第5章光电直接检测系统1

第五章光电直接检测系统2光电检测系统分类主动系统/被动系统(按信息光源分)红外系统/可见光系统(按光源波长分)红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器可见光系统多用于民用点探测/面探测系统(按接收系统分)用单元探测器接收目标的总辐射功率用面接收元件测量目标的光强分布模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分)直接检测/相干检测系统(按光波对信号的携带方式分)3主动系统通过信息调制光源,或者光源发射的光受被测物体调制.返回信息源调制器光源光学系统电子电路传输介质光学系统光电探测器接收系统信息源调制器光源光学系统发射系统4被动系统光信号来自被测物体的自发辐射返回目标大气光学系统电子电路调制器光电探测器接收系统5相干检测原理：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，频率调制光源：相干光源测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。非相干检测原理：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。光源：非相干或相干光源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65.1光电直接检测系统的基本工作原理1、光检测器响应光辐射强度并输出相应的电流和电压。2、检测系统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。光源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7假定入射光信号电场为：cossEtAt5-1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：______222ssseeIPEtAhh称为光电变换比例常数eh5-18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：222osLsLePIRPRh5-3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:2212siAAdt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。5-495.2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—衡量模拟系统好坏及灵敏度设信号光功率为Ps，噪声功率为Pn，光检测器输出的总功率包括信号电功率Po和噪声功率Pno，可表示为：22onoLsnePPRPPh5-5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5-610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5-7(2)若1snPP，则有：12spnPSNRP5-811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。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。信噪比：与灵敏度相关误码率：“0”和“1”码出现错误的概率噪声功率（方差）信号功率PSNRis0101is1ab信号加噪声t00011正确正确正确正确错误阈值阈值ctτ125.2.2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：________________2222noNSNBNDNTLPiiiiR____________222,NSNBNDiii和分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。____2NTi为负载电阻和放大器的热噪声之和。5-922________________2222sopnoNSNBNDNTehPPSNRPiiii输出信噪比为：5-1013____2____2____2____222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR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5-11②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____________222spNSNBNDehPSNRiii散5-12③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5-1314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18min2hv10PW④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：2spPSNRhf信5-14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5-1515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。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。165.2.3直接检测系统的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2dfd直接检测系统视场角D'f检测器物镜17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。185.2.4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。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带宽Δω定义为式中：I(ω0)为ω=ω0时的频谱分量，如右图所示I(ω0)。21()2EId20()EII0I0O1等效矩形带宽191200.062(0)EI例如，以钟形波表示的脉冲激光信号的等效矩形带宽，激光波形为式中：β为脉冲峰值，β≈1.66/τ0;τ0为激光脉冲宽度。它的频谱I(ω)为激光脉冲能量E为等效矩形带宽Δω1为22()tItAe22/4()()jtAIItedte2222/4122AAEed202.频谱曲线下降3dB的带宽将上面I(ω)的表达式代入或，可得200.62f()20log3(0)II()1(0)2II2ln2,224ln222/4()()jtAIItedte213.包含90%能量的带宽在90%处能量得带宽为式中此时，300.89f()0.9EE22222/41()()21()22EIdAAedx22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5-20235.3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。241、被动检测系统的距离方程被动检测过程示意图eE接收光学系统接收机接收信息eP光电检测大气传播L信号处理sV被测目标eI光谱辐射强度L传播距离大气光谱透过率1VR光谱响应度00A光谱透过率入射孔径面积25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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1入射到检测器上的光谱功率为：eP100002eeeIPEAAL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10A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为检测器的光谱响应度VR00A26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。令检测器的方均根噪声电压为Vn，则它的输出信噪比为：210102seVnnVAIRdVVL5-22270102seVnnVAIRVVL210102seVnnVAIRdVVL即：12010sneVVnVAIRLV5-24又因为：*nVdVDRAf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。28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。29大气传播kL衰减系数传播距离2LLSL经距离后光斑面积eEeIaSr反射面积反射系数