《光电测量技术》(第七章)

1第七章非相干光变换与检测2第一节光电信号变换与光电测量系统概述非相干光学信号是指光载波为非相干光，用于检测光功率、光频率或相位，或者光载波是相干的，但检测的是光功率3变换的目的1）将待处理的信息加载到光载波上，得到光载波的信号2）改善系统的时间或空间分辨率和动态品质，用以提高传输效率和检测精度3）改善系统的检测信噪比，提高系统可靠性4变换的方法借助于几何光学、物理光学、光电子学等几何光学：直线性、透射、反射、折射、成像等物理光学：干涉、衍射、光强、波长变换、偏振等光电子学：电光效应、声光效应、磁光效应、空间调制等5光电信号变换方法与应用范围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、测长测角、测距等物理光学法干涉、衍射、散斑、全息、波长变换、光学拍频、偏振等相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电光效应，声光效应、磁光效应、空间光调制、光纤传光与传感等光调制、光偏转、光开关、光通信、光记录、光存储、光显示等6光源、光学变换系统和光电接收器件构成了光电检测系统直接检测光电系统相干检测光电系统光信息为光强，被测量被携带于光载波的强度之中，光电器件直接接收光强度变化，再用解调的方法检测出被测信息的系统光信息加载于相干光源的光载波的振幅、频率、相位之中的系统7非相干检测光电系统光源为非相干光，用调制的方法使被测信息加载于调制光的幅度、频率、相位之中，再用光电检测的方法从调制光检测出被测信息的系统8光电变换的基本形式1)被测对象为辐射源的形式辐射源光学系统光电器件9光电探测器件直接探测物体本身的辐射量以确定目标物的存在。光电变换的基本形式1)被测对象为辐射源的形式为了克服直流放大器中零点漂移和环境温度的影响，以及减少背景辐射的噪声干扰——常采用光学调制技术或电子斩波器调制，通过滤波器可提高信噪比。101)被测对象为辐射源的形式设物体全辐射通量密度4TM光电变换的基本形式在近距离测量时，前置放大器输出电压信号（不计大气吸收）ε—发射率；σ—波尔兹曼常数；T—绝对温度MRmSGAMU0τ—光学系统的透过率；m—光学调制系统的透过率；S—光电器件光电灵敏度；G—电路变换系数；A—放大器放大倍数；R—光电变换系数11光电变换的基本形式2)光透过被测对象的形式光电器件光源透光均匀介质12光电变换的基本形式当光透过均匀介质时，光被吸收而减弱的规律为de02)光透过被测对象的形式RU00de0Ф0—入射到介质表面的通量；α—介质吸收系数；d—介质的厚度实验表明：在液体或气体中，α(=μγ)值与物质的浓度成正比。(μ—表示液体或气体对光的吸收性质；γ—浓度)光电变换器的输出电压为13光电变换的基本形式3)光由被测对象反射的形式光源光电器件具有反射介质14光反射有镜面反射和漫反射两种形式——其反射的物理性质有所不同光电变换的基本形式3)光由被测对象反射的形式15光电变换的基本形式4)光由被测对象遮挡的形式光电器件光源遮光物质16光电变换的基本形式设光电器件光敏面的宽度和高度为b，而被测物体的宽度大于b，物体遮挡光的位移量为Δl，则物体遮挡入射到器件的光照面积的变量为lbA4)光由被测对象遮挡的形式lEbRRAEU0变换器输出位移量的信号电压为：17光电变换的基本形式5)被测对象经光信息量化的形式光学变换光电器件光源信息18光电变换的基本形式6)光传输信息的形式信息信息调制器解调器19第二节光电直接检测系统的基本工作原理检测系统可经光学变换或直接由检测器接收被测信号在其前端还可经过频率滤波（如滤光片）和空间滤波（如光阑）等处理此时光学变换也接收到背景辐射，并与信号一起入射到检测器的光敏面上20假定入射的信号光强为tcosAtES222AtEPSSA—信号光强振幅ω—信号光的圆频率其平均光功率为而光检测器输出的电流为22AhetEhePISSS式中光电灵敏度he时间的平均值t2SE21若检测器的负载电阻为RL，则光电检测器输出电功率为上式说明光电检测器输出的电功率正比于入射光功率的平方LSLSRPheRIP222022如果入射光是调幅波，即X(t)—调制信号检测器件输出的电流为若光电检测器输出端由隔离直流的电容，则只有第二项输出——这就是包络检测的意思tcostXAtES1tXAAiS222123光电检测系统（非相干）的基本特性1、检测系统的信噪比设入射到检测器的信号光功率为PS设入射到检测器的噪声功率为Pn检测器输出的信号电功率为P0检测器输出的噪声功率为Pn02200nSLnPPRhePP24光电检测系统（非相干）的基本特性考虑到信号与噪声的独立性，则有220SLPRheP2202nnSLnPPPRheP25光电检测系统（非相干）的基本特性根据信噪比的定义，则输出功率信噪比为①若，则有这说明输出信噪比等于输入信号比的平方由此可见，直接检测光电系统不适用于输入信噪比小于1或者微弱光信号的检测nSnSnPPPPPPPSNR212001nSPP2nSPPPSNR26光电检测系统（非相干）的基本特性②若，则有上式表明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从上述得知：直接检测方法并不能改善输入信噪比——这是其检测系统的弱点（与相干或外差系统相比）但它对不是十分微弱光信号的检测则是很适宜的检测方法——因为该方法比较简单，易于实现，可靠性高，成本低，应用广泛1nSPPnSPPPSNR2127光电检测系统（非相干）的基本特性2、直接检测系统的检测极限及趋近方法如果考虑直接检测系统存在的所有噪声，则输出噪声的总功率为LNTNDNBNSnRiiiiP22220信号光背景光暗电流负载电阻及放大器热噪声之和28光电检测系统（非相干）的基本特性输出信号噪声比为当热噪声是直接检测系统的主要噪声源，而其它可以忽略时，信噪比为22222200NTNDNBNSSnPiiiiPhePPSNRRfkTPheSNRSP422热29光电检测系统（非相干）的基本特性当散粒噪声远大于热噪声时，热噪声可以忽略，则直接检测系统受散粒噪声限制，这是的信噪比为22222NDNBNSSPiiiPheSNR散30光电检测系统（非相干）的基本特性当背景噪声是直接检测系统主要噪声源时，这是的信噪比为PB为背景辐射功率扫描热检测系统的理论极限即由背景噪声极限所决定BSBSPPPfhPhefePheSNR22222背31光电检测系统（非相干）的基本特性当入射的信号光波所引起的散粒噪声是系统的主要噪声源——系统受信号噪声限制上式为直接检测系统在理论上的极限信噪比，也称为直接检测系统的量子极限fhPSNRSP2信32光电检测系统（非相干）的基本特性若用等效噪声功率NEP值表示，在量子极限下直接检测系统理论上可以测量的最小功率为假定检测器的量子效率η=1，测量带宽Δf=1Hz得到系统的最小可检测功率为2hν,已接近单个光子的能量fhNEP2量33光电检测系统（非相干）的基本特性3、直接检测系统的视场角视场角是直接检测系统的性能指标之一它表示系统能“观察”到的空间范围对于检测系统，被测物看作是在无限远处且物方与像方两侧的介质相同故在上述条件下检测器位于焦平面上时，其半视场角为fd2检测器直径34光电检测系统（非相干）的基本特性或视场角立体角为而从观察范围看，即从发现目标的观点考虑：希望视场角愈大愈好从上式可看出，增大Ω，可增大Ad或减少f而这两个方面对检测系统的影响都不利①Ad的增大——增大了系统的噪声②减少焦距使系统的相对孔径加大—一般不允许③Ω加大后背景辐射也随之增加2fAd检测器面积35光电检测系统（非相干）的基本特性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光电检测系统要求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Δf36光电检测系统（非相干）的基本特性①等效矩形带宽令I(ω)为信号的频谱，则信号的能量为等效矩形Δω带宽定义为I(ω0)为ω=ω0时的频谱分量，而I(ω0)=I(0)为最大频谱分量dIE2212IE37光电检测系统（非相干）的基本特性例：以钟形波表示的脉冲激光信号的等效矩形带宽22tAetII(ω)I(0)OΔωω0ω激光波形为式中β为脉冲峰值τ0—激光脉冲宽度0661.38光电检测系统（非相干）的基本特性激光脉冲能量E为224eAdtetIItj2212422AdeAE39光电检测系统（非相干）的基本特性等效矩形带宽Δω1为02106020.IE40光电检测系统（非相干）的基本特性②频谱曲线下降3dB的带宽2422ln0226202.f41光电检测系统（非相干）的基本特性③包含90%能量的带宽在90%处能量的带宽为式中：式中90.EExAdeAdeAdIE222212120222422222x90.xEE42光电检测系统（非相干）的基本特性当给定误差函数的值时，由误差函数表可求出x值，再求出ω值，即由以上分析可知，频带宽度Δf愈宽，通过信号的能量愈多，但系统的噪声功率也增大x243直接检测系统的距离方程上述用信噪比来表示系统的灵敏度也有用检测系统距离来评价系统的灵敏度特别是在对地测距、搜索和跟踪等系统中44直接检测系统的距离方程1、被动检测系统的距离方程设被测目标的光谱幅射强度为Ieλ经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射强度为Eeλ为被测距离L内的大气光谱透过率L为目标到光电检测系统的距离21LIEee145直接检测系统的距离方程入射到检测器上的光谱功率为分别为接收光学系统的入射孔径面积及光谱透过率eP002100ALIAEPeee00、A46直接检测系统的距离方程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的辐射波段，可得到检测器的输出信号电压为为光电检测器的光谱响应度令光电检测器的方均根噪声电压为Vn，则它的输出信噪比为210120dRILAVVeSVR210120dRILVAVVVennS47直接检测系统的距离方程上式中的各参数都是波长的复杂函数，很难表示通常处理方法是做简化处理：①取为被测距离L在区域内的平均透过率②光学系统的透过率也取在光谱范围内的平均值③把检测器对波长内的响应度看成是一个矩形带宽，即认为的光谱响应度为零；而在的光谱范围内响应度为常值④根据物体的温度T查表，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，可以得到物体在波段范围内的辐射强度Ie210120dRILVAVVVennS121~021~21~2121VR48直接检测系统的距离方程把上述的按简化处理的各参数平均值代入输出信噪比中故可得到Venn