( ) cosdVUUSc 11.2 光谱测量系统光谱测量系统202004( )2( )( ) cosdVUUSc 复色光双光束干涉复色光双光束干涉 ： 20204( )( )( )cosdVSUUc 傅里叶变换傅里叶变换 傅里叶逆变换傅里叶逆变换 光谱分布光谱分布是干涉图的傅里叶变换！是干涉图的傅里叶变换！ 11.2.311.2.3傅立叶变换红外光谱仪傅立叶变换红外光谱仪 11.2.311.2.3傅立叶变换红外光谱仪傅立叶变换红外光谱仪 光谱分布光谱分布是干涉图的傅里叶变换！是干涉图的傅里叶变换！ 已知已知S（）： （）光谱分布光谱分布20204(

20、)( )( )cosdVSUUc 11.2.311.2.3傅立叶变换红外光谱仪傅立叶变换红外光谱仪 1.1.高通光能力和高信噪比高通光能力和高信噪比不需分光，没有缝宽限制，光通量要比常规光谱仪大得多不需分光，没有缝宽限制，光通量要比常规光谱仪大得多高信噪比。远红外重要意义高信噪比。远红外重要意义2.2.具有多通道探测的优点具有多通道探测的优点只用一个探测器，不同光谱成分的调制频率不同，它们被只用一个探测器，不同光谱成分的调制频率不同，它们被同一光电探测器同时接收时就相当于多通道的测量情况。同一光电探测器同时接收时就相当于多通道的测量情况。 特特 点：点： 3.3.高分辨本领高分辨本领原则上说增

21、加两镜间的光程差可以提高分辨本领原则上说增加两镜间的光程差可以提高分辨本领4.4.减少了杂散光的影响减少了杂散光的影响信号光被调制，杂散光不被调制，有效抑制杂散光信号光被调制，杂散光不被调制，有效抑制杂散光理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第1111章章 典型光电系统的分析与设计典型光电系统的分析与设计11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统11.2 光谱测量系统光谱测量系统11.3 CCD尺寸测量系统尺寸测量系统11.4* 光电精确制导系统光电精确制导系统11.5* 光测图像系统光测图像系统理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系11.3 CCD尺寸测量系统尺寸测量

22、系统特点：在线检测、非接触、高精度、高速度特点：在线检测、非接触、高精度、高速度 例：例：CCDCCD玻璃管尺寸测控仪玻璃管尺寸测控仪均匀平行光照射玻璃管均匀平行光照射玻璃管 CCDCCD输出信号波形输出信号波形 例：例：CCDCCD玻璃管尺寸测控仪玻璃管尺寸测控仪11.3 CCD尺寸测量系统尺寸测量系统理学院理学院 光电子与物理学系光电子与物理学系第第1111章章 典型光电系统的分析与设计典型光电系统的分析与设计11.1 分布式光纤测温系统分布式光纤测温系统11.2 光谱测量系统光谱测量系统11.3 CCD尺寸测量系统尺寸测量系统11.4* 光电精确制导系统光电精确制导系统11.5* 光测图

23、像系统光测图像系统11.5* 光测图像系统光测图像系统基本思想：基本思想：1, 11, 11, 01 , 11 , 11 , 00 , 10 , 10 , 0NMNNMMfffffffff数字图像数字图像矩阵元素的矩阵元素的排列位置排列位置对应像素点在图像上的对应像素点在图像上的空间空间位置位置，矩阵元素的，矩阵元素的数值数值对应像素点的对应像素点的亮度值亮度值。 11.5* 光测图像系统光测图像系统基本思想：基本思想：图像边缘检测图像边缘检测 理想理想阶跃边缘阶跃边缘 实际实际阶跃边缘阶跃边缘 阶跃边缘阶跃边缘一阶导数一阶导数 阶跃边缘阶跃边缘二阶导数二阶导数 图像的边缘检测与轮廓信息处理图

24、像的边缘检测与轮廓信息处理是工业机器人视觉、是工业机器人视觉、非接触二维尺寸测量、图像图形分析和非接触二维尺寸测量、图像图形分析和军事目标识别军事目标识别等的基础。等的基础。 11.5* 光测图像系统光测图像系统基本思想：基本思想：图像边缘检测图像边缘检测 信息处理前信息处理前信息处理后信息处理后11.5* 光测图像系统光测图像系统基本思想：基本思想：“双目双目” 定位定位双摄像机图双摄像机图像重建空间像重建空间点三维坐标点三维坐标 “周老虎周老虎” 身长小于身长小于10cm10cm11.5* 光测图像系统光测图像系统例例. . 待发段火箭姿态图像实时识别处理系统待发段火箭姿态图像实时识别处理系统 该系统已成功应用于该系统已成功应用于“神舟神舟3 36 6号号”任务，为航天员任务，为航天员提供了可靠的安全保障。提供了可靠的安全保障。倾角差小于倾角差小于10 10 “黄色黄色告警线告警线”“红色红色逃逸线逃逸线”