直接探测和外差探测
光电检测方法
光电检测方法2.1直接探测2.1.1基本物理过程直接探测是将待检测的光信号直接入射到光探测器的光敏面上，由光探测器将光信号直接转化为电流或电压，根据不同的要求，再经后续电路处理，最后获得有用的信号。
一般，光探测器前可采用光学天线，在其前端还可经过频率滤波和空间滤波处理。
这是为了进一步提高探测效率和减小杂散的背景光。
信号光场可表示为()cos S E t A t ω=，式中，A 是信号光电场振幅，ω是信号光的频率。
则其平均功率P 为（2.1.1）光探测器输出的光电流为（2.1.2）若光探测器的负载电阻为L R ,则光探测器输出的电功率为（2.1.3）光探测器输出的电功率正比于入射光功率的平方。
从而可知，光探测器对光的响应特性包含两层含意，其一是光电流正比于光场振幅的平方，即光的强度；其二是电输出功率正比于入射光功率的平方。
如果入射信号光为强度调制（TM ）光，调制信号为()d t 。
从而得式中第一项为直流项，若光探测器输出有隔直流电容，则输出光电流只包含第二项，这就是直接探测的基本物理过程，需强调指出，探测器响应的是光场的包络，目前，尚无能直接响应光场频率的探测器。
2.1.2信噪比设入射到光探测器的信号光功率为S P,噪声功率为n P，光探测器输出的信号电功率为P S，输出的噪声功率为P N。
可得（2.1.5）根据噪声比的定义，则输出功率信噪比为（2.1.6）从上式可以看出I.若，则有（2.1.7）输出信噪比等于输入信噪比的平方。
由此可见，直接探测系统不适于输入信号比小于1或者微弱光信号的探测。
II.若，则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。
由此可见，直接探测方法不能改善输入信噪比。
如果考虑直接探测系统存在的所以噪声，则输出噪声总功率为（2.1.9）式中，222NS NB ND i i i ++分别为信号光，背景光和暗电流引起的散粒噪声。
光电检测两次作业参考答案
光电第一次作业1、光电倍增管采用负高压供电或正高压供电方式时，各有什么优缺点?其信号输出电路有些什么方式?现有12级倍增管的光电倍增管，若要求正常工作时放大倍数的稳定度为1%，则电源电压的稳定度应为多少?解：正高压供电优点：便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近些，屏蔽效果好；暗电流小，噪声低。
缺点：阳极要处于正高压，会导致寄生电容大，匹配电缆连接复杂，特别是后面若接直流放大器，整个放大器都处于高电压，不利于安全操作；如果后面接交流放大器，则必须接一个耐压很高的隔直电容器，而一般耐压很高的电容器体积大而且价格高。
负高压供电优点：便于跟后面的放大器相接，操作安全，后面不仅可以通过一个低压耦合电容与交流放大器相接，也可以直接与直流放大器相接。
缺点：这时阴极要处于负高压，屏蔽罩不能跟阴极靠得很近，至少要间隔1～2cm ，因此屏蔽效果差一些，暗电流和噪声都比阳极接地时大，而且整个倍增管装置的体积也要大些。
信号输出电路（1）负载电阻输出用一只负载电阻将电流信号转化为电压信号，再连接到电压放大器或电压表上。
负载电阻不能过大，否则会使倍增管频率响应和线性变差。
（2）运放输出输出电压：A f i R u -=0电源稳压： 根据公式：MM nk U U ∆=∆1 式中，U 为电源电压，M 为光电倍增管电流增益，n 为倍增极数，k 为与材料相关系数，取0.7~1，这里取k=1计算： 电源电压稳定度：%083.0%111211=⨯⨯=∆=∆M M nk U U2、今有11级倍增极光电倍增管，负高压1200V 供电，采用均匀分压电阻网络。
（1）画出工作原理图，标出Ik ，Ia 和电源总电流i0的方向（2）若阴极灵敏度Sk ＝20μA/lm ，阴极有效面积为2cm2，入射光照度为0.1 lx ，各倍增极二次电子发射系数均相等，即δ＝4，光电子收集率为0.98,各倍增极电子收集率为0.95，试求倍增系统的放大系数G 和Ia 。
第八章 光外差探测8.1-8.4
在完善的空间准直条件下，信号光电场和本振光 电场分别为
当信号光和本振光重合垂直入射到光混频器上 时，则光混频器输出的瞬时光电流为
相位差项不受短时间平均的影响，倍频项的平均值为零，第1和第2两项 直流项被滤波器滤除
因此，负载电阻上的信号电压为
峰值信号功率
在光零差探测系统中，如果仅限于考虑不可能消 除的散粒噪声和热噪萨，则噪声功卒
3 光外差探测的频率条件 光外差探测除了要求信号光和本振光必须保持 空间准直以外，还要求两者具有高度的单色性 和频率稳定度。 从物理光学的观点来看，光外差探测(或相干 探测)是两束光波达加后产生干涉的结果。 显然，这种干涉取决于信号光束和本扳光束 的单色性。
光的单色性：是指这种光只包含一种频率或光谱线 极窄的光。
在光外差探测系统中遇到的噪声与直接探测系统中 的噪声基本相同，存在多种可能的噪声源。在此只 考虑不能消除或难以抑制的散粒噪声和热噪声两种。
在带宽为Δ fIF的带通滤波器输出端，电噪声功率 为
式中，PB为背景辐射功率，ID是光混频器的暗 电流。 前一项为信号光、本振光、背景辐射和光混 频器暗电流所引起的散粒噪声项，后一项为 光混频器内阻和前置放大器负载电阻所引起 的热噪声项。
根据信号噪声比定义，中频滤波器输出端的信号 噪声(功率)比为
（10） 当本振光功率PL 足够大时，上式分母中由本振 光引起的散粒噪声远远大于所有其它噪声，则式 变为
这是光外差探测系统所能达到的最大信噪比，一般把这种情况称为 光外差探测的量子探测极限或量子噪声限。
从式(10)可导出实现量子噪声限探测的条件为
上述两种情况带宽之比
可见，相干探测对背景光谱有很好的抑制作用。
四、有利于微弱光信号的探测
在直接探测中光探测器输出的电功率正比于信号 光平均光功率的平方。 在相干探测中光混频器输出的中频信号功率正比 于信号光和本振光平均光功率的乘积 在一般的实际情况下，入射到光探测器上的信 号光功率是非常小的(尤其在远距离上应用，例 如光雷达、光通信等应用)，
光外差探测系统课件
环境监测是光外差探测系统在环保领域的应用，主要用于气体浓度、温度、压力 等参数的测量。
光外差探测系统具有高灵敏度、高精度、实时性强的特点，对于环境监测和污染 治理具有重要的意义。
06
光外差探测系统发展趋势与展望
高性能探测器研究
1 2 3
高灵敏度 通过优化探测器结构、提高材料质量等方式，提 高探测器的光子吸收效率和响应速度，从而提高 探测器的灵敏度。
数据存储与备份
将采集到的数据存储在可靠的存储介质中，并定 期进行备份，以防数据丢失。
系统调试与优化
系统调试
在实验过程中对系统进行实时监 测和调试，确保系统工作正常并 达到预期的性能指标。
性能优化
根据实验结果和实际需求，对系 统的性能进行优化，如调整探测 器参数、改善信号质量等。
故障排查与维护
在系统出现故障时，及时排查故 障原因并进行修复，确保系统的 稳定性和可靠性。
实验设备布局
根据实验需求合理布置实 验设备，包括激光器、光 外差探测器、信号源等， 确保设备间的连接无误。
环境温湿度控制
保持实验环境的温湿度稳 定，以确保实验结果的准 确性和可靠性。
数据采集与处理
数据采集方式
采用高速数据采集卡或示波器等设备，对探测器 输出的信号进行采集。
数据处理算法
根据实验需求选择合适的数据处理算法，如滤波、 放大、解调等，以提取有用的信号信息。
光谱分析
用于光谱分析中，实现对气体、液体、固体 等物质的高精度光谱测量。
光通信
用于光通信系统中，实现高速、大容量、低 噪声的光信号接收。
激光雷达
用于激光雷达系统中，实现高精度、远距离 的激光测距和成像。
02
光外差探测系统组成
光电技术试题
光电技术自动成卷系统单选题（10题，20分）；简答题（5题，40分）；综合题（1题，15分）；计算题（1题，10分）；设计题（1题，15分）1、锁定放大器是基于A. 自相关检测理论B. 互相关检测理论C. 直接探测量子限理论D. 相干探测原理2、下列哪一种应用系统为典型的相干探测应用实例A. 照相机自动曝光B. 飞行目标红外辐射探测C. 激光陀螺测量转动角速度D. 子弹射击钢板闪光测量3、依据光电器件伏安特性，下列哪些器件不能视为恒流源A. 光电二极管B. 光电三极管C. 光电倍增管D.光电池4、对于P型半导体来说，以下说法不正确的是GA. 空穴为多子，电子为少子cB. 能带图中费米能级靠近价带顶C. 光照时内部不可能产生本征吸收D. 弱光照时载流子寿命与热平衡时空穴浓度成反比5、在飞轮转速和方向的光电测量系统中，若光源采用激光二极管，激光波长632nm输岀光调制频率为1kHz，探测器为CdSe光敏电阻，后接的检测电路为带通滤波放大器，其中心频率为1kHz，带宽为100Hz。
这样，检测系统可以消除光敏电阻哪些噪声的影响？nA. 1/f 噪声，热噪声nB. 产生-复合噪声，热噪声C. 产生-复合噪声，热噪声D. 1/f 噪声，产生-复合噪声6、在非相干探测系统中A. 检测器能响应光波的波动性质，输出的电信号间接表征光波的振幅、频率和相位rB. 检测器只响应入射其上的平均光功率oC. 具有空间滤波能力D. 具有光谱滤波能力7、关于半导体对光的吸收，下列说法正确的是A. 半导体非本征吸收时，产生电子-空穴对B. 杂质半导体本材料不会发生本征吸收C. 半导体对光的吸收与入射光波长有关D. 非本征吸收时，吸收的能量全部转换为材料的热能8、下列关于热电偶和热电堆的说法不正确的是A. 热电堆的测量误差比热电偶小cB. 热电堆的测量分辨率比热电偶高C. 热电堆的光电灵敏度比热电偶高D. 两者均基于光热效应9、下列哪一种探测器的积分灵敏度定标时，要用到色温A. 热电偶B. 碲镉汞红外探测器C. PMTD. 热释电探测器10、克尔盒工作的基础是某些光学介质的简答题（共5道，每题8分）1、 光电探测器的物理效应主要有哪几类？每类有哪些典型效应？2、 试说明热释电摄像管中的斩光器的作用。
第八章 外差(相干)探测系统
y
KL K Ly Ks
K Lx
y
θ θ
O
x l z
O
D
x
图8.3– 1
坐标关系
注意到在探测器面上x=0， 则有 es=Es cosωst eL=EL cos(ωLt+KL sinθ·y) 在(0,y)点上的中频电流 iIF (0,y,t)=α·EsEL cos(ωIFt+KL·y·sinθ) =α·E E =α Es·EL cos(ωIFt+KL·y·θ) y θ) (8.3 - 6) (8.3 - 4) (8.3 - 5)
∆f =
C
λ
∆λ = 3 × 109 Hz 2
(8.1 - 15)
在外差探测中， 情况发生了根本变化。 如果取差 频宽度作为信息处理器的通频带∆f， 即
ωs − ωL ∆ f IF = 2π
= fs − fL
(8.1 - 16)
外差探测具有更窄的接收带宽， 外差探测具有更窄的接收带宽，即对背景光有良好 的滤波性能。 的滤波性能。
这里c是光速。
ω IF
c
(8.3 - 16)
总的中频电流为
iIF (t ) =
α
D∫
D/2
−D / 2
iIF (0, x, y )dy
∆ K IF Dθ sin 2 = α Es E L cos ω IF t ⋅ ∆ K IF ⋅ Dθ 2
(8.3 - 17)
y
K
s
K
L
θ
Kcos θ
O l
θ
Ksin θ
D
x
图 8.3 - 2 两束光平行但不垂直于探测器
考虑到sinθ≈θ， y点产生的中频电流iIF (0，y，t)可 以写为 iIF (0,y,t)=αEsEL cos(ωIFt+∆KIFy sinθ) 式中 (8.3 - 15)
第五讲激光外差干涉测长与测振
主要内容 一、双频激光外差干涉 二、双频激光外差干涉的应用 三、条纹小数重合法原理 四、红外双线氦氖激光绝对干涉测长系统
一、双频激光外差干涉仪
光源: 双频He-Ne激光器
由于
t
0
fdt＝
t
2v
0
所以 L N f dt 在全内腔单频He—Ne激光器上加上约 300 ×10-4T 2 的轴向磁场 2 0
dt＝
0
t
2
t
2 vdt＝ L
由于塞曼效应 1/4波片 和频率牵引效 应，使该激光 双频激光器 f2 器输出一束有 f1 两个不同频率 检偏器 的左旋和右旋 圆偏振光 ，它 f2－f1 们的频率差△V 约为1．5MHz
准直系统 f2
偏振分光镜 v f1 可动角 隅棱镜
f1±Δf
f2 探测器 前置 放大器
1 2 干涉场中某点（x， 1 y） 2 Er 1 cos 2( )t Et 1 cos 2t φ( x,y) 2 2 处光强以低频Δω随 Er Et cos(时间呈余弦变化 2 )t φ( x,y) Er Et cost-φ( x,y)
f1±Δf
数 据 处 理
f2－（f1±Δf）
双频激光器外差干涉测长原理图
工作原理
双频激光器1发出双频激光束
通过1／4波片2变成两束振动方向互相垂直的线偏振 光(v1垂直于纸面，v2平行于纸面) ，
经光束扩束器3适当扩束准直后，光束被分束镜4分为两部分
根据马吕斯定律， 两个互相垂直的 线偏振光在450方 向上的投影，形 成新的同向线偏 振光并产生 “拍”，其拍频 就等于两个光频 之差，即△v＝ v1—v2＝1.5MHz
第八章 外差(相干)探测系统
}
后退
和频频率太高， 和频频率太高，光混频 器不响应， 器不响应，故均值为零
上页 下页
外差探测系统
从数学运算和相应物理过程考虑， 从数学运算和相应物理过程考虑，用平均信号光功率 Ps和平均本振光功率 L表示： 和平均本振光功率P 表示; Ps PL cos ωIF t + (φL − φs ) 2 2
∞ Es ( t ) = A0 1 + ∑ cos ( Ωn + φn ) cos(ωst + φs ) 调幅系数 n=1 ∞ mn A0 = A0 cos(ωst + φs ) + ∑ cos (ωs + Ωn ) t + (φs + φn ) 2 n =1 ∞ mn A0 +∑ cos (ωs − Ωn ) t + (φs − φn ) 2 n =1
2 IF
上页 下页 后退
外差探测系统
经推导
2 2
对中频周期求平均
PIF = 4α Ps PL cos [ωIF t + (φL − φs ) ] ⋅ RL = 2α 2 Ps PL RL
在直接探测中，探测器输出的电功率为： 在直接探测中，探测器输出的电功率为：
PL = is2 RL = α 2 Ps2 RL
上页 下页 后退
外差探测系统
若调幅信号光E 与本振光 与本振光E 相干后，瞬时中频电流为： 若调幅信号光 s(t)与本振光 L(t) 相干后，瞬时中频电流为：
iIF = α A0 AL cos (ωL −ωs ) t + (φL −φs ) mn A0 +α AL ∑ cos (ωL −ωs −Ωn ) t + (φL −φs −φn ) 2 n=1 ∞ mn A0 +α AL ∑ cos (ωL −ωs +Ωn ) t + (φL −φs +φn ) 2 n=1
直接探测和外差探测
PbS（PC 常温）
PbSe（PC 常温）
InSb（PV 77K）
高
Ge:Au（PC 77K）
阻
热释电探测器
内阻（Ω）
1~10 50~200
1~10 ~50 2.5~50 20~50 104 105~106 105~107 106~107 103~105 105~107 ~108
响应时间（s）
10-2~1 10-3~10-2 10-2~10-1
• 如果放大器本身有噪声，又无滤波功能(如前放一般不采取带 限措施)，信号通过放大器后，则信号和噪声都同样放大，则 输出噪声功率等于放大后的输入噪声功率和放大器本身的噪声 功率之和。对这样的放大器，信号经放大后，信噪比不可能变 好，输出端的信噪比就比输入端的信噪比低，则F>1。
16
3.3.3 匹配方法
In (Rs
||
Zi )Av
In
Rs Z i Rs Zi
Av
Ens的贡献
En的贡献
9
In的贡献
将上述各项均方相加便得总的输出噪声为：
En2o
E2 no( Ens )
Eno2(En )
Eno2(In )
2
2
2
En2s
Rs
Zi
Zi
Av
En2
输出的噪声功率为
信号光电流：in2s 2eM 2isf
对测于 器输光 前出电 面二 的信P极2n噪改管为比，(4inM.2为s=1，in(2对bso于)i光n2d电导iMn2探T )2RRi2LP背s2电景暗声阻光电电温电流流度流：：噪：iin2ni2dbn2T22e4eMMkBRT22Liidbf ff
现代通信光电子学
n 1
k a 0A 0n M 1 m 2 nc o s nt n
k a 0A 0n M 1 m 2 nc o s nt n
F(t) 的 频 谱
外差信号频谱
O
M
M
M
图5.2 调幅信号及其外差信号的频谱变换
在特殊的情况下，若使本振光频率和信号光频率相同，
Ihskasa0cos
Ps(t)E02[1ma cos(st s)]2 co2s(0t 0)
E02 2
(1
ma2 2
)E02ma
c
o
s(st
s)
E02ma2 4
cos2(st
2s)
E02 2
c
o
s2(0t
20)
E02ma 2
cos[2(0
s
)t
(20
s
)]
E02ma 2
cos[2(0
s)t
(20
s
)
]
E02ma 2
cos[2(0
2s
)t
(20
2s)]
E02ma 2
co
s[2(0
2s)t
(20
2s)]
测得调制信号的振幅、频率和相位
P s(t)E 0 2m acosts(0)
功率信噪比 SNRP=?
Is0
eps
hv
IN2 2eIsf
SNRP
I
2 s
I
2 N
1
2hvf
Pmin
直接探测调制信号的量子极限功率
8.1.2 外差探测的原理
这表明零差探测能无畸变地获得调制信号的原形，只是 包含了本振光振幅的影响。此外，在信号光不作调制时 ，零差信号只反映相干光振幅和相位的变化而不能反映 频率的变化，这就是单一频率双光束干涉相位调制形成 稳定干涉条纹的工作状态。
激光雷达工作原理
激光雷达工作原理激光是 2 0世纪 6 0年代出现的最重大科学技术成就之一。
它的出现深化了人们对光的认识 ,扩大了光为人类服务的天地。
激光技术从它的问世到现在 ,虽然时间不长 ,但是由于它有着几个极有价值的特点 :高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性。
激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。
由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。
发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。
激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。
首先明白一下激光雷达，激光雷达是以激光为光源，通过探测激光与被探测无相互作用的光波信号来遥感测量的．使用振动拉曼技术进行测量的激光雷达技术即为拉曼激光雷达，主要用于大气遥感测量。
拉曼激光雷达属于遥感技术的一种。
激光雷达作为一种主动遥感探测技术和工具已有近50 年的历史，目前广泛用于地球科学和气象学、物理学和天文学、生物学与生态保持、军事等领域。
其中，传统意义上的激光雷达主要用于陆地植被监测、激光大气传输、精细气象探测、全球气候预测、海洋环境监测等。
随着激光器技术、精细分光技术、光电检测技术和计算机控制技术的飞速发展，激光雷达在遥感探测的高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有独到的优势。
激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。
从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别：向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。
根据探测技术的不同，激光雷达可以分为直接探测型和相干探测型两种。
直接探测和外差全面讲解
(3.1 - 7) (3.1 - 8)
从上式可以得出如下结论： (1) 若si/ni<<1, 则有
2
so no
si ni
(3.1 - 9)
输出信噪比近似等于输入信噪比的平方。 这说明直 接探测方式不适宜于输入信噪比小于1或者微弱信号的探 测。 实际上， 要想对弱光信号实施直接探测， 还必须在 探测体制上进行改革， 这个问题我们在后面分节中将进 行专门讨论。
除背景干扰的效果， 并使光学系统的信噪比为最大。
现举一例说明光谱滤光的作用。 图3.2 - 1示出了飞机涡轮
喷气发动机辐射的光谱曲线a， 典型的地面背景辐射的光谱辐射
通量密度曲线b， 大气透过率曲线c及某型号光电探测器光谱响
应曲线d， 根据这些曲线关系， 选择滤波片的截止波长λ1和λ2。
从图3.2 - 1可看出， 目标辐射通量相对值在0.8以上的波
的计算也和场镜直径的计算方法一致。 它的小端直径为探测器的
直径。 长度l与锥角β的大小要设计合理， 否则有的光线还未传播
到小端就被折返回大端， 如图3.2 - 5所示。
显然， 锥顶角2β与半视场角ω(即光线在光锥端面上的入
射角θ)以及光线与第一反射线的入射角i1的关系为
(90°-β)+(90°-i1)+(90°-θ)=180°
长区域约在2.7~5 μm的范围内， 而背景辐射通量相对值在0.2以
下的波长约在2.6~4.5 μm的范围内。 于是， 把滤光片的短波截
止波长选在大于2.7 μm处， 长波截止波长选在小于4.5 μm处。
因为在大于4.5 μm和小于2.7 μm的范围内， 目标辐射通量在减
小， 背景辐射通量急剧上升。 最后选定滤光片的截止波长为2.8
第七章光辐射的探测及成像技术
内光电效应
内光电效应型探测器主要包括光电导 (Photoconductive：PC) 型和光伏 (Photovoltaic：PV)型两种。 1.光电导效应 光电导效应是光照变化引起半导体材料电导变化的现象。当光照射到半导体材料 时，材料吸收光子的能量，使得非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大， 从而导致材料电导率增大。该现象是100多年来有关半导体与光作用的各种现象中最 早为人们所知的现象。下图为光电导效应示意图。
光电导效应
内光电效应
对于本征半导体，在无光照时，由于热激发只有少数电子从价带跃迁至导 带，此时半导体的电导率很低，称为半导体的暗电导，用 0 表示，且
式中，e为电子电荷，n和 e 分别是无光照时导带电子密度和迁移率；p和 p 分别 是无光照时价带空穴密度和迁移率。 当光入射到本征半导体材料上时，入射光子将电子从价带激发到导带，使导电 电子、空穴数量变化 n 、 ，从而引起电导率变化 ： p
返回直接探测与外差探测光探测器的光吸收过程是直接由某种光量子作用产生的这种量子作用由检测系统读取其大小因此其输出是由光量子的吸收率决定的而不是由光量子的能量来决定其工作原理基础是单位时间内探测器的输出电信号正比于光生载流子数目而单位时间内光生载流子的数目即载流子的跃迁速率正比于总入射光场振幅的平方直接探测系统直接探测法能检测光强及光强的变化是非相干辐射的唯一探测方法而对于相干辐射进行直接探测具有简单方便室温运转等优点但它不能反映光载波频率及相位的变化因而探测灵敏度低信噪比差
1 2 为光电子的初动能，m为电子质量， 为电子离开发射体表面 υ mυ 2
截止波长：
h hc 1.24 c ( m) E E (eV )
ν
E外光电效应——光电发射来自应入射光波长大于截止波长时，无论光强有多大、照射时间有多长，都不会有光电子 发射。光电发射大致可分为三个过程： (1)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态； (2)受激电子从受激处出发，向表面运动，其间必然要同其它电子或晶格发生碰 撞而失去部分能量； (3)到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出形成光电子。 由此得到光电发射对阴极材料的要求： (1)对光的吸收大，以便体内有较多的电子受激发射； (2)电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小； (3)材料逸出功小，以使到达表面的电子容易逸出； (4)电导率好，以便能够通过外电源来补充光电发射失去的电子。
智慧树答案光电检测技术(山东联盟)知到课后答案章节测试2022年
第一章1.光电传感器是基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种传感器答案:对2.PN结型的光电传感器有光电二级管、光电晶体管光电晶闸管等答案:对3.非PN结的光电传感器有光敏电阻、热敏电阻及光电管等答案:错4.一般的电子检测系统由三部分构成，分别是（）、（）和（）答案:传感器;输出环节;信号调制器5.光电检测系统频率量级上比电子检测系统提高了几个数量级，因此在载波容量、角分辨率、距离分辨率和光谱分辨率上大大提高答案:对第二章1.热效应较小的光是答案:紫外2.半导体中受主能级的位置位于答案:禁带3.波长为500nm的波属于答案:可见光4.光度量是辐射度量的()倍答案:683V(λ)5.本征半导体在绝对零度时，在不受光的照射下，导带中没有电子，价带中没有空穴，此时不能导电。
答案:对第二章1.建筑产品组合包括三个因素：广度、深度和相关性答案:对2.建筑企业组织再就是以工作流程为中心，重新设计建筑企业组织的结构形式及运作方式（）答案:对3.自我超越是五项修炼的重要内容之一（）答案:对4.授权以项目为对象，建筑企业将完成某项工作所必须的权力授给企业代理人（）答案:错5.在建筑企业项目控制过程中，最重要的项目报告是（）答案:专题报告6.麦克莱兰的激励需要理论、成就需要理论、成就动机理论也称三种需要理论。
答案:对7.强化理论是美国的心理学家和行为科学家（）等人提出的一种理论答案:马斯洛8.信息的信噪比的大小决定了光电探测器件能否测量出改信息。
答案:错9.根据噪声来源，光电探测器的噪声有几种形式？答案:热噪声;低频噪声;散粒噪声10.设计光电信号检测电路必须满足下列哪些要求？答案:长期工作的稳定性和可靠性;快速的动态响应能力;灵敏的光电转换能力;最佳的信号检测能力11.对于光伏型的光电信号输入电路，当入射光通量一定时，负载增大，输出电压也增大，但是当电阻达到一定值后输出电压变饱和。
答案:对12.光电、热电检测器件对检测电路中的高频信号的衰减影响较大。
第七章 直接探测系统
(2) 若si/ni>>1, 则
so 1 si ≈ no 2 ni
(7.1 - 10)
说明直接探测方式适宜于强光信号的探测 直接探测方式适宜于强光信号的探测。 直接探测方式适宜于强光信号的探测
7.1.3 直接探测系统的 直接探测系统的NEP分析 分析 具有内增益的光电探测器的电输出功率由式(7.1 3)可以写为
可见与红外探测系统： 可见与红外探测系统：
对军事目标的探测， 对军事目标的探测，无论是主动或被动式光电系 统，一般都工作在红外光波段，因为此波段隐蔽 一般都工作在红外光波段， 性好，不易被对方发现； 性好，不易被对方发现；其次是光波在大气中传 播时，红外波段由几个窗口对光能衰减较小，使 播时，红外波段由几个窗口对光能衰减较小， 系统作用距离增大。 系统作用距离增大。 在民用装置或仪器中除必须工作于红外波段外， 在民用装置或仪器中除必须工作于红外波段外，都 尽可能工作在可见光和近红外波段， 尽可能工作在可见光和近红外波段，因为此波段探 测器的量子效率高，系统设计调试比较方便。 测器的量子效率高，系统设计调试比较方便。
光 学 系 统
光 电 探 测 器
目 标
大 气
调 制 器
电 子 电 路
接收系统
被动式光电系统中， 被动式光电系统中，目标和背景辐射功率同时进入光 学系统， 学系统，然后会聚到探测器上转换为光电信号由后续电 子电路处理后输出所需信息。系统有无调制均可。 子电路处理后输出所需信息。系统有无调制均可。
主动和被动式光电系统， 主动和被动式光电系统，接收系统都是把目标和背 景的入射光能量经光学系统会聚到光电探测器上进 行光电转换， 行光电转换，探测器输出的信号经处理电路输出所 需信息。 需信息。 在此过程中， 在此过程中，背景噪声和系统内部的探测器噪声及 电路噪声都与信号一起进入系统
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2
2
2
KV
Zi Av Rs Z i
－放大器的电压传递函数 （考虑源在内的系统增益，注意和Av的区别！）
－放大器的功率传递函数
K P ( KV )2
2 E 2 2 2 2 no Ens En In Rs2 因此等效输入噪声为： Eni KP
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2. 放大器最佳源电阻与实际源阻抗的匹配方法 1、用输入变压器实现噪声匹配 （1）应用对象：信号源电阻小于最佳源电阻情形下。 （2）原理：
选用适当变压比
源电阻的阻抗升高n2倍。
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2、利用并联放大器的方法实现噪声匹配
N个完全相同的放大器并联，如下图所示，该方法等效于减 小 并联以后的等效噪声电压和电流
PIN型锗二极管
HgCdTe（PV 77K） HgCdTe（PC 77K） 锗测辐射热计（2.1K） 碳测辐射热计（2.1K）
~50
2.5~50 20~50 104 105~106 105~107 106~107
~10-7
~10-8 10-8~10-7 4×10-4 10-2 5×10-5~5×10-4 ~2×10-6
后级信号
处理电路
反馈电路
光探测电路示意图
9
3.3.1 前放噪声等效电路
Eso
Eno
Vs－信号源，RS－信号源内阻， Ens－RS的热噪声 En－放大器噪声电压源，In－放大器噪声电流源， Av－放大器电压增益，Zi－放大器的输入阻抗，Eni －放大器输入端的噪声电压，Eso－放大器的输出端 电压，Eno－放大器输出端的总噪声电压
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3.3.3 匹配方法
1.最佳源电阻 求偏导 ：
2 2 En In Rs2 F 1 2 Ens
2 E ns 4kT fRs
2 2 En In F 1 2 0 Rs Rs 4kTf 4kTf
得：
En Rs 记作( Rs )opt In
与功率匹配 区别！
因此，当信号源的内阻等于放大器的源电阻时噪声系 数NF取得最小值
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二. 多级放大器噪声系数NF
KP1 Pni KP2 Pn2 F2 F1, 2, 3 三级放大器的噪声系数 KP3 Pn3 F3 Pno
Pn1
F1
总的输出噪声功率Pno为 Pno K p1 K p 2 K p3 Pni K p 2 K p3 Pn1 K p3 Pn2 Pn3 总的输出噪声系数F为
并联后的噪声系数
' NFmin 10lg(1
En I n ) NFmin 2kTf
结论，多管并联可减小最佳源电阻，但不会影响并联后的噪声系数。
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各种典型探测器的内阻和响应时间
探测器
热电偶 蒸发型热电偶 低 阻 金属测辐射热计
内阻（Ω）
1~10 50~200 1~10
响应时间（s）
10-2~1 10-3~10-2 10-2~10-1
可以看出，放大器的输入阻抗不出现在等效输入噪声的表达 式中。放大器便视为是无噪声的。
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这个模型中所采用的各个参数容易测量。首先，源电阻Rs的 热噪声Ens，可以由电阻的热噪声公式求出；其次计算放大器 前的电路的开路输出噪声电压(或短路输出噪声电流)；然后折 合到源端位置就得到等效输入噪声电压Eni的大小。
Rs Z i Av Rs Z i
10EBiblioteka s的贡献En的贡献In的贡献
将上述各项均方相加便得总的输出噪声为：
2 2( Ens ) Eno 2( En ) Eno 2 Eno Eno ( In )
Zi Zi Zi 2 2 2 E R Z Av En R Z Av I n Rs R Z Av i i i s s s
Fmin 1 En I n EI EI n n 1 n n 4kTf 4kTf 2kTf
当信号源的内阻等于放大器的最佳源电阻值时，放大器对检 测电路附加的噪声最小，称为信号源与放大器之间达到了噪声匹 配。这是低噪声设计的一个重要原则。
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En Rsopt＝ In
En I n Fmin＝ 1 2kTf
F=
输入端信噪比 输出端信噪比
( S / N )i 用分贝表示则写成： NF 10 lg (S / N )o
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噪声系数意义：
NF 10 lg
( S / N )i (S / N )o
放大器的噪声系数的定义表示信号通过放大器后，信噪比变 坏的程度： • 如果放大器是理想的无噪声的线性网络，那么其输入端的信号 与噪声得到同样的放大，即输出端的信噪比与输入端的信噪比 相同，于是F=1或NF=0dB； • 如果放大器本身有噪声，又无滤波功能(如前放一般不采取带 限措施)，信号通过放大器后，则信号和噪声都同样放大，则 输出噪声功率等于放大后的输入噪声功率和放大器本身的噪声 功率之和。对这样的放大器，信号经放大后，信噪比不可能变 好，输出端的信噪比就比输入端的信噪比低，则F>1。
特点：信息加载－－辐通量（光强）
8
3.3 前置放大器的噪声匹配
当光信号功率较小时，光电探测器的电信号输出也相应地减小。 为了信号处理、显示的需要，往往需要跟随前置放大器。放大器的 引入对探测系统的输出信噪比将产生影响。
放大器 偏置电路
光探测器及 其偏置电路
耦合 网络
多级放大 低噪声 前置放大 器 系统
4
(3) 等效噪声功率
具有内增益的光电探测器的电输出功率为 P0 M 2is2 RL M 2 Ri2 RL Ps2
2 2 i 2 eM is f 信号光电流： ns 输出的噪声功率为 2 2 i 2 eM ib f 2 2 2 2 背景光电流： nb Pn (ins inb ind inT ) RL 2 暗电流： ind 2eM 2id f 电阻温度噪 对于光电二极管，M=1，对于光电导探 4k BTf 2 声电流： inT 测器前面的2改为4. RL 2 2 2
so si2 (si ni )2 ( SNR)o 2 no 2si ni ni 1 2( si ni )
so ( si ni )2，说明直接探测不适合微弱信号 （1）si/ni《1，则有 no
讨论：
的探测；
so 1 ( si ni ) ，转换后信噪比损失不大； （2）si/ni》1，则有 no 2
1 8k BTf 1 2 2 2 2 2 （3）散粒噪声和热噪声相当 inT NEP ( ) ins inb ind MRi RL 雪崩光电二极管 so P RP ) o i s no Pns 2ef
NEP 2hf
e h
（4）信号噪声极限，只考虑光信号噪声。
(
Ri
放大器的输入信噪比为： 放大器的输出信噪比为：
S i Vs2 2 ni E ns
2 So K p Vs Vs2 2 2 2 2 2 no K P Eni Ens En In Rs
So Si no ni
(1
2 En
E
2 ns
2 2 In Rs
E
2 ns
)
放大器噪声的存在，使放大器的输出信噪比受到损失。
－－热力学方法，制冷降低探测器噪声
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2.直接探测的应用举例
应用于测量：
几何量（长度、位移· · · · ） 表面形状参量（工件粗糙度、伤痕· · · ） 光学参量（吸收、反射· · · ） 电磁量（电流、电场、磁场· · · ） · · · · · · · · · · · · · ·
应用于控制： 激光制导、飞行物自动跟踪 激光稳频、机器人视觉 · · · · · · · · ·
根据电路叠加原理，各噪声源在输出端的贡献分别为： Zi • Ens的贡献为： ( E ) E ns E no Av En的贡献为： ( E ) En Eno
ns
Rs Z i
n
Zi Av Rs Z i
( I ) I n ( Rs || Z i ) Av I n • In的贡献为：Eno n
F= 从输入端 角度出发
总的等效输入噪声功率 输入端源电阻噪声功率
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（3）推导式二
2 2 2 2 2 2 Eni Ens En In Rs2 En In Rs2 F 2 1 2 2 Ens Ens Ens
放大器输入噪声功率 F= 1+ 输入端源电阻噪声功率
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（4）推导式三
中 阻
PbS（PC 常温） PbSe（PC 常温）
InSb（PV 77K） 高 阻
Ge:Au（PC 77K） 热释电探测器
103~105
105~107 ~108
<10-6
<10-6 3×10-9~4×10-5
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习题
• （ 1 ）最佳源电阻是信号源的参数，还是前放的参数。它 的表达式是什么？式中各项代表什么？什么是噪声匹配。 • （ 2 ）已知集成运算 OP07E 的噪声参数 En ＝ 10.3nV ， In ＝ 0.32pA，试计算应用于Rs＝100kΩ，Δf＝1Hz及T＝300k时 ，其NF及Eni值 • （3）根据下列条件判断那一种器件产生的等效输入噪声 最小： – a．在Rs＝10kΩ时，测出其NF＝20dB。 – b．在Rs＝1MΩ时，测出其NF＝20dB。
不为Eni，此时输入端噪声 功率仅为源电阻产生的热 噪声功率
2 2 2 2 2 2 Eno Eno Esi Eno Esi / Ens F 2 2 2 2 2 2 2 2 Ens K p Ens ( Eso / Esi ) Eso Ens Eso / Eno