《光电检测技术》课件——光的探测与电子信号处理.ppt

*************************************弱信号检测技术锁相放大技术锁相放大器是探测埋藏在噪声中的微弱信号的有力工具，其核心原理是相干解调。首先将待测信号在已知频率ω上调制，然后将接收到的信号(包含噪声)与参考信号(频率为ω)相乘，最后通过低通滤波器提取直流分量，有效抑制非ω频率的噪声成分。现代数字锁相放大器可实现高达100dB以上的信噪比改善，能够检测到噪声水平以下数百倍的微弱信号。在光电检测中，常用于探测周期性调制的光信号。2相关检测技术相关检测基于信号与其模板的相关性，利用互相关函数最大化信号检测概率。具体实现上，将接收信号与已知模板信号进行相关运算，当两者匹配度高时，相关输出产生显著峰值，实现信号识别和参数估计。相关检测广泛应用于雷达、声纳和通信系统。在光电检测领域，可用于识别特定波形的光脉冲信号，如光通信中的编码序列检测或激光雷达中的回波信号识别。光电检测中的图像处理图像增强图像增强旨在改善图像视觉效果，突出感兴趣特征。常见技术包括：对比度调整，通过拉伸灰度范围提高图像对比度；直方图均衡化，使图像灰度分布更均匀；空间滤波，如平滑滤波减少噪声，锐化滤波增强边缘；伪彩色处理，将灰度图转换为彩色，增强视觉感知。图像分割图像分割将图像划分为多个有意义的区域，是目标识别的基础。主要技术包括：阈值分割，基于灰度阈值划分前景与背景；边缘检测，使用Sobel、Canny等算子识别边缘；区域生长，从种子点扩展形成区域；分水岭算法，将图像视为地形，寻找边界线；现代方法还包括基于深度学习的语义分割。特征提取特征提取从分割区域中提取描述性特征，用于后续识别和分类。常用特征包括：几何特征，如面积、周长、形状因子等；纹理特征，如灰度共生矩阵特征、局部二值模式(LBP)；统计特征，如矩特征、直方图特征；频域特征，通过傅里叶变换或小波变换获得；近年来，深度卷积网络自动学习的特征在许多应用中表现优异。光电检测系统的校准计量标准使用可溯源的标准器件和方法标准光源：黑体辐射源、光谱灯标准探测器：绝对辐射计、标准光电池标准材料：反射率、透射率标准样品校准方法常用校准技术和程序替代法：用标准器件替代被测器件比较法：同时测量标准和被测器件自校准：利用系统内部参考进行校准校准参数需要校准的关键系统参数响应度：在各波长下的灵敏度线性度：响应与激励的线性关系暗信号：无光照时的背景信号频率响应：不同调制频率下的响应校准周期校准的时间安排和管理定期校准：按固定时间间隔进行使用前校准：每次关键测量前进行异常后校准：系统异常后重新校准光电检测系统的误差分析随机误差来源随机误差导致测量结果在平均值附近波动，主要来源包括：探测器噪声（热噪声、散粒噪声、1/f噪声等）；光源波动（激光相对强度噪声、灯泡闪烁等）；环境干扰（温度波动、机械振动、电磁干扰等）；量化误差（模数转换过程中的量化效应）。统计分析和多次测量平均可减小随机误差影响。系统误差来源系统误差导致测量结果产生一致性偏移，主要来源包括：标定偏差（校准标准的不确定度）；非线性效应（探测器或放大器的非线性响应）；温度漂移（器件参数随温度变化）；老化效应（组件性能随时间退化）；光学干扰（散射光、杂散反射等）。系统误差通常需通过改进实验设计和专门的补偿技术来降低。误差补偿技术常用误差补偿技术包括：硬件补偿（温度控制、屏蔽、隔振等）；差分测量（参考通道减去共模干扰）；软件校正（查表法、多项式拟合等）；自适应滤波（实时估计和消除干扰）；平均技术（信号平均、相位敏感检测等）。实际系统通常综合应用多种补偿方法，以获得最佳测量精度。光电检测在测距中的应用三角测距法三角测距法基于三角几何原理，利用已知基线长度和角度来计算距离。在光电系统中，通常由激光发射器、接收光学系统和位置敏感探测器组成。工作原理：激光束从已知位置发出，照射到目标表面后发生漫反射，反射光被位置敏感探测器(如CCD/CMOS阵列或PSD)接收。根据反射光在探测器上的位置，结合发射和接收光学系统的几何关系，可计算出目标距离。优点：结构简单，成本低，近距离分辨率高缺点：测量范围有限，通常小于10米，受目标表面特性影响大应用：工业自动化、3D扫描、机器人避障等飞行时间法飞行时间法(TOF)直接测量光信号从发射到接收的时间延迟，根据光速计算距离。根据调制方式，分为脉冲TOF和连续波TOF两类。脉冲TOF发射短光脉冲，直接测量光脉冲往返时间：d=c·t/2。连续波TOF发射调幅或调相的连续光信号，通过测量相位差计算距离：d=c·φ/(4πf)，其中φ为相位差，f为调制频