光电直接检测系统

第5章光电直接检测系统主要内容：•5.1光电直接检测系统的基本工作原理•5.2光电直接检测系统的基本特性•5.3直接检测系统的距离方程•5.4光电直接检测系统举例第5章光电直接检测系统相干检测，光源：相干光源原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息，检测时需要用光波相干原理。调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。非相干检测，光源：非相干或相干光源原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为电信号，解调电路检出信息。调制方法：光强度调制、偏振调制。直接检测是一种简单实用的方法。光外差检测直接检测光电检测系统5.1光电直接检测系统的基本工作原理光电直接检测系统是将待光信号直接入射到光检测器光敏面上，光检测器响应光辐射强度（幅度）并输出相应的电流和电压。检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信号，前端还可经过频率滤波和空间滤波等处理。强度调制器光学天线光学通道接收天线及光电检测器光电信号处理器光源信号发射机背景噪声场接收机电路噪声回收的信息强度调制直接检测模型5.1光电直接检测系统的基本工作原理假定入射光信号电场为：光场平均光功率为：表示的时间平均值；光检测器输出电流为：称为光电变换比例常数()tAtEswcos=()tEs2()_______2tEs()22_______2AtEPss==nhahe=22()2ssseeIPEtAhhhhann===光检测器的平方律特性：光电流正比于光电场振幅的平方，电输出功率正比于入射光功率的平方。5.1光电直接检测系统的基本工作原理若光检测器负载电阻RL，则光检测器输出电功率为：如果入射光是调幅波，即其中d(t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流为:式中第一项为直流项，若光检测器输出端有隔直电容，则输出光电流只包含第二项，称为包络检测。LsLsoRPheRIP222==nh()()[]ttdAtEswcos1+=()tdAAis2221aa+=22()2ssseeIPEtAhhhhann===5.2光电直接检测系统的基本特性5.2.1直接检测系统的信噪比—衡量系统好坏及灵敏度光检测器输出的总功率包括信号电功率和噪声功率，可表示为：考虑到信号和噪声的独立性，有：由信噪比定义，输出功率信噪比为：()22nsLnooPPRhePP+..=+nh22sLoPRheP..=nh222nnsLnoPPPRheP+..=nh()()()nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222+=+==()()()nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222+=+==5.2.1直接检测系统的信噪比说明输出信噪比是输入信噪比的平方，可见，直接检测系统不适用于输入信噪比小于1或微弱光信号的检测。输出信噪比是输入信噪比的一半。即经过光电转换，信噪比损失了3dB。实际应用中可以接受。可见，直接检测方法不能改善输入信噪比，适宜于不是很微弱的光信号检测。但这种方法简单，易于实现，可靠性高，成本低，得到广泛应用。(1)若，则有：(2)若，则有：1nsPP()()2nspPPSNR1nsPP()nspPPSNR21在数字式光电系统中，噪声对系统的影响常使用“误码率”来衡量。误码率仍然与信噪比有关。信噪比高，误码率低。由噪声的概率分布规律考虑“概率问题”来衡量。5.2.2直接检测系统的检测极限及趋近方法考虑直接检测系统中存在的所有噪声，则输出噪声总功率为：分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。为负载电阻和放大器的热噪声之和。输出信噪比为：LNTNDNBNSnoRiiiiP.+++=____2____2____2____2____2____2____2,NDNBNSiii和____2NTi()()____2____2____2____222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR+++.==nh()()____2____2____2____222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR+++==nh5.2.2直接检测系统的检测极限①当热噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统受热噪声限制，信噪比为：②当散粒噪声远大于热噪声时，直接检测系统受散粒噪声制，信噪比为：③当背景噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统受背景噪声限制，信噪比为：()()LspRfkTPheSNRD.=422nh热()()____2____2____222NDNBNSsp散iiiPheSNR++.=nh()()BsBspPfhPPhefePheSNR.D.=..D.=nhnhnh22222背5.2.2直接检测系统的检测极限假定光波长λ=0.7µm，检测器的量子效率η=1，测量带宽Δf=1，由上式得到系统在量子极限下的最小可检测功率为④当入射信号光波所引起的散粒噪声为直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统受信号噪声限制，这时信噪比为：该式为直接检测在理论上的极限信噪比，称为直接检测系统的量子极限，又称量子限灵敏度。若用等效噪声功率NEP值表示，在量子极限下，直接检测系统理论上可测量的最小功率为：()fhPSNRspD.=nh2信()hnfhNEPD=2量WP18min10-=在实际直接检测系统中，很难达到量子极限检测。实际系统总会有背景噪声、检测器和放大器的热噪声。背景限信噪比可以在激光检测系统中实现，是因为激光光谱窄，加滤光片很容易消除背景光，实现背景限信噪比。系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行方法是在光电检测过程中利用光检测器的内增益获得光电倍增，如光电倍增管。当倍增很大时，热噪声可忽略，同时加致冷、屏蔽等措施减小暗电流及背景噪声，光电倍增管可达到散粒噪声限。在特殊条件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪声，增益过程中使噪声增加。在直接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力较高，采用有内部高增益的检测器可使直接检测系统趋近于检测极限。对于光电导器件，主要噪声为产生复合噪声（极限散粒噪声），光电导器件极限信噪比低，NEP较大。5.2.2直接检测系统的检测极限5.2.3直接检测系统的视场角直接检测系统视场角检测器物镜视场角表示系统能检测到的空间范围，是检测系统的性能指标之一。对于检测系统，被测物看作是在无穷远处，且物方与像方介质相同。当检测器位于焦平面上时，其半视场角为：或视场角立体角Ω为：2fAd=从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即增大检测器面积或减小光学系统的焦距，但对检测器会带来不利影响：①增加检测器面积意味着增大系统噪声。因为对大多数检测器，噪声功率和面积的平方根成正比。②减小焦距使系统的相对孔径加大，引入系统背景辐射噪声，使系统灵敏方式下降。因此在系统设计时，在检测到信号的基础上尽可能减小系统视场角。wd'uDw'ffd2=w5.2.4系统的通频带宽度频带宽度Δf是光电检测系统的重要指标之一。检测系统要求Δf应保存原有信号的调制信息，并使系统达到最大输出功率信噪比。系统按传递信号能力，可有以下几种方法确定系统频带宽度。对于输入信号为矩形波时，通过不同带通滤波器的波形的分析，可知，要使系统可以复现输入信号波形，要求系统带宽Δf：在输入信号为调幅波时，一般情况下取频带宽度为其包络（边频）频率的2倍。如果是调频波，则要求滤波器加宽频带宽度，保证有足够的边频分量通过系统。1.等效矩形带宽：2.频谱曲线下降3dB的带宽3.包含90%能量的带宽0166.0tw=D0262.0t=Df0389.0t=Df()wI()0IO0ww1wD04tDf5.3直接检测系统的距离方程光电检测系统的灵敏度在不同的用途时，灵敏度的表达形式不同，在对地测距、搜索和跟踪等系统中，通常用“检测距离”来评价系统的灵敏度。对于其他系统的灵敏度亦可用距离方程推演出来。直接检测系统分为被动检测和主动检测系统，其距离方程不同。下面分别进行推导。强度调制器光学天线光学通道接收天线及光电检测器光电信号处理器光源信号发射机背景噪声场接收机电路噪声回收的信息1、被动检测系统的距离方程被动检测过程示意图大气传播eEeP接收光学系统信号处理接收机接收信息光电检测LsV被测目标eI光谱辐射强度VR光谱响应度00A入射孔径面积光谱透过率tL传播距离大气光谱透过率t1设被测目标的光谱辐射强度为经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度为：入射到检测器上的光谱功率为：根据目标辐射强度最大的波段范围及所选取检测器光谱响应范围共同决定选取的λ1―λ2的辐射波段，可得到检测器的输出信号电压为：1、被动检测系统的距离方程eIeE的距离为目标到光电检测系统内的大气光谱透过率；为被测距离LLt121LIEeet=eP透过率为接收光学系统的光谱孔径面积为接收光学系统的入射t00Attt002100ALIAEPeee.==为检测器的光谱响应度VR==21210120ttdRILAdRPVVeVes=210120ttdRILAVVes1、被动检测系统的距离方程都是波长的复杂函数，难有确切的解析表达式。通常作如下简化处理：式中①取τ1λ为被测距离L在光谱响应范围内的平均透过率τ1。②光学系统的透过率τ0λ对光谱响应范围内平均值。③把检测器的光谱响应带看成是一个矩形带宽。即在响应范围内为常数RV，在其它区域为零。④根据物体的温度T查表，可计算出在考查波段范围内的黑体辐射强度，再乘以物体的平均比辐射率，可得到物体在光谱响应范围内的辐射强度Ie。将上述值代入上式，可得：令检测器的方均根噪声电压为Vn，则它的输出信噪比为：=210120ttdRILVAVVVennsttVeR、、I和01即：又因为：将上式代入上式，可得：式中Ad为检测器面积；Δf为系统的带宽；D*为检测器的归一化检测度；AoIe=P0是入射到接收光学系统的平均功率。考虑到系统的调制特性，入射到探测器上的有效功率为：()DD-=dSP210S(ω)为调制信号的功率谱=210120ttdRILVAVVVennsVennsRILVAVV0120tt=21010=nsVVnVeVRIALttfADVRdnVD=*21*010D=fADIALdVVenstt为清楚地看出系统各部件对检测距离的影响，把调制特性考虑为对入射功率的利用系数km，则上式改写为：第一个括号是目标辐射特性及大气透过率对检测距离的影响；第二个括号和第三个括号表示光学系统及检测器件特性对作用距离的影响；第四个括号是信息处理系统对作用距离的影响。()()()21212121*001D=nsmdeVVfkADAILtt大气传播()eE()eIrSa反射系数反射面积()P()dP接收光学系统信号处理接收机回收信息'0立体角接收口径D()t02透过率光电检测强度调制器发射光学系统光源信号发射机反射目标LsV2、主动检测距离方程主动检测过程示意图2LSLL=后光斑面积经距离()sPmk()t01()TP()Lk传播距离衰减系数主动检测系统的光源主要为激光光源。令其发射功率为Ps(λ)；发射束发散立体角为Ω；发射光学系统透过率为τ01(λ)，经调制的光能利用率为km，则发射机发射的功率PT(λ)为：激光在大气中传播时，能量若为按指数规律衰减，令衰减系数为k(λ)，经传播距离L后光斑面积为SL=ΩL2，光斑SL的辐射照度Ee为：设在距光源L处有一目标，其反射面积为Sa。普通情况下把反射体看作是朗伯反射，即在半球内均匀反射，其反射系数为r。在此条件下，单位立体角的反射光辐射强度Ie(λ)为：2、主动检测距离方程()()()mskPt01TP=()()()()()LkTLkLTeLPeSP--==2eE()()()()LkaLeaerSLPErS-==2e1I假定接收机和发射机在一处，反射光