光电检测技术与应用 第五章 光电直接探测系统
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29
探测器上的光谱功率
Pe E e A0 0
探测器输出信号电压
A0 VS 2 L
I
1
2
e
1
0
RV d
输出信噪比
VS A0 2 I e 1 0 RV d 2 Vn Vn L 1
简化处理结果:
VS A0 I R 2 e 1 0 V Vn Vn L
15
信噪比为：
SNRp
Po e h PS2 2 2 2 2 Pno iNS iNB iND iNT
2
(ePS G / hv) 2 2e 2 ( PS Pb )G 2 4kt 2 2eI d G f hv RL
当热噪声是主要噪声源时
E I 0 I(ωo)＝I(0)为最大频谱分量
2
22
激光波形为：
I t Ae
光脉冲宽度。 频谱I(ω)为：
2t 2
β 是脉冲峰值， β ≈1.66 /τ0 ， τ0是激
I I t e jt dt
A
e
2 4 2
SNR p
i
e h
2 NS
2
P G
2 S 2
i
2 NB
i
2 ND
G i
2
2 NT
G2很大时，热噪声可以忽略,光电倍增管可接
近散粒噪声限。
19
2）光导探测器直接探测系统的信噪比
主要噪声为复合噪声，它和偏置电流成比例， 因而它的灵敏度与具体使用条件有关。 光导探测器的极限灵敏度比光伏器件及光电 倍增管的极限灵敏度要低，所需理想的最小 可探测功率大。 3、直接探测系统的视扬角 被测物在无穷远处，且物方与像方两侧的介 质相同。
5
直接检测系统的基本工作原理
直接检测系统的基本特性
直接检测系统的距离方程 光电直接检测系统举例
5.2 直接探测系统的基本特性
系统的信噪比、视场角和通频带宽度 1、直接探测系统的信噪比(灵敏度) 1）模拟系统信噪比 （1）模拟系统信噪比 信号为已知波形: 信号为随机变量:
S 2 (t ) t时刻信号的平方 SNRP 2 N (t ) t时刻的噪声方均值
（灵敏度） 噪声包含暗电流、信号光电流和背景光电 流的散粒噪声以及负载电阻的热噪声。 光伏器件的倍增因子G=1 光电倍增管的倍增因子 5 G 10 噪声功率为：
2 2 2 2 Pno iNS iNB iND iNT RL
e 2 4kt 2 2 [2 ( PS Pb )G 2dId G ]fRL hv RL
20
d 半视场角为： W 2f
Ad 视场角立体角Ω为： 2 f
增大视场角Ω方法：增大探测器面积或 减小光学系统的焦距。
21
4、系统的通频带宽度 1） 等效矩形带宽 I(ω)为信号的频谱，则信号的能量为： 2 1 E I d 2 等效距形带宽Δω定义为：
SNRP
PS P n
2
直接探测系统不适于输入信噪比小于1或者 微弱光信号的探测。 （ii）若PS/Pn>>1，则有
1 PS SNRP 2 Pn
直接探测系统不能改善信噪比！
9
（2）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。
e
2 4 2
2 2 4 ln 2
2 0.62 f 2 2 0
25
3)包含90％能量的带宽
E 0.9 E 2 1 E I d 2
1 2
A
2
e
2 4 2
信号功率 SNRp 噪声功率
7
入射信号光功率为Ps;噪声功率为Pn，输 出的信号电功率为Po，输出噪声功率为 Pno。且有如下关系：
Po Pno e h RL PS Pn
2 2 2 2 S
2 2 噪声功率： P no e h RL 2P SP n P n 输出功率信噪比为：
1 2
1 2
D 1 A f V V d S n
1 2
1 2
第一项:目标辐射特性及大气透过率对作用距 离的影响； 第二和第三项:光学系统及探测器特性对作用 距离的影响； 第四个项:信息处理系统对作用距离的影响。
32
2、主动检测距离方程 光源:激光光源 光发射机： PT PS 01 k m
34
解得距离公式:
PS k m kS a D02 D 2 k L L e 4 VS Vn Ad f
1 4
或
PS k m kD02 D 2 k L L e 4VS Vn Ad f
2
5.1 直接检测系统的基本工作原理
光电直接探测是将待测光信号直接入射到光 探测器光敏面上，光探测器响应于光辐射强 度（幅度）而输出相应的电流或电压。
强度调制直接探测模型
强度调制直接探测模型
3
入射的信号光电场为 ES(t)＝Acosωt， A:信号光电场振幅;ω:信号光的频率。 平均光功率为:
PS E t A 2 光探测器输出的电流为 e 2 e 2 I S PS ES t A h 2h α为光电变换比例常数，η为量子效率。 e h
第五章 光电直接探测系统
直接检测系统的基本工作原理
直接检测系统的基本特性
直接检测系统的距离方程 光电直接检测系统举例
直接探测（非相干探测）系统 利用光源出射光束的强度去携带信息， 光电探测器直接把接收到的光强度变化 转换为电信号变化，最后用解调电路检 出所携带的信息。 光外差探测（相干探测）系统 利用光波的振幅、频率、相位来携带信 息，而不是利用光强度，所以只有相干 光可被用来携带信息，检出信息时需用 光波相干的原理。
IS / 2
2 e
2
d
12
引入误差函数定义： 2 z erfz e d 0 则误码率为：
2
IS 1 IS 1 Pe 1 erfz erfc 2 2 2 2 2 2 2 IN
误码率与信噪比有关，当信噪比高时，误 码率就低。
13
2、直接探测系统的探测极限
1 Pe P( I N )dIN 2
IS / 2
e
I N 2
dIN
σ2是噪声电流的方差值；μ是噪声电流的平均 2 2 I 值。一般的噪声电流其平均值μ=0,则 N 2 2 2 I 2 I 设 N N ，则有：
Pe
1
d
2 A2
0
e
2
2
A2 d 2 2 x
26
x 2
E x 0.9 E
几种带宽值 E E 0.9
f
0.8
0.68
0.7
0.58
0.6
0.45
0.5
10
误码出现条件：
I S I N kIS 或I N I S (1 k )
或 IN>kIS,
IN：噪声电流； IS ：信号电流； kIS：阈值电流。
平均误码率Pe为：
1 Pe [ I N I S (1 k )的几率 I N kI S的几率 2
11
IN呈正态分布，P(IN)=P(-IN)，且k=1/2 误码率Pe为：
23
能量E为：
1 E 2
A
2
e
2
4
2
A2 d 2
等效矩形带宽Δf1为：
1 E 0.66 f 1 2 2 0 2 I 0
24
2)频谱曲线下3dB的带宽
I 20log 3 I 0
I ( )
A
2 ln 2
系统的信噪比主要取决于光学系统的接 收信噪比（包括调制形式）和光电探测 器的信噪比。以及信号处理系统的噪声 系数F以及滤波器的通频带宽度Δf。 输入信号光功率为PS。 输出信号功率为：
e Po (PS ) PS G hv
2
2
G为探测器增益
14
1）光伏型及光发射器件的极限信噪比
0.38
0.89
0
0
0
0
0
27
直接检测系统的基本工作原理
直接检测系统的基本特性
直接检测系统的距离方程 光电直接检测系统举例
5.3 直接探测系统的距离方程
主动检测和被动检测 1、被动检测系统的距离方程
接收光学系统表面的光谱辐照度
E e I e 1 2 L
I e 1 A0 0 2 L
物体照射: 物体反射:
PT k L PT k L Ee e e 2 SL 1 L
PT k L I e rS a Ee rS e a 2 1 L 1
2 0
2 k L 光接收机: P I e PT D rS a e 4
2 S 2
4
光探测器输出电功率为:
e 2 Po I RL PS RL h
2 S 2
光探测器的平方律特性 若入射光是调幅波：
d(t)为调制信号 输出的电流为:
ES t A1 d t cost
1 2 e 2 I S A A d t PS [1 d (t )] 2 hv
信号功率： P o e h RL P
2
e h RL P 2 PS Pn P
2 S
2 S
Po P PS Pn SNRP 2 Pno 2PS Pn Pn 1 2PS Pn
2 S 2
8
（i）若PS/Pn1，则有
背景极限灵敏度
17
若背景光功率Pb远小于信号光功率PS PS SNRp 2hf 称为直接检测系统的极限信噪比 当SNR=1时的等效噪声功率即为最小可探 测功率，即：
NEP量
2hf
18
改善系统检测极限的方法：采用有内部 高增益的探测器。 比如对于光电倍增管，倍增因子G 。
4L
33
考虑接收光学系统的透过率, 接收到的总 功率为:
PS k m kSa D02 2 k L Pd 02 P e 4 4L
k 01 02 r
输出电压为:
PS k m kS a D02 2 k L VS Pd RV e RV 4 4L
37
光通量与测量值之间的关系：
C SK
30
解得:
A I R L 0 e 1 0 V V VS n Vn
RV Vn D
1 2
又
Ad f
1 2
则
A I D L 0 e 1 0 VS A f d V n
31
L I e 1 A0 0
1 2
1L2 Sa
35
直接检测系统的基本工作原理
直接检测系统的基本特性
直接检测系统的距离方程 光电直接检测系统举例
5.4 光电直接检测系统举例
1、直接检测方式中常用的几种检测方法
直接作用法、差动作用法、补偿测量法、脉 冲测量法。 1）、直接作用法 被测量直接控制照射在光电探测器件上的光 通量
e h SNRp
P 4KTf R
2
2 S
16
系统的热噪声低于探测器的散粒噪声， 并暗电流的散粒噪声小于光电流的散粒 噪声。
SNRp
PS
2
2hv( PS Pb )f
当背景光功率相对信号功率足够强时，信号功 率产生的散粒噪声可忽略。
PS2 SNRp 2hPb f
探测器上的光谱功率
Pe E e A0 0
探测器输出信号电压
A0 VS 2 L
I
1
2
e
1
0
RV d
输出信噪比
VS A0 2 I e 1 0 RV d 2 Vn Vn L 1
简化处理结果:
VS A0 I R 2 e 1 0 V Vn Vn L
15
信噪比为：
SNRp
Po e h PS2 2 2 2 2 Pno iNS iNB iND iNT
2
(ePS G / hv) 2 2e 2 ( PS Pb )G 2 4kt 2 2eI d G f hv RL
当热噪声是主要噪声源时
E I 0 I(ωo)＝I(0)为最大频谱分量
2
22
激光波形为：
I t Ae
光脉冲宽度。 频谱I(ω)为：
2t 2
β 是脉冲峰值， β ≈1.66 /τ0 ， τ0是激
I I t e jt dt
A
e
2 4 2
SNR p
i
e h
2 NS
2
P G
2 S 2
i
2 NB
i
2 ND
G i
2
2 NT
G2很大时，热噪声可以忽略,光电倍增管可接
近散粒噪声限。
19
2）光导探测器直接探测系统的信噪比
主要噪声为复合噪声，它和偏置电流成比例， 因而它的灵敏度与具体使用条件有关。 光导探测器的极限灵敏度比光伏器件及光电 倍增管的极限灵敏度要低，所需理想的最小 可探测功率大。 3、直接探测系统的视扬角 被测物在无穷远处，且物方与像方两侧的介 质相同。
5
直接检测系统的基本工作原理
直接检测系统的基本特性
直接检测系统的距离方程 光电直接检测系统举例
5.2 直接探测系统的基本特性
系统的信噪比、视场角和通频带宽度 1、直接探测系统的信噪比(灵敏度) 1）模拟系统信噪比 （1）模拟系统信噪比 信号为已知波形: 信号为随机变量:
S 2 (t ) t时刻信号的平方 SNRP 2 N (t ) t时刻的噪声方均值
（灵敏度） 噪声包含暗电流、信号光电流和背景光电 流的散粒噪声以及负载电阻的热噪声。 光伏器件的倍增因子G=1 光电倍增管的倍增因子 5 G 10 噪声功率为：
2 2 2 2 Pno iNS iNB iND iNT RL
e 2 4kt 2 2 [2 ( PS Pb )G 2dId G ]fRL hv RL
20
d 半视场角为： W 2f
Ad 视场角立体角Ω为： 2 f
增大视场角Ω方法：增大探测器面积或 减小光学系统的焦距。
21
4、系统的通频带宽度 1） 等效矩形带宽 I(ω)为信号的频谱，则信号的能量为： 2 1 E I d 2 等效距形带宽Δω定义为：
SNRP
PS P n
2
直接探测系统不适于输入信噪比小于1或者 微弱光信号的探测。 （ii）若PS/Pn>>1，则有
1 PS SNRP 2 Pn
直接探测系统不能改善信噪比！
9
（2）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。
e
2 4 2
2 2 4 ln 2
2 0.62 f 2 2 0
25
3)包含90％能量的带宽
E 0.9 E 2 1 E I d 2
1 2
A
2
e
2 4 2
信号功率 SNRp 噪声功率
7
入射信号光功率为Ps;噪声功率为Pn，输 出的信号电功率为Po，输出噪声功率为 Pno。且有如下关系：
Po Pno e h RL PS Pn
2 2 2 2 S
2 2 噪声功率： P no e h RL 2P SP n P n 输出功率信噪比为：
1 2
1 2
D 1 A f V V d S n
1 2
1 2
第一项:目标辐射特性及大气透过率对作用距 离的影响； 第二和第三项:光学系统及探测器特性对作用 距离的影响； 第四个项:信息处理系统对作用距离的影响。
32
2、主动检测距离方程 光源:激光光源 光发射机： PT PS 01 k m
34
解得距离公式:
PS k m kS a D02 D 2 k L L e 4 VS Vn Ad f
1 4
或
PS k m kD02 D 2 k L L e 4VS Vn Ad f
2
5.1 直接检测系统的基本工作原理
光电直接探测是将待测光信号直接入射到光 探测器光敏面上，光探测器响应于光辐射强 度（幅度）而输出相应的电流或电压。
强度调制直接探测模型
强度调制直接探测模型
3
入射的信号光电场为 ES(t)＝Acosωt， A:信号光电场振幅;ω:信号光的频率。 平均光功率为:
PS E t A 2 光探测器输出的电流为 e 2 e 2 I S PS ES t A h 2h α为光电变换比例常数，η为量子效率。 e h
第五章 光电直接探测系统
直接检测系统的基本工作原理
直接检测系统的基本特性
直接检测系统的距离方程 光电直接检测系统举例
直接探测（非相干探测）系统 利用光源出射光束的强度去携带信息， 光电探测器直接把接收到的光强度变化 转换为电信号变化，最后用解调电路检 出所携带的信息。 光外差探测（相干探测）系统 利用光波的振幅、频率、相位来携带信 息，而不是利用光强度，所以只有相干 光可被用来携带信息，检出信息时需用 光波相干的原理。
IS / 2
2 e
2
d
12
引入误差函数定义： 2 z erfz e d 0 则误码率为：
2
IS 1 IS 1 Pe 1 erfz erfc 2 2 2 2 2 2 2 IN
误码率与信噪比有关，当信噪比高时，误 码率就低。
13
2、直接探测系统的探测极限
1 Pe P( I N )dIN 2
IS / 2
e
I N 2
dIN
σ2是噪声电流的方差值；μ是噪声电流的平均 2 2 I 值。一般的噪声电流其平均值μ=0,则 N 2 2 2 I 2 I 设 N N ，则有：
Pe
1
d
2 A2
0
e
2
2
A2 d 2 2 x
26
x 2
E x 0.9 E
几种带宽值 E E 0.9
f
0.8
0.68
0.7
0.58
0.6
0.45
0.5
10
误码出现条件：
I S I N kIS 或I N I S (1 k )
或 IN>kIS,
IN：噪声电流； IS ：信号电流； kIS：阈值电流。
平均误码率Pe为：
1 Pe [ I N I S (1 k )的几率 I N kI S的几率 2
11
IN呈正态分布，P(IN)=P(-IN)，且k=1/2 误码率Pe为：
23
能量E为：
1 E 2
A
2
e
2
4
2
A2 d 2
等效矩形带宽Δf1为：
1 E 0.66 f 1 2 2 0 2 I 0
24
2)频谱曲线下3dB的带宽
I 20log 3 I 0
I ( )
A
2 ln 2
系统的信噪比主要取决于光学系统的接 收信噪比（包括调制形式）和光电探测 器的信噪比。以及信号处理系统的噪声 系数F以及滤波器的通频带宽度Δf。 输入信号光功率为PS。 输出信号功率为：
e Po (PS ) PS G hv
2
2
G为探测器增益
14
1）光伏型及光发射器件的极限信噪比
0.38
0.89
0
0
0
0
0
27
直接检测系统的基本工作原理
直接检测系统的基本特性
直接检测系统的距离方程 光电直接检测系统举例
5.3 直接探测系统的距离方程
主动检测和被动检测 1、被动检测系统的距离方程
接收光学系统表面的光谱辐照度
E e I e 1 2 L
I e 1 A0 0 2 L
物体照射: 物体反射:
PT k L PT k L Ee e e 2 SL 1 L
PT k L I e rS a Ee rS e a 2 1 L 1
2 0
2 k L 光接收机: P I e PT D rS a e 4
2 S 2
4
光探测器输出电功率为:
e 2 Po I RL PS RL h
2 S 2
光探测器的平方律特性 若入射光是调幅波：
d(t)为调制信号 输出的电流为:
ES t A1 d t cost
1 2 e 2 I S A A d t PS [1 d (t )] 2 hv
信号功率： P o e h RL P
2
e h RL P 2 PS Pn P
2 S
2 S
Po P PS Pn SNRP 2 Pno 2PS Pn Pn 1 2PS Pn
2 S 2
8
（i）若PS/Pn1，则有
背景极限灵敏度
17
若背景光功率Pb远小于信号光功率PS PS SNRp 2hf 称为直接检测系统的极限信噪比 当SNR=1时的等效噪声功率即为最小可探 测功率，即：
NEP量
2hf
18
改善系统检测极限的方法：采用有内部 高增益的探测器。 比如对于光电倍增管，倍增因子G 。
4L
33
考虑接收光学系统的透过率, 接收到的总 功率为:
PS k m kSa D02 2 k L Pd 02 P e 4 4L
k 01 02 r
输出电压为:
PS k m kS a D02 2 k L VS Pd RV e RV 4 4L
37
光通量与测量值之间的关系：
C SK
30
解得:
A I R L 0 e 1 0 V V VS n Vn
RV Vn D
1 2
又
Ad f
1 2
则
A I D L 0 e 1 0 VS A f d V n
31
L I e 1 A0 0
1 2
1L2 Sa
35
直接检测系统的基本工作原理
直接检测系统的基本特性
直接检测系统的距离方程 光电直接检测系统举例
5.4 光电直接检测系统举例
1、直接检测方式中常用的几种检测方法
直接作用法、差动作用法、补偿测量法、脉 冲测量法。 1）、直接作用法 被测量直接控制照射在光电探测器件上的光 通量
e h SNRp
P 4KTf R
2
2 S
16
系统的热噪声低于探测器的散粒噪声， 并暗电流的散粒噪声小于光电流的散粒 噪声。
SNRp
PS
2
2hv( PS Pb )f
当背景光功率相对信号功率足够强时，信号功 率产生的散粒噪声可忽略。
PS2 SNRp 2hPb f