1、光电探测方式与探测系统,8.1 双元探测方式,8.2 四象限探测方式,8.4 线阵器件的探测方式,8.3 光机扫描探测方式,8.5 光学视觉传感器,8.6 直接探测系统,8.7 相干探测方法,随着经济建设、科学研究以及军事等的发展，对光电探测方法和探测系统的技术提出了越来越高的要求。如在光学遥感和军事探测等方面，为了提高光电探测系统的效率，需尽可能提高系统的作用距离、响应速度、视场等。另外，军事上光电对抗技术的发展以及目标的多种信息提取的需求，传统的单一强度、单一波长信息的光电探测技术和方法已经远远不能满足现代军事上的搜索、跟踪、制导以及民用上的地球资源勘探、环境监测、产量评估、工业产品质量检
2、验等需求，需发展多波长（双色和多色）、相位和频率信息的光电探测技术和系统。本章将对这些探测方法和系统介绍。,8.1 双元探测方式,8.1.1 双元探测方式 1. 双元探测原理 双元探测方式是采用两个光电探测器与光学系统头，它的特点是结构简单。通常把两个探测器接成电桥方式或差动方式以自动减去背景光能作用下光电探测器输出的光电流。 图81为双元探测的简单原理图。两个相同性能的光电探测器对称地放在光学系统的像面上组成探测，两探测器与电阻连成电桥方式，如图81(a)所示。图81(b)为两个硅光电池与可调电阻连成电桥形式。当平衡时，输出端两端电压为零，能消除均匀背景的影响。当目标光能量落在某一器件上时，
3、输出端就有信号电压输出。两个探测器分别受照时，输出信号极性相反。图81(c)为用光敏电阻接成电桥形式外加偏压E，其结果与81(b)一样。这一方案适用于系统接收到的光功率不很弱的场合，例如做成位置敏感器。,图81 双元探测原理,2双元探测测速器图82为简单的测速装置。它可实测车辆行驶速度。尤其是车辆轮胎变形、道路崎岖和车辆打滑程度不同时车辆的行驶速度。 装置由两个梳形光电池组成，两个相对形成一个较大的光敏面。光敏面放在光学系统像面上接收地面对阳光的反射光（或另外加照明灯）。当车辆静止时，两探测器接收到相同的平均光强，有相同直流输出。这时后面差动放大器有共模抑制作用，因而没有信号输出。当车辆运动时
4、，如果地面如同一面反射镜，那么探测器仍得到均匀照明，仍是输出直流。而事实上，地面上各点的反射率是极不均匀的，突出的点所成的像在探测器上将形成交变的调制信号。差动放大器对两探测器的输出信号VA、VB是相加的，形成交流信号。此信号可经过整形、计数电路读出所对应的车辆的平均速度。也可送入微机算出瞬时速度的变化，对车辆行驶速度进行研究。,图82 双元探测器测速原理图,3. 双通道测量方式 图83为双通道测量方式，这种方式在一些工业用的光谱光度计中应用最多，此图即为光谱光度计原理图。仪器用两个性能完全相同的光电倍增管或红外光敏电阻与电路组成两个测量通道，对样品进行光谱透过率测量。上面通道为参考通道，它作
5、为相对测量的基准，下面通道为测量通道，对样品光谱透过率进行实测。图中用碘钨灯作光源，光源发出的光束经聚光镜后经狭缝S投射到分光棱镜上。分光棱镜射出为色散的光谱。由出射狭缝对色散的光谱选择只射出单色光。当棱镜转动时，狭缝出射光谱波长改变，射出的单色光经调制盘调制成交变能量。 当信号高于基准电压时，差放输出信号控制光电倍增管高压下降，反之就升高。相当于入射光能量大时，信号经电路后自动控制高压下降，使倍增管高压下降，反之升高。这样就自动消除了光源出射光谱量度不均匀的影响。 下面一个测量通道输出的信号强弱就直接代表了样品的光谱透过率特性。当光电探测器是采用光敏电阻时，差动输出信号就不再控制光电倍增管的
6、高压，而去控制电机带动光楔垂直于光束作进退运动。当光源光谱亮度高时，光楔前伸使光楔因厚度增加而多吸收一部分，反之就后退。这样可以自动保持入射在测量通道的样品上的光能量在整个光谱范围内都不变。这种双通道比较探测方式不限于光谱测量，也可用于其它场合。,图83 光谱光度计原理图,8.2 四象限探测方式,把四个性能完全相同的探测器按照直角坐标要求排列成四个象限做在同一芯片上，中间有十字形沟道隔开，其结构示意图如84所示。在可见光和近红外波段，较为广泛应用的是硅光电池和硅光电二极管。,四象限探测方式是用四象限管和光学系统组成测量头，在位置测量中四象限光管相当于直角坐标系中的四个象限。四象限探测器象限之间
7、的间隔称为“死区”，一般要求“死区”做得很窄。若“死区”太宽，而入射光斑较小时，就无法判别光斑的位置；“死区”做得过分狭窄，可能引起信号之间的相互串扰，同时工艺上也不易达到，所以实际制作时，必须要兼顾这两个方面。 四象限探测器主要被用于激光准直、二维方向上目标的方位定向、位置探测等领域。 图85为简单的激光准直原理图。用单模激光器（或者单模半导体激光器）作光源。因为它有很小的光束发散角，又有圆对称界面的光强分布（高斯分布），很有利于作准直用。图中激光射出的光束用倒置望远系统L进行扩束，倒置望远系统角放大率小，于是光束发散角进一步压缩，射出接近平行的光束投向四象限管，形成一圆形亮斑。,图85 激
8、光准直原理图 光电池AC、BD两两接成电桥，当光束准直时，亮斑中心与四象限管十字沟道重合，此时电桥输出信号为零。若亮斑沿上下左右有偏移时，两对电桥就相应于光斑偏离方向而输出、的信号。那个探测器被照亮斑的面积大，输出信号也大。这种准直仪可用于各种建筑施工场合作为测量基准线。,图86为脉冲激光定向原理图。图中用脉冲激光器作光源（如固体脉冲激光器），它发出脉冲极窄（ns量级脉冲）而峰值功率很高的激光脉冲，用它照射远处军事目标（坦克、车辆等）。被照射的目标对光脉冲发生漫反射，反射回来的光由光电接收系统接收。接收系统由光学系统和四象限管组成。四象限管放在光学系统后焦面附近，光轴通过四象限管十字沟道中心。
9、远处目标反射光近似于平行光进入光学系统成像于物镜的后焦面上，四象限管的位置因略有离焦，于是接收到目标的像为一圆形光斑。当光学系统光轴对准目标时，圆形光斑中心与四象限管中心重合。四个器件因受照的光斑面积相同，输出相等的脉冲电压。经过后面的处理电路以后，没有误差信号输出。当目标相对光轴在x、y方向上有任何偏移时目标像的圆形光斑的位置就在四象限管上相应地有偏移，四个探测器因受照光斑面积不同而得到不同的光能量，从而输出脉冲电压的幅度也不同。,四个探测器分别与图87所示的运算电路相连。当目标相对光轴在x、y方向上有任何偏移时目标像的圆形光斑的位置就在四象限管上相应地有偏移，四个探测器因受照光斑面积不同而
10、得到不同的光能量，从而输出脉冲电压的幅度也不同。四个探测器的输出脉冲电压经四个放大器A、B、C、D放大后进入和差电路进行运算，得到代表光斑沿x或y方向的偏移量所对应的电压。可表示为式中A、B、C、D代表四个探测器的输出。k为电路的放大系数。,图 87 四象限管探测电路方块图,通常为了消除光斑自身功率变化（例如：运动目标远近变化而引起光斑总能量变化）采用和差比幅电路。其输出电压为假如光斑是光强均匀分布的圆斑，光斑的半径是各象限探测器上得到扇形光斑面积是光斑总面积的一部分，并且A、B、C、D探测器的输出与相应象限扇形光斑面积成正比，由求扇形面积公式可推得输出信号与光斑偏移量的关系为,输出信号与光斑
11、位移之间的关系如图88所示，在一定范围内是呈线性关系的。在实用系统中通常还需要再加入脉冲展宽电路，把信号脉冲展宽到能够控制后续部件。 图88 输出误差信号与光斑位移量的关系,如果采用其它形式的光学系统与四象限组合使用，四象限探测也不限于测量方位，也可测其它物理量。图89为测量物体微位移的原理图。首先分析图中光学系统的成像关系。图中光学系统由物镜和柱面镜组成。 如果物点S0在B位置上，经物镜成像后物的理想像面位置在Q点，在物镜后面加一柱面镜后成像面位置在P点，那么当接收面（探测器）在PQ这段距离内由左向右移动时，所接收到的光斑将由长轴为垂直方向的椭圆形逐渐变成长轴为水平方向的椭圆形。而在M点位置
12、处光斑是圆形的。反过来把四象限管放在M点位置上，当物点在B点附近有微位移时，四象限管上所得到的光斑形状也将发生改变。当物点 由B移到A位置时，四象限管得到长轴是垂直方向的椭圆光斑。物点处于C位置时得到长轴处于水平方向的椭圆光斑，如图89所示。,图89 测量物体微位移原理图,这时四象限管的输出信号经过如图810所示的和差电路和除法电路后输出信号为式中A、B、C、D代表图示位置四个探测器的输出信号。由最后输出电压的正负可测得物点是远离了还是靠近了，其幅值大小反映微位移量的大小。 图 810 微位移测量的电路原理图,这种微位移测量方法用于照相系统自动调焦、激光唱盘跳动量测量等。图811为用于集成电路
13、芯片制造中的芯片自动调焦。图812为测量激光唱盘的跳动量的原理图。图811中加入1/4波片是为了减小芯片中表面由于粗糙、尖角引入的衍射影响。 图811 自动调焦原理图,图812 测量激光唱盘跳动量原理图,尽管目前使用的四象限管多为硅光电池和硅光二极管，若用其它类型探测器需作四象限探测时，可选用四个性能参数相同的器件配合四棱（或圆形）反射光锥接收，如图813所示。,8.3 光机扫描探测方式,用一个或多个探测器作接收器，用光学系统或光学零件作机械扫描运动，对目标进行瞬间取样，最终获得所需的目标信息。这种方式称为光机扫描探测方式。这种探测方式的主要特点是可获得较大的视场范围和动态范围。 图814为红
14、外扫描热成像原理图。红外扫描热成像系统用或等红外探测器作接收器与光机扫描系统组合在一起，可接收目标自发辐射，对目标成像。 图中光学系统由球面反射镜M1、平面反射镜M2、旋转折射棱镜l1、场镜l2、反射镜M3和会聚镜l3组成。入射光束经球面反射镜M1会聚后，经平面反射镜M2反射，再通过折射棱镜l1会聚于场镜l2上，透过场镜的光经反射镜M3再有会聚镜l3把光会聚于红外探测器上，平面反射镜M2由电机和机械装置（凸轮）传动而发生摆动（摆动的轴垂直于图面）形成垂直方向的扫描。,图814 红外扫描热成像原理图,当平面反射镜倾斜时，光电探测器接收到的是倾斜方向来的光束，如图815 (a)所示。一个平行多面体
15、折射棱镜由电机带着转动形成水平扫描，当它处于不同位置时，水平方向上各物点所成的像落在探测器上，如图815 (b)所示。如果水平扫描速度块，而垂直扫描速度慢，就得到如图815 (c)所示的扫描轨迹。光电探测器依次获得物方大面积范围内各点所辐射的光能量，能量强弱不同，可在显示器上显示出物方的热辐射分布图。,扫描热成像系统当采用InSb探测器（响应波长35um）时，可对高温目标（450C20000C)进行显像；当采用HgCdTe探测器（响应波长814um）时，可对常温目标（200C左右）进行显像这两种探测器都需要液氮致冷。光学系统材料都必须是对红外光透过率高的材料，棱镜和透镜一般用锗，用HgCdTe
16、接收时也可采用硅。 扫描热成像在军事上能进行夜间观察，极有价值。在其它方面用途也很广。在医学上可观察人体各点温度变化，进而研究心脏活动、血液循环的影响；在冶金方面可测炉温分布；在电力传输上可监视电网的正常运行，作故障自动诊断；还可用于森林火灾报警等。,图816为激光飞点扫描系统，用于材料（如硅片）疵病检测。图中激光器发出的激光束经l1、l2两透镜组成的倒置望远镜后使光束的束散角进一步压缩，形成极细（微米量级）直径的光束。在l1和l2透镜的焦点上放小孔，作空间滤波用，可保证光束很细，光束经固定反射镜M1、可调反射镜M2和谐镇反射镜M3射向材料表面。,由于振动反射镜的摆动（也可采用旋转棱镜）使光束
17、在材料表面扫描。材料两端由两个光电探测器发出扫描起始与终了的位置信号，控制扫描电机换向，也供显示器作基准。同时，材料在垂直方向移动，这样两种运动配合起来完成材料全面积的检测。由于疵病的表面较粗糙，它对入射光形成散射，散射光强比光滑表面定向反射光强为弱，所以，用积分球将光能会聚于光电倍增管上，见图817，光电倍增管获得平均光强。光电倍增管对入射光功率变化有较宽的动态范围，对疵病检测很敏感。,光机扫描探测方式在光电系统中除了完成对目标扫描成像功能外，还可在系统中起到其它作用。比如对军用目标进行被动的二维空间测量系统，如图818所示。探测器做成十字形，互相垂直布置，此外另一种四象限探测器形式，探测器
18、准确地放在被测物体的像面上，十字中心与光轴重合，如图818所示。当物镜光轴对准目标时，像点扫描圆的圆心与十字探测器的交点重合。,像点扫描运动一周，探测器分别输出脉冲。四个脉冲的间隔是相同的，如图819 (a)所示。如果目标在x方向偏离了光轴时，像点扫描圆中心也发生相应的偏离，偏移量x可表示为,式中r为像点扫描半径，S对应于扫描圆在十字探测器上扫描时，探测器响应脉冲信号对应的圆弧位置变化量。此时四个探测器输出的脉冲信号不再有相同的间隔，如图819 (b)所示。相对于图819 (a)的波形，B、D两个探测器输出脉冲位移了 S位置，如果电路能检出 S的大小，就能测得像点的位移量x，从而获得目标方位的
19、变化信息。,图820即为S的解调电路方块图和波形图。检出S需要有一个参考电压作为基准与探测器输出信号相比较。基准电压发生器由带动平面反射镜的电机一起带动。基准电压发生器产生两个参考电压Vx、Vy，与平面反射镜法线与x轴相交作为起始点作顺时针扫描一周时，参考信号Vx和Vy为图820所示正弦信号，且两信号有900的相位差，初相位如图所示。,四个探测器输出脉冲为A、B、C、D，它们被分成x，y两组，分别进入x、y两路解调信号，并与参考电压 Vx、Vy同时输出采样保持电路。信号脉冲作为采样保持电路的触发脉冲，而基准电压提供采样保持的输出电平。最后，采样保持电路输出直流幅度的大小就直接反映了目标像点的偏
20、移量，由此可知道目标方位角的大小。 这种扫描型四象限管接收的定向方式比光学调制器调制法的视场角大，抗干扰能力强。因为这里采用了脉冲调制方式，可以通过削波抑制噪声，还可以用脉冲宽度鉴别电路去区分目标和背景。此外，这种脉冲调制方法电路上还可以采用时间旋通工作方式，即目标脉冲到来之时，电路接通，其余时间电路不接通，以抑制干扰和噪声。于是系统可以得到较远的作用距离。,8.4 线阵器件的探测方式,把多个光电探测器组成一个线阵列称为线阵列探测器。目前，在线阵器件中使用较为广泛、而且使用正在增多的器件是线阵光电二级管和线阵CCD。因为它们对输入光强线性响应好，串行输出、电路简单、结构精细、使用方便等优点。这
21、里以CCD为例，说明其探测方式。线阵CCD器件的应用方式可归结为两类：一类是利用其象元尺寸的精确性，对目标获得二进象信号。机信号振幅为0或1二值，从0、1信号中检测出所需信息。另一类是利用它对光强的线性响应特性，能输出有不同等级的模拟信号，去检测所需的信息。,8.4.1 输出二进象信号的工作方式二进象工作方式可归结为图821所示的方块原理图。通常CCD芯片、驱动电路和物镜结合在一起，形成线阵CCD摄像机。物体通过物镜成像在CCD器件上，CCD器件在驱动电路输出的驱动脉冲的作用下，获得与物向光强呈正比例的电荷图。并能逐个输出脉冲信号。每个信号脉冲就是CCD相应象素所对应的光强。CCD的输出信号通
22、常与一个固定的阈值电压通过比较器进行比较。当信号脉冲高于阈值电压时，比较器输出为1。当低于阈值电压时，比较器输出为0。于是得到一行0、1型信号，对应于被测物而进象输出 。此二进型的信号通常可以用数字电路，或者用微机进行计算，最后显示出被测结果。而驱动电路中通常给出行扫起始脉冲，提供数字电路或微机作为计算时的同步脉冲。,图822为位移测量器原理图，用白炽灯作光源，光源发出的光经聚光镜了l1后会聚于小孔上。小孔处于物镜l2的焦面上，透过小孔的光束经分束器反射折向物镜l2。由l2透射以后出射的光为平行光，它投向平面反射镜M。若平面镜 M垂直于物镜光轴，则有平面镜反射回去的光透过分束器后会聚于CCD中
23、心位置某一象束上，形成小亮点。此亮点使CCD输出中只有这一象束有一较高的脉冲电压输出，其它位置只有暗电流产生的低电压。如果平面镜 M有倾斜，则成像在CCD上的小亮点将发生转移。可以通过计数输出信号脉冲位移了多少个象素去求出平面镜的倾斜角 ,式中 y是小亮点的位移量， f是物镜的焦距。当 f足够大时 ，y=K,K为比例系数，角度的分辨率取决于f和y，而CCD每个象素尺寸仅为几微米到十几微米，所以角分辨率可达秒级。这种轻便型位移测量器可方便的测量大工件的直线度和垂直度。,图823（a）为直线度测量器。平面镜作为合作目标工件上滑动，测量器即连续显示工件平直度。图8223（b）可测量大工件的垂直度，只
24、是多插入一块直角棱镜使光束折射，其中平面镜作为合作目标。当它沿工件表面移动时测量器即读出工件垂直度情况。,图824为自动传动带上工件的自动检测。工件传送带携带工件垂直于图面运动，工件外廓尺寸为x，经物镜l成像在CCD上，尺寸为x，x=Mx，M为物镜的放大率。X在CCD每个象素的尺寸乘以输出脉冲数就是x的大小。这种方法可用于工件外形或通孔等的测量。进行大工件测量时 ，也可用两套装置分别放在工件两端进行计数，或接微机进行运算。这种测法CCD扫描速度要快（一般每秒可扫数百次）。而传送带的运动速度相对应低些，以保证测量瞬间工件犹如静止状态。,图825为类似方法在造纸机中滚轮抖动量的快速测量。当滚轮转动
25、时，滚轮有跳动，就会在CCD像面上挡去部分光，使CCD上输出脉冲数减小。连续记下CCD每扫描一次的脉冲数，就知道了滚轮跳动量。,图827为类似方法在自动线上测量薄板厚度变化量。可用LED管或半导体激光管作光源，CCD作接收机。做成两个小型测量头，要装在运动金属薄板的两侧。光束经光学系统后形成细光束投向金属薄板。金属板的反射光经会聚透镜成小亮点，成像于CCD上，当薄板厚度有变化时，成像点在CCD上发生位移，位移量大小由CCD输出脉冲位置作出反映。把两个装置的输出经微机计算，可测得厚度，并且清除了传动过程中薄板跳动的影响。,图827为照相系统中用线阵CCD进行被测表面的自动调焦原理图。图中用He-
26、Ne激光管作光源，经由l1和l2组成倒置望远镜，使光束散角进一步压缩。在l1和l2焦点处放小孔作空间滤波，使射出的光束极细，以450倾斜角投向工件被测表面。工件（如集成电路中的硅片）反射光用显微镜放大成像于线阵CCD上。被测表面的离焦量若为y，则象点在CCD上的位移量为:,式中：M为显微物镜的放大倍数。若y=1um, M=10, =450,则x=14um。能够被CCD所分辨。因为CCD一个象元的尺寸小于等于 14um，所以测量精度到微米级。由CCD输出的位移量可以用计数器计数或通过微机计算再控制其它执行机构，使工件作微位移，最后达到准确位置。这种方法也可用于表面粗糙度测量。,8.4.2 输出灰
27、度像的工作方式CCD对所接收的光辐射具有良好的线性响应。把它放在物镜的像面上对物体进行摄像时，它的输出脉冲的位置准确地对应于物体某一点的采样。而其输出脉冲的振幅正比于物体上各点的亮度。如果把线阵CCD一行输出脉冲直接显示（如用示波器），可得到物体光强的一维分布图。图828即为例子。图828（a）即为CCD输出脉冲，反映出干涉图的光强分布，图828（b）反映了He-Ne激光器光束腰斑的光强分布。当然还可以用于其它场合得到不同的图形。但是若是其输出脉冲作精确检测（如测光强分布的函数关系、条纹间间隔等），尤其是物方的状态随时间有变化时，CCD虽然能够反映各瞬间物方的变化，但通常必须与微机结合起来，把
28、CCD每一次摄像的结果都存入计算机，然后用计算机对所需提取的数据进行快速运算。,图829 CCD输出的物体一维光强分布图,图830为图像存储的一个例子，以此说明CCD与微机连接的一般方式。图像为大幅图纸，线阵CCD经物镜成像后能对图面上一条直线进行摄像。如果它为2048个像素，每次输出信号就对应于图面上2048个点的亮度。在CCD摄像的同时，图纸作慢速水平移动（运动方向与线阵CCD垂直），相当于CCD在水平方向还进行了扫描运动。这样CCD在前一行信号输出的同时，又开始对下一行图像进行摄像（积分）。CCD器件的电子扫描和图纸的机械运动配合能输出一整幅图像信号。这些信号脉冲的高低对应于图面上各点的
29、光强，它们是模拟量。通过模拟数字（A/D）转换器后变成2n的数字信号，然后存入帧存贮器中。经过一定的时间间隔以后，微机向帧存储器按地址取数进行存贮或运算。,由于CCD对光强响应应有确定的线性范围，所以照片和图纸运动速度要配合，使CCD在摄像时，即MOS电容对电荷进行积累的时间内，所接收的光能量总保持在CCD的线性范围以内。所以，照明灯电压的高低和带动图纸运动的电机电压都由微机设定数据，经数模（D/A）转换成模拟量后去进行控制。当纸速低时，图纸的照明强些；当纸速高时，照明弱些。这种图像输入和存贮装置可用于计算机辅助设计、图像修正和动画片设计等多方面。,图830所示，如果在线阵CCD摄像机前面放上
30、光学滤光片上，安装在飞机上，对地面进行摄像，飞机运动方向正好与CCD线阵像元排列方向垂直，这样就对地面获得了某种光谱的地形图像信号。如果改变滤光片的透光波长，可得到地面的多光谱图像信号。这些图像信号经A/D转换后存入计算机，作信号处理，可获得各种所需遥感信息。如植物长势、地质资料、地下设施等等有关信息。如果线阵CCD摄像机和分光系统（如光栅分光或棱镜分光系统）配合，就能做多道光谱光度测量，比其它光度测量更为快速。而CCD自身的光谱特性影响，可由计算机软件予以修正。,8.5 光学视觉传感器,光学视觉传感器之所以这样称呼是因为它的作用希望在某些方面模拟人眼的功能。在许多不宜于人操作的环境和一些对人
31、体有害和危险的作业场合，以及在产品外形的快速测量等操作速度上人力难以达到的一些地方，自动化机器视觉系统都是十分必要的。人的视觉功能主要由人眼和大脑来完成，而机器或机器人的视觉目前主要是用光学、电子学和计算机应用学等分析方法实现对客观三维世界的感知、度量或识别。类似于人类的视觉效果，视觉传感所提供的信息，不仅是客观世界的局部参量，而且是对观察对象的整体描述，描述的内容包括形状、尺寸、距离和运动速度，等等。目前人眼视觉机能尚不十分清楚，所以光学视觉只是在局部功能上进行模拟。 光学视觉传感器有二维传感器和三维传感器两类，采用面阵CCD光电摄像器件组成摄像机，可对物体进行摄像获取二维信息，完成二维传感
32、任务。三维视觉传感不仅需要获得物体的二维形状信息，还要获取物体深度变化的信息，也就是如人眼一般有体视感。 获取三维面形信息的基本方法可以分为两大类：被动三维传感和主动三位传感。,8.5.1 被动三维传感 被动三维视觉传感采用非结构照明方式，从一个或多个摄像系统获取的二维图像中确定距离信息，形成三维面形数据。从一个摄像系统获取的二维图像中确定距离信息时，人们必须依赖于物体形态、光照条件等的先验知识。如果这些知识不完整，对距离的计算可能产生错误。从两个或多个摄像系统获取的不同视觉方向的二维图像中，通过相关或匹配等运算可以重建物体的三维面形。双摄像机的传感系统如图831所示，每台摄像机相当于一个人眼
33、以获取二维图像。再从各个摄像系统或取得不同视觉方向的二维图像中确定距离信息，这常常要求大量的数据运算。,8.5.2 主动三维传感 主动三维传感采用结构照明方式，由于三维面形对结构光场的空间或时间调制，可以从携带有三维面形信息的观察光场中解调得到三维面形数据。由于这种方法具有较高的测量精度，因此，大多数以三维面形测量为目的的三维传感系统都采用主动三维传感方式。人们将主动三维传感方法分为时间调制和空间调制两大类。一类方法称为飞行时间法（time-of-flight,简称TOF），它基于三维面形对结构照明光束产生的时间调制。该方法的原理如图832所示。一个激光脉冲信号从发射器发出，经物体表面漫反射后
34、，沿几乎相同的路径反射传回到接收器，检测光脉冲从发出到接收之间的时间延迟，就可以计算出距离z。用附加的扫描装置使光束扫描整个物面可形成三维面形数据。这种方法虽然原理简单，又可以避免阴影和遮挡等问题，但是要得到较高的距离测量精度，对信号处理系统的时间分辨率有极高的要求。为了提高测量精度，实际的TOF系统往往采用时间调制光束，例如采用单一频率调制的激光束，然后比较发射光束和接收光束之间的相位，计算出距离。,为了提高测量的准确度，飞行时间法采用了以下几种技术：（1）单脉冲技术。最初的TOF系统是单脉冲系统，该系统使用发射短脉冲的固定激光器。由于定时精度的限制，这种系统只具有较低的测量精度。改进信噪比
35、的一个方法是对一个测点重复多次测量，即以时间换取精度。 （2）线性调制技术。在单脉冲情况下，被传递的信号时间带宽积为1。因此可以考虑用时间带宽积大于1的信号来提高信噪比和测量精度，通常采用的一种方法是发射线性调制信号，即在发射期间频率线性变化的信号，这不仅提高了信噪比，而且提供了一种方便的获取距离信息的方法。 （3）相位检测技术。对时间的测量可以通过对调制光波的相位测量来实现。图833是采用相位检测技术的TOF系统框图。一个扫描镜系统将光束投射到被测物体的一个点上，然后共轴返回，由光电倍增管接收。系统采用15mW的 He-Ne激光器，光束经9MHz的调制器调制后投射到物面，接收的信号经9MHz
36、的滤波器后与基准信号比较，然后从相位变化计算出距离的变化。,图83 采用相位检测技术的TOF系统,另一类更常用的方法，称为三角法。它以传统的三角测量为基础，由于三维面形对结构照明光束产生的空间调制，改变了成像光束的角度，即改变了成像光点在检测器阵列上的位置，通过对成像光点位置的确定和系统光路的几何参数，计算出距离。三角法的原理可用图834表示。事实上，大多数三维面形测量仪器都源于三角测量原理，图834所示的只是一种采用单光束点结构照明的最简单的情况。采用片状光束的线结构照明是三角测量法的扩展。已经研究的另一些更复杂的三维面形测量技术，包括莫尔轮廓术、傅立叶变换轮廓术、相位测量轮廓术等也最终归结
37、于三角测量法，只不过在不同的测量技术中采用不同的方式来从观察光场中提取三角测量中所需要的几何参数 。,图835是一般的三角测量系统。图中给出了物体、光源、探测器和成像透镜孔径中心的坐标。坐标系统原点位于主探测器透镜孔径中心。,像点的（x，y）坐标按相对于相应的成像透镜中心给出。照明光束在xz和yz平面上的投影线相对于z轴的夹角为x和y。所以被照明的物点的坐标为该点在主探测器上形成的像点坐标为,式中，F是成像透镜和探测器之间的距离，对于较长的工作距离（大 的z0），该值近似等于透镜的焦距。,如果比较物面上和参考平面上的光点在探测器上的像点位置，则像点位置的差异可以表示为用方向的位移量计算物体的距
38、离，可以得到,上式表明，z0和x之间通常，采用一维线阵探测器，使投影光轴、成像光轴和探测器阵列位于同一平面上，这时像点的位置只在x方向上沿探测器阵列移动，有效光源位于x轴上，即yi0，yszs0，这时上式可简化为,这种有一个投影光轴和一个成像光轴构成的测量系统又称为单三角测量系统。这种测量方法要求投影光轴和成像光轴之间保持恒定的夹角。 如果用这种系统完成一维或二维物面高度的测量，必须在整个传感器（包括投影和成像）和被测物体之间附加一维或二维的相对扫描，如果我们引入第二成像系统，则可以构成双三角测量系统，这时距离的测量可以通过比较在二探测器上像点的差异而实现，而单三角法中距离的测量是通过比较一个
39、相对于物面的像点和一个相对于基准面的像点而实现的。,正如图834所示，在第二个探测器平面上像点的坐标为,上两式联立可得到：,上式表明，双三角测量法并不依赖于投影光轴与成像光轴之间保持固定的夹角，这意味着简单地沿一个方向扫描投影光轴可以完成一个剖面的距离测量。,8.6 直接探测系统,8.6.1 系统类型 8.6.2 光电探测系统的指标 8.6.3 直接探测系统 8.6.4 直接探测系统的作用距离 8.6.5 直接探测系统的视场,8.6.1 系统类型,光电探测系统的类型是很多的，我们可以从不同角度出发把系统进行分类。,1、按携带信息的光源：可分为主动系统和被动系统 被动探测系统所接收到的光信号来自
40、目标的自发辐射，例如被测目标是星体、飞机、导弹、云层、大地、车辆和人体等。被动探测系统方块图如图86所示。目标辐射功率和背景辐射功率同时进入光学系统，然后会聚到探测器上光信号转换为电信号，光电信号由处理电路处理以后输出所需信息。系统有加调制也有不加调制的。,图86 被动光电系统方块图,主动探测系统是发射和接收系统共同配合进行工作的。系统方块图如图87所示。 光源采用人工光源，如激光器、发光管、气体放电灯等。信息源可以通过调制光源的电源电压（或电流），把信息载到光波上去，通过发射系统发射调制光。或者， 光源出射的光（经过或者不经过光学调制器）照射目标，利用目标的反射、透射或散射加载上目标信息，然
41、后由接受系统进行检测。,图87 主动光电系统方块图,特点及缺点：1、这两种接收系统都是把目标和背景的入射光能量经过光学系统会聚于光电探测器上进行光电转换。 2、探测器输出的信号经处理电路检出信息，在此过程中，背景噪声和系统内部探测器噪声及电路噪声等都与信号一起进入系统。,2. 按光谱范围：常分为可见光探测系统和红外探测系统 对军事目标的探测，不论是主动或是被动系统一般都工作于红外光波段。工作在这一波段的优越性首先是隐蔽性好，不易被对方发现；其次是光波在大气中传播时，红外波段有几个窗口对光能量的衰减较小，这样系统的作用距离远。 3. 从接收系统分，可分为点探测系统和面探测系统 对于点探测系统来说
42、，系统把目标作为一个点来考虑，只接收目标总的辐射功率。而面探测系统则同时要测量目标的光强分布，通常用摄像器件或多元探测器列阵完成。4. 从光波对信息信号（或被测未知量）的携带方式分，可分为直接探测系统和相干探测系统 不论光源是自然光源或人造光源，是非相干光源或是相干性好的激光光源，直接探测方式都是利用光源出射光束的强度去携带信息。而相干探测方式则是利用光波的振幅、频率、相位来携带信息，而不是利用光强度。所以只有相干光可被用来携带信息，捡出信息时需用光波相干的原理。,8.6.2 光电探测系统的指标,光电探测系统具有感知信息、传递信息、测量未知的光学量或非光学量，以及作信息存储等多种功能和用途。各
43、个系统有不同的技术要求。但是，它们最终都是以电信号形式输出，其输出量是模拟电信号或者是数字电信号。从最终输出要求来看，它们有一个公共的指标，这就是信号的输出信噪比。,1、模拟系统 光传输的信息经过光电探测系统检出后其波形是否发生畸变。如：外界干扰，可以通过精心设计各个环节解决。 影响信号畸变的最根本的因素是噪声，主要来自光源、背景、光电探测器和电路。 衡量模拟光电系统的一个重要指标信噪比：,2、对于数字式光电系统，因为是用“0”、“1”两态脉冲传输信息，当系统不存在噪声时，系统输出信号能准确复现发射的信号编码规律，如图88（a）所示，当噪声随机叠加在信号上时，信号产生畸变，如图88（b）所示。
44、由图88（c）可以看出：由于负向噪声叠加在脉冲“1”上使脉冲输出为“0”；同样，噪声也有可能使脉冲输出“0”误变为“1”。“0”、“1”码出现错误的概率称为误码率。,8.6.3 直接探测系统,光波携带信息可以采用多种形式，如光波的强度变化、频率变化、相位变化及偏振变化等。 1.直接探测的基本物理过程 所谓直接探测是将待检测的光信号直接入射到光探测器的光敏面上，由光探测器将光强信号直接转化为相应的电流或电压，根据不同系统的要求，再经后续电路处理（如放大、滤波或各种信号变换电路），最后获得有用的信号。,信号光场,平均功率,光电探测器输出的光电流,若光探测器的负载电阻为RL，则光探测器输出的电功率为
45、：,上式表明：光电探测器的电功率正比于入射光功率的平方。 光电探测器对光的响应特性包含两层含义： （1）光电流正比于光场振幅的平方，即光的强度。 （2）光电流输出功率正比于入射光功率的平方。 如果入射信号光为强度调制（IM）光，调制信号为d（t），则探测器的光电流为：,2、直接探测系统的信噪比 众所周知，任何系统都需一个重要指标信噪比来衡量其质量的好坏，其灵敏度的高低与此密切相关。,考虑到信号和噪声的独立性,输出功率的信噪比,讨论： （1）若Ps/PN 1，则,这说明输出信噪比等于输入信噪比的平方。由此可见，直接探测系统不适于输入信噪比小于1或者微弱光信号的探测。,（2）若Ps/PN1，则,这
46、时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。 直接探测方法不能改善输入信噪比，不适合探测微弱信号。但是这种方法比较简单，易于实现，可靠性高，成本较低。,3、直接探测系统的探测极限及趋近方法 如果考虑直接探测系统存在的所有噪声，则输出噪声总功率为：,输出信号噪声比为,（1）当热噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，我们就说直接探测系统受热噪声限制，这时的信噪比为,（2）当散粒噪声远大于热噪声时，热噪声可以忽略，则直接探测系统受散粒噪声限制，这时的信噪比为,（3）当背景噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，我们就说
47、直接探测系统受背景噪声限制，这时的信噪比为,扫描热探测系统的理论极限即由背景噪声极限所决定。,（4）当入射的信号光波所引起的散粒噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，我们就说直接探测系统受信号噪声限制，这时的信噪比为,直接探测在理论上的极限信噪比，也称直接探测器的量子极限 （5）在量子极限下，直接探测系统理论上可测量的最小功率为,直接探测器的理想状态，系统内部噪声都抑制到可以忽略的程度，但实际系统的视场不能是衍射极限对应的小视场，背景噪声不能为0，实际探测器总会用噪声，光探测器本身具有电阻以及负载电阻等都会产生热噪声和放大器噪声,若1，f1Hz，则系统在量子极限下所探测功率为2
48、h,如果使系统趋近量子极限则意味着信噪比的改善，可行的方法就是在光电探测过程中利用光电探测器的内增益获得光电倍增。 举例：对于光电倍增管，由于倍增因子M的存在，信号功率 增加M2的同时，散粒噪声功率也倍增M2倍，信噪比变为：,当M很大时，热噪声可以忽略。如果光电倍增管加致冷、屏蔽等措施可以减小暗电流及背景噪声。因此光电倍增管达到散粒噪声限是不难的。在特殊情况下可以趋于量子限。 注意：选用无倍增因子起伏的内增益的器件，否则倍增因子的起伏又会在系统中增加新的噪声源。,8.6.4 直接探测系统的作用距离,对于远距离目标的探测系统，尤其是军用光电系统，首要的参数是系统的作用距离。所谓作用距离是指：对于
49、点目标，当目标的张角小于系统的瞬时视场时，光电系统所接收到的目标辐射能量与其间的距离有关，与接收到的最小可用能量相应的距离叫系统的作用距离。 1、发射系统 对于主动系统来说，所接收到的功率与光源发射功率有关。若光源是一个点光源，并向四周发射球面波，如图839所示。其辐射的光通量为,辐射光强度,距光源L处的光照度为,若距光源L处的接收面积的尺寸相对于L足够小，则辐射可视为垂直入射在接收面上，即面接收到的光通量为,换算成功率，则面接收到的功率为,要充分利用发射源的能量必须提高单位立体角辐射功率,例如：最简单的点光源放在球面反射镜的球心（如图840），发射光束的立体角变为 ，得到的功率增益为,简单的发射系统,实际光源不都是向立体角辐射的点光源，而是有一确定的发散角 ，所以功率增益的一般式为,发射系统功率增益的大小与发射光学系统和光源特性的配合有关。对于点光源来说，球面镜最为方便、易得。这是因为球面反射镜容易获得高反射率，反射能量损失较少。采用球面透镜，在宽光谱范围内要有高透过率比较困难；非球面镜对点光源压缩光束发散角比球面镜更有利。气体或固体激光器，光源已有较小的发散角，为了进一步提高发射功率增益，通常采用倒置望远镜与之配合。 对于被动光电系统，目标是自然光源，其辐射的空间分布由目标自身特性所决定。许多固体目标辐射的空间分布可认为符合兰伯余弦定律。,
