第5章-光电直接检测系统

直接检测系统（光强调制）–莫尔条纹测长仪–激光测距仪–激光准直–环境污染检测系统光外差检测系统–激光干涉测长仪（相位调制）–多普勒测速（频率调制）–光外差通信第五章光电直接检测系统光电检测系统分类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)点探测/面探测系统？(按接受系统分)模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分)直接检测？/光外差检测系统？(按光波对信号的携带方式分)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测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。假定入射光信号电场为：tAtEscos5-1光场平均光功率为：22_______2AtEPss表示_______2tEstEs2的时间平均值；5-2光检测器输出电流为：2______22AhetEhePIsss称为光电变换比例常数he5-3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：LsLsoRPheRIP2225-4如果入射光是调幅波，即ttdAtEscos1其中d(t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流为:5-5tdAAis2221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。5-65.2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：22nsLnooPPRhePP5-7考虑到信号和噪声的独立性，有：22sLoPRheP222nnsLnoPPPRheP5-8由信噪比定义，输出功率信噪比为：nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR2122225-9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1nsPP，则有：2nspPPSNR5-10(2)若1nsPP，则有：nspPPSNR215-11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。10数字系统的信噪比用误码率评价它的性能。“0”、“1”码出现错误的概率称为误码率。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：LNTNDNBNSnoRiiiiP____2____2____2____2____2____2____2,NDNBNSiii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。5-12____2____2____2____222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR输出信噪比为：5-13____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：LspRfkTPheSNR422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：____2____2____222NDNBNSsp散iiiPheSNR5-15③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：BsBspPfhPPhefePheSNR22222背5-16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WP18min10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：fhPSNRsp2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：fhNEP2量5-18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。5.2.3直接检测系统的视场角直接检测系统视场角D'u'fd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：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5-195.2.4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。以脉冲激光波形为例.令I(ω)为信号的频谱，则信号的能量为：等效矩形带宽Δω定义以钟形波表示的脉冲激光信号为例激光波形频谱激光脉冲能量等效矩形带宽频谱曲线下降3dB的带宽包含90%能量的带宽由以上分析可知，频带宽度Δf愈宽，通过信号的能量愈多，但系统的噪声功率增大。为保证系统有足够的信噪比，Δf的取值不能太宽。如果要求复现信号的波形，则必须加宽频带宽度。矩形波通过滤波器的波形曲线1是Δf=0.25/τ0的波形曲线，它的输出峰值功率基本达到最大值。从信噪比观点出发系统有这样的带宽足够了；曲线2是Δf=1/τ0时的输出波形。此时脉冲峰值功率已达到最大值，脉冲上升沿也较陡,波形亦接近方波；曲线4是Δf=4/τ0的输出波形，这一指标达到了复现输入信号波形的要求。可见，要复现输入信号波形，必须使系统带宽Δf≥4/τ0。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5-205.3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1L大气光谱透过率传播距离VR光谱响应度00A光谱透过率入射孔径面积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：eE21LIEee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002100ALIAEPeee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：21210120dRILAdRPVVeVes为检测器的光谱响应度VR5-211、被动检测系统的距离方程210120dRILAVVes1、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：10,,eVIR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。将上述值代入5-22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dRILVAVVVenns5-22VennsRILVAVV01205-23210120dRILVAVVVenns即：21010nsVVnVeVRIAL5-24又因为：fADVRdnV*5-25将上式代入5-24，可得：12*010sneVdVAIDLAf5-26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5-27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。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PdP接收光学系统信号处理接收机回收信息0'D接收口径立体角02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sPmk01TP反