光电检测第五章

第五章光电直接检测系统2光电检测系统：是指对待测光学量或由非光学带测量转换成的光学量，通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统。由光源、光学变换系统和光电接受器件构成。光学变换系统是将光学量变换为非光学量，将一种光量变换为另外一种光量，或将联系光量变换成为脉冲光量的系统。1）、将待测信息加载到待测波上，进而形成光电接收器件易于接受的光电信号；2）、改善系统的时间或空间分辨率和动态品质，提高传输效率和检测精度。3）、改善系统的信噪比，提高工作可靠性。光学变换系统主要目的光电直接检测系统举例简介3从光学原理来看，光电信号的变换方法分为几何光学法，物理光学法和光电子学法。变换方法光学原理应用范围几何光学法透射、反射、折射、散射、遮光、光学成像等非相干光学现象或方法光开关、光学编码、光扫描、瞄准定位、光准直、外观质量检测等物理光学法干涉、衍射、散斑、全息、波长变换、光学拍频、偏振等想干光学现象或方法莫尔条纹、干涉计量、全息计量、散斑计量、外差干涉、外差通信、光谱分析、多普勒测速等光电子学法光电效应、声光效应、磁光效应、空间光调制、光纤传光与传感光调制、光偏转、光开关、光通信、光记录、光存储、光显示等光电直接检测系统举例简介光电检测系统分类按信息光源分:主动系统/被动系统按光源波长分:红外系统/可见光系统按接受系统分:点探测/面探测系统按调制和信号处理方式分:模拟系统/数字系统按光波对信号的携带方式分:直接检测/光外差检测系统光电直接检测系统举例简介非相干检测，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。光电直接检测系统举例简介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：cossEtAt光场平均光功率为：_______222ssPEtA表示_______2sEt2sEt的时间平均值；光检测器输出电流为：______222ssseIEtPAh称为光电变换比例常数eh光电直接检测系统的基本原理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。若光检测器负载电阻RL，则光检测器输出电功率为：222osLsLPIRPR如果入射光是调幅波，即1cossEtAdtt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。光电直接检测系统的基本原理2212siAAdt一、直接检测系统的信噪比—衡量模拟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：22onoLsnePPRPPh考虑到信号和噪声的独立性，有：22oLsePRPh222noLsnnePRPPPh由信噪比定义，输出功率信噪比为：222212snospnosnnsnPPPPSNRPPPPPP5.2光电直接检测系统的基本特性nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222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1snPP，则有：2snpSNRPP(2)若1snPP，则有：12spnPSNRP光电直接检测系统的基本特性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。·1110011000isis正确正确正确正确错误阈值ttt噪声加信号光电直接检测系统的基本特性二、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：________________2222noNSNBNDNTLPiiiiR____________222,NSNBNDiii和分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。___2_NTi为负载电阻和放大器的热噪声之和。22________________2222sopnoNSNBNDNTehPPSNRPiiii输出信噪比为：光电直接检测系统的基本特性22________________2222sopnoNSNBNDNTehPPSNRPiiii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：224spLehPSNRkTfR热5-14②当散粒噪声远大于热噪声时，直接检测系统受散粒噪声限制，信噪比为：22____________222spDNSNBNDehPSNRiii5-15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：22222sspBBehPPSNRehfPefPh背5-16光电直接检测系统的基本特性假定光波长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18min10PW④当入射信号光波所引起的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：2pPSNRhf信5-17该式为直流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：2hfNEP量光电直接检测系统的基本特性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。光电直接检测系统的基本特性三、直接检测系统的视场角直接检测系统视场角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：2dAf从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即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。2df光电直接检测系统的基本特性四、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。以脉冲激光波形为例.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。04f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100.06200.62f300.89f0为脉冲宽度光电直接检测系统的基本特性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。5.3直接检测系统的距离方程1、被动检测系统的距离方程被动检测过程示意图被测目标光电直接检测系统的距离方程设被测目标的光谱辐射强度为eI经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度为：eE12eeIEL1LL为被测距离内的大气光谱透过率；为目标到光电检测系统的距离入射到检测器上的光谱功率为：eP100002eeeIPEAAL01A为接收光学系统的入射孔径面积为接收光学系统的光谱透过率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：22110102seVeVAVPRdIRdLVR为检测器的光谱响应度光电直接检测系统的距离方程210102seVAVIRdL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：10eVIR、、和式中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。简化之后，输出信噪比为：令检测器的方均根噪声电压为Vn，则它的输出信噪比为：210102seVnnVAIRdVVL5-22光电直接检测系统的距离方程0102seVnnVAIRVVL210102seVnnVAIRdVVL即：12010sneVVnVAIRLV又因为：*nVdVDRAf由上面两式可得：12*010sneVdVAIDLAf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：012PSdS(ω)为调制信号的功率谱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：11221122*100medsnkDLIAAfVV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。光电直接检测系统的距离方程大气传播Lk传播距离衰减系数2LSLL后光斑面积经距离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