光电探测技术篇1

关键词：激光探测透镜光纤多窗口探测

中图分类号：TN242文献标识码：A文章编号：1672-3791（2014）07（a）-0008-02

激光是一种特殊光源，具有脉冲宽度窄、单色性好、方向性好、平行度好、亮度高等优点，许多高科技领域都是以激光为载体进行发展研究的。如今激光技术在世界领域内飞速发展，对激光威胁源预警仪的设计与研究有重要价值。

采用基于光电二极管阵列的多窗口激光探测技术的传统激光威胁源预警系统，由于光电二极管安装在探测窗口附近，易受到环境中电磁波的干扰，所以有虚警率高的缺点。而采用光纤延迟技术的激光威胁源预警仪则需要高速计时电路，电路复杂，且光纤使用量大，成本较高。

本文将基于光电二极管阵列的多窗口激光探测技术与光纤技术加以融合，得到一种新型的激光预警技术。采用光纤耦合的激光预警仪在抗电磁干扰方面有明显的优势，可以提高系统的可靠性，降低虚警率；并且由于来袭激光不直接作用于光电二极管，从而达到了抗高功率激光损伤的目的。

1光纤探测器

如图1所示，在半球型的光纤探测器上分布着12个光学窗口，每个光学窗口对应一根透镜光纤，光纤探头摆放在凸透镜焦平面前散焦的位置上，单个窗口视角为90°，角分辨率为30°。这样就能实现水平0°～360°、俯仰-45°～90°的半球形检测。透镜光纤的末端与光电二极管相耦合，工作时通过检测光电二极管是否接收到电流，来判断是否有激光入射并声光报警。

探测窗口的内部结构如图2所示，窗口与透镜的材料采用K9玻璃（ND=1.51637），K9玻璃在300nm～1100nm波段具有优良且稳定的透光性。K9玻璃正、反面加镀AR增透膜，可增加6%～10%的透光率。采用了光谱传输范围为380nm～2400nm的双石英光纤，衰减值

2激光信号处理装置

如图3所示，当激光入射时，光纤探测器产生感应电流，光信号转换成电信号。利用前置放大电路将微弱的感应电流转变为放大后的电压信号输出。电压信号经前置放大电路后转换为TTL电平，但由于该电平脉冲宽度小，需要信号整形电路将其展宽。展宽后的信号经AD采样后送给单片机处理，最后利用液晶进行显示和语音报警。

2.1前置放大电路

激光脉冲宽度为10～20ns（其中上升沿5～6s），因而光纤探测器输出的信号幅度很小且宽度较窄，无法满足对输出电压的探测要求，这就需要设计一个前置放大电路。

如图4所示，选用OPF432光电二极管与光纤相耦合，该组件频谱敏感度500nm～1100nm，反向电压100V，暗电流0.1nA，上升时间2ns，下降时间2ns。光电二极管1N4449用来消除暗电流误差。放大器选用带宽145MHz的AD8065放大器，放大器U1的反馈部分采用3.3pF电容和24.9kΩ电阻，其中，电阻将微弱的电流信号转成电压信号，电容则用于补偿零点以消除振荡。两个放大器U1与U2中间设有32MHz左右的一阶高通滤波器，主要用来滤除环境中的干扰光源。放大器U2将电压信号放大传给MAX913比较器，信号经比较器后转换为TTL电平。

2.2信号整形电路

由于前置放大电路输出的TTL电平的脉冲宽度较小，不能满足单片机信号采集和转换的要求。为了降低成本和信号处理的复杂性，本系统设计了信号整形电路，利用555芯片构成的单稳态电路将输出的TTL电平展宽。经检测，TTL电平被展宽为22us脉冲宽度的方波信号，满足测量要求，成功实现了利用单片机对激光高速脉冲信号的分辨与处理。

3结语

本文提出了一种基于多窗口透镜光纤的激光检测方法，并根据此方法设计了一种新型激光威胁源预警系统。实验表明：系统能良好的检测到功率小于1mW的微弱激光信号，并且对激光信号的入射方向反应准确，虚警率低，抗高功率激光损伤能力和抗电磁干扰能力强，经多次测量检验，系统工作正常无误。

参考文献

[1]OrazioSvelto.PrinciplesofLasers[M].5THEdition.Springer-VerlagNewYorkInc，2010.

[2]JohnWootton.LaserWarningSystemsandMethods.US，20030234349[P].2002-06-20.

[3]ReginaldpactLaserWarningReceiver.US，5260563[P].1993-08-14.

[4]付伟.光纤前端的激光告警系统[J].红外与激光技术，1994，24（2）：17-23.

[5]周瑞.锥形光纤在多窗口激光告警系统中的应用研究[J].光通信研究，2012（2）：23-26.

[6]田二明.窄脉冲激光光谱与入射方向被动探测方法与关键技术研究[D].中北大学，2013.

[7]阎鹤.多窗口编码激光预警系统设计与性能分析[J].传感器与微系统，2010，29（10）：59-61.

[8]SergioFranco.DesignwithOperationalAmplifiersandAnalogIntegratedCircuit[M].3RDEdition.McGraw-HillEducation，2001.

光电探测技术篇2

国内自上世纪八十年代初开始研制阿尔法离子感烟探测器，积累了技术经验和理论探讨。基于前人的研究成果，并实地调研北京串列加速器核物理国家实验室楼宇内的使用情况，文章对此技术做一简述。主要介绍241Am阿尔法源的特点，α感烟技术的发展，离子感烟器的工作原理，与光电式的对比等。

关键词：α粒子；离子感烟；单源双室电离室；单极性电离室

1.阿尔法放射源

1.1阿尔法射线简述

核探测技术是利用中子、α、β等高速粒子流或者X、γ等光子（既是粒子又是电磁波）与物质的相互作用来实施探测的目的，其特点主要表现在灵敏性上。

其中，α射线是高速运动的＼+4He核，能量一般为4-9MeV。与上述的其他几种粒子相比，α粒子的体积较大，且带有两个单位的正电荷，更容易与物质发生电离作用。因此，它的能量损耗较快，穿透能力在众多电离辐射中是最弱的，人类的皮肤或一张普通的纸就能隔阻α粒子。对于4-9MeV能区的α粒子，其在空气中的射程符合下面的关系[1]（其中能量E的单位为MeV，射程R的单位为cm）：

R=（0.005E+0.285）E＼+3/2

1.2镅-241阿尔法源

用于制备α源的放射性核素主要有＼+210Po、＼+226Ra、＼+228Th、＼+238，239Pu、＼+241Am和＼+242，244Cm等。根据射线的射程与能量的关系，α能量在5-7MeV的镅241源（＼+241Am＼+237Np+＼+4He），一般在四、五厘米之外就不会对物质（包括人体）产生电离辐射作用。辐射安全上，所需做的就是把＼+241Am所放射出的在占比、强度和能量上本身就很弱的59.5keV的γ射线的占比控制在1%之内，并用包壳密封好。

2.离子感烟器发展概述

2.1起源

上世纪50年代逐步发展起来的α离子感烟技术最早是用于火灾探测领域的，在接下来的几十年内被全世界广泛使用于家庭、办公场所、大型活动场所以及工业生产现场等，为人们的生命财产安全做出了巨大贡献。此后相当长的一段时期内，用于火灾早期烟雾感应的探测器几乎全部采用α离子式。截至70年代末，这种类型的感烟器在日本、北美以及欧洲等主要市场已经消化了数千万

件[2]；中国自80年代初期开始了自主研制加国外进口成品相结合的方式。

70年代末期以后，在日本和欧洲的市场上，光电式感烟探测器逐渐发展起来，并挑战离子式感烟探测器的垄断地位。在日本，光电式在烟雾探测器市场所占的份额甚至已占支配地位。中国自90年代中期也逐步开始研制并推广光电式感烟器，但截至目前，国内使用最为广泛的依然是离子式的。

2.2结构种类

在类型上，最早的离子感烟探测器是单源单室的[3]，即一个α源和一个电离室。由于其受自然环境的影响较大，稳定性和可靠性较差，被后来发展起来的双源双室型的离子感烟探测器取代。

双源双室型探测器电离室内含有不同发射率的两个α源以及两个电离室。其中与大气相通的室作为感烟室（传感室），另一个密闭（非真空）的室作为参考室。参考室可以补偿环境的变化（非烟雾因素）对传感室的影响，提高了稳定性和可靠性。但它的一个明显缺点是需要两个相匹配的α源，因而不利于减小源强，并使得制作工艺复杂。

80年代中期，日本开始研制单源双室型离子烟感器，使用一个α放射源以及一个烟雾传感室和一个参考室。它对环境有较好的适应性，并减小了放射性强度。我国从80年代末开始研制单源双室型。

3.工作原理

3.1基本构造

α离子感烟探测器的基本工作原理，是利用烟雾粒子改变探测器的电离室内的电流大小，从而触发报警电路。图1为单源双室型α离子感烟器的原理图。

探测器的核心是在其内部装有α放射源的双电离室。其中，外电离室与大气连通，用以探测烟雾颗粒，因此也叫测量室。内电离室几乎与空气隔绝，只能缓慢交换空气，而较大颗粒不能进入，作为参考室。

镅241的半衰期约为430年，因此在一定年限内它能放出强度较为稳定的α粒子，而较强的电离能力使得电离室内的空气电离为正、负离子。正、负离子分别向加有不同电压的阴、阳极板运动，形成非常微弱的电流，如图2所示。在几乎没有烟雾颗粒的时候，由于α强度的稳定性，电流基本保持恒定。

3.2烟雾探测过程

当有烟雾粒子进入外电离室时，至少有三种因素导致外电离室内的电流强度发生变化。首先，烟雾颗粒的重量远大于正负空气离子的重量，有大量的正负离子被吸附到烟雾颗粒上；其次受到烟雾颗粒的阻挡和碰撞，正负离子在电场中的运动速度大为降低，这导致了正、负离子复合的概率增加；第三，α射线被烟雾颗粒阻挡导致了射程缩短，电离能力大幅降低，从而外电离室内产生的正负离子数减少。这几种因素导致外电离室内的电流减弱。

图3是将电离室等效为一个变阻器。正常情况下，变阻器两部分的电阻不变，两端外加电压V=V1+V2。并且对V设定有某个阈值，到达阈值时，将触发报警电路。当烟雾粒子进入外电离室时离子流减少导致V1发生变化，结点2处的电位降低，从而V2的分压降低。最终，回路电压V达到阈值，触发报警信号。

另外，从图4[4]检测室和参考室的电压-电流变化曲线也可以看出，当烟雾进入检测室后，电离电流从正常的I1减少到I2，相当于检测室的阻抗增加；此时，检测室两端的电压增值为V=V2′-V2。当V达到阈值时，开关控制电路触发报警信号，线路将报警信号传递到报警控制器，实现自动报警。

概括来讲，就是烟雾导致地探测器电离室内的电流变化，引起极板上的电压发生微弱的变化，反映在宏观上，就是引起施加在两个电离室两端分压比发生变化，从而触发报警信号。

3.3离子感烟探测器总体电路

这里用目前使用最广泛的单源双室结构的离子感烟器为例说明。在3.2节中，简化了电流和电压变化后的过程。在实际中，感烟电离室内的端电压发生变化产生的电信号是很微弱的，因此要经过后续处理。图5是α离子感烟探测器的总体电路简图。

信号放大拾取整形电路：可以将电离室里的微弱电流信号转变成较大的电压信号，通过高输入阻抗的金属氧化物半导体场效应管（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，MOSFET）进行耦合放大。

地址码预置及信号解码处理电路：如果探测器是开关转换式的，会直接将其电压变化与阈值电压进行比较，判别是否报警；如果探测器是模拟量式，则将电压变化传到报警控制器，并且这种类型的感烟器可以探测跟电压变化相关的烟雾的浓度。如果探测器内置有中央处理器芯片，则探测器可以利用内置的智能算法进行判断，同时探测器至报警器间发生电路断线，探测器安装接触不良或探测器内部电路元件损坏等都能够发出故障报警信号。

编码信号变换电路：总线上发送的各种编码信息需经编码信号变换电路处理后发送给解码电路，并将解码电路发送的数据（烟雾浓度等）传至总线上供报警器接收处理。所谓编码，就是给一个楼宇等场所内的所有感烟探测器编码，当测到烟雾触发报警时，主机会显示报警的编码地址，从而可以尽快知道发生警报的位置。

滤波整形稳压电路：给α源、集成电路和CPU等芯片提供直流工作电压。

报警灯回路：发生报警时，报警灯会被点亮。

3.4电离室的改进

此前的单源双室感烟器常见的是双极型电离室：在加有电压的二极板P1、P2之间放入＼+241Am，放出的α射线使空气分子电离成正、负离子，在电场的作用下，分别向阴极和阳极运动形成电离电流。它的特点整个电离室的空气都被电离。对一定量的＼+241Am源和一定的空气密度，二极上的电压在一定范围内增大时，电离电流随着增大，但会逐渐到达饱和值。饱和值一般为50-100μA。

为了提高离子感烟探测器的灵敏度，后来人们设计了单极性电离室[4]。这种电离室一部分被α射线照射成为电离区；另一部分未被α射线照射，为非电离区，称为主探测区。在电离区和主探测区的交界面处出现一个临界面，它会阻止电离层的负离子进入主探测区，并且使得离子的运动速度降低，因此在相同电压、相同烟雾浓度的条件下，离子被烟雾吸附的概率比双极性的大，可以得到较大的电流和电压变化量，从而提高离子感烟探测器的灵敏度。

实际的离子感烟探测器是将两个单电极性电离室串联起来，

一个作为检测电离室（感烟室，外电离室），结构上做成烟雾容易进入的形式；另一个作为补偿电离室（参考室，内电离室），结构上做成烟雾颗粒很难进入、而空气又能缓慢进入的形式。电离室串联起来，主要是为了减少环境温度、湿度、气压等自然条件的慢变化对电离电流的影响，提高离子感烟探测器的环境适应能力和稳定性。

4.产品举例

如今设计、生产α离子感烟器的国内外厂家有很多，图6是某厂生产的一款点式α离子感烟探测器，表1是相应的产品参数。

图6表1某款点式α离子感烟探测器及参数

5.离子式/光电式感烟器对比

在70年代末逐步发展起来的光电式感烟探测器内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光，当烟尘进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值，如果超过就发出警报。

离子式与光电式感烟探测器的性能对比结果归纳在表2[2]中。

可以看出，二者相比，离子式感烟探测器对微小的烟雾粒子的感应要灵敏一些，对较广粒径范围内的烟粒几乎能均衡响应；而前向式光电感烟探测器对稍大的烟雾粒子的感应较灵敏，对黑烟的响应差些。黑烟的吸光能力强，对于照射在其上的光辐射以吸收为主，散射光很弱，而且影响其他粒径烟粒子对光的散射。因此，采用光散射探测原理的光电式感烟探测器对这种黑烟探测能力较差。如果想要兼顾两者的长处，可以在相应位置同时安装这两类感烟器。

6.小结

1）α离子感烟技术是应用于烟雾探测领域的、已经发展了几十年的较为成熟的一门技术，并且目前在持续改进和优化。

2）α离子感烟是利用烟雾粒子改变电离室的电流，根据电流、电压的变化状况来衡量烟雾浓度或引发报警。

3）目前常用的是单电极型单源双室α离子感烟器，具有较高的灵敏度和稳定性，且几乎能探测各种粒径范围的烟雾颗粒。

4）经过提纯、封装等处理的＼+241Am具有极低的γ放射性，辐射安全方面能得到保障，在不断改进技术的同时，可以大范围推广。

此外，关于镅-241α放射源的活度、表面发射率离散度以及使用期限等的要求，目前依照国家标准GB12951-2009。

[参考文献]

[1]孙汉城，杨春祥.实验核物理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2014.

[2]花铁森.离子式感烟火灾探测器研制及应用技术探讨[J].NuclearElectronics&DetectionTechnology，1996，16（6）.

[3]梁生柱.单源双室离子感烟电离室的研究[J].消防技术与产品信息，1994（9）.

[4]王裕政.火灾的探测和报警[J].电世界，1994（4）.

[5]中华人民共和国国家标准GB12951-2009.

[6]梁生柱，齐秀芬.离子感烟火灾探测器电离室的高温效应的研究[J].消防技术与产品信息，1997（4）.

[7]范国民等.粉末冶金制备点型离子感烟火灾探测器用源的新工艺研究[J].中国原子能科学研究院年报，1999.

[8]罗汉清.单放射源感烟探测器及感烟-感温复合探测器的研制[J].工业安全与环保，1988（4）.

[9]罗汉清等.浅谈离子感烟防火探测器的放射线危害[J].工业安全与防尘，1988（4）.

[10]王德成.火灾自动探测和报警技术[J].机械设计与制造，1983（6）.

光电探测技术篇3

关键词：红外测温仪器工作原理应用

红外检测是一种在线监测（不停电）式高科技检测技术，它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身，通过接收物体发出的红外线（红外辐射），将其热像显示在荧光屏上，从而准确判断物体表面的温度分布情况，具有准确、实时、快速等优点。

⒈红外热成像原理

任何物体由于其自身分子的运动，不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，俗称“热像”。红外诊断技术正是通过吸收这种红外辐射能量，测出设备表面的温度及温度场的分布，从而判断设备发热情况。目前应用红外诊断技术的测试设备比较多，如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等等。像红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像，使测试效果直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备内部、外部的发热情况，可靠性高，对发现设备隐患非常有效。

⒉红外热成像技术的应用

红外诊断技术对电气设备的早期故障缺陷及绝缘性能做出可靠的预测，使传统电气设备的预防性试验维修提高到预知状态检修，这也是现代电力企业发展的方向。在实时状态检修的过程中，对我们维护电网的稳定、可靠运行，提出了越来越高的要求。随着红外检测技术在实际工作中的不断应用，对提高电气设备的可靠性与有效性，提高运行经济效益，降低维修成本都有很重要的意义。

2.1采用红外成像检测技术可以对正在运行的设备进行非接触检测，拍摄其温度场的分布、测量任何部位的温度值，据此对各种外部及内部故障进行诊断，具有实时、遥测、直观和定量测温等优点，用来检测输电线路的带电设备非常方便、有效。

2.2利用热像仪检测在线电气设备的方法是红外温度记录法。红外温度记录法是工业上用来无损探测，检测设备性能和掌握其运行状态的一项新技术。与传统的测温方式（如热电偶、熔蜡法）相比，热像仪可在一定距离内实时、定量、在线检测发热点的温度，通过扫描，还可以绘出设备在运行中的温度梯度热像图，而且灵敏度高，不受电磁场干扰，便于现场使用。

2.3带电设备的红外诊断技术是一门新兴的学科。它是利用带电设备的致热效应，采用专用设备获取从设备表面发出的红外辐射信息，进而判断设备状况和缺陷性质的一门综合技术。

⒊红外基础理论

红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质，红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃，对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。红外线的波长为0.76μm～100μm，按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。

温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理，传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应的热像图。运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断。

3.1热像仪原理

红外热像仪是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统（目前先进的焦平面技术则省去了光机扫描系统）接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构（焦平面热像仪无此机构）对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。这种热像图与物体表面的热分布场相对应；实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图由于信号非常弱，与可见光图像相比，缺少层次和立体感，因此，在实际动作过程中为更有效地判断被测目标的红外热分布场，常采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、对比度的控制，实标校正，伪色彩描绘等技术。

3.2热像仪的发展

1800年，英国物理学家F.W.赫胥尔发现了红外线，从此开辟了人类应用红外技术的广阔道路。二次世界大战后，首先由美国德克萨兰仪器公司经过近一年的探索，开发研制的第一代用于军事领域的红外成像装置，称之为红外寻视系统（FLIR），它是利用光学机械系统对被测目标的红外辐射扫描。20世纪90年代中期，美国FSI公司首先研制成功由军用技术（FPA）转民用并商品化的新一代红外热像仪（CCD）属焦平面阵列式结构的一种凝成像装置，技术功能更加先进，现场测温时只需对准目标摄取图像，并将上述信息存储到机内的PC卡上，即完成全部操作，各种参数的设定可回到室内用软件进行修改和分析数据，最后直接得出检测报告。如今，红外热成像系统已经在电力、消防、石化以及医疗等领域得到了广泛的应用。

3.3热像仪分类

红外热像仪一般分光机扫描成像系统和非扫描成像系统。光机扫描成像系统采用单元或多元（元数有8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多）光电导或光伏红外探测器，用单元探测器时速度慢，主要是振幅响应的时间不够快，多元阵列探测器可做成高速实时热像仪。非扫描成像的热像仪，如近几年推出的阵列式凝视成像的焦平面热像仪，属新一代的热成像装置，在性能上大大优于光机扫描式热像仪，有逐步取代光机扫描式热像仪的趋势。其关键技术是探测器由单片集成电路组成，被测目标的整个视野都聚焦在上面，并且图像更加清晰，使用更加方便，仪器非常小巧轻便，同时具有自动调焦图像冻结，连续放大，点温、线温、等温和语音注释图像等功能，仪器采用PC卡，存储容量可高达500幅图像。

光电探测技术篇4

关键词：光电技术；教学改革；光电装备；教学模式

中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2015）29-0099-03

一、引言

现代科学技术的发展呈现日新月异的特点，新技术总是最先应用在与国家安全密切相关的领域和装备上，院校教学如果过于注重装备本身的使用和维护层面，那么几年之后学生走出校门，必然造成所学技术的滞后，面对工作岗位上的新装备，学生就会感到无所适从，产生畏难情绪，这对提高部队的战斗力以及学生的后续发展都将产生不利影响。系统的部队院校教学和教学改革，既要依托现有装备打牢学生的理论基础，培养学生的基本专业技能，同时又必须重视培养学生思想和思维的前瞻性，才能为学生的后续发展以及装备的创新提供持久动力。

二、光电技术课程教学改革的必要性

近年来发生的多次高技术局部战争反复证明，光电装备在军事上的广泛应用，已经对作战方式和作战效能产生了重大影响，成为现代战场上军事高技术对抗的制高点之一。信息化战争中，光电装备的发展水平，在一定程度上决定着武器系统的先进程度，是衡量武器系统作战能力的重要标志，是赢得高技术局部战争胜利的重要保证。院校作为人才培养的主阵地，应主动适应信息化条件下人才培养的需求和新变化，以培养学员装备保障指挥能力为目标，不断提高培养人才的全面素质和技术水平。

“光电技术”课程是军用光电工程专业人才培养方案中一门重要的专业基础课程，该课程是激光测距、激光制导、微光夜视和红外热像等后续光电装备课程的必备基础。“光电技术”课程涉及面非常广，本课程中所学到的知识将贯穿光电类专业学生本科乃至研究生培养阶段的全过程，课程教学质量的好坏直接影响后续装备课的教学，最终将影响所培养军事技术人才的质量，所以深化光电技术课程的教学改革，对于提高课程建设水平和提高教学质量具有非常重要的意义。

三、“光电技术”课程教学中存在的问题

“光电技术”课程内容覆盖面广，是涉及应用光学、物理光学、微电子技术、模拟和数字电路技术等多门类的交叉学科，需要掌握的知识点和内容繁杂[1]。若教学内容组织不够合理，逻辑主线不够清晰，理论联系实际不够紧密，很容易让学员产生内容复杂、零散、科普化的感觉，势必影响教学效果。在教学实践中我们就发现了这样的问题：许多学员在学完光电技术课进入光电类装备课学习时，或者毕业到了部队接触新的装备时，仍感到有一定困难，在一定程度上缺乏解决实际问题的能力。为什么学员已经学习了专业的基础知识，甚至学习了多种不同型号的装备课程，但在实际工作中却不能很好地发挥作用呢？因此，针对这个问题，研究在信息化条件下，如何在光电技术课程的教学过程中融入光电装备的新理论、新技术，使学员意识到光电技术课程的重要作用，激发学员学习兴趣，不断提高教学质量，是一项重要而有意义的课题。

传统的光电技术课程教学，虽然理论性和系统性比较完善，包括了辐射度学和光度学基础、光电转换的基本理论、光电器件的基本工作原理、光电探测的基本方法和光电系统构成和设计等多方面的内容，但是作为教材，其课程内容体系的形成需要有个过程，很难做到与光电装备的更新换代同步更新，教材中所采用的案例素材比较经典。作为一门技术基础类课程，从技术层面和应用层面看，案例素材的时代感和创新性稍显不足，主要是没有充分体现出现代新型光电装备发展中的新技术和新方法，或者说在教材内容中能够体现现代光电装备中新思想的案例素材比较少，时代感不强。总之，传统光电技术课程在教材的选题上缺乏针对性和时效性，与新型光电装备的结合点不够突出，从而在一定程度上导致学生缺乏兴趣和学习动力，进而影响学生分析和解决实际问题能力的锻炼培养。

四、新型光电装备及其发展趋势

立足军用光电工程专业的特点，以培养适应信息化军队建设、打赢信息化战争需要的从事军用光电装备技术保障的高素质新型装备人才为目标，依据“紧扣教学重点、瞄准发展前沿、突出军事特色”的原则，紧贴光电装备的发展，结合当前军用光电装备所涉及的新型光电器件、光电探测方法以及光电信息处理方法，旨在将光电技术课程与光电装备发展的核心理论、关键技术进行多角度的融合，深化光电技术课程改革，使光电技术课程与光电装备教学相辅相成，提高学员对光电装备的理解深度和应用光电技术的基础知识解决武器装备问题的工程实践能力，全面提升学员的专业综合素质。

信息化时代，军用光电技术与光电装备呈现出多波段、多模式、一体化、网络化、高精度的发展趋势。工作波段涵盖紫外、可见光、近红外、中长波红外、毫米波与厘米波等多波段频谱范围；探测模式从能量探测向能量与光谱探测结合的多模式方向发展；实现警戒―跟踪、侦察―跟踪、跟踪―制导、跟踪―通信、跟踪―火控等多功能一体化；实现单机单控设备向台多传感器、台多系统、多平台多传感器以及多平台多系统的网络化发展；系统定位、定向、测距的精度大幅度提高[2]。这些采用先进光电技术的装备和武器系统在战争中发挥了重要作用。当前世界各国尤其是军事大国，都非常重视光电技术的开发研究。例如，美国投入数亿美元研制生产第三代凝视型焦平面阵列红外探测器。洛克希德・马丁公司同休斯公司合作研制舰载红外点源探测（IRST）系统，以对付来袭的巡导导弹，项目耗资1500万美元，两年完成。航天与导弹系统中心还同洛克希德・马丁公司导弹与航天部门签订了159亿美元合同，进行空间的红外系统（SBIRS）高级组件的设计与制造研究[3]。

我军在先进光电装备的研发方面也投入了大量精力。例如APD光电探测器和锁相放大技术用于激光告警和光电探测；小型化的半导体激光器及其高频调制特性用于研制新型激光驾束制导仪；新型拉曼频移激光测距机中利用非线性光学理论对1.064μm激光频移，产生人眼安全的1.54um激光；激光末端制导武器系统激光照射指示器采用电光调制和预燃电弧源产生高重频脉冲序列，指示和导引炮弹命中目标；光电联合相关处理技术用于目标的快速识别、跟踪探测和火力指挥与控制等等。同时，随着光电技术的发展，光电装备的性能得以迅速提升。随着光电阴极激活工艺和制备工艺的改进，促使微光夜视装备朝着灵敏度更高、响应波段更大的方向发展。四代微光器件不仅可以直接利用微光夜视的光电转换、电子聚焦、倍增、显示等，而且具有直接平面列阵凝视、体积小、重量轻、成本低等优点。随着新型红外探测器的发展，红外热成像仪将从单波段探测向多波段探测发展，并且逐步实现小型化，特别是在单兵光电系统中[4]，小型化轻量级光电装备的发展非常迅速。就激光装备而言，发展人眼安全、大气传输性能好的激光装备是未来的发展方向。

五、光电技术课程教学改革实践的具体做法

将现代光电装备研究中的新思想融入到光电技术课程教学中，要取得良好的教学改革效果，必须从教学内容和教学方法两个方面着眼进行改革，教学内容是核心，教学方法是关键。

（一）教学内容的选择上，注重与新型军用光电装备的结合

军用光电装备的种类非常多，应用面非常广[5，6]，从光波段上分为白光装备、激光装备、微光装备、红外装备等类型。从使用功能上，光电装备包括观察、瞄准、测量、探测、跟踪、打击等不同使用功能。具体形式上可分为激光测距、激光制导、激光告警、激光防护、激光武器；微光观察、微光瞄准；红外热像、电视跟踪、光电对抗、光电火控等等。就现代新型光电装备的发展，分门别类地去归纳和提炼出其中所蕴含的光电技术的新思想、新技术和新方法，这是引入和充实光电技术课程教学的生动案例，是开展课程教学改革最鲜活的素材。

在课程教学改革研究工作中，课程组成员发挥集体智慧，从教学素材的梳理和选择入手，重组教学内容，从新型光电装备中提炼出带有普遍性的模型化内容，寻求和挖掘光电技术的基础理论与新型光电装备技术发展的关键与结合点，如表一所示。我们将经典教材只是作为纲目，在现有教材体系结构的基础上，用大量新型光电装备的鲜活素材丰富和重构课程教学内容，将特殊性与普遍性有机结合起来，体现和彰显本专业的特色，引导学生从最核心的理论和最深层的技术中去理解新装备，提高学生分析和认识问题的深度。

在课堂教学改革中，为了将最核心的、最基本的理论与光电装备的最新发展融合起来，必须改变课程教学模式，我们采用前展后延的教学方法，将分析和归纳有机结合起来，提高学生认识问题的广度。通过典型案例，从新型光电装备的创新发展的角度引入问题，按照问题的提出、可行性必要性的分析、技术的实现、基础理论的源泉等思路导入课堂，展开问题分析后，再进一步启发，作扩展引导，将新技术延伸到其他相关领域，从而达到以点带面，触类旁通的目标。

（二）教学方法上，注重与内容相匹配采用不同的方法和组织形式

教学方法是为教学内容服务的，目的是让学生更深刻地理解基本原理、基本观念和基本方法，激发学生的学习兴趣。光电技术课程的特点是原理性叙述比较多，学生学起来比较困难，不容易掌握。针对这种情况，课题组通过调研各类型光电装备所采用的理论和技术及其最新发展，将其融入光电技术课程的教学中，开展与之相关的案例式教学、研讨式教学等方法的研究。例如，光电探测器知识模块中，结合多个光谱区光信息的响应，讲授工程上在红外区和紫外区获得待测信息的应用实例；信号变换与处理模块中，通过强背景光提取飞行目标信息的实例，生动地介绍调制盘、背景噪声抑制等重要的信息处理手段和方法。

在光电探测器部分的授课中，可以采用以现有的光电装备为例，进行启发式和研讨式教学。从两种典型的红外热像仪入手，首先从外观上进行讨论，一款较小而另外一款较大且有气瓶，究其原因是热像仪工作时是否需要制冷，那么问题就出来了，同样是热像仪，为什么有的需要制冷，而有的则不需要呢？――二者所用的探测器不同――光子探测器和热探测器――光子探测器为什么需要制冷？为什么还要使用光子型探测器？――引出光子型探测器的工作原理及特点；热探测器为什么不需要制冷？――引出热探测器的工作原理及特点。按照问题本身的逻辑链展开教学，学生普遍反映很具有启发性，也容易理解。

通过调研各类型光电装备所采用的理论和技术及其最新发展，将其融入光电技术课程的教学中，开展与之相关的案例式教学、研讨式教学等方法的研究。由于光电装备的种类和型号非常多，在教学设计和实施环节上，哪些章节需要采用案例式教学，具体的案列是什么？哪些章节需要采用研讨式教学，研讨的主题方向是什么？为什么这样做，以及这样设计的好处等，这些问题都要经过精心设计，然后在课堂上大胆实践。最终目标是达到知识的融会贯通、夯实理论基础，达到以点带面、触类旁通的效果。同时让学生实现从“学会”到“会学”的转变，从而使学生的思维能力和素质得以全面提升。

六、结论

光电技术课程的教学改革必须依据培养目标，紧贴光电装备发展，提炼出其中的新思想和新方法，融入专业基础课程教学中。从充实教学内容入手，提高教学的时效性和针对性，结合教学模式改革，从方法上引导学生分析认识问题的深度和高度，达到既夯实学生专业基础、掌握学习和研究方法，又可以掌握装备创新研究的思路，提高学生创新的思维品质和创新的持久动力。

参考文献：

[1]江文杰，增学文，施建华.光电技术课程建设的探索与实践[J].高等教育研究I学报，2009，32（4）：43-45.

[2]邹勇华.光电技术与装备发展方向探讨[J].舰船科学技术，2007，29（5）：17-22.

[3]唐庆国.光电技术在武器装备中的地位和作用[J].舰船电子对抗，1997，33（6）：36-38.

[4]刘宇.未来士兵光电装备的发展动向[J].激光与光电子学进展，2007，44（10）：74-80.

光电探测技术篇5

【关键词】激光测距单光子多脉冲相关检测

激光测距具有方向性好、测距精度高、抗干扰能力强等优点，它能迅速、准确地获得目标的距离数据，对提高防空、海上作战，中近程精确打击及攻击武器的命中精度方面起关键作用。然而，由于大气环境的制约和国内激光测距技术发展水平的限制，对非合作目标的作用距离一般为数百米至数十千米。因此，虽然激光测距技术具有很多优点，但在国内机载雷达装备中仍处于辅助地位。这主要受限于目前作用距离较短，无法较好的满足作战使用要求。而随着新一代防空、防天、反导武器系统和作战体系的发展，作战对象由对地攻击战斗机和近程导弹扩展到对远程奔袭作战飞机、巡航导弹、远程弹道导弹和空间轨道目标。作为远程目标预警探测、监视、跟踪、识别传感器系统重要组成部分的激光测距机，其探测距离也需延伸至数百公里，这无疑对激光测距机提出了严峻的挑战。

因此，通过分析影响激光测距距离的因素来研究可有效提高激光测程的方法十分必要。

1国内外现状

1961年美国就成功的研制了世界上最早的红宝石激光测距系统，1969年美国又首次将激光测距系统应用于坦克火控系统。自上世纪80年代以来，激光测距的发展趋势为：①人眼安全；②小型化、标准化和固体组件化；③与其它光电仪器集成化；④研制远程激光测距机[1]，其中，提高测距距离是重要趋势之一。美国在90年代开始大力研究由红外搜索/跟踪（IRST）和激光雷达组成的主动/被动相结台的光电预警探测传感器系统。其“眼镜蛇球”（CobraBall）预警机（RC-135C）加装了测距能力达400km以上的YAG激光测距机，并于1998年服役。由美国林肯实验室和海军空战中心为其战区导弹防御系统研制的“门警”系统（Gatekeeper）也采用了IRST加激光测距系统的体制，其激光测距机采用Nd：YAG激光泵浦的KTP光参量振荡器（OPO）作辐射源，工作波长1.57μm，脉冲能量600mJ，脉宽10ns，探测器为InGaAsAPD，作用距离100～1000km。

国内在激光测距技术上起步较晚，兵器209所、航天8358所等研究院所也已成功研制出应用于各种装备平台的激光测距机，但在工程可靠性和远程测距方面与国外装备仍有不小差距。

2影响测程的主要因素分析

对远距离小目标激光脉冲回波接收功率方程为：

从测距方程可以看出，影响激光测距能力的主要因素有激光器性能（脉冲能量、脉宽等）、束散角、接收口径、系统发射接收光学效率及回波信号处理能力等。

3提高测程可采用的方法

从影响测距能力的因素来看，可提高测距距离的方法有：

（1）提高激光光源脉冲功率。随着半导体泵浦固体激光器的日益成熟，由于其具有总效率高、寿命长、能量损耗较低、热负载较少、频率和输出功率稳定性高等优点，已逐步取代了传统的氙灯泵浦激光器，相同的尺寸和功耗下，脉冲输出功率有了一定提高。虽然半导体泵浦固体激光器的转换效率可达20%以上（传统灯泵激光转换效率约5%左右），但受机载使用时空间尺寸及重量的限制，追求高能量高重频激光输出时，仍要面临散热问题，通过提高脉冲功率对测距提升作用有限。

（2）加大接收光学系统口径。加大光学系统接收口径无疑可以增加激光回波接收率，从而提高作用距离，但测距机的体积、重量也会随之增加，而这往往会受到设备装机条件的限制，所以只能根据实际应用平台条件适当增大接收口径，不能对测程提升带来质的飞跃。

（3）提高探测器灵敏度。通常测距系统采用工作于线性模式的雪崩光电二极管（APD）作为接收探测器。Si-APD和InGsAs-APD响应度一般为0.5～0.7（μA・μW-1），APD暗噪声水平随温度升高而增加[3]，因此采用制冷型APD可有效降低探测器暗噪声，从而提高测距距离，但APD的最小可探测功率一般为nW量级，一般无法达到上百甚至数百公里测距距离的灵敏度要求。

近年来盖革模式的单光子探测器发展迅速，因其具有单个光子级的探测灵敏度，是未来远程激光测距机传感器应用的重要方向。在盖革模式下的雪崩光电二极管（SPAD）的工作电压稍高于击穿电压，这时反向电压的增大会导致反向电流的急剧增大。只有在盖革模式下，雪崩因子M才能大到足以捕捉单个光子，这样的灵敏度是线性探测器所难以达到的，因此可以获得比线性测距系统更远的作用距离。但目前单光子激光测距技术仍处于研制阶段，发展还不是很成熟。它对激光器的重频、线宽等提出了更高的要求，同时由于其超高的灵敏度，在激光发射时光学器件上产生的散射光、闪烁效应等，即使是很少量的光，其强度就足以使探测器致盲甚至损坏[2]，所以光学系统的杂散光处理以及实际使用中的温度控制、偏置电压的控制等工程化问题还有待进一步发展和解决。

总之，通过使用制冷型APD器件或盖革模式的单光子器件，提高接收探测器的灵敏度，是未来测距传感器应用的趋势，也是提升测距距离的有效措施之一。

（4）压缩激光脉冲束散角。作用距离R反比于（θt）1/2，因此采用激光扩束光路压缩束散角的措施效果突出，但束散角越小，对系统跟踪瞄准精度的要求随之增加，因此受限于光电系统跟瞄精度。

（5）激光发射接收光学效率。一般机载测距机采用红外、激光共孔径设计，激光发射接收光学效率受限于系统设计参数及目前光学元件的镀膜水平，效率一般在0.5～0.7，改善的余地不大。

（6）回波信号处理提高信噪比，进而降低最小可检测信噪比。上述前五种方式受限于实际应用中体积、重量要求、激光器研制水平、探测器性能及受系统跟瞄精度和准测率的约束。

一般激光测距机使用极窄的激光脉冲，发射脉冲宽度仅为几ns，经大气传输展宽后的回波脉冲的宽度也只有二、三十ns，而且激光回波信号很弱，容易淹没在强噪声中，因此，激光回波信号的检测成了一个关键的问题。

传统阈值比较法检测激光回波信号，它将激光回波信号与阈值相比较，如果回波信号的幅值大于阈值，那么该信号为目标，否则为噪声。这种测距方法只能工作在大信噪比的条件下，一般信噪比在10以上，影响激光测距机的作用距离和测量精度。而通过信号叠加和波形匹配数字滤波，以及多帧目标信号相关检测等回波信号处理方式，从信噪比上提高信号提取能力，潜力大，可大幅度提高测距能力。

多脉冲累加能明显提高信噪比，这种信号积累算法是应用于雷达信号检测和处理的经典算法，在微波雷达领域该技术已经成熟，并得到广泛应用。随着高重频半导体泵浦固体激光器和高速A/D采样、DSP等数字信号处理技术的发展，多脉冲技术已成功应用于远程激光测距机中。如前文中提到的“门警”系统中，最早应用了多脉冲激光测距技术，采用每组3个脉冲，脉冲间隔8ms。

多脉冲测距技术实现的基础是激光器的发射方式，不同于常规单脉冲激光测距，它每次发射一串脉冲间隔为几百μs的脉冲，并通过对接收的脉冲串激光回波信号进行相关处理后得到目标距离[4]。

目标激光回波的时间相关性主要取决于相邻脉冲的间隔，相邻脉冲信号的时间相关性从相邻两个激光脉冲回波信号相对发射信号（主波）的时间差t来确定：

t=2v×tp/c

式中，v为目标相对测量点的视线距离变化速度；tp为相邻两激光脉冲时间间隔；c为光速。对行速度为2Ma的目标来说：tp取300μs，则由上式得出t=1.36ns，远小于激光信号宽度（一般10ns以上），可有效地实现对回波信号的相关处理，如对数字采样信号进行迭加和根据多次回波迭加后的波形特征进行波形匹配滤波，可以将信噪比提高数倍。

1）信号迭加。把脉冲回波信号按照周期进行同步迭加，利用信号的相关性和噪声的不相关特性，抑制噪声，提高信噪比。

迭加后的信噪比为：，式中，为单脉冲激光测距的信噪比，n为累积次数，由此可见，经过n次累积后的信噪比为单个脉冲回波信噪比的倍。

2）波形匹配数字滤波。将信号迭加处理后，进一步采用波形匹配滤波，将与标准波形差异大的噪声滤掉。

式中，Bk（iτ0）为自相关函数，σ为噪声均方根噪声值。

对于多脉冲测距系统，由于原始噪声脉宽比多个回波信号迭加后的脉宽小得多，而采样频率周期与电路响应时间相近，因此，上式第二项相对第一项小得多，可以忽略，所以滤波后的噪声均方值可以认为等于。

3）多帧目标信号相关检测。在对单帧（一个脉冲串目标信号为一帧）脉冲串信号进行相关处理的基础上，进一步采用多帧目标信号相关处理来剔除假目标，降低检测阈值和提高检测概率。多帧目标信号相关检测，是将当前检测出的目标信号的特征参数与目标链中存储的潜在目标的特征参数进行比较的过程。若当前预选目标与目标链中的某一潜在目标特征参数之差小于允许门限，则认为两者是匹配的，属于同一目标。

通常以最小可探测功率来衡量激光测距机的探测能力，使用上述理论分析，多脉冲测距相比单脉冲测距，最小可探测功率可增加1个数量级以上，因此可在不增加系统体积重量等前提下，显著提升测距距离。而高速AD和DSP器件发展，也为多脉冲测距技术的实际应用提供了硬件实现基础。

图1为多脉冲激光测距系统原理图，采用数字信号处理器（DSP）+现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的结构，处理能力强大，可满足多脉冲激光测距的实时要求。

4结语

本文针对影响测距能力的主要因素进行了分析，对各种提高测程的方法进行了探讨，重点对从提高回波信号处理能力方面提升测程的方法进行了梳理。随着电子技术不断发展和工艺生产技术提升，远程激光测距技术将越来越成熟。在未来现代化战争或局部战争中，远程激光测距技术在精确制导、光电预警、综合火控、目标探测跟踪等方面将发挥越来越重要的作用。

参考文献：

[1]许中园，孙胜利，陆卫.基于单光子技术的激光测距系统几个问题的讨论.激光与红外，2008（38）：531-534.

[2]于彦梅.激光测距机及发展趋势.情报指挥控制系统与仿真技术，2002（8）：19-21.

光电探测技术篇6

1、桥梁检测的背景

桥粱在长期的使用过程中难免会发生各种结构损伤。损伤的原因可以是使用、维护不当、车祸事故等人为因素,也可能是地震、风暴等自然灾害。此外某些要道上交通量以大大高于预测流量的速度猛增也加剧了桥梁结构的自然老化。这些因素均导致了桥梁承载能力和耐久性的降低,甚至影响到运营的安全。由此而引起的一系列问题都需要相应的维修、改造和加固来解决。而这些维修、改造和加固工作又必须在对桥梁结构详细和系统的检测的基础上才能妥善的进行。

2、桥梁检测的特点

在目的方面,传统桥梁检测往往仅是为了确定桥梁的损伤状况,最多是在一定程度上对桥梁的继续工作能力提出评价。然而桥梁健康检测不仅获得桥梁的损伤状况或健康状况,而且利用其智能系统中开放的数据库的数字化参数积累,对已用的桥粱设计理论提供长期的、及时的由足尺寸真实构件在真实环境下结构响应为基础的设计验证,继而为研究发展桥梁理论提供低成本高效率的“试验”支持。以桥梁健康检测作为设计的验证具有前所未有的优越性,它比较模型试验而言。成本低,模型就是已有的桥梁,省去了模型制作费用;效果真实,完全的足尺寸.真实的环境.真实的载荷,数据的采集具有长期性,只要桥梁“健在”,数据就可以长期地收集下去。

在实现的手段方面,传统桥梁检测的手段虽然有很大发展并且日趋成熟,但对这些手段的应用往往是孤立的、被动的。桥梁健康检测通过现代的传感与通信技术的运用使得桥梁健康检测智能系统像人的神经系统将人体各部分协调起来一样,将各种检测手段通过计算机系统有机地组合在一起,利用内部数据库和信号软件接口实现参数的采集和存放,并借助于瑚代通信宽带的不断拓宽和高速高容量的计算机系统可以实现异地数据采集,便捷、准确、安全。在发展趋势方面,桥梁健康检测取代传统的桥梁检测已是大势所趋。桥粱健康检测可以为业主提供更加准确和全面的检测评定,而且可为设计人员提供前所未有的设计验证资料和理论研究依据。

3、常见的桥梁检测技术

3.1声探测技术。声探测技术主要包括超声波探测技术、声发散检测技术和冲击一回声检测技术。声探测技术是目前发展最迅速的无损检测。超声波探测技术的基本原理是:超声波能够以一定的速度在某种材料中传播,直至达到不连续点或抵达测试物的边界时才反射回来。超声波探测技术即利用声脉冲在缺陷处发生特性变化的原理来进行检测。声发散技术的基本原理是:大多数结构材料在受力后出现诸如塑性变形、裂纹开裂、裂纹开展等微结构损伤时,就以声波的形式释放能量。它的优点是可以对处干荷载作用状态下的桥梁结构的内部材料和结构变化进行稳定的监视、并给出早期报警。冲击――回声是根据应力波能够在材料中传播的原理设计的,基本的测试方法和超声波相似。应力波可以通过以下两种方法产生:使用转换器产生的应力波称为脉冲――回声法,使用机械冲击器产生应力波称为冲击一回声法。它同样可以通过应力渡的强度和发生时间测定缺陷的程度和位置。

3.2电磁渡探测技术。电磁探测技术主要包括探地雷达技术和涡流检测技术。探地雷达是利用电磁脉冲波发射原理来实现探测目的,它是利用超高频短脉冲(106-109Hz)电磁渡探测地下介质分布的一种地球物理勘探方法。探地雷达是军用技术民用化的典型代表,已经在建筑物、桥梁和其他结构评估中广泛使用。其基本原理是将雷达脉冲传进被检测材料,然后测量材料表面的反射量确定损伤。在桥梁无损中的典型应用如混凝土中的钢筋和孔道的定位以及缺陷和疲劳探测等。涡流的基本原理为电磁感应,主要应用于检测表面损伤。当检测线圈与导电材料的构件表面靠近,并通以交流电时,所产生的交变磁场将在构件表层产生感应电流,呈环形涡流状。电涡流的大小与分布受构件材料介质和表层缺陷的影响,根据所测电涡流的变化量,就可以判定材料表层的缺陷怕况。