4.9 直接探测系统的性能分析

§4.9直接探测系统的性能分析1系统类型2光电探测系统的指标3直接探测系统技术领域：光子计数技术探测范围：强信号探测原理：非相干探测1系统类型1、按携带信息的光源：主动系统和被动系统被动探测系统所接收到的光信号来自目标的自发辐射，例如被测目标是星体、飞机、导弹、云层、大地、车辆和人体等。目标辐射功率和背景辐射功率同时进入光学系统，然后会聚到探测器上光信号转换为电信号，光电信号由电路处理以后输出所需信息。系统有加调制也有不加调制的。目标大气光学系统调制器光电探测器电子电路接受系统被动光电系统方块图主动探测系统是发射和接收系统共同配合进行工作的。光源采用人工光源，如激光器、发光管、气体放电灯等。信息源可以通过调制光源的电源电压（或电流），把信息载到光波上去，通过发射系统发射调制光。或者，光源出射的光（经过或者不经过光学调制器）照射目标，利用目标的反射、透射或散射加载上目标信息，然后由接受系统进行检测。信息源调制器光源光学系统传输介质光学系统光电探测器电子电路光源调制器光学系统信息源接收系统主动光电系统方块图特点及缺点：1、这两种接收系统都是把目标和背景的入射光能量经过光学系统会聚于光电探测器上进行光电转换。2、探测器输出的信号经处理电路检出信息，在此过程中，背景噪声和系统内部探测器噪声及电路噪声等都与信号一起进入系统。2.光谱范围：可见光探测系统和红外探测系统对军事目标的探测，不论是主动或是被动系统一般都工作于红外光波段。工作在这一波段的优越性首先是隐蔽性好，不易被对方发现；其次是光波在大气中传播时，红外波段有几个窗口对光能量的衰减较小，这样系统的作用距离远。3.接收系统：点探测系统和面探测系统对于点探测系统来说，系统把目标作为一个点来考虑，只接收目标总的辐射功率。而面探测系统则同时要测量目标的光强分布，通常用摄像器件或多元探测器列阵完成。4.光波对信息信号（或被测未知量）的携带方式：直接探测系统和相干探测系统不论光源是自然光源或人造光源，是非相干光源或是相干性好的激光光源，直接探测方式都是利用光源出射光束的强度去携带信息。而相干探测方式则是利用光波的振幅、频率、相位来携带信息，而不是利用光强度。所以只有相干光可被用来携带信息，捡出信息时需用光波相干的原理。2光电探测系统的指标光电探测系统具有感知信息、传递信息、测量未知的光学量或非光学量，以及作信息存储等多种功能和用途。各个系统有不同的技术要求。但是，它们最终都是以电信号形式输出，其输出量是模拟电信号或者是数字电信号。从最终输出要求来看，它们有一个公共的指标，这就是信号的输出信噪比。1、模拟系统光传输的信息经过光电探测系统检出后其波形是否发生畸变。如：外界干扰，可以通过精心设计各个环节解决。影响信号畸变的最根本的因素是噪声，主要来自光源、背景、光电探测器和电路。衡量模拟光电系统的一个重要指标信噪比：pSNR信号功率噪声功率（方差）2、对于数字式光电系统，因为是用“0”、“1”两态脉冲传输信息，当系统不存在噪声时，系统输出信号能准确复现发射的信号编码规律，如图（a）所示，当噪声随机叠加在信号上时，信号产生畸变，如图（b）所示。由图（c）可以看出：由于负向噪声叠加在脉冲“1”上使脉冲输出为“0”；同样，噪声也有可能使脉冲输出“0”误变为“1”。“0”、“1”码出现错误的概率称为误码率。3直接探测系统光波携带信息可以采用多种形式，如光波的强度变化、频率变化、相位变化及偏振变化等。1.直接探测的基本物理过程直接探测:将待检测的光信号直接入射到光探测器的光敏面上，由光探测器将光强信号直接转化为相应的电流或电压，再经后续电路处理（如放大、滤波或各种信号变换电路），最后获得有用的信号。信号光场tAEscos平均功率2/)(22AtEPs22PeeIPAhvhv光电探测器输出的光电流若光探测器负载电阻为RL，则其输出的电功率为：222PPLLeSIRPRhv表明：光电探测器的电功率正比于入射光功率的平方。光电探测器对光的响应特性包含两层含义：（1）光电流正比于光场振幅的平方，即光的强度。（2）光电流输出功率正比于入射光功率的平方。如果入射信号光为强度调制（IM）光，调制信号为d（t），则探测器的光电流为：1PeIPdthv2、直接探测系统的信噪比众所周知，任何系统都需一个重要指标——信噪比来衡量其质量的好坏，其灵敏度的高低与此密切相关。22222(/)()(/)(2)PPLSNLSSNNSNehRPPehRPPPP输出的噪声功率功率光电探测器输出信号电噪声功率信号光功率NPNSPSPP考虑到信号和噪声的独立性)2()/()/(2222NNSLPSLPPPPRheNPRheS输出功率的信噪比222212SNSPPPSNNSNPPPSSNNPPPPP讨论：（1）若Ps/PN1，则2NSPPPNS输出信噪比等于输入信噪比的平方。因此，直接探测系统不适于输入信噪比小于1或者微弱光信号的探测。（2）若Ps/PN1，则NSPPPNS21输出信噪比等于输入信噪比的一半，即经光电转换后信噪比损失了3dB，在实际应用中还是可以接受的。直接探测方法不能改善输入信噪比，不适合探测微弱信号。但是这种方法比较简单，易于实现，可靠性高，成本较低。3、直接探测系统的探测极限及趋近方法如果考虑直接探测系统存在的所有噪声，则输出噪声总功率为：LNTNDNBNSPRiiiiN2222输出信号噪声比222222(/)SPPPNSNBNDNTehPSSNNiiii（1）当热噪声为主要噪声源，其信噪比：224sPehvPSNkTfR热（2）当散粒噪声为主噪声源，其信噪比：22222sPNSNBNDehvPSNiii散（3）当背景噪声为主要噪声源，其信噪比：22222ssPBBehvPPSeNhvfPefPhv背扫描热探测系统的理论极限即由背景噪声极限所决定。（4）当散粒噪声为主要噪声源，其信噪比：2SPPSNhvf信直接探测在理论上的极限信噪比，也称直接探测器的量子极限（5）在量子极限下，直接探测系统理论上可测量的最小功率为信号量)/(2)(NSPfhNEPS直接探测器的理想状态，系统内部噪声都抑制到可以忽略的程度，但实际系统的视场不能是衍射极限对应的小视场，背景噪声不能为0，实际探测器总会用噪声，光探测器本身具有电阻以及负载电阻等都会产生热噪声和放大器噪声若＝1，f＝1Hz，则系统在量子极限下所探测功率为2h如果使系统趋近量子极限则意味着信噪比的改善，可行的方法就是在光电探测过程中利用光电探测器的内增益获得光电倍增。举例：对于光电倍增管，由于倍增因子M的存在，信号功率增加M2的同时，散粒噪声功率也倍增M2倍，信噪比变为：2Si22222222)()/(NTNDNBNSSPiMiiiMPheNS当M很大时，热噪声可以忽略。如果光电倍增管加致冷、屏蔽等措施可以减小暗电流及背景噪声。因此光电倍增管达到散粒噪声限是不难的。在特殊情况下可以趋于量子限。注意：选用无倍增因子起伏的内增益的器件，否则倍增因子的起伏又会在系统中增加新的噪声源。