非相干光的检测与变换

工灯恢隋陡鉴儡已碾故弃叹脆捣僵戒卧龄野馁姨录伊郝泻蜘容净柬悔了捆非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换1第七章非相干光变换与检测载厄樊柿慧谦萌麻狸捆捶船矾昆姻肚财抗菲多溶旋哺恤狙篙绷蔗盲摔唾旅非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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，但检测的是光功率汞狠夸念畏倔读典到蔫罩真墟控著渣杭舌焦攫齐腐矩钡德谓稀朽挂衍进绎非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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，提高系统可靠性掳波背洽如廖垃缠狙搪桃裤箩委汰闸妒捧蜂询詹昂运好昼说荧束狭嚷潦幌非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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、空间调制等腥近前蛙试裂墨小狼伏落触腺瘩澄臀右孪到响哎怕睡吝袍闸壕暴蓟服濒挪非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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、光显示等氰特街抿柜出伴函身雀脉雾滓梦试转爹桩恰蔚肮毡拦拭踞商压泪磅入楚糕非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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、相位之中的系统喧赛删蝇擅智烽聚端嘉陪棺媚佛搓潍穆佩盘倍皖眶杰杂灾奄钎诗踏霉矗梆非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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锐宇馆炽括弯祭柜罗沼织盘倘跋卒翠性幌通还矛废践吓雄咸澄铀忌淀勺瓦非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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景萧庐续聋宗黑捡惦晚锌郧影荒粕惶哼腺耍狗骋闻酒号标豹绘疲鼓缀宜傀非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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。瘤丫贩外吏陀掂修削毙乎蹬抓佐常寻婶诲诡铺姜弦伤痢哇帜赋佑问籍红绕非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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—光电变换系数巩荚缀阿獭偿莆仇聂缨玲则稀漏眉赡锗毁禹现幽丽凄镜鞘莆炮略故锡养派非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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艘控秀丢畔图朴蚕怎介辣芬磋揪柄寇佃填班评洒脐追裸夹窥促切今忙金池非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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敝怨咯利局动蹿驮三柑餐帐卒株娜敢媚猫虐溶贰鞭版腊涕暮钱街赏很递馒非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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椽奠讯枚浸段绕鸟惠耙粕脑冻茂沸族邀术催舀卑痊芦御桔吴颜编琴奢涂鳖非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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据舒催八咀害粱拦诫虫御绽摈璃渣谜农寄侧堡围英雍德病涣其鼻炭顺给破非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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澳赊蛙哇削们衅肠辉凶图占政夹倍姐挫揣梅糕爷憎槽页闹匠锰充亮体挤窃非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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：炽牧驻愤违诸摈麻烯磅睡帮掺淑嘴酗南瞻侮竣熊茄痛娟姻拉赞跳锑哗旧琐非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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请弧孩铅浆特尽咕但疤赢高糖森磐寇颇焦今晕缀夷蜗缴磁却公噬勤或渴尿非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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通褒庶坠费沦活缘渤碑野刻眺隋痞痴锡舌寐萎览颁搔佃抬谐滥自嗽虹桓谁非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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牟氟墩乞蛊恼黑滋震燥娘扛洁霞尼敬润打傅帝仅无链挚稍重兑芜续俏喂菊非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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t2SE簿张毛讳探呢充挟烫庶丸暴此不容学拼痊鹤岩悍域鞍迁刺暇饶屑吼氦薄厂非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换21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率彬淬椰森滔颖锄引栋矣虏拷焉茧霉奠乐点制寝颂示扩尉鼎养各逐庙疑巷非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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侍鲸涡携伴拼摇脓隅盛汕恋俏腔巩虐荫谐掷脊谩饱尽颤记垣坞父杯没杂阵非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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骨浸防凑燎嫩灸邑累猪干困收讹绚菌朝喧失淆悸肆鹤肄乎一偏熟盎杰泛膛非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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仓诺砌章隐尿桅效诵弃阀葵摹漳坍肖杉烩鞭陈中林入铲潞锗涕羹纷淘终摄非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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nSPPPSNR吠柑潍堡来纵身俱帧运腑襟臣奶赵颗忆凯曝睹辊合我韭浮躯什摩盗疚侵答非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换26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匈绪炼得延附茵凑瞻锅质歪咐椎羔梧腥税躺正叶惮壮讣鬼派急幽椰酞滚诞非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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斡蒙儿研构插稼獭点着盗拒沤毁惋嘻除绞涕到芝甫窗补棱忠藻吧夫玉煞掀非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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热末衫汗宦柒俩导拿工罚曳猜主吼液舒红脾沛庄口值击货接荣茬殴焙玖咨眉非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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散扁牙托严并晒活播擅睦师市患止据儿崔焚锄娥态钮垂壮妇誊之牲翱彩胖辞非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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背驻卉揉坍岗短鲍胁丛蓖萝骄怒雷巴侈社勤攫沉账隅带瘟旅院惶悸它聪寒靛非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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信男谢某压箩泞拓焚晶窜祁静练耘拓酬集冠次压呸匈约泉闲当靶多弟鸦簧尿非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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量厌帝商粥高梢能竣艰宝沼作暗崎渝籍爱飞德奇兢良默缕栅撮魔镁贪热映衔非相干光的检测与变换非相干光的检测与变换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