第五章 光电直接检测系统

❖ 结论：光检测器输出的电功率正比于入射光功率的平方。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，具有平方率特性。
❖ 若入射波是调幅波，即 Es(t) A[1 d(t)]cos t
式中：d (t) 为调制信号。则检测器输出电流为
i 1 A2 A2d (t) 2
若光电检测输出端有隔直电容，则输出仅有第二项（即实现包络 检测）。
被动系统
❖ 光信号来自被测物体的自发辐射
返回 光电信号检测
光电检测系统的信噪比
❖ 信噪比：与灵敏度
相关
❖ 误码率：
“0”和“1”出现错 误的概率
光电信号检测
主要内容
§5-1 光电直接检测系统的基本原理 §5-2 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 5.2.2 直接检测系统的检测极限及趋近方式 5.2.3直接检测系统的视场角 5.2.4 系统的通频带宽度 §5-3 光电直接检测系统的距离方程 5.3.1 被动检测系统的距离方程 5.3.2主动检测距离方程 §5-4 光电直接检测系统举例
光电信号检测
§5-1 光电直接检测系统的基本原理
5.1.1直接测量系统的工作原理 ❖ 定义：
光电直接检测是将待测光信号直接入射到光检测器光敏
面上，光检测器响应于光辐射强度（幅度）而输出相应 的电流或电压。
❖ 换句话说，直接检测系统是随时间变化光信号或随空间 变化的光信号的直接测量 ，属于非相干检测。
第五章 光电直接检测系统
电科08（系统设计）
宁波工程学院电子与信息工程学院
电子科学与技术教研室
丁志群 制
光电信号检测
光电信号检测
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
光电信号检测
❖ 式中，K0＝KSIΦ0M，Φ0为入射照明光通量，SI为光检 测器灵敏度，K为放大器增益。在无试样的校准状态下， 即θx＝0时，调整θ0，使θ＝0。随后加入试样则θx≠0， 因而θ≠0。重新调整θ，使θ再次为零，此时有 θx＝θ0
i 1 A2 A2d (t) 2
若光电检测输出端有隔直电容，则输出仅有第二 项（即实现包络检测）。
光电信号检测
二、直接检测系统的信噪比和灵敏度 1. 直接探测系统的信噪比
Pso Pno （e）2(Psi Pni)2RL hv
（e）2(Psi2 2PsiPni Pni2 )RL hv
Pso
❖
θ＝SIKMΦ0τ＝K0τ
或
❖
τ＝θ/K0
式中K0＝SBiblioteka BaiduKMΦ0。
光电信号检测
❖ 当K0保持恒定不变时，被测值τ和读出示值θ之间存在着 一一对应的关系，可根据θ确定被测的τ值。但实际上K0 值不是完全不变的。
❖ 特别是Φ0因子与照明状态有关，存在着长期工作的不 稳定性和不重复性。
❖ 比例因子K0的波动会直接造成测量示值的偏差。此外定 标所用基准的误差或在定标过程中引入的偏差也会直接 影响测量结果，因此直读法在实际应用中受到一定的限 制。
❖ 只考虑热噪声影响 P min, TL (2 hv kT f / RL e
光电信号检测
❖ 3.光电探测器内增益对检测灵敏度的影响
SNRo Pso
（GPs）2
Pno 2eG（2 e）(Ps Pb)f 4kT f / RL
hv
Ps / ef
G2 2 G2
)（ e）(1 hv
Pb )f Ps
h
光电信号检测
（二）光电检测的平方律特性
❖ 若光检测器的负载电阻为RL，则光电检测器 输出功率为
结论：
Po
Is2 RL
( e)2
P R2 s L
h
直接探测系统的平方律特性
❖光电探测器的的光电流正比于光场振幅的平 方；
❖光电探测器输出的电功率正比于入射光功率 的平方。
光电信号检测
❖若入射波是调幅波，即 Es(t) A[1 d(t)]cost 式中： d (t) 为调制信号。则检测器输出电流为
光电信号检测
2）指零法 ❖ 提高单通道测量系统测量精度的简单方法是指零法或
零示法。 ❖ 这种方法利用标定好的读数装置补偿被测光通量值，使
测量系统在输出光通量为零的状态下读数。它可以消除 由于辐射光通量、光检测器和放大器工作参数不稳定造 成的影响。
光电信号检测
图中表示了采用指零法测量偏振物 质偏振角的光电装置原理示意图。 在如图的光路中布置起偏器2和检偏 器4。事先使检偏 器的偏振面相对 起偏器转90°，此时检测器5的光敏 面上的光通量为零。在起偏器2和检 偏器4之间放置具有偏光性质的被测 样品，它引起偏振面的旋转，增大 了 透过光的数值。借助于指示仪表 7可以观察到相对于零位的偏差。若 转动检偏器4，重新使指示仪表示值 为零，则检偏器的转角等于由被测 样品引起的偏振面的转 角。用高精 度定的值的 转后。角角，度即只基可要测准得对到量检所出检偏需器偏的转器偏相角振逐对面点零旋位标转5-检1测-光器采源用a6)2-指原放-起零理大偏法示器器的意7单图3-指-通被示b道测)仪方测物表框量4图系8-检-统读偏数器装置
▪ 等效矩形带宽 ▪ 频谱曲线下降３dB的带宽 ▪ 包含９０％能量的带宽 ❖ 频带宽度越宽，通过信号的能量越大，系统的噪 声功率也越大．
光电信号检测
5.3 直接检测系统的距离方程
1.被动接收系统的距离方程 2.主动接收系统的距离方程 ❖ 以上内容学生讲解
光电信号检测
5.4 光电直接检测系统举例
时变光信号的检测 ❖ 光电系统所处理的输入信号有一类是辐射光通量直接
光电信号检测
❖
光源 强度 调制器
光学天线
光学信道
接收天线 及光电检测器
光电信息 回收的信息 处理
信息 发射机
背景噪声场
电路噪声 接收机
❖光强度调制直接检测模型
光电信号检测
❖ 假设 入射光信号 Es(t) Acos t ，式中A为信号光电场振
幅， 为信号光的频率。平均功率为
Ps Es2 (t) A2 / 2
Psi2
(SNRpi)2
SNRpo
Pno
2PsiPni Pni2
1 2(SNRpi)
光电信号检测
信号光较弱时
分两种情况分析： ❖ 1）当Psi<<Pni时，直接探测系统的输出信噪比
SNRpo (SNRpi)2 (Psi / Pni)2 1 2(SNRpi) 1 2(Psi / Pni)
Psi / Pni 1
SNRpo ( Psi )2 Pni
❖ 输出的信噪比将更小，检测灵敏度也低，直接检
测系统不适合弱光检测。
光电信号检测
信号光很强时
2）当Psi>>Pni 时，相应的输出信噪比：
(SNRpi)2
(Psi / Pni)2
SNRpo
1 2(SNRpi) 1 2(Psi / Pni)
Psi / Pni 1
SNRo
Pso Pno
2e（[ e）(Ps
（e hv
Pb)
Ps）2 Id)]f
4kT f
/
RL
hv
光电信号检测
❖强信号下， SNRpo 1
❖只考虑散弹噪声的影响 SNRpo, sL Ps 2hvf
NEP P min, sL 2hvf /
❖ 只考虑背景噪声影响
P min, bL (2hvPbf /
❖ 图中，由辐射源1产生的光通量Φ0，经布置于光路上的 被测样品或标准样品2的部分吸收或散射，投射到检测 器3的光敏表面上。
❖ 利用光电信号放大器4可以测量出载有信息的光通量Φ， 最后由指示仪表5显示记录下被测量的结果。
❖ 单通道测量系统常用的测量方法是直读法和指零法。
光电信号检测
1）直读法 ❖ 在单通道系统中，直接测量载荷信息的光通量值，并
光电信号检测
5.2 光电直接检测系统的基本特性
一、直接检测的统计特性和平方律特性 （一）光电检测的统计特性 特点：1. 具有很强的计数统计关系
2. 又具有随机性。
K (0,t )
X (t) h(t tj) j0
满足泊松统计规律：
Pos(K , mv) (mv)k emv
mv （I ）ddt v
N（t）是接收光场的光电子计数速率。
光电信号检测
（二）光电检测的平方律特性
❖假设 入射号 Es(t) Acos t
式中A为信号光电场振幅， 为信号光的频
率。平均功率为
Ps Es2 (t) A2 / 2
❖ 光检测器输出电流为
Is Ps e Es2 (t) e A2
h
2h
❖式中：Es2 (t) 表示 Es2 (t) 的时间平均值； 为光电变换比例常数，且有 e
❖ 点探测/面探测系统(按接受系统分) ▪ 用单元探测器接受目标的总辐射功率 ▪ 用面接受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)
光电信号检测
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。
光电信号检测
❖ 光检测器输出电流为
Is Ps e Es2 (t) e A2
h
2h
式中：Es2 (t) 表示 Es2 (t) 的时间平均值；
光电信号检测
为光电变换比例常数，且有 e
h
❖ 若光检测器的负载电阻为RL，则光电检测器输出功率为
Po Is2 RL ( e )2 Ps2 RL h
光电信号检测
发射和接收系统的大气特性以及目标的反射特性有 关．
光电信号检测
（三）直接检测系统的视场角
❖ 表征系统能“观察”到的空 间范围。
❖ 系统的视场角越大越好。但 是增大检测器面积使系统的
噪声增大；减小焦距使系统 的相对孔径加大。
2
d Ad / f 1
光电信号检测
（四）系统的通频带宽度
❖ 检测系统要求Δf保持原由信号的调制信息． ❖ 确定系统频带宽度的几种方法：
SNRpo 1 (Psi / Pni) 2
当输入信噪比远远大于1时，输出信噪比尽管有所降低 也仍有足够的检测灵敏度。
结论：直接检测适合于强信号光的检测而不宜于弱信 号光的检测。
光电信号检测
直接探测系统的探测灵敏度
❖2.直接探测系统的探测灵敏度
输出总噪声功率主要考虑散弹噪声功率和探测器与电路 的热噪声功率。
随被测信息变化的。这种情况下的被测信息是载荷在 光通量的幅度大小、变化频率或变化相位上，检测这 些参量可以测量出所需要的信息。 举例： ➢ 直接测量来自被测物体的光辐射进行的光谱分析和辐 射测温； ➢ 通过检测被测物体的透光率测量气体液体的浓度或薄 膜厚度； ➢ 通过测量反射率检测物体的表面状态等。下面介绍直 接随信息改变的光通量测量方法。
光电信号检测
❖ 利用图b中的方框图可以计算出系统的测量关系。设被 测偏振面转角为θx，检偏器的读出转角为θ0，偏振器组 合的相对转角为θx-θ0，对于透光率τ的转换因子为M， 则检偏-起偏器组合和指示仪表的输出值θ分别可表示为：
τ＝M(θx-θ0)
和
❖ 由以上二式有
θ＝KSIΦ0τ
θ＝KSIΦ0M(θx-θ0)＝K0(θx-θ0)
光电信号检测
一、光通量的幅度测量 1．单通道测量系统
单通道测量系统和直读法 a) 原理示意图 b) 方框图 1-辐射源 2-被测样品（或标准样品） 3-检测器 4-光电信号放大器 5-指示仪表
光电信号检测
❖ 被测光通量沿单一光学通道传送到光电接收器，经由读 出装置进行测量的系统称作单通道测量系统。
4kT f
/ eG2PsRL
❖ 若要达到信号噪声限，要求
eG2PsRL >> 4kT
光电信号检测
系统的基本特性
❖ 信噪比：表征检测系统的灵敏度
SNRo
PS 2 2PS Pn Pn2
(PS Pn )2 1 2(PS Pn )
PS: 输入信号光功率, Pn: 噪声功率
❖ 检测距离：是系统灵敏度的另外一种评价指标，与
K!
是光电转换系数
光电信号检测
❖ 泊松计数统计是光电转换的最基本统计，它对 应于恒定确知弱辐射光场和探测器材料作用转 换情况。
❖ 不确定的随机光场不适用泊松计数统计。
❖ 光电探测器响应单个光子的求和，可作为平均
光电流。
K (0,T )
Ip E[ X (t)] E[ h(t tj)]
j0
T
e(t tj)N (tj)dtj eN (t) 0
通过与标准样品的比对测定被测量的方法称作直读法。 ❖ 例如为了测量样品的透过率，可以在图a所示的光路中
事 先分别放置透过率已知的标准样品，每次对电表值 进行标定。 ❖ 经过这样的处理后再将被测样品放在光路中，即可由电 表的示值直接得到被测的透过率值。
光电信号检测
❖ 直读法测量系统的方框图示于图b中。设照明样品的光 通量为Φ0，样品透过率为τ，透过样品并为光电检测器 接收的光通量为Φ，检测器的电流灵敏度为SI，放大器 增益为K，读出装置的传递系数为M，输出值为θ，则 直读系统的测量值可表示为