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光电式摄像机是由 ______ 部分、 ______ 部分和 ______ 部分组成的二维视觉传感器。
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第1题
光电成像器件的应用——十字标尺摄像机及应用
实验目的
(1)通过实验，了解光电成像器件CCD的成像应用。
(2)通过检测，基本了解十字标尺摄像机的应用。
实验内容
(1)观察十字标尺摄像机的输出图像；
(2)用十字标尺摄像机进行水准测量(最好在室外不平坦地方进行)；
(3)用十字标尺摄像机进行定向与定位(最好在室外不平坦地方进行)；
(4)用十字标尺摄像机进行图像测量。
注：根据条件可选择室外1，2，3或室内1，4进行。
实验所用设备器材
(1)武汉乐通光电公司的十字标尺摄像机及摄像机电源与摄像镜头1套；
(2)带同轴电缆线的小型轻便监视器1台(含220V交流电源插座线板1支)；
(3)水准仪三角架或照相机等三角架1个(最好带垂线)；
(4)圆形水准气泡2～4个；
(5)黑白相间的水准标尺或黑白相间的标杆(最好有放圆形水准气泡的垂直于标杆的支架)2～4根；
(6)已经过校验的钢卷尺1个；
(7)手拿的小型计算器1个；
(8)记录的纸与书写笔若干等。
实验基本原理
近年来，随着光电技术、计算机技术、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，光电成像器件应用于摄像机也在迅速地发展。并且，对拾取视频图像的摄像机的功能要求也越来越高。先后出现了如黑白型、彩色型、超低照度型、超动态型、高清型、日夜转换型、红外夜视型、无线移动型、网络型、自动聚焦型、高速球型、带十字丝型以及各种超小型与隐蔽型等摄像机。
为了满足图像测量与目标瞄准等的需要，目前有一种性能优越的高、中清晰度的十字标尺摄像机。所谓十字标尺摄像机，即带刻度十字丝的摄像机，其十字标尺，是用字符图形视频叠加而成。这种十字标尺摄像机的组成及工作原理框图，如下图所示。
由图可看出，这种摄像机除由摄像镜头、一般摄像机的CCD或CMOS固体图像传感器部分、定时脉冲驱动及同步信号产生部分、视频信号处理(含预处理、切割、压缩、校正、混消隐、AGC、视频放大与输出等)部分、以及电源等五大组成部分外，还加有十字标尺形成的字符图形视频叠加与十字标尺视频信号部分等。
由此看出，只要在任一黑白或彩色普通摄像机上，加上十字标尺形成的字符图形视频叠加与十字标尺视频信号部分的单独模块板，即可形成十字标尺摄像机。
这种十字标尺摄像机的十字标尺有白色或黑色两种，由用户自行选定。十字标尺摄像机的这种白色或黑色的十字标尺，如下图(a)与(b)所示。
显然这样，就可以方便地用来进行检测，如可根据目标所占水平与垂直丝的刻度的多少，可估算出目标的尺寸；根据目标所在的象限等，可估算出目标运动的速度和方向等。
这种十字标尺摄像机可作如下的应用：
1．十字标尺摄像机在测量方面的应用
(1)可用于建筑、道路、水渠等建设测量中的水准及水准面测量；
(2)可作下沉、变形与倾斜等的位移测量；
(3)是进行图像测量最好的工具；
(4)可作定向与定位；
(5)可作物体的表面形貌与立体测量。
2．十字标尺摄像机在军事方面的应用
(1)可用于对目标的瞄准；
(2)可估测出目标的距离与大小；
(3)可估算出移动目标的运动速度和方向。
此外，十字标尺摄像机还可用于预报各种灾害等。
第2题
光电探测器件噪声测试及频谱分析
实验目的
研究一种测量光电探测器件噪声，以及分析其频谱的方法。
实验内容
(1)测量光电导型探测器的噪声。
(2)绘出
实验使用的仪器和器材
(1)前置放大器 1台
(2)频谱分析仪 1台
(3)标准信号发生器 1台
(4)直流稳压电源 1台
(5)万用表 1台
(6)光敏电阻及各种电阻元件等。
实验基本原理
大家知道，光电探测器件的最小可检测功率，受噪声限制。因此，了解光电探测器件的噪声及其频谱，对于使用光电探测器件进行弱信号的测量是十分重要的。光电探测器件噪声的测量，是指在无输入信号的情况下对探测器的电输出所进行的一种测量，在测量的过程中，往往需要在探测器与测量仪之间加一放大器，这就不得不考虑光电探测器件的影响。仪器所测量的是放大器的输出噪声，扣除负载电阻和放大器的噪声之后，才是光电探测器件本身的噪声。
本实验测量光电导型探测器的噪声，下面就以此为例说明其测量的基本原理。光电导探测器可以等效为一个电阻和一个噪声等效电压源串联，或一个电阻与一个噪声等效电流源并联的电路。如下图所示。
图中，Rd是光电导探测器的等效电阻，End是等效噪声电压源，其等效噪声电流源为
若连接有负载电阻RL，同样可用上图等效，只不过噪声等效电压源为EnL，即
放大器的噪声等效电路，如下图所示。
在图中，En和In则分别表示放大器的噪声电压源和噪声电流源。
测量系统的噪声等效电路，如下图所示。
在图中，Es为信号源。由图，可写出下列电路方程式为
式中，K是从探测器到放大器输出端的传递函数，也就是系统的增益。当输入信号Es=0，
由式(7-3)，可得
或
用阻值相同的线绕电阻(标准电阻)代替光电导探测器，在放大器的输出端又可得到一个噪声电压Ub，类似于式(7-4)可得
或
比较式(7-6)与式(7-5)，则可得
=
式中，
由式(7-7)可见，只要知道上图所示系统的增益K，并测出
系统增益K的测量方法如下：
将信号发生器产生的标准信号U通过衰减器加到校准电阻Rcal上，调节信号发生器的频率与选频放大器的中心频率相同(Rcal与探测器串接，其阻值很小，因此本身的热噪声可以忽略)。然后调节衰减器使放大器的输出为mUno，此时根据衰减器及标准信号，即可算出降至Rcal上的标准信号Ucal，一般m取为100。
根据式(7-3)，以Ucal代替式中的Es，则得
再考虑到式(7-4)，则得
或
将式(7-9)代入式(7-7)，则得
令
由式(7-11)可见，只要在放大器无输入信号的情况下测出其输出电压Uno，用线绕电阻代替探测器，测出Ub，便可求得δ，再测出Ucal，由式(7-11)，便可计算出光电探测器件的噪声Und。
实验装置
测量光电导探测器的噪声谱，所用实验测量装置如下图所示。
由图可见，当将开关K1掷“1”时，测光电探测器的噪声；将开关掷“2”时，则测标准电阻Rs噪声。当开关K2合上时，则送入标准信号。衰减器由图中R1与R2组成。
第3题
激光多普勒测速
实验目的
(1)激光多普勒测速系统可以对各种流体速度进行非接触测量。通过实验，可了解激光多普勒测速一般原理。
(2)激光多普勒测速系统是一种精密的光电系统，它使用了多种光电信息处理技术，因通过调试这一实验，能够综合训练实验能力。
29.2 实验准备内容
(1)DRAIN L M著、王仕康等译，激光多普勒技术，清华大学出版社，1985；
(2)孙渝生，激光多普勒测流速的信号处理，应用激光，1983年No3；
(3)教材与其他书中有关激光多普勒测速部分；
实验内容
(1)对水泵抽出的水在水管中的水流，进行激光多普勒测速。
(2)进行频谱分析，求出多普勒频率与流速。
实验设备与器材
(1)水泵抽运流动系统及玻璃管。
(2)He-Ne激光器及驱动电源。
(3)带放大器的光电二极管组件(放大器带宽1MHz)及电源。
(4)准直透镜与透镜等光路。
(5)2107频谱分析仪。
(6)声光调制器。
(7)示波器。
(8)测量显微镜等。
(9)高通滤波放大器及频率计等。
实验基本原理
激光多普勒测速系统可以对各种流体速度进行非接触测量。在扰动流体、火焰温度场和生物血流研究等方面获得了广泛应用。激光多普勒测速的原理如下图所示，它是基于流体中的微粒对光产生的多普勒效应。
如果液体中微粒流动的速度是v，照射在微粒上的光为平面单色光波，波矢量为ks，光频率为
θ为光波波矢量与微粒速度矢量间的夹角。散射光相对于入射光产生的多普勒频移量△
式中，
由于光频率很高，散射光微小的多普勒频移不能直接被光电探测器测得。若采用光外差探测法，原理上可以实现多普勒频移量△
由图可见，氦氖激光器发射出单色连续激光，先经半反射半透射平面镜M1后，分成两束光。M1的透射光照射在流体中的微粒上。M1的反射光再经反射镜M2和半反射半透射镜M3反射后，透射到光电探测器上作为外差探测的参考光束。微粒散射光是沿各方向传播的，其中只有极小部分其方向与参考方向一致，能在光电探测器上形成差拍信号。经光电探测器检波输出，就得到了微粒散射光多普勒频移的电信号。由外差原理可知，此时光电探测器输出光电流i(t)为
=
式中，k为比例系数；AL、As分别为参考光和信号光的振幅。上式中第三项就代表了多普勒频移信号。
由于微粒散射光很弱，外差法要求信号光与参考光几乎是平行的(空间配准要求极高)。所以，通常实验采用双光束，同时通过流体的光路，如下图所示。两束光在流体中形成干涉场。这样可以用较大孔径的透镜会聚信号光于探测器上，从而容易获得较强的多普勒频移信号。
光源通常选用单模(TEM00)激光器。其出射光束横截面的光强分布是高斯分布规律。光束经透镜后，在透镜后焦面附近，高斯的光束腰是平面波前。两光束在此相交得到的干涉场是平行的干涉条纹空间，如下图所示。
若两束光的夹角为α，光波长为λ时，由图(b)可以看出
式中，S是干涉条纹的间距，可表示为
条纹的空间频率(单位长度内的条纹明暗对数)f'为
当微粒以速度v穿过干涉条纹空间，如图(c)所示，明暗条纹使微粒受到周期性变化的光照强度，于是散射光也是周期性变化的。在f'一定的条件下，散射光强度变化频率fD与微粒穿过干涉场的运动速度矢量有关，由此可得出
式中，β为微粒速度矢量和条纹垂直线间之夹角。可见，信号频率与干涉条纹间距成反比，与微粒速度在条纹垂直方向的分量成正比，而与观察方向无关。从实际效果看，这种情况比典型外差光路能得到较强的信号。
然而，当两束光是同一频率时，只能由测得的多普勒频移量得到流体速度的大小(模)，而不能得到速度矢量的方向。如果两束光中有一束预先给予调制，使两束光的光频率略有差别，形成一定的载波频率，微粒散射光的多普勒频移叠加于载频上，就可判别方向，常用方法如下图所示。其办法是把两束光中一束先通过调制器，如在图中为声光调制器，由声光调制出射的一级衍射光去和另一束光建立干涉场。声光调制器一级衍射光相对于入射光有很小的固定频率移动(一般为几十兆赫)。于是，两束光形成的干涉条纹区，条纹是以几十兆赫频率移动的。微粒散射光多普勒频率叠加其上，使光电探测器获得的信号光频率是二者之和或差。于是，光电探测器输出信号频率高低，即能判别速度矢量的正或反。
在湍流场(扰动流体)中，要准确测出速度矢量应测出vx，vy，vz三个坐标方向的多普勒频率。从原理上讲，用上述三套光路可以实现，但是太繁杂笨重，目前已有更好的办法去解决，这里就不再赘述。
激光多普勒测速实验系统
一般，激光多普勒测速系统应包括：流体、光源、光学系统、光电探测器和信号处理电路等几个部分。现分别介绍如下：
1．流体
实际上，进行多普勒测速是通过实测流体中的微粒散射光，而获得信号的。没有微粒，“净”流体几乎得不到信号。但是，一般流体中都有某些污染，含有大气中的尘埃、盐粒等。必要时也可以人为地在流体中掺入微粒。实验结果证明：微粒尺寸应该小，这样它的速度才代表流速，否则，将会小于流速。一般微粒直径应小于10μm。从散射理论得知：当微粒直径远远小于光波长时，其散射规律服从瑞利散射规律，它们的散射光有确定的角分布。一般，微粒直径大些，更容易获得较强的信号。而且在前向(光进行方向)容易得到较强信号。散射光强除了与入射光强、微粒尺寸、观察角度有关外，还与流体介质折射率有关。
2．光源和光学系统
这里使用的光源，多半采用各种连续气体激光器。因为它亮度高、单色性好、适合于形成高亮度干涉场。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器和氪离子激光器等。
一种自准直式双光路光学系统有调试方便的优点，如下图所示。图中激光束先经扩束镜L1扩束后，投向准直镜L2，在L2的前面放一个遮光屏M。屏M上有对称于光轴分布的、透光的两条长框把光束分成两束。这两束光经同一透镜L2聚焦于流体某一点上。会聚透镜L3，再把流体中的微粒散射光会聚于光电探测器上。这一光路调整容易，能获得较强信号。
3．光电探测器件
光电探测器件常用的是光电倍增管、雪崩光电二极管和光电二极管等。光电倍增管有高增益、响应速度快等优点，在可见光范围内有多种类型可选。光源光功率较低时(约10-7W)，多普勒信号频率在100MHz以下，用光电倍增管是适合的。当多普勒信号频率高于100MHz时，采用雪崩光电二极管响应较好。在光源功率较大时(大于10-5=W)，采用其他光电二极管，也能得到较高的信噪比。
4．信号处理电路
信号处理电路的任务是要从光电探测器输出的光电信号中检测出多普勒频率来。为此，首先要明确光电探测器输出信号的特点。由前面的光路分析中可以看出，会聚到流体中的激光干涉场的区域是很小的，在此区域中的光强分布与激光束的模式有关。单模气体激光束一般是高斯型光束。光束中心光强度高，而边缘较低，以高斯函数规律下降。在理想情况下，若有一微粒穿过干涉区时所能得到的光信号波形，如图(a)所示。其光强信号I(t)可表示为
式中，k是常数；A是两束光之振幅；v是流速；α为两束光之间的夹角；W是光束半径。
由式(29-8)知，信号由低频部分和较高频率的高频部分，即第一项和第二项组成，如图(b)和(c)所示。其中，高频部分就是代表多普勒频率信号。
多个散射粒子的散射光信号叠加后，就得到连续信号，如下图(a)所示。滤去低频分量后，可得到连续交流信号，如图(b)所示。由于多个粒子的先后次序差别以及速度微小差异，使散射光信号以不同相位叠加，于是光电探测器输出信号成为振幅、频率都被调制了的信号。加上微粒到达的随机性，信号有时还有间断。从这样复杂信号中测出瞬间多普勒频率或平均多普勒频率，信号处理的方法有许多种。根据信号强弱、速度高低、微粒浓度高低和测量精度要求不同，有不同的处理方法。最常用的方法有三种：
(1)频谱分析法
把光电探测器输出信号送进频谱分析仪，即可求得信号的频谱分布，然后再算出平均多普勒频率。实际上，2107低频频谱仪是Q值一定、中心频率可移动的带通滤波器。当转动频率转轮时，信号频谱分量就依次输出了，它可用于流速低而稳定的场合。工作于高频率范围的频谱仪一般工作于差拍方式(外差、混频式)。这种方式分析精度较高，差拍式频谱分析仪原理，如下图所示。
由扫描发生器产生锯齿波电压去控制压控振荡器，使它输出频率连续变化的参考电压与多普勒信号同时进入乘法器相乘。乘法器输出信号由中频放大器滤出多普勒频率f。和参考信号频率fL之差频信号，然后由时间平均电路的直流形式输出作为X—Y记录仪的Y向信号。同时，扫描发生器输出锯齿波电压，在控制压控振荡器同时还送到X—Y记录仪的X轴。于是，X—Y记录仪就画出了多普勒信号的频谱图，下图为信号频谱图一例。把频谱图分成N个频率间隔△fi，可以求得平均多普勒频率
频谱分析法测量时间长，适合于测稳定流速。
(2)频率跟踪法
这种方法实质是调频信号的解调方法，可以用锁相环实现频率跟踪解调出调频信号。但是，这里需要解决，信号瞬间不连续环路仍能重新锁定的问题，具体可参看，孙渝生的激光多普勒测流速的信号处理，该文发表在《应用激光》1983年No3上。
(3)计数法
这种方法是把光电探测器输出信号放大后，先通过高通(或带通)滤波器去除低频部分，取出含多普勒频率的交流成分。设定阈值电压使交流成分以过阈值触发的形式形成计数脉冲，取单位时间间隔进行脉冲计数，就可粗略记录瞬时多普勒频率，然后求得平均多普勒频率。但是，要取得高的测量精度，还需要采取一些措施，孙渝生在《应用激光》1983年No3上的激光多普勒测流速的信号处理，详述了一种精确计数方法，读者可自行参看。
第4题
