光电探测技术篇1
【关键词】光电检测技术课程内容实验考核
【中图分类号】G642【文献标识码】a【文章编号】1674-4810（2016）02-0069-02
随着现代科学技术的快速发展，光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用的新兴技术，因其测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、传递信息效率高、自动化程度高等突出特点，成为现代检测技术最重要的手段和方法之一。在工业、农业、军事、航空航天以及日常生活中应用得非常广泛，是现代信息类工科学生必须掌握的知识。
自2004年起，光电检测技术课程成为北京信息科技大学光信息科学与技术和测控技术与仪器两个专业共同的一门重要专业课。该课程将光学检测技术与现代微电子技术、计算机技术紧密结合起来，深入讲解各种光电转换技术及器件的原理、特性和基本用法，结合具体应用，详细介绍各种激光干涉、衍射，光纤传感等光电检测方法、技术及系统，最终让学生深入理解光电技术的基础理论和基本知识，对各种光电器件和光电检测技术有一个全面的认识，并且掌握多种光电检测方法，以便在实践中熟练应用，为学生今后的工作打下坚实的基础。理解和掌握这门课程，对于提高学生素质和培养分析能力、创新能力都有重要意义。
同时由于光电检测技术以光电子学为基础，以光电子器件为主体，研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用，这正是学院仪器科学与技术和光学工程两个一级学科共同的研究方向。学院众多教师在该方向的长期科学研究过程中，不断加深对光电检测技术的基本理论、实施方法、系统和关键技术的理解和应用，在光、机、电、计算机相结合的激光干涉测量、激光衍射测量、激光跟踪测量、光纤传感检测、光电多自由度监测等各种物理参数测量仪器和系统方面展开了深入研究，取得了丰硕的研究成果并积累了丰富的科研经验。
2013年开始，以精品课程为目标，我们深入开展了光电检测技术课程建设，涉及课程教学内容的更新、实验环节的改进和考核方式的改革等。
一教学内容
如图所示，一个典型的光电检测系统包括光学处理部分、电子学处理部分，两者通过光电转换部分有机连接成一个整体。与之相对应，光电检测技术课程内容多、发展快、涉及知识面广。为此，我们首先对授课内容进行比较分析和归纳总结，提炼出最基础的关键原理，同时吸取众家之长，结合专业特点，补充有代表性的最新应用。
首先对应用光学、物理光学、信息光学等课程已经讲授的内容大幅度减少授课学时，例如光电检测中常见光源、光学系统和设备相关内容的学时压缩一半；但鉴于辐射度和光度学是专业选修课，一部分学生没有选修，一部分学生选修后掌握不够多，将该部分知识的讲解课时适当增加，补充了一些与学生日常生活关联度高的内容，增强学生学习的兴趣；强化光电转换器件部分，如前所述，该部分所介绍的各种光电转换器件是光电检测技术的关键环节，深入介绍了各种光电子发射探测器、光电导探测器、光伏探测器、光电成像器件的原理、特性和基础应用，还专门介绍了应用日益广泛的红外热成像探测器；同时考虑到调制解调技术在光电检测系统中的广泛使用，专门对此技术做了重点讲解。调整后整体内容更丰富，兼顾了基础原理和实际应用，学生反馈良好。
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*北京信息科技大学课程建设项目资助
我们还将课程内容与后续的专业综合实践环节相配合。因为学院两个专业都开设有专业综合实践环节，该环节主要培养学生综合运用所学知识掌握某些光机电系统的设计能力，将所学与实际应用有机结合起来，最终提高学生分析问题和解决问题的能力，培养他们的创新意识及创新能力。光电检测技术正是与专业综合实践相对应的一门重要的综合性课程，我们在授课过程中有意识地将后期综合实践可能涉及的内容经提炼后引入到课程教学中，前期培养学生的综合应用意识和能力，为后续的综合实践环节打好基础。
二实验环节
课程设有8个学时的实验。通过较充分的实验，使学生在掌握光电检测技术基本理论知识的基础上，培养设计和实施工程实验的能力，并能够对实验结果进行分析。
但我们发现，学生在综合运用理论和技术手段设计系统的能力有所欠缺，主动性不足。为此，我们特别增加了学生自主设计实验，例如让学生自主设计一个光强自动控制装置，能够探测环境的光强，当环境光暗到一定程度后（根据环境情况，制定特定的照度值），能点亮LeD。并且环境光越暗，LeD越亮。通过此实验，促使学生了解各种光强探测原理及传感器，选择合适的光强探测传感器并设计其驱动电路，掌握输出光强控制方法并设计相关电路，掌握实验调试方法和实验数据分析处理方法。整个实验由学生自主设计，在设计方案审核通过后自主搭建系统并完成功能调试，最终提交完整的设计报告，包括任务分析、调研、系统方案设计、成本核算、具体电路设计、调试过程和测试结果处理。这样的实验学生参与度高、效果更好，对提高学生知识的综合运用能力和手脑结合的能力有较大帮助。
三考核方式
该课程加强了过程考核，增加了平时作业、课堂表现、小组专题宣讲和实验部分在总成绩中的占比，特别是对于平时表现和实验部分成绩优秀的学生，本人申请获批后，可以免书面考试，以实物作品、论文、竞赛来代替。
对于大多数学生的期末考试，在出题过程中有意识地与课程目标紧密呼应。本课程的课程目标按照工程教育认证标准，主要涉及了通用标准毕业要求各种能力的培养，因此试卷题目也从各个角度对学生的以上能力进行考核。例如，为考核学生了解光电检测技术的现状和发展趋势情况，我们出了让学生填写近年来诺贝尔物理奖主要内容的题目。又比如，为了考核学生掌握基本的创新方法，具有追求创新的态度和意识；具有综合运用理论和技术手段设计系统的能力，设计过程中能够综合考虑经济、环境、法律、安全、健康、伦理等制约因素的情况，我们在考试中有针对性地出了分值较高的光电检测系统综合设计型题目，加强了对学生综合分析和设计能力的考核。
四结束语
借助光电检测技术课程建设，我们对该课程展开了全面探索和改进，紧密结合工程教育专业认证的要求，梳理了课程教学的内容，增加了学生自主综合实验，改进了课程考核方式，增强了学生的学习兴趣，提高了学生的综合分析和设计能力，初步达到了建设目标。
参考文献
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[2]浦昭邦、赵辉.光电测试技术（第2版）[m].北京：机械工业出版社，2010
光电探测技术篇2
[关键词]电气火灾监控主机剩余电流式探测器蓝牙测温式探测器线型感温光纤火灾探测器
1前言
根据国家安全事故通报统计，全国每年多次发生的电气火灾事故，导致大面积停电、被迫停机，给国家财产造成重大经济损失。公安部消防局近年来中国火灾统计年鉴数据表示，全国发生的电气火灾已占各类火灾事故的41％以上；由电气火灾引起的重大火灾事故占各类重大火灾事故占70%以上。我国近5年内共发生火灾事故258315起，死亡1217486人，造成直接经济损失达250.79亿人民币，电气火灾猖狂肆虐，每年都吞噬无数的生命和财产，造成很多人倾家荡产，家破人亡。电气故障引发的火灾在城市火灾事故中已列入火灾成因的首位,人们已清晰地认识到全面监测和预防电气火灾的发生已成为工程建设和设计中非常迫切的一项重要内容。
2电气火灾在地铁领域的现状
地铁设施是投资巨大、设备系统复杂、人员密集的公共场所,但由于地铁是构筑于地下的大容量轨道交通系统，由于地铁运营环境的特定性等因素，地铁突发火灾事故，乘客紧急逃生极其困难，乘客逃生意识差异大，群死群伤的可能性极大。若遇到电气设备引起的火灾，事故后造成停电，地下一片漆黑，混乱状态可想而知，多年来世界上地铁火灾惨痛的教训给人们以刻骨铭心地警示。地铁发生火灾不仅将造成巨大的经济损失、重大的人员伤亡，还会引起交通秩序和社会秩序的混乱甚至产生不利的政治影响。据不完全统计全球发生大型地铁火灾事故50多宗，造成惨重的人员伤亡和经济损失（见表一，国外地铁火灾事故统计表，不含国内），地铁火灾事故发生原因分析比例如下：
可见，地铁电气设备造成的大型火灾事故在整个火灾成因中占32%的最高比例，其次是原因不明成因，可见对地铁电气设备的综合性火灾预警和监控是非常必要和重要的。我国地铁发展相对集中在近10年，，然而在国内所有地铁防范措施却恰恰忽略电气火灾的发生和预警。
3多功能电气火灾预警监控系统的目标功能
3．1全面预防和监测各类台式电气设备因过热引起的火灾。
3．2全面预防和监测送电线路因漏电和电弧引起的火灾。
3．3线型感温光纤电气火灾探测器不但具有探测线型电气设备（高低压电缆、母线）引起的火灾功能外，还应具有具有探测长距离大空间的区间隧道火灾探测功能；并应具有长距离大空间的实时环境温度探测功能。
3．4系统主机应具有高度集成最新高科技光纤测温技术、蓝牙技术、射频技术、高精度测量技术、通信网络技术等，实现一机多功能特点，一台主机要实现电气火灾探测的全部（点式测温、线型测温、回路剩余电流、区间隧道火灾报警、区间隧道和站台站厅空间环境温度场的温度检测等）功能，不但具有电气火灾全面预警和监测的功能外，还应具有为环境监控部门和电气设备维护检修部门提供科学的实时数据和历史数据，以便为环控设备的优化运行、节能增效和电气设备的状态检修服务。
4、多功能电气火灾预警监测系统组成
1）电气火灾监控主机
2）剩余电流式电气火灾监控探测器
3）蓝牙测温式电气火灾监控探测器
4）线型感温光纤火灾探测
5各探测器保护对象
感温光纤探测器：实现对站台站厅电缆沟、电缆竖井、区间隧道35kV高压电缆、区间隧道火灾报警、区间隧道和站台站厅温度场的监测。
蓝牙测温探测器：实现对变压器高压接头、电压器低压出线接头、进线开关柜、母联开关柜、大电流开关柜等的重要接头的温度探测。
剩余电流探测器：对低压馈电线路剩余电流的探测。
6新技术
采用当今世界前沿高科技的光电子技术：背向喇曼散射和otDR技术；最新的蓝牙射频高科技技术和独创的高压取电技术。
背向喇曼散射和otDR技术：把一定指标要求的脉冲激光偶合到光纤里，与光纤中的分子相互作用，一些光子被反射回来，他们携带着分子的热运动信息，反射光的光谱带有光纤的温度信息，因为激光的光速是已知常数，所以可以根据激光脉冲在光纤中的传输时间来确定热点的位置，既光雷达原理。以极短时间间隔对整条光纤扫描，就可确定温度沿光纤的分布情况，既温度与距离的对应关系。
蓝牙射频技术：具有非常强大的传输调制信号的功能，即使在有干扰信号和阻断信号的情况下，该系统也可以做到以最高的质量发送并且以最好的灵敏度接收调制信号，采用iSm频段和调频、跳频技术及双核CpU及DSp，传输的是数据信号，使用权向纠错编码、aRQ、tDD和基带协议。因此具有很高的准确性、可靠性。
7系统的作用
7.1系统完整性：系统能同时完成线型光纤测温式电气火灾探测器、蓝牙测温式电气火灾探测器、剩余电流式电气火灾探测器的信号处理和各项功能实现任务，具有强大的报警监控能力和数据处理能力。
7.2点式和线型同时检测：实现点式测温和线型测温双层功能，以满足点式测温和线型测温同的需要。蓝牙测温式电气火灾探测器实现点式测温功能，光纤测温式电气火灾探测器实现线型测温功能。
7.3差、定温双重预报：同时实现定温和差温预警、报警双重功能，使系统在任何复杂情况下都能正确工作。
7.4光纤本征性：线型光纤温度电气火灾探测器具有空间的分布性、检测的连续性和实时性、被保护设备沿线温度场的分布与连续距离坐标的对应性和火灾时的火情分析、不受电磁干扰等特点，无不体现出他的强劲优势。
7.5超高灵敏性：无线蓝牙技术，数字信号传送，多级密码校验，传输超高的灵敏性，不对其他设备产生影响，工作可靠，是以往的无线模拟信号传输远远所不可比拟的。不存在电气设备在安装时现场布线的复杂性和安全性。
7.6独特性：独创的高压自取电技术和蓝牙技术，解决了测试仪器与高压带电体的绝缘、带电爬距、积尘污秽、清刷维护、检修管理等电力系统长期以来难于解决的技术难题。
7.7系统采用的非独立式探测器，进行分散数据检测，信息集中处理和自动管理，运行人员在控制室就可以获得各类信息，不需要到现场巡查、抄表、手工输入的落后工作模式。
光电探测技术篇3
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：
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[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.
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光电探测技术篇4
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。
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光电探测技术篇5
关键词水库异重流；清浑水界面；红外线；探测器
中图分类号tV149.3文献标识码a文章编号1007-5739（2013）02-0217-01
为了进行水库异重流测验，开发研制清浑水界面仪。利用红外线报警原理，当仪器探头发出红外线经过含沙水层时，红外线感应信号发出报警确定水库异重流清浑水界面。该文主要介绍仪器的技术原理、工作原理和主要技术指标，以为仪器开发和使用提供技术帮助。
1设计思路
异重流测验主要通过流速和含沙量变化确定清浑水界面。测验人员采用估计法采样，并用多次试探的方法探测跟踪异重流，用“试搓法”确定判断清浑水界面和浑水层的厚度。利用先进的光电感应探测含沙量的变化是设计的切入点，解决水库异重流测验中确定清浑水界面技术，本着技术先进、实用原则，通过大量试验研制了清浑水界面探测器[1]。
2技术原理
2.1对射式红外线光电传感器
经过查阅大量的传感器资料，并选购几种不同特性的光电传感器进行室内试验，确定对射式光电传感器对含沙量的变化灵敏度最高，抗干扰性能也比较强。经过对光学系统的定位、水下密封处理，在模拟条件下可有效识别出清水和1.0kg/m3含沙量浑水的交界面，而且重复性、稳定性均好。
2.2信息处理系统
根据水库异重流测验工作经验，信息系统必须建立在无线信号发射与接收的基础上。如果采用电缆线传输信号，由于存在几十米电缆线的收放、挂水草问题，将给实际生产应用带来很大麻烦。因此，确定采用铅鱼吊索和水体构成的音频通道建立水下无线电交流信号发射、传输与接收系统。由于界面探测只检测1个量，为了使系统简单、可靠，接收机仅接收单频率的报警信号，以及时提示采样器取沙[2]。
2.3水下发射电路
选用一块ne555和一块Dta2003功放电路为核心元件而组成的频率为2mHz矩形波脉冲震荡电路。该电路元件少，电路板体积小，但功率大（5.0w），可靠性高，便于在探测器中封装，减小水下密封仓的体积。
2.4水下密封仓
将光电传感器、光学处理系统和交流信号发射电路封装在水下密封仓中并通过密封接线端子将信号引出密封仓外进行发射。光学系统必须保证发射与接收光电传感器光轴的同轴性，发射光束为平行光束，2只光学镜片的间距满足实验室率定的间距（80.0±0.1）mm。各环节和整个密封仓的耐水压指标为1.5mpa（相当于水下150m的工作压力）。
2.5探头外观
由于水下密封和有利于探测水体需要，选用长条环形管状密封，发射端和接受端正好相对，加工制造方便，水下耐压性能好，结构牢固，入水阻力小。考虑到封装光电传感器和发射电路的需要，特设计光学密封仓、电路密封仓和电气连接必需的导管。密封仓内部的组装采用模块式、组合式方法将光学、电气和机械有机结合，实现优化设计的目标。
3工作原理
清浑水界面探测器由水下探头和船上音频报警信号无线接收装置2个部分组成。水下（包括电池组、密封电源开关）探头主要由远红外光发射电路、远红外光接收电路、10s定时电路、1.2kHz信号发射和功放输出电路组成。船上音频报警信号无线接收装置由音频接收功放、喇叭等构成。水下光电传感器是经过光学处理、机械加工、水下密封等技术措施制成水下光电探头。水下电池组是经过水密封措施，将高能可充电池装在铅鱼肚子里，为光电探头提供电源。水下密封电源开关是经过液压密封措施加工成在1.5mpa水压下工作的二位电源开关。水下发射系统采取了密封措施，保证正常工作。当水下探头在清水中时，远红外光能够在水中通过，光强鉴别电路输出关闭，船上接收装置无信号，喇叭不响；当探头进入到含沙量>1.0kg/m3的浑水中时，远红外光被泥沙遮挡，光强鉴别电路输出打开，输出1.2kHz音频信号，通过悬索和水体回路发送到船上，船上接收装置接收到1.2kHz音频信号后放大输出，喇叭发出报警声响，表明已探测到浑水层，10s后电路定时自动关闭，1.2kHz音频信号输出进入待机状态，节约电能并让出信号的传输通道；当探头由浑水层提升到含沙量
4研究成果
仪器主要是针对黄河小浪底水库异重流测验的实际生产问题经过技术创新研制成功的，主要用于探测水库异重流前锋、测量浑水层厚度、探测清浑水界面、指导泥沙采样等。为快速监测水库异重流的发生、发展过程，提高水库异重流测验精度，减轻人们的劳动强度，缩短测量时间，抓住水库“蓄清排浑”运用的最佳时机，起到了重要作用。
5实践应用
自2004年以来，清浑水界面仪经过小浪底水库异重流测验中进行了生产试运用，并进行了连续、大量的生产作业。主要用于探测异重流前锋、测量浑水层厚度、探测清浑水界面指导泥沙采样等，取得了很好的应用效果。该仪器的使用大大减轻了人们的工作强度，同时也提高了工作效率和测验精度。仪器使用方便，测验人员不需要专业培训，仪器安装简便，适配不同颜色接线柱和线头对接，信号采用传统音响辨别，无干扰信号。该探测器的安装、使用方便，水密性好，可靠性高，在使用过程中实测最大水深80m以上，对清浑水界面含沙量灵敏度
6参考文献
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光电探测技术篇6
陕西省地矿局物化探队石油测井公司陕西西安710043
摘要：传统石油勘探技术无法满足现代化石油企业生产的需求，利用现代化的测井技术，提高石油勘探的安全化、速度化和准确化是当前面临的主要问题。文章对测井技术分类及其在石油勘探中的应用做了简单介绍，希望为石油勘探从业人员提供一定帮助。
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关键词：测井技术；石油；勘探
1概述
随着我国经济的快速发展，各生产领域对能源的需求量逐渐增加，能源短缺问题是我国当前面临的主要问题。作为传统三大化石能源之一的石油，同样处于短缺的边缘，以往的测井技术已经落后，远远不能在继续帮助现代石油企业继续扩大生产了。而这项技术对于我国工业发展又有着至关重要的作用，所以高技术的测井技术即将被研制成功。
2测井技术发展状况
2.1测井技术分类
2.1.1电法测井技术。电法测井技术是石油测井技术中应用较为普遍的技术之一，该技术主要通过井下测井仪器向地面发射的电流值，测量出地面电位准确值后，从而得出地层电阻率的一种测井方式。电法测井技术包括方法较多，如常见的感应测井、地层倾角测井、侧向测井以及向地层发射电流对地层自然电位进行测量等方法均属于电法测井技术。
2.1.2电缆地层测试测井技术。测井技术另一常用方式为电缆地层测试技术，此技术是在油气勘探过程中根据流体性质对地层产能进行有效评估的一种测井方式，测试速度快、成本低、操作简单，具有普通钻杆测试方法无法比拟的优势。电缆地层测试方法可利用石英压力传感器，快速准确的测量地层压力及温度的变化情况；多种探测仪器能直接有效的对地层进行径向或垂向渗透率的测量；井下流体电阻率测量仪及光谱分析仪可对流体性质及类型进行准确判别，因此广泛应用于单井压力剖面的建设、流体密度的计算、气、油、水界面的确定以及地层有效渗透率的估计中。
2.1.3成像测井技术。成像测井技术主要有陈列感应器、井周声波仪、阵列倾向、核磁共振仪、多极子阵列声波仪、成像测井仪、数字要穿系统及计算机工作站等。该技术具有较高分辨率，且采集数据量大，可以利用计算机工作站将测量结果以图像的形式进行直观、形象的展现。
2.1.4声波测井技术。声波测井技术是利用声学性质对地层特点、井眼工程进行测量的一种技术，主要利用原理为声音振动幅度、声音传播速度等。声波测井技术可对井眼特征进行清晰揭示，主要用于原始与次生孔隙度、空隙压力、流体类型、裂缝方位的推导及计算。另外，声波测试技术还可与成像技术相结合，成为声成像测井技术，将预处理数字化信号利用计算机转换器处理为图像模式。
2.1.5核测井技术。核测井技术，即放射性测井技术，是以放射元素测量为依据，对岩石的物理性质进行测量的一种技术。该技术分为伽马和中子两大类，其中伽马测井是以伽马射线为基础，中子测井技术则以研究中子、岩石及孔隙中流体之间相互作用力为基础的测井技术。
2.2测井技术发展趋势。现代测井技术是石油工业中技术含量较高的技术之一，在石油生产过程中占据重要地位。其未来发展趋势也将继续向快速、安全、准确、可靠、适应性强等方向不断靠近。首先，测井采集方面，变单点测量、分散测量为阵列测量和集成测量，实现采集阵列化和集成化的转变，这一转变将极大丰富测量地层地质条件，满足复杂地层测量的需要，并能提高测量的速度和准确度；其次，随钻和套管井电阻率测井系列不断升级，应用范围继续扩展，满足老井测井评价和复杂井况探井的需求；再次，测井评价方面，改变目前以单井解释和多井评价的现状，逐步发展为利用测井技术，针对地质条件，结合多个学科相关知识对油井进行综合评价，为油田勘探提供可靠的理论保障；最后，互联网将不断在石油勘探领域渗透，以提高复杂井的评价速度。
3测井技术在石油勘探中的应用
3.1传感器在石油勘探中应用。光纤传感器受电磁干扰，需要在极端苛刻条件下进行测量工作，如在高压、高温、震动和冲击环境下，均可准确测量井场或井筒的环境。光纤传感器利用分布式测量方式，将空间分布和坡面信息进行高精度测量，同时该仪器具有横截面积小、外形短、空间体积小、轻便灵活的优点。激光传感器是激光技术与光纤技术的结合，可对泥浆、原油进行测量。传感器主要作用为分析岩石性质，计算岩层的矿物组分，确定底层界面后绘制岩性剖面图，另外，还可进行一系列的综合计算，如孔隙度的计算、渗透率的计算、储层评价等，是划分油、气、水层，对油田进行产能评价的主要测量仪器。
3.2网络传感器技术在石油勘探中的应用。网络传感器是对整理采集信息的一种发展，通过阵列化的探头采集图像信息，制定油藏解决方案的同时，实现信息资源共享。网络测井组合平台是将核磁共振、声波成像、地层测试等技术进行改进后，集成为网络测井技术，该技术有利于评价油、气、水层，岩石力学、测井地质等信息，其突出特点为安全可靠、信息共享。
3.3随钻测井技术在石油勘探中的应用。在测井过程中，需要将测井仪器非常好的固定在钻头上，然后在施工的过程中对地层信息进行精确测量。这个技术的研发使测井工作有很大的突破，该技术可通过对地层倾斜角度的方向、钻压等参数的测量，有效调整钻探方向，确保勘探的速度和准确度。随钻测井技术可有效避免泥浆侵入、井眼扩径对测量的影响，利用测量信息对钻进方位进行科学指导，该技术更适合应用于疑难井、水平井或大斜度井的测量中。
3.4双侧向测井技术在石油勘探中的应用。双侧向测井技术是利用电流屏蔽效应，迫使主电极电流经聚焦后成水平电流束，以垂直于井轴侧向流入地层，从而降低井的分流作用和低阻层的影响。双侧向测井技术可减少井眼与周围岩石对测井结果的影响，真实、可靠的反映地层电阻率的变化情况。
4结束语
随着科技的不断创新和快速发展，石油测井技术的发展也面临着无数的机会和挑战。在其发展的过程中，所有工作人员都为之做出了巨大的贡献，利用先进的测量仪器将石油勘探工作简单化、精确化、快速化和安全化。
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参考文献：
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光电探测技术篇7
>>移动数字电视接收系统的前端设计数字音频广播接收机前端设计两种光纤前端激光告警技术的研究浅谈有线数字电视前端系统设计集群通信基站接收系统RF前端的设计与研发雷达接收机自动探测系统设计新思考L波段接收前端的设计与实现有关数字电视前端的网络管理系统设计探析有线数字电视前端监控系统智能化设计及应用基于激光探测技术的实时远程线路安全监控报警系统设计与应用民用飞机机组告警系统设计GSm税务监控系统前端的设计农村集体接收卫星数字广播系统设计及建设研究浅析对数字电视条件接收系统的设计与探索基于软件无线电中频数字接收系统的设计数字电视前端系统的结构以及工作原理数字电视前端播出系统的分析研究数字电视前端机房供电系统改造红外激光告警系统的图像预处理及目标识别算法研究激光前向散射云滴谱探测系统常见问题解答当前所在位置：.
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光电探测技术篇8
关键词：火灾探测；光脉冲；感温电缆；探测精度
中图分类号：X928文献标识码：a文章编号：
近年来，光纤感温火灾探测系统的应用日益广泛，不仅可以对电缆隧道、电缆架桥等中动力电缆的火灾隐患进行监测，更多的是利用光纤的绝缘性和防爆性对高压开关柜、变压器等进行监测，防患于未燃。
1线型光纤感温火灾探测器的适用场所
配电装置、开关设备、变压器、电缆隧道、电缆竖井、电缆夹层、电缆桥架，控制室、计算机室的闷顶内、活动地板下等场所空间狭窄，环境条件差，且存在电磁干扰问题。对于此类探测场所，点型感烟、感温探测器已不适用。线型光纤感温火灾探测器的光纤本身即为传感器，具备耐火、耐腐蚀、耐高压和强电磁场、耐辐射，本质安全；抗干扰性能强，适合在长距离狭窄空间应用。对主要由于温度升高引起的火灾、注重连续探测和大区域探测的场所，线型光纤感温火灾探测系统的探测精度更高。
2线型光纤感温火灾探测器的工作原理
线型光纤感温火灾探测器主要依据光纤的光时域反射（otDR）原理以及光纤的背向拉曼散射温度效应。当光脉冲从光纤的一端射入光纤时，光脉冲会沿着光纤传播，由于光的散射，在传播中的每一点都会产生反射，有一小部分散射光会沿着光纤反射回来，方向正好与入射光的方向相反（亦可称为“背向”），这种背向反射光的强度与光纤中的反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温度（该点的光纤环境温度）越高，反射光的强度也越大。也就是说，背向反射光的强度可以反映反射点的温度。利用这个现象，若能测量出背向反射光的强度，就可以计算出反射点的温度。而系统的空间定位功能则通过测量从激光脉冲发出到背向反射光返回的时间差实现。
3线型光纤感温火灾探测器与感温电缆的比较
3.1感温原理
线型光纤感温火灾探测器是一种无电检测技术，光纤作为探测器部分通过的是光信号，本身非常安全。而感温电缆利用的是一种电信号检测技术，感温电缆具有高阻特性。其中两根感温电缆的护套是用一种特殊的ntC高分子材料制成，系统通过连续监测这种特殊材料的电阻变化来检测温度的变化。
3.2抗干扰能力
线型光纤感温火灾探测器具有良好的抗干扰能力。感温电缆采取相关屏蔽措施后可以抵抗弱电磁场环境的干扰，但无法在强电磁场环境中使用。
3.3测温的实时性
线型光纤感温火灾探测器可对电缆温度进行实时在线监测，可以在设定的温度范围报警。而感温电缆只能对设定的温度（如65℃、85℃、105℃）进行报警，无法判断在不报警情况下的温度状况和温度发展趋势。价格比较昂贵的模拟量4芯感温电缆，虽然报警温度可调，但是精度不高。
3.4可恢复性和非破坏性
线型光纤感温火灾探测器的光纤材料是石英，耐高温，寿命长。普通的2芯感温电缆采用的是热敏绝缘材料，在报警后绝缘材料的热敏特性破坏，呈短路状态，不能继续使用，只能重新更换，维护工作量大；模拟量4芯感温电缆在报警后虽然能恢复常态，但在遇到高温后就很难恢复。
3.5误报概率
线型光纤感温火灾探测器不会因强电干扰而形成误报，而感温电缆在强电环境中经常误报。
3.6安全性
线型光纤感温火灾探测器由于采用无电检测技术，不会在电磁环境中出现放电或短路等现象。而感温电缆由于采用电信号，当导线之间绝缘受损时，容易形成短路，带来火灾隐患。
4线型光纤感温火灾探测器的应用
4．1电缆的温度测量和火灾探测
电缆桥架、电缆隧道、电缆沟、电缆夹层中敷设了大量电缆，一旦发生火灾，很难及时发现和扑救。对于敷设大量电缆的区域的电缆温度测量和火灾探测，线型光纤感温火灾探测器可采用正弦波接触式敷设（电缆不需要更换检测时），也可直线紧贴或悬挂敷设（如图1所示）。尽可能将线型光纤感温火灾探测器与电缆、线槽的接触表面紧贴，以便提高探测精度；并采用专用的夹具固定，避免探测器受到应力而造成机械损伤。
(a)正弦波接触式敷设
（b）直线紧贴式敷设
图1线型光纤感温火灾探测器
4．2高压电器设备的温度测量和火灾探测
线型光纤差定温火灾探测器主要用于监测变电所高压开关柜各触点的温度，并对设备温度异常点进行定位。防止异常温升引起绝缘老化导致短路、火灾等事故的发生，确保电力设备的安全运行。可对变电所高压开关柜（包括进线柜、出线柜、母联柜等）保护装置的上、下触头（L1、L2、L3相）、电缆头（L1、L2、L3相）处的温度进行检测，如图2所示。
图2线型光纤差定温火灾探测器在高压电气设备中的应用
4．3变压器温度测量和火灾探测
变压器由于过负荷等故障原因可能出现过热，导致自燃或爆炸。将线型光纤感温火灾探测器布设在变压器的表面，通过温度的实时监测，可以及时发现温度异常的部位，并自动通知工作人员及时处理。
4．4皮带输送装置温度测量和火灾探测
输煤皮带将原煤运输到储煤仓或储煤场，由于原煤在运输过程中时有自燃的可能，而皮带也可能由于各种故障导致温度上升，将可能带来严重后果。将线型光纤感温火灾探测器安装于皮带装置的过热点附近，通过测量线型光纤感温水灾探测器周围温度的变化，及时发现并处理出现问题的部位，消除火灾隐患。
4．5地铁隧道的温度与火情监测
地铁隧道线型光纤感温火灾探测器的信号处理器可放置在车站控制室，与现场敷设的线型光纤感温火灾探测器相连，形成一个与车站火灾报警控制器紧密相连的独立温度火灾探测系统。系统通过线型光纤感温火灾探测器对所保护区间温度进行实时监测（见图3），并在车站及中央系统中记录和显示。当车站站台板下电缆通道内及区间地下车行隧道出现温度异常时，信号处理器向车站火灾报警控制器发出报警信息并显示报警的时间、地点、报警类型等；消防值班人员对火警信息进行确认，核实后人工启动火灾报警确认按钮，发出火灾报警信号。
图3线型光纤感温火灾探测器地铁隧道布置示意
5结语
综上所述，线型光纤感温火灾探测器在电缆隧道、电缆竖井、电缆夹层、电缆桥架、高压电器设备、变压器、皮带输送装置、地铁隧道等场所具有实用性，应用广泛，是重要设施隐蔽处及长距离狭窄空间火灾探测的未来趋势。
［1］利达集团．线型光纤感温火灾探测系统产品手册［R］．
［2］威盾建设股份有限公司．线型光纤差定温火灾探测系统产品介绍与技术设计手册［R］．
光电探测技术篇9
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。
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光电探测技术篇10
军事领域对光学技术的运用由来已久，我们今天日常生活中许多光学相关的技术与产品都是军事应用在先，而后转化为民用品。光学手段在现代化战争中的重要作用，被大家深刻认识应该是从以美国为首的海湾战争及后来进行的几个局部战争的实效看出来的。随着“全天候作战”、“精确打击”、“复杂战场环境”及“无延迟攻击”等现代战争需求不断演变，光电武器装备也在不断推陈出新，广泛应用在预警、告警、瞄准、定位、监视、侦察、武器对抗、精确制导、信息通信、夜视观测等诸多领域；其地位也日益重要，渐渐成为或将与雷达同等地位的探测设备，与无线电网同等地位的光电通信装备，与化学能武器同等地位的激光武器装备等。
从一般光电系统到机载光电系统
通常，以光电相关技术为基础的构成系统都可以称为光电系统，现今人们对于光电系统并不陌生，在日常生活中随处可见。光电系统是以光学工程、激光工程、精密机械、信息处理、自动控制、计算机等高新技术为依托，实现对光的收集、转换、控制、处理、提取信息、能量转换、输出等，并集成多种传感器实现特定功能系统的总称。
从对光波利用方式不同，光电系统可以分为：信息感知，信息传递，能量传递等。它们从组成和机理上有许多相似之处，又有功能侧重不同带来的功能单元和性能指标的不同。
信息感知类光电系统组成示意框图如图1（a）所示。光电系统感知的信息是来自于目标/背景的光波特征，比如温度差异、颜色差异、灰度差异等，有反射光，如可见光探测，也有目标/背景自身的辐射，如红外探测，不同的温度在探测器上看到的亮度不同，其波段是指覆盖了紫外光、可见光、红外光、远红外光，波长从200纳米到几十个微米的范围。
信息感知类的光电系统是通过其光学通道收集来自目标/背景反射或自身辐射的光波，经探测器部件进行光电转换，形成图像（有时是电信号）信息，经信号处理单元得到目标信息。系统管理模块，管理调度伺服控制系统及光机运动部件运动，实现光学通道在一定角度范围内搜索或跟踪目标；有时为了获得目标的相对距离，控制激光输出并对回波进行处理得出需要的信息。主要指标包括：探测距离、分辨率、工作波长、定位精度等，光电系统大多数属于这一类。如地面防空系统中的红外周扫警戒系统、船载光电瞄准装置等。
信息传递类的光电系统是以光波作为信息载体，形成点对点或互联互通的光通信的网络，此类系统的组成示意框图如图1（b）所示。从图中可以看出，其组成图与图1（a）中组成相似，不同点在于将探测系统中的测距的激光收发功能模块演变为通信信息的收发处理模块。地面无线光通信设备已经有比较成熟的产品了，地-星光通信也已经有应用。目前主要有激光通信和紫外通信，主要指标包括，通信带宽、通信距离等。
能量传递类的光电系统，这里主要指用激光方式将较大的能量传递到另一个受体上，并发生作用，的光电系统。主要有激光干扰、激光毁伤、激光照明、激光充电等方式，其原理组成示意框图如图1（c）所示。激光光束定向性好，能量传递效率高，与其它两类系统相比，更加强调光束性能以及指向的控制和调节，如光束会聚、波前校正，光轴稳定等。包括地、空、舰船、星载激光定向干扰系统、激光致盲系统、激光武器、激光照明、激光充电系统等，主要技术指标有工作波长、输出光功率、作用距离、激光转换效率、光束指向精度等。
机载光电系统
机载光电系统与地基、舰载、车载、星载等光电系统原理是基本相同的。但是在机载环境中应用的装备，由于平台对设备要求苛刻、外部环境严酷、作战形态复杂多变，给光电系统设计带来了不同于其它应用平台的能力需求和技术难题，可以概括为以下几个方面：
1、来自机载平台本身的不利因素：包括宽频振动（0～2000Hz），大过载、大机动，机体变形，复杂的内部电磁干扰，宽幅波动的供电环境，严格的能耗要求，严格的重量体积要求，突出部分的气动限制，共形、隐身，长期反复使用等。这些对于“秒”级精度的光电系统设计提出了非常苛刻的要求；
2、外部严酷的环境要求包括：从极冷到极热（零下五六十摄氏度到一百多摄氏度的范围），风、雨、沙尘、盐雾、霉菌、阳光暴晒、气动加热、大气湍流等，这些因素往往是同时作用，综合影响，无疑给机载光电系统设计增加了许多难度；
3、战场形态复杂多变方面的不利因素：如距离远、运动快、机动大，光波传输通道的大气波动、散射、遮挡等随时存在，有些目标还进行隐身伪装。机载光电系统必须在这些不利因素影响下实现良好的性能。
因此，为了应对多种因素的影响，机载光电系统在保证性能的前提下，必须做到各方面的平衡。高动态、宽范围变化、容积率高等因素的综合作用，带来了机载光电系统设计上的不同理念、构型和方法。许多很好的光学、结构材料、器件适应不了环境要求不能用了；为了在动态环境中保证光学系统精度、运动精度，需要设计既轻巧又要有良好刚度的精密结构；为了保证在平台强烈振动和机动的状况下光轴的稳定性、图像的清晰度，机载光电系统必须考虑复杂的陀螺稳定系统和良好的减震系统，随着探测距离和激光束照在数百千米目标上的需求，有些系统已采取二级稳定系统等更为复杂的控制技术；在实现超视距进行探测时，背景复杂，目标辐射很弱加上大气通道上的湍流和散射，目标信息检出处理增加了很大的难度；随着平台飞行速度更高，飞行高度达到临近空间，特殊的热管理等带来的材料问题、运动补偿问题、热控问题等一系列技术难题也非常富有挑战性。
机载光电系统的优势
1、信息感知类机载光电系统的特点主要表现在：（1）被动探测，隐蔽性好；（2）能提供高分辨率可视化图像；（3）角分辨率精度高，能够远距分辨群目标；（3）不受电磁干扰影响，适应复杂电磁环境远距探测；（4）全天时工作，提升夜视夜战能力。
2、信息传递类机载光电系统的特点主要表现在：（1）光通信信号带宽宽，信息容量大；（2）无线光通信方向性好，保密性高。
3、能量传递类机载光电系统的特点主要表现在：（1）无延迟攻击，实现实时打击；（2）定向能输出，提高作战效率；（3）实现无线方式传送能量。
机载光电系统在拥有上述诸多优点的同时，也存在一些不足，由于光电辐射波长较短，易受气大气条件的影响而性能降低。
机载光电系统在现代战争中的应用
目前在国外三代机、四代机、预警机、直升机、无人机以及特种飞机等上面普遍都装备了光电系统，光电系统随着光电子、信息处理、计算机等相关技术的进步，已历经了三代的发展，目前性能更加先进的系统和技术也在大资金的投入下进行着研发。
按照应用细分，机载光电系统可分类如下：
信息感知领域
1、光电预警/告警探测系统，该系统通过对飞机、弹道导弹和巡航导弹等目标的搜索、跟踪和定位，为预警机以及防空反导体系提供目标信息，具有抗电磁干扰、反隐身和被动探测等特点，是实现战场态势广域预警/告警的有力手段。美欧、日本等国发展了多型光电预警/告警系统，国外目前的典型应用门警（Gatekeeper）系统对巡航导弹探测距离达到800千米左右；美国F-35战斗机的分布式孔径系统可实现对周视360度全向感知，告警距离达到十几千米。
2、光电监视与侦察（iSR）系统，通过利用光电传感器发现、识别、确认、监视、跟踪并定位目标，获取战场信息，具有高分辨率成像、昼夜侦察与监视、快速获取敌方情报等特点，是提供战场支援和夺取信息优势的重要手段。最具代表性的为美国雷神公司的“全球鹰”光电侦察系统，其对地目标分辨率小于0.2米。
3、机载跟瞄系统按使用方式又可分为光电雷达（红外搜索跟踪系统）、昼夜瞄准吊舱、光电转瞄转塔等。
（1）机载光电雷达是用于战斗机对空中目标进行大范围快速搜索、探测和跟踪定位的光电设备，具有抗电子干扰能力强、隐蔽性好、定位精度高、探测隐身目标能力强等特点，可在战场复杂电磁环境下进行远程探测跟踪，独立支持火控系统完成超视距攻击，已成为作战飞机任务系统重要的战术传感器之一。由意大利、英国和西班牙组成eURo-FiRSt集团，研制的装备在“台风”战斗机上的piRate光电雷达，迎头探测距离达到50千米以上。
（2）昼夜瞄准吊舱是集红外、电视、激光于一体的机载光电探测系统，使用红外、电视可在昼夜条件下对地面目标进行搜索、识别和跟踪，跟踪状态下利用激光对目标进行测距，主要用于配合中近距电视/红外制导导弹、卫星/惯性制导炸弹、激光制导炸弹等空面武器对目标进行精确打击。美国诺思罗普・格鲁门公司的Litening吊舱对地探测距离可达30千米以上。
（3）光电观瞄转塔是用于直升机/无人机/反潜巡逻机等实现对地/对海侦察和攻击的光电瞄准设备，能够在昼夜条件下侦察和瞄准，为航炮、火箭等多种无控武器攻击提供瞄准参数，可进行激光制导武器（导弹或炸弹）等制导武器提供制导信息实现精确打击；美国FLiR公司的StarSaFiReHD光电观瞄转塔，超小视场下可以识别18千米处的成年人目标。
信息传递领域
无线光通信技术区别于传统的射频通信技术，有其自身的特点：从红外波段到紫外波段，为信息传输提供了超宽频带能力，保密性好，不受电磁福射的影响。包括机群之间、卫星与飞机、飞机与地面站之间的无线激光通信。目前由于机载平台要求苛刻、动态影响大，机间激光无线通信还处在探索和实验阶段，如FaLCon系统预期实现50km以上2.5Gbps带宽的数据通信，未来将达到几百千米的能力。同时，由于紫外日盲特性和大气层中良好的散射传播特性，与激光通信不同，可实现非视线传输，具有低窃听率，高抗干扰性和全天候工作等优点，但由于目前器件水平不高、数据传输速度不大，距离近，目前机载应用还处于实验室研究阶段。
能量传递领域
应用主要包括激光定向对抗系统、激光武器系统、激光照明、激光充电等方面。光电对抗是指敌对双方在光波段的抗争，目的在于破坏或摧毁敌方光电侦察装备和光电制导武器的作战使用效能。目前在光电对抗系统开发中有代表性的为诺格公司的LaiRCm（大型飞机红外对抗系统）、DiRCm（定向红外对抗系统），有效对抗红外制导导弹的距离达到十几千米，激光武器系统利用高能激光束对目标进行毁伤，具有无延迟攻击、射程远、无限次发射等优点，可用于拦截弹道导弹、巡航导弹、高机动的空中和地面目标等，虽然目前还在技术验证阶段，但未来将是重要的机载武器装备之一。波音公司、诺斯罗普・格鲁门公司和洛克希德・马丁公司联合在大飞机上开展了先进机载激光武器试验系统（atL），其激光器功率100千瓦，作战距离达到20千米以上。由于超大功率的激光能源系统庞大，整个系统占了几乎一架飞机，因此，在作战飞机平台的装备还有很长的距离。
与日俱增的重要地位
相对于电磁波雷达而言，工作在光波段的机载光电系统，工作机理上具有高几何分辨力、高频谱分辨力以及被动获得信息等优点。随着光电子基础技术研究的不断突破，近30年光电系统获得了空前的发展，在“海湾战争”、“科索沃战争”、“阿富汗反恐战争”等一系列局部战争中得到了广泛应用，也取得了令人瞩目的效果，从中也展现了其在现代战争模式中的重要作用。
早期机载光电系统是为了解决夜视观察的辅助作用，随着作战模式向精确打击模式的演变，机载光电成为精确瞄准、精确定位、精确投放武器的必需装备，而从侦查监视及信息获取的角度，由于光电系统几何分辨力高、光谱分辨力高、图像真实，目前已成为获取高质量战略和战术情报的最有效手段。随着空中作战中电磁环境的日趋复杂，机载光电探测系统被动探测，不受电磁干扰、隐蔽性好、信息可视化等优势更显突出，发挥着与雷达等探测手段同等重要的作用。面对飞行器几倍声速，高机动，高隐身等新的作战需求的变化，以光电探测和激光攻击的光电武器系统是满足“无延迟攻击”的最佳选择。大数据率、多源、多机平台协同的数据传输离不开高带宽传输能力的机载光通信系统。
总之，随着光电子技术、量子探测技术、高速处理技术、高效率激光能量转换技术、高性能材料技术等光电技术不断突破，机载光电系统性能还将进一步得到提升，在未来机载平台上将会发挥更加重要的作用。
机载光电系统的发展趋势
为适应日益严酷的作战环境，应对作战对象的升级换代，未来的高科技战争对新一代机载光电系统不断提出新的需求。加之基础技术的持续进步，同时推动光电系统不断发展。机载光电系统未来的发展基本可以概括为性能提升、功能拓展、系统综合和概念创新。
1、性能提升、功能拓展：“看得更远、看得更清、瞄得更准”是机载光电系统发展永恒的主旋律。机载光电瞄准系统在新技术的推动下，探测能力较以往有了大幅提升。未来光电雷达将达到几十千米甚至上百千米的探测能力，成为反隐身、超视距作战的利器。瞄准吊舱将将达到更远的探测距离和更精确的瞄准定位，使战机能够在百千米距离就可以对地面目标发起精确打击。光电情报监视侦察系统分辨率将进一步提升，并将能够覆盖更广的战场侦察范围。未来系统分辨率将达到厘米级，甚或更高。并将通过光谱细分技术提高对伪装目标的识别能力，同时结合无人机长航时优点，实现对战场不间断地战略和战术高分辨率侦察监视，战场动态尽在掌握之中。
2、系统综合、概念创新：“从单一到综合、从传统到新体制”使机载光电系统充满活力。F-14飞机的iRSt，F-15飞机的SnipeR吊舱都是单一功能的光电系统，而F-35飞机则采用一个eotS和6个DaS进行系统综合，成为集空/地探测、导弹告警、态势感知为一体的综合光电系统。可以预计，在未来机载光电系统综合化程度会更高，不同功能、不同波段的光电单元有机结合，实现机载态势感知、探测瞄准、告警、干扰、毁伤和通信能力的一体化。新体制、新概念的光电产品将随着技术发展不断涌现。自由曲面共形光学天线将使未来的机载光电系统光学窗口不再突出，而与飞机机身融为一体；光学超材料的出现将使光电系统光学特性出现异于寻常的变化；孔径编码成像将改变传统几何光学的成像概念；采用光量子技术的量子雷达则将使经过隐身、伪装、防护的目标无所遁形…。
结语