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光信息檢測 
定 價：178 元 叢書名：光學前沿研究與應用
9 7 8 8 5 7 2 5 4 4 3 7 9  本書圍繞光的接收與探測，結合國內(nèi)外新技術的發(fā)展，系統(tǒng)介紹光信息檢測的基礎知識和重要技術，主要包括信息的光調(diào)制與傳輸、光電探測、光波參數(shù)檢測、微弱光信號檢測、光電接收系統(tǒng)設計、典型光電檢測系統(tǒng)等內(nèi)容，使讀者深入了解光信息的調(diào)制、傳輸特點；熟悉各類光電探測器的主要特性及應用技術；了解噪聲的隨機概念，通過對光電轉換過程中噪聲產(chǎn)生原因與特點的分析掌握噪聲抑制的方法；掌握光波參數(shù)檢測的特殊技術及對微弱光信號與單光子進行高靈敏度檢測的方法；掌握光接收機設計方法，同時了解幾種特殊光電轉換電路與典型光電檢測系統(tǒng)。 適讀人群 ：光學（工程）、光信息科學與技術、物理電子學等相關專業(yè)學生、教師和科研人員 光波技術作為一門古老而又年輕的科學技術愈來愈受到人們的重視�，F(xiàn)代光學技術把光學技術、電子學技術、計算機技術與精密機械技術結合在一起，使光波的應用拓展到了更為廣闊的空間，單一的光學時代已進入光與電緊密結合的光電時代。光波與物質(zhì)的相互作用特別是高能量激光的應用創(chuàng)造了光波新的應用領域。以激光為代表的光波作為信息獲取的手段、信息傳遞與處理的工具在信息技術領域顯示了它卓越的特性。 本書先簡要闡述光信息調(diào)制與傳輸，重點圍繞光信息檢測講解光探測器、光波參數(shù)檢測和微弱光信號檢測，最后介紹了光接收機設計和幾種應用最多的光信息檢測系統(tǒng)。 作為一門古老而又年輕的科學技術，光波技術愈來愈受到人們的重視。人類從有歷史記載以來就有了關于光的描述。在中國歷史上，春秋時期有名的\"烽火臺\"就是光波作為信息傳遞工具的最好記載�？脊虐l(fā)現(xiàn)的古老銅鏡就是光反射在人們?nèi)粘Ｉ钪袘玫淖詈美C。從反射鏡、放大鏡、顯微鏡到望遠鏡以至現(xiàn)代應用的各種天文望遠鏡，光一直作為人類認識世界的手段與工具。傳統(tǒng)光學一直延續(xù)了幾百年，光的\"波動性\"與\"粒子性\"以及光的電磁理論的實驗驗證和描述使光科學理論得到質(zhì)的提升。20世紀 60年代激光問世，揭開了光學技術研究與應用的新篇章�，F(xiàn)代光學技術把光學技術、電子學技術、計算機技術與精密機械技術結合在一起，使光波的應用拓展到了更為廣闊的空間，從單一的光學時代進入光與電緊密結合的光電時代。光波與物質(zhì)的相互作用特別是高能量激光的應用創(chuàng)造了光波新的應用領域。以激光為代表的光波作為信息獲取的手段、信息傳遞與處理的工具在信息技術領域顯示出了卓越的特性。如今光波技術的應用已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟、國防與人類生活的各個領域，其發(fā)展速度與勢頭大有趕超電子技術的趨勢。光波作為信息載體的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾方面∶ （1）頻帶寬，信息容量大。由于光波頻率很高（約 10lHz），即使 1%的調(diào)制帶寬也有很寬的帶寬，它是微波帶寬的1000 倍以上，因此是非常好的信息載體。 （2）激光波長短，且具有良好的相干性。在精密測量、傳感、光存儲等應用中可以獲得很高的測量靈敏度、精度以及大的存儲容量。 （3）具有良好的抗電、磁干擾能力。這給通信、傳感與測量帶來極大的方便。 （4）作為檢測手段，對被檢測對象無干擾與破壞，且可進行非接觸測量。（5）具有良好的空間并行性。這拓展了電子學的一維處理方式，為二維與三維并行處理提供了有利條件。 （6）在光纖中可低損耗遠距離傳輸，為光纖通信與光纖傳感提供了有力支撐。 利用光波的上述優(yōu)點，幾十年來人類結合當代電子技術與計算機技術做了大量應用研究與開發(fā)工作。特別突出的是在信息技術領域，人們研究開發(fā)了光纖通信技術，如今寬帶、高速、大容量光纖網(wǎng)絡已遍布世界，給人們的認知與交流帶來了巨大變化。信息的快速傳遞，無疑對人們生活、工農(nóng)業(yè)、交通、能源、商業(yè)、文化、國防與科學技術等的發(fā)展帶來巨大推動作用。光波技│術應用的又一大領域就是激光應用技術，它在激光測量、傳感、激光雷達、激光大氣與空間通信中已經(jīng)或正待發(fā)揮愈來愈重要的作用。激光應用技術推│動了一大批新興產(chǎn)業(yè)，推動了傳統(tǒng)工業(yè)的再度換代升級。再如光纖傳感技│術，作為光纖通信的姊妹正得到蓬勃發(fā)展，它所具有的諸多優(yōu)點，如檢測靈敏度高、可遠距離獲取信息、易于組網(wǎng)、能夠實現(xiàn)分布式傳感等正為人們所利用。目前已在鐵路、公路橋梁、隧道、油庫安全預警，地質(zhì)災害監(jiān)測以及軍事裝備等中得到應用，它將成為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分之一。 本書針對光波在信息技術領域的研究與應用，著重介紹光信息的檢測�？梢哉f，無論是光通信、光學測量、光電傳感還是其他光電系統(tǒng)，都離不開光│信息的檢測。一個具有普遍意義的光電信息系統(tǒng)主要由信息的光調(diào)制，光發(fā)射、傳輸、接收與光電轉換，電子信息處理與輸出等幾部分組成。本書簡要介紹光信息調(diào)制與傳輸，重點圍繞光信息檢測介紹光探測器、光波參數(shù)檢測和微弱光信號檢測。此外，還介紹光接收機設計和幾種應用最多的光信息檢測系統(tǒng)。 第1章介紹光調(diào)制與光傳輸。眾所周知，光波作為載波傳遞信息具有攜帶大量信息的能力，這些信息往往通過電、磁、聲乃至機械等方式調(diào)制在光波上。調(diào)制可以改變光波參數(shù)【強度、波長（頻率）、相位、偏振】中任一參數(shù)。在大多數(shù)情況下最為直接也最為簡單的方式就是進行強度調(diào)制，例如目前的光纖通信就依然采用光強直接調(diào)制，不過它所采用的是數(shù)字技術，應用了編碼調(diào)制的方式，就信息的光調(diào)制而言，它屬于脈沖光調(diào)制。對于脈沖光，當其轉換為電信號后將具有寬的頻譜，為了減少信息的失真與丟失，在進行光接收機設計時除考慮其靈敏度外，對帶寬方面也應有所考慮。而對于大多數(shù)光電傳感器與光學測量儀器來說，被檢測信息往往以模擬方式調(diào)制在光波上，對于這種被動調(diào)制，對于光接收機的設計要求更高，特別是在許多場合下對接收靈敏度與帶寬這對彼此制約的參數(shù)都提出了更高的要求。所以，了解信息的光調(diào)制對于光接收機的設計是必要的。 在實際應用中，光信息往往需要通過介質(zhì)在一定距離內(nèi)進行傳輸。因此，了解光波在包括晶體、大氣、水以及光纖等各類介質(zhì)中傳輸?shù)男袨楹妥兓缢p、光束發(fā)散、偏振與相位變化等，對于光信號接收方案的選取十分必要。 第 2 章主要介紹光探測器。除信息獲取、傳輸外，光電轉換是人直接得到信息最重要的環(huán)節(jié)。不僅如此，電子技術、計算機技術還能進一步幫助改善和提高信息獲取的質(zhì)量和速度。無論是光通信、測量、傳感還是其他光電信息系統(tǒng)，光電轉換都是不可缺少的重要組成之一。 光接收機中，光探測器起著核心作用。光探測器的最基本功能就是將光波信號轉換為電信號，就這一意義而言，光探測器又被稱為光電探測器。目前所研究與制造的光探測器只能探測光能量與光功率，還無法響應光頻的變化，只能探測其隨時間變化的平均值，這也是光波檢測技術里最為突出的特點。光探測器的種類非常多，有多個參數(shù)表征其性能特點，了解這些性能對于光接收機設計有著重要意義。與此同時，了解光噪聲與探測器噪聲來源和特點對光接收機設計也是十分重要的。 第 3 章主要介紹光波參數(shù)檢測。對于光信息檢測來說，其核心就是應用不同類型的光探測器將光波參數(shù)（光強、波長、相位、偏振）轉換為電參量（電壓、電流），由于光探測器自身對光頻、相位與偏振不能響應，因此光探測的最大特點是光波的各種參數(shù)都是以光強（功率、能量）的形式被轉換成電參量的。由此可以看到，除光強外，所有其他光波參數(shù)所攜帶的信息都要經(jīng)過一定的技術處理轉化為光強變化的形式才能最后為光探測器所接受。這就引發(fā)了一系列光波探測技術的問世，諸如相干探測、光譜探測、偏振探測等。 第 4章主要介紹微弱光信號檢測。所謂微弱光通常是指其經(jīng)過光電轉換后信噪比（S/N）接近于1的輸入信號光。它不僅表現(xiàn)在弱信號光強的情況下，而且表現(xiàn)在即使具有較高的信號光功率情況下，由于背景光的干擾，接收信噪比依然處于接近于1的情況。在光信息檢測中，微弱光信號的檢測具有十分重要的理論研究與應用意義。通過它可以大大提高光接收機靈敏度，從而提高光電系統(tǒng)的性能，例如提高光通信與光雷達工作距離，實現(xiàn)遠程激光測距;降低發(fā)射機發(fā)射光功率，提高傳感器靈敏度等。在微弱光信號檢測中，大多數(shù)情況下是在與噪聲作斗爭。為此，在深刻了解各種噪聲源基礎上，人們研究了一些專門抑制噪聲的方法以及針對微弱光信號檢測的方法，其中光外差技術、光相關技術、光子探測技術以及電子鎖模技術等得到廣泛應用。 第 5章主要介紹光接收機設計。光接收機的核心是光電轉換，但一個滿足要求且性能良好的光接收機必須結合總體帶寬（或響應速率）和靈敏度要求考慮光探測器的偏置、同接收放大電路的匹配。如何提高光接收機動態(tài)范圍是光波技術發(fā)展的一個難點也是一個應用需求的重點。既滿足系統(tǒng)對接收帶寬要求，又滿足接收靈敏度和動態(tài)范圍要求，是接收機設計努力的方向。本書以光纖通信用數(shù)字光接收機與光纖傳感器用模擬接收機為典型例子，從光的接收到光電變換、信號放大處理等方面介紹光接收機設計。 第 6章主要介紹包括激光檢測（激光測距、激光測速、激光線徑檢測、激光雷達）、光纖傳感器、光電圖像檢測在內(nèi)的幾種典型光信息檢測系統(tǒng)，以加深對光信息檢測的認識與理解。 各章中舉例存在相互交疊的情況，主要是討論的出發(fā)點不同而產(chǎn)生的，如光外差接收、干涉型光纖傳感器等，但分析角度和深度各有側重而不影響整書的系統(tǒng)性。 最后，在光信息檢測中需要特別提及的是一個至今仍為物理學界與工程技術界所困惑的現(xiàn)象，即由于光探測器只能探測光的能量或強度，當其把光信號轉換為電信號時所表達的物理含義是從光的功率轉換到電的電壓或電流。因此相對于電子學接收機而言，光接收機由于具有光電轉換過程使其接收靈敏度要比電子學接收機的接收靈敏度低一倍。只有當有一天人們尋求到將光場幅值轉換為電壓或電流，或將一個光子直接轉換成為電子的時候，光接收機才能與電子學接收機的接收靈敏度相比擬。 本書第1章由岳慧敏教授編寫，第2章由唐雄貴教授編寫，前言與第3章、第4章由劉永智教授編寫，第5章、第6章由代志勇副教授編寫，全書由劉永智教授統(tǒng)稿。由于編者水平有限，書中難免存在錯誤和不當之處，敬請讀者批評指正。 劉永智，電子科技大學教授，博士生導師，法國Limoges大學工程博士，享受國務院政府特殊津貼，四川省學術技術帶頭人。曾任電子科技大學光電子技術系主任、四川省光學學會常務理事、激光專委會主任，獲四川省科技進步一等獎一項，三等獎二項，電子部科技進步三等獎一項。合編出版學術著作5部，作為第一或合作者在國內(nèi)外學術期刊發(fā)表論文150余篇，講授“光電信息檢測與處理”等多門課程，培養(yǎng)博士、碩士研究生60余名。 第1章 信息的光調(diào)制與傳輸1 1.1 光波的電磁特性 ……………………………………………………… 1 1.1.1 光的基本特性 ……………………………………………… 1 1.1.2 光波的偏振特性 …………………………………………………… 5 1.1.3 光的相千性 …………………………………………… 11 1.1.4 光的吸收和散射 …………………………………………… 14 1.2 信息的光調(diào)制 ……………………………………………………… 18 1.2.1 光強的時域調(diào)制 ………………………………………… 21 1.2.2 光學信息的空域調(diào)制變換原理 …………………………… 32 1.2.3 光波參數(shù)調(diào)制變換原理…………………………………… 47 1.2.4 光波參數(shù)調(diào)制方法………………………………………………… 47 1.2.5 光纖傳感中的光調(diào)制技術……………………………………… 68 1.3 光波的傳輸 ………………………………………………………………… 83 l.3.1 激光在自由空間的傳輸…………………………………… 83 1.3.2 光波在光纖中的傳輸…………………………………………… 87 1.3.3 光波在大氣中的傳輸 ……………………………………… 102 1.3.4 光波在水下的傳輸 …………………………………………… 109 參考文獻 …………………………………………………………………………… 111 第2章 光電探測114 2.1 光電探測描述 ……………………………………………………… 114 2.1.1 光電探測基本模型 …………………………………………… 114 2.1.2 光譜響應范圍 ……………………………………………………… 114 2.2 光電探測物理效應…………………………………………………… 115 2.2.1 光電效應 ……………………………………………………… 115 2.2.2 光熱效應 …………………………………………………………………… 121 2.3 光電轉換基本規(guī)律及其光電子計數(shù)統(tǒng)計 …………………………… 122 2，3.1 光電轉換基本規(guī)律 …………………………………………… 122 2.3.2 光電子計數(shù)統(tǒng)計 …………………………………………………… 123 2.4 光電探測器性能參數(shù)…………………………………………………………… 125 2.4.1 探測靈敏度 ………………………………………………… 125 2.4.2 光譜響應 ………………………………………………………… 125 2.4.3 響應時間和頻率響應 …………………………………… 127 2.4.4 量子效率 …………………………………………………… 128 2.4.5 噪聲等效功率 ……………………………………………………… 128 2.4.6 探測率與比探測率 …………………………………………… 129 2.5 光探測器噪聲 …………………………………………………………………… 129 2.5.1 噪聲來源 …………………………………………………………… 129 2.5.2 噪聲特點……………………………………………………… 130 2.5.3 噪聲類型 ………………………………………………………… 131 2.6 光電探測器 ………………………………………………………… 136 2.6.1 光電管與光電倍增管 ……………………………………………… 136 2.6.2 光電導探測器 ………………………………………………… 139 2.6.3 光伏特探測器 ……………………………………………… 143 2.6.4 熱探測器 ……………………………………………… 148 2.6.5 圖像陣列探測器 …………………………………………… 152 2.6.6 新型光電探測器 ………………………………………… 161 2.7 光探測器的偏置與放大…………………………………………… 162 2.7.1 常用偏置電路 …………………………………………… 162 2.7.2 常用放大電路 ………………………………………… 165 2.7.3 應用實例 …………………………………………………… 166 參考文獻 …………………………………………………………………………………… 167 第3章 光波參數(shù)檢測168 3.1 激光能量與光功率測量………………………………………… 168 3.1.1 激光能量測量 …………………………………………… 169 3.1.2 激光功率測量 ……………………………………………………… 171 3.2 光波長（頻率）檢測………………………………………………… 172 3.2.1 可調(diào)諧F-P（Fabry-Perot）腔方法 ……………………… 172 3.2.2 邁克耳孫干涉方法 ………………………………………… 176 3.2.3 光外差干涉方法 ………………………………………… 177 3.2.4 聲光方法 ………………………………………………… 184 3.2.5 微型光譜儀方法 ………………………………………… 185 3.3 光波相位檢測 ………………………………………………………… 187 3.3.1 光波相位的干涉測量原理 …………………………………… 187 3.3.2 光波相位的干涉測量方法 ……………………………… 189 3.4 偏振檢測 ……………………………………………………………… 207 3.4.1 基本方法……………………………………………………… 208 3.4.2 偏振檢測的應用 ……………………………………………………… 210 3.5 激光光束測量 ………………………………………………………… 218 3.5.1 M的測量 ………………………………………………… 219 3.5.2 光強分布測量 ………………………………………………… 222 3.6 激光波前檢測 …………………………………………………… 228 3.6.1 Hartmann-Shac波前傳感器工作原理 ……………… 228 3.6.2 光學質(zhì)心計算 …………………………………………… 229 3.6.3 入射光波前重構 ……………………………………………… 229 3.6.4 M因子的計算 …………………………………………………… 231 參考文獻 ……………………………………………………………………………… 231 第4章 微弱光信號檢測235 4.1 微弱光信號特點………………………………………………… 235 4.2 干擾（背景）與噪聲………………………………………………… 235 4.2.1 光千擾…………………………………………………… 235 4.2.2 噪聲………………………………………………………… 236 4.2.3 光子噪聲 …………………………………………………… 237 4.2.4 噪聲的特性 …………………………………………… 238 4.2.5 放大器的噪聲 ……………………………………………… 240 4.3 噪聲匹配與信噪比改善……………………………………………………… 243 4.3.1 噪聲匹配 ……………………………………………………… 243 4.3.2 信噪比改善……………………………………………… 244 4.3.3 最大信噪比原理 …………………………………………… 245 4.4 微弱信號檢測方法…………………………………………………… 248 4.4.1 光學輸入 ………………………………………………… 248 4.4.2 光外差接收 ………………………………………………… 249 4.4.3 相關檢測 ………………………………………………… 254 4.4.4 平均處理技術 …………………………………………… 257 4.4.5 鎖定放大技術 ……………………………………………… 258 4.5 光子計數(shù) ……………………………………………………………… 265 4.5.1 光子計數(shù)原理 ……………………………………………… 266 4.5.2 光子探測器 …………………………………………………… 268 4.5.3 光子計數(shù)器 ……………………………………………… 269 4.5.4 光子計數(shù)器的測量方法 ……………………………………………… 270 4.5.5 光子計數(shù)探測應用 ……………………………………………………… 273 參考文獻……………………………………………………………………………… 278 第5章 光電接收系統(tǒng)設計 5.1 光學接收天線設計…………………………………………………… 279 5.1.1 光學接收天線性能 ………………………………………… 280 5.1.2 大視場高增益光學接收天線 ……………………………… 281 5.1.3 特殊的光學接收天線 …………………………………… 286 5.1.4 光學天線掃描 ………………………………………… 292 5.2 光電變換電路 …………………………………………………… 301 5.2.1 光電檢測系統(tǒng)的通頻帶寬度 …………………………… 301 5.2.2 典型的前置放大電路 …………………………………… 303 5.2.3 PIN光電轉換電路 ……………………………………… 305 5.2.4 APD光電轉換電路 …………………………………… 307 5.3 光接收機系統(tǒng) …………………………………………………… 310 5.3.1 光直接接收機 ……………………………………………… 310 5.3.2 光外差接收機 …………………………………………… 314 5.3.3 直接探測法與外差探測的比較 ………………………… 322 5.4 光波相干解調(diào) …………………………………………………… 324 5.4.1 相干檢測調(diào)制變換光路 …………………………………… 325 5.4.2 相千條紋檢測方法 ………………………………………… 328 5.4.3 3×3光纖耦合器相位解調(diào) ……………………………… 331 5.4.4 相位載波生成（PGC）解調(diào)法 …………………………… 333 參考文獻……………………………………………………………………… 337 第6章 典型的光電檢測系統(tǒng)339 6.1 激光檢測系統(tǒng) …………………………………………………………… 339 6.1.1 激光測距 …………………………………………………………… 339 6.1.2 激光測速 …………………………………………………………… 345 6.1.3 激光線徑測量 ……………………………………………… 355 6.1.4 激光雷達 ………………………………………………………… 356 6.2 光纖傳感器 ………………………………………………………… 364 6.2.1 光纖傳感器分類 ………………………………………… 366 6.2.2 分布式光纖傳感器 ………………………………………… 375 6.3 光電圖像檢測系統(tǒng)……………………………………………… 383 6.3.1 光電圖像檢測系統(tǒng)的分類與組成 ………………………… 383 6.3.2 光學圖像處理 …………………………………………… 385 6.3.3 一維圖像測量 …………………………………………………… 399 6.3.4 二維圖像測量 …………………………………………………………403 6.3.5 三維圖像測量 ………………………………………………………… 405 參考文獻…………………………………………………………………………………… 407 索引 408
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