第3章 直接探测和外差要点
光电检测方法
光电检测方法2.1直接探测2.1.1基本物理过程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，由光探测器将光信号直接转化为电流或电压，根据不同的要求，再经后续电路处理，最后获得有用的信号。
一般，光探测器前可采用光学天线，在其前端还可经过频率滤波和空间滤波处理。
这是为了进一步提高探测效率和减小杂散的背景光。
信号光场可表示为()cos S E t A t ω=，式中，A 是信号光电场振幅，ω是信号光的频率。
则其平均功率P 为（2.1.1）光探测器输出的光电流为（2.1.2）若光探测器的负载电阻为L R ,则光探测器输出的电功率为（2.1.3）光探测器输出的电功率正比于入射光功率的平方。
从而可知，光探测器对光的响应特性包含两层含意，其一是光电流正比于光场振幅的平方，即光的强度；其二是电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（TM ）光，调制信号为()d t 。
从而得式中第一项为直流项，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，这就是直接探测的基本物理过程，需强调指出，探测器响应的是光场的包络，目前，尚无能直接响应光场频率的探测器。
2.1.2信噪比设入射到光探测器的信号光功率为S P,噪声功率为n P，光探测器输出的信号电功率为P S，输出的噪声功率为P N。
可得（2.1.5）根据噪声比的定义，则输出功率信噪比为（2.1.6）从上式可以看出I.若，则有（2.1.7）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号比小于1或者微弱光信号的探测。
II.若，则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。
由此可见，直接探测方法不能改善输入信噪比。
如果考虑直接探测系统存在的所以噪声，则输出噪声总功率为（2.1.9）式中，222NS NB ND i i i ++分别为信号光，背景光和暗电流引起的散粒噪声。
自动控制原理第三章复习总结.
第三章过程检测技术目的：为了实现对生产过程的自动控制，首先必须对生产过程的各参数进行可靠地测量。
要点：学习和掌握过程测试及应用；正确地选择测试原理和方法；组成合适的测试系统。
第一节测量与误差基本知识测量基本知识一.测量的概念1•概念测量是人类对自然界的客观事物取得数量概念的一种认识过程。
或者说测量就是为取得任一未知参数而做的全部工作。
4.测量的基本方程式x0 =X0/u5 .测量过程三要素(1)测量单位；(2)测量方法；(3)测量仪器与设备。
二.测量单位1.概念数值为1的某量，称为该量的测量单位或计量单位。
三.测量方法(一)测量方法的分类1.直接测量与间接测量2.等精度测量和不等精度测量3．接触测量与非接触测量4．静态测量与动态测量（二）直接测量法有以下几种常用方法：1．直接比较测量法2．微差测量法3．零位测量法（又称补偿测量法或平衡测量法）（三）间接测量法1 ．定义通过对与被测量有函数关系的其它量进行测量，的测量方才能得到被测量值法。
4．组合测量法四．测量仪器与设备一）感受件（传感器）二）中间件（变送器或变换器）三）显示件（显示器）误差基本知识.误差基础（一）测量误差及分类1．系统误差2．随机误差（又称偶然误差）3．粗大误差（二）测量的精密度、准确度和精确度1．精密度2．准确度3．精确度（三）不确定度概念用测量值代表被测量真值的不肯定程度。
是测量精确度的定量表示（四）仪表的基本误差限1．绝对误差2．相对误差3．引用误差．误差分析与处理一）随机误差的分析与处理1 ．统计特性（随机过程）2．算术平均值原理（1）真值的最佳估计值（最佳信赖值）。
（2）剩余误差3．随机误差的标准误差估计（贝塞尔公式）4．置信概率与置信区间二）系统误差的分析与处理1．系统误差的估计1）恒定系统误差指误差大小和符号在测量过程中不变的误差。
2）变值系统误差它是一种按照一定规律变化的系统误差。
可分为a. 累积性系统误差随着时间的增长，误差逐渐增大或减少的系统误差b. 周期性系统误差误差大小和符号均按一定周期变化的系统误差。
公差配合与测量技术知识点doc资料
公差配合与测量技术知识点《公差配合与测量技术》知识点绪言互换性是指在同一规格的一批零件或部件中，任取其一，不需任何挑选或附加修配就能装在机器上，达到规定的功能要求，这样的一批零件或部件就称为具有互换性的零、部件。
通常包括几何参数和机械性能的互换。
允许零件尺寸和几何参数的变动量就称为公差。
互换性课按其互换程度，分为完全互换和不完全互换。
公差标准分为技术标准和公差标准，技术标准又分为国家标准，部门标准和企业标准。
第一章圆柱公差与配合基本尺寸是设计给定的尺寸。
实际尺寸是通过测量获得的尺寸。
极限尺寸是指允许尺寸变化的两个极限值，即最大极限尺寸和最小极限尺寸。
最大实体状态是具有材料量最多的状态，此时的尺寸是最大实体尺寸。
与实际孔内接的最大理想轴的尺寸称为孔的作用尺寸，与实际轴外接的最小理想孔的尺寸称为轴的作用尺寸。
尺寸偏差是指某一个尺寸减其基本尺寸所得的代数差。
尺寸公差是指允许尺寸的变动量。
公差=|最大极限尺寸 - 最小极限尺寸|=上偏差-下偏差的绝对值配合是指基本尺寸相同的，相互结合的孔与轴公差带之间的关系。
间隙配合：孔德公差带完全在轴的公差带上，即具有间隙配合。
间隙公差是允许间隙的变动量，等于最大间隙和最小间隙的代数差的绝对值，也等于相互配合的孔公差与轴公差的和。
过盈配合，过渡配合T=ai,当尺寸小于或等于500mm时，i=0.45+0.001D(um),当尺寸大于500到3150mm时，I=0.004D+2.1（um）.孔与轴基本偏差换算的条件：1.在孔，轴为同一公差等级或孔比轴低一级配合2.基轴制中孔的基本偏差代号与基孔制中轴的基本偏差代号相当3.保证按基轴制形成的配合与按基孔制形成的配合相同。
通用规则，特殊规则例题基准制的选用：1.一般情况下，优先选用基孔制。
2.与标准件配合时，基准制的选择通常依标准件而定。
3.为了满足配合的特殊需要，允许采用任一孔，轴公差带组合成配合。
公差等级的选用：1.对于基本尺寸小于等于500mm的较高等级的配合，由于孔比同级轴加工困难，当标准公差小于等于IT8时，国家标准推荐孔比轴低一级相配合，但对标准公差大于IT8级或基本尺寸大于500mm的配合，由于孔德测量精度比轴容易保证，推荐采用同级孔，轴配合。
互换性与技术测量第3章
米原器，并规定了1米的定义为“在标准大气压和0℃时，
国际米原器上两条规定刻线间的距离”。国际米原器由铂 铱合金制成 ，存放在法国巴黎的国际计量局 ，这是最早
的米尺。
第3章 测量技术基础 在1960年召开的第十一届国际计量大会上，考虑到
光波干涉测量技术的发，决定正式采用光波波长作为
长度单位基准， 并通过了关于米的新定义：“米的长 度等于氪(86Kr)原子的2p10与5d5能级之间跃迁所对应 的辐射在真空中波长的1 650 763.73倍”。从此，实现 了长度单位由物理基准转换为自然基准的设想，但因氪
式（3-1）被称为基本测量方程式。它说明：如 果采用的测量单位 E 为 mm，与一个被测量比较所
得的比值 Q 为50，则其被测量值也就是测量结果应
为50 mm。 测量单位愈小， 比值就越大。测量单位 的选择取决于被测几何量所要求的测量精度，精度 要求越高，测量单位就应选得越小。
第3章 测量技术基础
第3章 测量技术基础
4.
1） 按国标的规定，量块按制造精度分为6级，即00、 0、1、 2、3和K级。其中00级精度最高，依次降低，3级精度最低， K级为校准级。各级量块精度指标见附表3-2。 量具生产企业根据各级量块的国标要求，在制造时就将 量块分了“级”，并将制造尺寸标刻在量块上。使用时，就
使用量块上的名义尺寸。这叫做按“级”测量。
第3章 测量技术基础
(3）使量块块数尽可能少，以减少积累误差，一般 不超过3~5块。
(4）必须从同一套量块中选取，决不能在两套或两
套以上的量块中混选。 (5）组合时，不能将测量面与非测量面相研合。 (6）组合时，下测量面一律朝下。
第3章 测量技术基础
例如：要组成28.935的尺寸，若采用83块一套的
直接探测和外差探测要点
后级信号
处理电路
反馈电路
光探测电路示意图
9
3.3.1 前放噪声等效电路
Eso
Eno
Vs－信号源，RS－信号源内阻， Ens－RS的热噪声 En－放大器噪声电压源，In－放大器噪声电流源， Av－放大器电压增益，Zi－放大器的输入阻抗，Eni －放大器输入端的噪声电压，Eso－放大器的输出端 电压，Eno－放大器输出端的总噪声电压
输出信噪比为
(
so M Ri Ps ) 2 2 2 2 no ins inb ind inT
探测器的噪声等效功率为
NEP Ps 1 2 2 2 2 12 (ins inb ind inT ) MRi
5
1 4k BTf 1 2 2 [2eM f (is ib id ) ] MRi RL
2 ns 2 2 2 2 K P ( Ens En In Rs )
2
2
2
KV
Zi Av Rs Z i
－放大器的电压传递函数 （考虑源在内的系统增益，注意和Av的区别！）
－放大器的功率传递函数
K P ( KV )2
2 E 2 2 2 2 no Ens En In Rs2 因此等效输入噪声为： Eni KP
so si2 (si ni )2 ( SNR)o 2 no 2si ni ni 1 2( si ni )
so ( si ni )2，说明直接探测不适合微弱信号 （1）si/ni《1，则有 no
讨论：
的探测；
so 1 ( si ni ) ，转换后信噪比损失不大； （2）si/ni》1，则有 no 2
讨论：
2 nT
（1）热噪声优势 i
公差配合与测量技术知识点
《公差配合与测量技术》知识点绪言互换性是指在同一规格的一批零件或部件中，任取其一，不需任何挑选或附加修配就能装在机器上，达到规定的功能要求，这样的一批零件或部件就称为具有互换性的零、部件。
通常包括几何参数和机械性能的互换。
允许零件尺寸和几何参数的变动量就称为公差。
互换性课按其互换程度，分为完全互换和不完全互换。
公差标准分为技术标准和公差标准，技术标准又分为国家标准，部门标准和企业标准。
第一章圆柱公差与配合基本尺寸是设计给定的尺寸。
实际尺寸是通过测量获得的尺寸。
极限尺寸是指允许尺寸变化的两个极限值，即最大极限尺寸和最小极限尺寸。
最大实体状态是具有材料量最多的状态，此时的尺寸是最大实体尺寸。
与实际孔内接的最大理想轴的尺寸称为孔的作用尺寸，与实际轴外接的最小理想孔的尺寸称为轴的作用尺寸。
尺寸偏差是指某一个尺寸减其基本尺寸所得的代数差。
尺寸公差是指允许尺寸的变动量。
公差=|最大极限尺寸- 最小极限尺寸|=上偏差-下偏差的绝对值配合是指基本尺寸相同的，相互结合的孔与轴公差带之间的关系。
间隙配合：孔德公差带完全在轴的公差带上，即具有间隙配合。
间隙公差是允许间隙的变动量，等于最大间隙和最小间隙的代数差的绝对值，也等于相互配合的孔公差与轴公差的和。
过盈配合，过渡配合T=ai,当尺寸小于或等于500mm时，i=0.45+0.001D(um),当尺寸大于500到3150mm时，I=0.004D+2.1（um）.孔与轴基本偏差换算的条件：1.在孔，轴为同一公差等级或孔比轴低一级配合2.基轴制中孔的基本偏差代号与基孔制中轴的基本偏差代号相当3.保证按基轴制形成的配合与按基孔制形成的配合相同。
通用规则，特殊规则例题基准制的选用：1.一般情况下，优先选用基孔制。
2.与标准件配合时，基准制的选择通常依标准件而定。
3.为了满足配合的特殊需要，允许采用任一孔，轴公差带组合成配合。
公差等级的选用：1.对于基本尺寸小于等于500mm的较高等级的配合，由于孔比同级轴加工困难，当标准公差小于等于IT8时，国家标准推荐孔比轴低一级相配合，但对标准公差大于IT8级或基本尺寸大于500mm的配合，由于孔德测量精度比轴容易保证，推荐采用同级孔，轴配合。
光外差探测系统课件
环境监测是光外差探测系统在环保领域的应用，主要用于气体浓度、温度、压力 等参数的测量。
光外差探测系统具有高灵敏度、高精度、实时性强的特点，对于环境监测和污染 治理具有重要的意义。
06
光外差探测系统发展趋势与展望
高性能探测器研究
1 2 3
高灵敏度 通过优化探测器结构、提高材料质量等方式，提 高探测器的光子吸收效率和响应速度，从而提高 探测器的灵敏度。
数据存储与备份
将采集到的数据存储在可靠的存储介质中，并定 期进行备份，以防数据丢失。
系统调试与优化
系统调试
在实验过程中对系统进行实时监 测和调试，确保系统工作正常并 达到预期的性能指标。
性能优化
根据实验结果和实际需求，对系 统的性能进行优化，如调整探测 器参数、改善信号质量等。
故障排查与维护
在系统出现故障时，及时排查故 障原因并进行修复，确保系统的 稳定性和可靠性。
实验设备布局
根据实验需求合理布置实 验设备，包括激光器、光 外差探测器、信号源等， 确保设备间的连接无误。
环境温湿度控制
保持实验环境的温湿度稳 定，以确保实验结果的准 确性和可靠性。
数据采集与处理
数据采集方式
采用高速数据采集卡或示波器等设备，对探测器 输出的信号进行采集。
数据处理算法
根据实验需求选择合适的数据处理算法，如滤波、 放大、解调等，以提取有用的信号信息。
光谱分析
用于光谱分析中，实现对气体、液体、固体 等物质的高精度光谱测量。
光通信
用于光通信系统中，实现高速、大容量、低 噪声的光信号接收。
激光雷达
用于激光雷达系统中，实现高精度、远距离 的激光测距和成像。
02
光外差探测系统组成
第3章 直接探测和外差
第3章 直接探测和外差探测原理
从图3.2 - 1可看出， 目标辐射通量相对值在0.8以 上的波长区域约在2.7~5 μm的范围内， 而背景辐射通 量相对值在0.2以下的波长约在2.6~4.5 μm的范围内。 于是， 把滤光片的短波截止波长选在大于2.7 μm处， 长波截止波长选在小于4.5 μm处。 因为在大于4.5 μm 和小于2.7 μm的范围内， 目标辐射通量在减小， 背景 辐射通量急剧上升。 最后选定滤光片的截止波长为2.8 μm(短)和4.3 μm(长)。
第3章 直接探测和外差探测原理
b 探测器
a 调制盘 物镜
图 3.2 - 2 无场镜探测光学系统
第3章 直接探测和外差探测原理
1. 场镜 如果在调制盘及探测器之间插入一个汇聚能力很 强的透镜， 如图3.2 - 3所示, 那么这样探测器面积可以 做得很小。
第3章 直接探测和外差探测原理
场镜除使探测器面积减小外， 还能使其上的照度 均匀， 避免假目标的干扰。 因为如果光源的光强不均 匀， 则入射到其上的照度亦是不均匀的， 可能引起虚 假目标的指示。
第3章 直接探测和外差探测原理
3.1 直接探测系统的性能分析
通过前两章的学习， 我们已经清楚地知道， 光电 探测器的基本功能就是把入射到探测器上的光功率转 换为相应的光电流。 即
i(t) e P(t)
hv
第3章 直接探测和外差探测原理
光电流i(t)是光电探测器对入射光功率P(t)的响应， 当然光电流随时间的变化也就反映了光功率随时间的 变化。 因此， 只要待传递的信息表现为光功率的变化， 利用光电探测器的这种直接光电转换功能就能实现信 息的解调。 这种探测方式通常称为直接探测。 直接探 测系统的方框图如图3.0 - 1所示。 因为光电流实际上 是相应于光功率的包络变化， 所以直接探测方式也常 常叫做包络探测。
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e
hv
(3.1 - 11) (3.1 - 12)
第3章 直接探测和外差探测原理
而输出噪声功率
Pn (in2s in2b in2d in2T )RL
(3.1 - 13)
in2s 2eM 2is f in2b 2eM 2ib f in2d 2eM 2id f in2T 2eMT f / RL
(3.1 - 14) (3.1 - 15) (3.1 - 16) (3.1 - 17)
第3章 直接探测和外差探测原理
以上诸式适用于光电倍增管。 对光电二极管， M=1； 对光电导探测器， 式(3.1 - 14)~(3.1 - 16) 前面的系数2 应改为4。 其中
is=αPs
(3.1 - 18)
ib=αPb
第3章 直接探测和外差探测原理
3.1 直接探测系统的性能分析
通过前两章的学习， 我们已经清楚地知道， 光电 探测器的基本功能就是把入射到探测器上的光功率转 换为相应的光电流。 即
i(t) e P(t)
hv
第3章 直接探测和外差探测原理
光电流i(t)是光电探测器对入射光功率P(t)的响应， 当然光电流随时间的变化也就反映了光功率随时间的 变化。 因此， 只要待传递的信息表现为光功率的变化， 利用光电探测器的这种直接光电转换功能就能实现信 息的解调。 这种探测方式通常称为直接探测。 直接探 测系统的方框图如图3.0 - 1所示。 因为光电流实际上 是相应于光功率的包络变化， 所以直接探测方式也常 常叫做包络探测。
(si / ni )2 1 2(si / ni )
(3.1 - 7) (3.1 - 8)
第3章 直接探测和外差探测原理
从上式可以得出如下结论：
(1) 若si/ni<<1, 则有
2
so no
si ni
(3.1 - 9)
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， 这个问题我们在后面分节中将进 行专门讨论。
第3章 直接探测和外差探测原理
(2) 若si/ni>>1, 则
so no
1 2
si ni
(3.1 - 10)
第3章 直接探测和外差探测原理
3.1.3 直接探测系统的NEP分析 具有内增益的光电探测器的电输出功率由式(3.1 -
3)可以写为
Ps M 2is2RL
式中,
M 2 Ps2RL
P0 is2RL 2RLPs2
(3.1 - 3)
第3章 直接探测和外差探测原理
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； 其二是电输出功率又正比于 入射光功率的平方。
式中e2s(t)上的短划线表示时间平均。 这是因为光 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。 把 正弦变化的光场代入式(3.1 - 1)：
is
1 2
Es2
Ps
(3.1 - 2)
第3章 直接探测和外差探测原理
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
(3.1 - 19)
这里Pb是指背景杂散光功率。
按照输出信噪比的定义， 由式(3.1 - 14)~(3.1 - 19)有
so
M 2 2Ps2
no in2s in2b in2d in2T
(3.1 - 20)
第3章 直接探测和外差探测原理
SNR S N
第3章 直接探测和外差探测原理
3.1.1 光电探测器的平方律特性 假定入射信号光的电场es(t)=Es cosωst是等幅正弦
变化的， 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
is (t) es2(t)
(3.1 - 1)
第3章 直接探测和外差探测原理
第3章 直接探测和外差探测原理
第3章 直接探测和外差探测原理
3.1 直接探测系统的性能分析 3.2 提高输入信噪比的光学方法 3.3 前置放大器的噪声特性 3.4 光电探测器偏置电路对系统噪声性能的影响 3.5 光电阈值探测统计
第3章 直接探测和外差探测原理
3.6 光频外差探测的基本原理 3.7 光频外差探测的信噪比分析 3.8 光频外差探测的空间相位条件 习题与思考题
第3章 直接探测和外差探测原理
合束器
光学 透镜 天线
带通
滤波片
光电 探 测 器 iIF
中频 放大器 IF＝－0
0
本振 激光器
图 3.0 - 2 光外差探测系统
第3章 直接探测和外差探测原理
与无线电波一样， 评价上述两种光探测系统的性 能的判据也是信噪比(SNR)。 它定义为信号功率和噪 声功率之比。 若信号功率用符号S表示， 噪声功率用 N表示， 则
第3章 直接探测和外差探测原理
光学 透镜 天线
带通 滤波片
光电 探 测器
放大 及 处理
图 3.0 - 1 直接探测系统
第3章 直接探测和外差探测原理
激光的高度相干性、 单色性和方向性使光频段的 外差探测成为现实。 光电探测器除了具有解调光功率 的包络变化的能力之外， 只要光谱响应匹配， 也同样 具有实现光外差探测的能力。 光外差探测系统的方框 图如图3.0 - 2所示。
so+no=k(si+ni)2 =k(s2i+2sini+n2i)
(3.1 - 5)
考虑到信号和噪声的独立性， 应用
so ksi2
(3.1 - 6)
第3章 直接探测和外差探测原理
no k (2sini ni2 )
根据信噪比的定义， 输出信噪比为
(SNR)o
so si
si2 2sini ni2
如果入射光场t)]cosst
那么
is (t)
1 2
Es2
Es2KV
(t)
(3.1 - 4)
第3章 直接探测和外差探测原理
3.1.2 信噪比性能分析
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