光电检测技术与应用 第五章 光电直接探测系统
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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。
光电检测原理
第一章概论光辐射的基本特性
§1－1辐射量测量单位
§1－2辐射的基本定律
§1－3光源特性
§1－4检测中的照明
第二章光电探测器基础
§2－1光电探测器物理效应
§2－2光电探测器分类
§2－3光电探测器基本性能
第三章光电探测器件与热敏探测器件
§3－1半导体PN结
§3－2光电效应
§3－3光敏电阻
§3－4光电二级管
§5－3激光测距
§5－4温湿度测量
§5－5其它物理量检测
教材：
高稚允、光电探测技术，国防工业出版社，1991
主要参考书：
光电检测技术与应用,郭培源编著,北京航空航天大学出版社, 2006
注：每门课程都须填写此表。本表不够可加页
学分：2
先修课程要求：“普通物理”、“模拟电子技术”。
课程组教师姓名
职称
专业
年龄
学术专长
赵斌
教授
测试计量技术及仪器
49
光电技术及其应用
刘晓军Βιβλιοθήκη 教授测试计量技术及仪器44
光电技术及其应用
陈良洲
讲师
测试计量技术及仪器
35
光电技术及其应用
课程教学目标：
本课程主要面向从事测量研究课题的研究生，讲课内容旨在介绍光电发射、接收的一般规律，在学习各种器件的基本性能基础上，能作较简单的光电系统的规划设计，以解决工程测量的问题。
§3－5光电阴极和光电管
§3－6光电倍增管
§3－7摄像管
§3－8变像管、像增强器、微通道板
§3－9固态摄像器件CCD
§3－10红外摄像管
§3－11热敏探测器
第四章微弱光电信号检测方法
§4－1直接探测法
§1－1辐射量测量单位
§1－2辐射的基本定律
§1－3光源特性
§1－4检测中的照明
第二章光电探测器基础
§2－1光电探测器物理效应
§2－2光电探测器分类
§2－3光电探测器基本性能
第三章光电探测器件与热敏探测器件
§3－1半导体PN结
§3－2光电效应
§3－3光敏电阻
§3－4光电二级管
§5－3激光测距
§5－4温湿度测量
§5－5其它物理量检测
教材：
高稚允、光电探测技术，国防工业出版社，1991
主要参考书：
光电检测技术与应用,郭培源编著,北京航空航天大学出版社, 2006
注：每门课程都须填写此表。本表不够可加页
学分：2
先修课程要求：“普通物理”、“模拟电子技术”。
课程组教师姓名
职称
专业
年龄
学术专长
赵斌
教授
测试计量技术及仪器
49
光电技术及其应用
刘晓军Βιβλιοθήκη 教授测试计量技术及仪器44
光电技术及其应用
陈良洲
讲师
测试计量技术及仪器
35
光电技术及其应用
课程教学目标：
本课程主要面向从事测量研究课题的研究生，讲课内容旨在介绍光电发射、接收的一般规律，在学习各种器件的基本性能基础上，能作较简单的光电系统的规划设计，以解决工程测量的问题。
§3－5光电阴极和光电管
§3－6光电倍增管
§3－7摄像管
§3－8变像管、像增强器、微通道板
§3－9固态摄像器件CCD
§3－10红外摄像管
§3－11热敏探测器
第四章微弱光电信号检测方法
§4－1直接探测法
光电检测技术与应用 第五章 光电直接探测系统
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。
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。
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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。
光电检测工作技术应用
一般光电系统
光发射机
光学通道
光接收机
光发射机：分为主动式和被动式
主动式：光源（或加调制器） 被动式：无自身光源，来自被测物体的光热辐射发射
光学通道：大气、空间、水下和光纤等
光接收机：收集入射的光信号并加以处理，恢复光载波信息
光电检测工作技术应用
•光接收机的基本结构
接收到的 光场
接收透
光电
后续检测
色敏传感器 固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型） 位置检测用元件（PSD） 光电池
光电检测工作技术应用
1.3 光电检测系统的组成及特点
➢ 一般电子检测系统
传感器
信号变换器
输出环节
传感器：从被测对象中提取被测信号，转化成便于测量的 电参数
信号变换器：完成信号的转换、滤波和放大
光电检测工作技术应用
激光枪
光电检测工作技术应用
“魟鱼”激光致盲武器 激光弦目描准具（英国）
1982年开始研制，1990 年1--3月在野外试验成 功，海湾战争中装配在 美军第七步兵师，参加 了“沙漠盾牌”和“沙漠 风暴”作战。
它是一种激光致盲描准具，1982年马岛战争期间安装在“竞技神” 号战舰上，不料实战中效果良好，造成3架阿根廷飞机失事。所 有这一切均是保密的。直致1989年英军舰“考文垂”号上因帆布未 盖好才被记者拍下照片，1990年公布于世。
电子学 Electronics (1910年)
研究电子运动的各种物理过程和物理现象并
研究电波的振荡、传播，电信号的放大、变
检波等等
半导体微电子学。
光电子学 Opto-electronics (1955) 光学与电子光电学检测工相作技术结应用 合的产物。将电子学使用
光电检测技术与应用习题解答
pn结必须在反向偏压的状态下有明显的光电效应产生这是因为pn结在反偏电压下产生的电流要饱和所以光照增加时得到的光生电流就会明显增4在如图370所示的照明灯控制电路中将题3所给的cds光敏电阻用作光电传感器5光电导器件响应时间频率特性受哪些因素限制
第1章
1、举例说明你说知道的检测系统的工作原理。 （1）光电检测技术在工业生产领域中的应用： 在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位… （2）光电检测技术在日常生活中的应用： 家用电器——数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器 自动感应灯：亮度检测---光敏电阻 空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶 遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管 可视对讲、可视电话：图像获取---面阵 CCD 医疗卫生——数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器 办公商务——扫描仪：文档扫描---线阵 CCD 红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管 （3）光电检测技术在军事上的应用： 夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术 激光测距仪：可精确的定位目标 光电检测技术应用实例简介 点钞机 （1）激光检测—激光光源的应用 用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字， 会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。由于仿制困难， 故用于辨伪很准确。 （2） 红外穿透检测—红外信号的检测 红外穿透的工作原理是利用人民币的纸张比较坚固、 密度较高以及用凹印技术印刷的油墨厚度较高， 因而对红外信号的吸收能力较强来辨别钞票 的真假。 人民币的纸质特征与假钞的纸质特征有一定的差异， 用红外信号对钞票进行穿透检 测时，它们对红外信号的吸收能力将会不同，利用这一原理，可以实现辨伪。 （3）荧光反应的检测—荧光信号的检测 荧光检测的工作原理是针对人民币的纸质进行检 测。人民币采用专用纸张制造（含 85％以上的优质棉花） ，假钞通常采用经漂白处理后的普 通纸进行制造，经漂白处理后的纸张在紫外线（波长为 365nm 的蓝光）的照射下会出现荧 光反应（在紫外线的激发下衍射出波长为 420－460nm 的蓝光） ，人民币则没有荧光反应。 所以， 用紫外光源对运动钞票进行照射并同时用硅光电池检测钞票的荧光反映， 可判别钞票 真假。 （4）纸宽的检测—红外发光二极管及接收二极管的应用 主要是用于根据钞票经过此红外 发光及接收二极管所用的时间及电机的转速来间接的计算出钞票的宽度， 并对机器的运行状 态进行判断，比如有无卡纸等；同时也能根据钞票的宽度判断出其面值。 （5）喂钞台、接钞台传感器—红外对管的应用 在点钞机的喂钞台和取钞台部分分别有一 个作为有无钞票的发射接收红外对管，用来检测是否有钞票放入或取出。 2、如何实现非电量的测量？ 为实现非电量的电测量， 首先要实现从非电量到电量的变换， 这一变换是靠传感器来实现的。 传感器接口电路是为了与传感器配合将传感器输出信号转换成低输出电阻的电压信号以方 便后续电路的处理。一般说来，信号都需要进一步放大并滤除噪声。放大后的信号经模拟/ 数字变换后得到数字信号， 以便于微处理器或微控制器。 微处理器或微控制器是测控系统的 核心， 它主要有两个作用： 一是对数字信号进行进一步处理并将信号输出显示、 存储和控制。 二是管理测控系统的各个部分以实现测控系统的智能化， 即根据信号和测量条件的变化， 自 动地改变放大器的增益、滤波器的参数及其它的电路参数。在选用合适的传感器之后，就要
第1章
1、举例说明你说知道的检测系统的工作原理。 （1）光电检测技术在工业生产领域中的应用： 在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位… （2）光电检测技术在日常生活中的应用： 家用电器——数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器 自动感应灯：亮度检测---光敏电阻 空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶 遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管 可视对讲、可视电话：图像获取---面阵 CCD 医疗卫生——数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器 办公商务——扫描仪：文档扫描---线阵 CCD 红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管 （3）光电检测技术在军事上的应用： 夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术 激光测距仪：可精确的定位目标 光电检测技术应用实例简介 点钞机 （1）激光检测—激光光源的应用 用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字， 会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。由于仿制困难， 故用于辨伪很准确。 （2） 红外穿透检测—红外信号的检测 红外穿透的工作原理是利用人民币的纸张比较坚固、 密度较高以及用凹印技术印刷的油墨厚度较高， 因而对红外信号的吸收能力较强来辨别钞票 的真假。 人民币的纸质特征与假钞的纸质特征有一定的差异， 用红外信号对钞票进行穿透检 测时，它们对红外信号的吸收能力将会不同，利用这一原理，可以实现辨伪。 （3）荧光反应的检测—荧光信号的检测 荧光检测的工作原理是针对人民币的纸质进行检 测。人民币采用专用纸张制造（含 85％以上的优质棉花） ，假钞通常采用经漂白处理后的普 通纸进行制造，经漂白处理后的纸张在紫外线（波长为 365nm 的蓝光）的照射下会出现荧 光反应（在紫外线的激发下衍射出波长为 420－460nm 的蓝光） ，人民币则没有荧光反应。 所以， 用紫外光源对运动钞票进行照射并同时用硅光电池检测钞票的荧光反映， 可判别钞票 真假。 （4）纸宽的检测—红外发光二极管及接收二极管的应用 主要是用于根据钞票经过此红外 发光及接收二极管所用的时间及电机的转速来间接的计算出钞票的宽度， 并对机器的运行状 态进行判断，比如有无卡纸等；同时也能根据钞票的宽度判断出其面值。 （5）喂钞台、接钞台传感器—红外对管的应用 在点钞机的喂钞台和取钞台部分分别有一 个作为有无钞票的发射接收红外对管，用来检测是否有钞票放入或取出。 2、如何实现非电量的测量？ 为实现非电量的电测量， 首先要实现从非电量到电量的变换， 这一变换是靠传感器来实现的。 传感器接口电路是为了与传感器配合将传感器输出信号转换成低输出电阻的电压信号以方 便后续电路的处理。一般说来，信号都需要进一步放大并滤除噪声。放大后的信号经模拟/ 数字变换后得到数字信号， 以便于微处理器或微控制器。 微处理器或微控制器是测控系统的 核心， 它主要有两个作用： 一是对数字信号进行进一步处理并将信号输出显示、 存储和控制。 二是管理测控系统的各个部分以实现测控系统的智能化， 即根据信号和测量条件的变化， 自 动地改变放大器的增益、滤波器的参数及其它的电路参数。在选用合适的传感器之后，就要
光电检测技术与应用-7光电检测系统
2.3 直接检测系统的视场角
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：
物镜
u'
检测器
D
d
5-19 f' Ad 直接检测系统视场角 或视场角立体角Ω为： 2 f 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
经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度
I e 1 E e 2 L
入射到检测器上的光谱功率
Ee 为：
1 为被测距离L内的大气光谱透过率；
L为目标到光电检测系统的距离
Pe Ee A0 0
I e 1 2 A0 0 L
2
1
Pe
为：
A0为接收光学系统的入射 孔径面积
1为接收光学系统的光谱 透过率
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：
Vs
2
1
A0 Pe RV d 2 L
I e 1 0 RV d
RV为检测器的光谱响应度
3.1 被动检测系统的距离方程
RV
将上式代入2，可得：
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：
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。
tty5光电测试技术五：光纤通信、激光雷达、激光制导
根据光纤传播特征旳特点，光纤通信系统旳工作波长都选择在0.85um， 1.3um或1.55um，尤其是1.3um和1.55um应用愈加广泛，所以，作为光源旳 激光器旳发射波长和作为光检测器旳光电二极管旳波长响应，都要和光纤这 三个波长窗口相一致。
3.光接受机
功能：把从光纤线路输出、产生畸变和衰减旳薄弱光信号转换为电
光发射机把电信号转换为光信号旳过程是经过电信 号对光旳调制而实现旳。目前有直接调制和间接调制 （或称外调制）两种。
直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管旳驱动电 流，使输出光强随电信号变化。这种方案技术简朴，成本较低，轻 易实现，但调制速率受激光器旳频率特征所限制。
外调制是把激光旳产生和调制分开，用独立旳调制器调制激光器旳 输出光而实现旳。外调制旳优点是调制速度高，缺陷是技术复杂， 成本较高，所以只有在大容量旳波分复用和相干光通信系统中使用。
1970年，光纤研制取得了重大突破，美国康宁企 业研制成功损耗20dB/km旳石英光纤。
同年，作为光纤通信用旳光源也取得了实质性旳 进展。
美国贝尔试验室、日本电气企业（NEC）和前苏联先后突破了 半导体激光器在低温（-200℃）或脉冲鼓励条件下工作旳限制，研 制成功室温下连续振荡旳镓铝砷（GaAlAs）双异质结半导体激光器 （短波长），为半导体激光器旳发展奠定了基础。
因为光纤和半导体激光器旳技术进步，1970 年成为光纤通信发展旳一种主要里程碑。
1976年，美国在亚特兰大进行了世界上第一种实用光纤 通信系统旳现场试验。
系统采用GaAlAs激光器做光源，多模光纤做传播介质，速率为 44.7Mb/s，传播距离约10公里。
1980年美国原则化FT-3光纤通信系统投入商业应用。
增长传播容量，“波分复用+光纤放大器”被以为是充分利用光纤带增长传播容 量最有效旳措施； 在光缆线路上每隔一定距离设置一种光纤放大器，可延长干线网旳传播距离。
3.光接受机
功能：把从光纤线路输出、产生畸变和衰减旳薄弱光信号转换为电
光发射机把电信号转换为光信号旳过程是经过电信 号对光旳调制而实现旳。目前有直接调制和间接调制 （或称外调制）两种。
直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管旳驱动电 流，使输出光强随电信号变化。这种方案技术简朴，成本较低，轻 易实现，但调制速率受激光器旳频率特征所限制。
外调制是把激光旳产生和调制分开，用独立旳调制器调制激光器旳 输出光而实现旳。外调制旳优点是调制速度高，缺陷是技术复杂， 成本较高，所以只有在大容量旳波分复用和相干光通信系统中使用。
1970年，光纤研制取得了重大突破，美国康宁企 业研制成功损耗20dB/km旳石英光纤。
同年，作为光纤通信用旳光源也取得了实质性旳 进展。
美国贝尔试验室、日本电气企业（NEC）和前苏联先后突破了 半导体激光器在低温（-200℃）或脉冲鼓励条件下工作旳限制，研 制成功室温下连续振荡旳镓铝砷（GaAlAs）双异质结半导体激光器 （短波长），为半导体激光器旳发展奠定了基础。
因为光纤和半导体激光器旳技术进步，1970 年成为光纤通信发展旳一种主要里程碑。
1976年，美国在亚特兰大进行了世界上第一种实用光纤 通信系统旳现场试验。
系统采用GaAlAs激光器做光源，多模光纤做传播介质，速率为 44.7Mb/s，传播距离约10公里。
1980年美国原则化FT-3光纤通信系统投入商业应用。
增长传播容量，“波分复用+光纤放大器”被以为是充分利用光纤带增长传播容 量最有效旳措施； 在光缆线路上每隔一定距离设置一种光纤放大器，可延长干线网旳传播距离。
光电探测技术的发展与应用
光电探测技术的发展与应用基于光子特性进行电子信息检测、测量和传输的技术，称之为光电探测技术。
自上个世纪60年代以来，光电探测技术在各种应用领域中日渐突出，如通信、生物、环境监测、材料检测、军事等。
本文将简要介绍其发展历程和应用领域。
一、发展历程1. 光电二极管技术(Germanium)早期光电探测技术基本上是利用光电二极管来制作各种探测器。
其中，Germanium光电二极管具有快速响应、较高的灵敏度和较宽的光谱响应范围等特点。
然而，只有在液氮的温度下，才能得到最佳的光电探测性能。
另外，Germanium材料价格昂贵，难以满足量产需求。
2. 萤石探测器技术70年代，随着高纯度萤石晶体制备技术的发展，降低了探测器工作温度，使得大量萤石探测器被大规模的应用于核物理、高能物理实验、开普勒太空望远镜等领域。
萤石探测器有较快的响应时间、较高的能量分辨率、较宽的能量响应范围等特点，但它不适用于高精度的辐射剂量的测量。
3. 光电倍增管（PMT）技术在80年代，由于PMT管的研制开始进入定型阶段，它的检测方式从直接接收光电子的方式改为以荧光物质为介质进行检测光信号。
PMT具有较快的响应速度和较高的灵敏度，广泛应用于天文、核物理、高能物理、弱信号的检测等领域中。
4. 光电探测器阵列技术随着微电子技术、光电工艺技术和化学气相沉积技术等先进技术的发展，光电探测器阵列技术不断进步。
与传统的单光电探测器相比，光电探测器阵列技术的优势在于：信噪比高、测量精度高、可以同时测量多个参数等。
二、应用领域1. 生物医学应用以荧光标记的生物学分子作为探针，利用荧光光谱分析和显微成像技术，实现了对生物分子结构和功能的高度敏感探测。
例如：绿色荧光蛋白、二级结构预测、蛋白质结构等；同时，可以应用于细胞研究、细胞生物学、代谢成像等领域。
2. 信息传输与光通信传统的光纤通信技术在数据传输速度、带宽和距离上受到限制。
在这个时代，光电探测技术的开发对更高速的数据传输具有重要意义。
光电检测技术与应用 第五章 光电直接探测系统
22
激光波形为：
I t Ae 2t2
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。
20
半视场角为： W d
2f
视场角立体角Ω为：
Ad f2
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：
E 1
2
I d
2
等效距形带宽Δω定义为：
E I 0 2 I(ωo)＝I(0)为最大频谱分量
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。
[2
e2
hv
( PS
Pb )G 2
2dI d G 2
4kt RL
]fR
L
15
信噪比为：
SNR
p
Po Pno
iN2S
e h 2 PS2
iN2B iN2D iN2T
第五章 光电直接检测系统
激光器发射激光脉冲被分为两 部分：参考信号和回波信号。 回波脉冲经光电探测器变换成 电信号，再经放大和整形后， 将电子门打开，使通过电子门 的时钟脉冲进入计数器开始计 时；当回波脉冲（负与门）到 来时，关闭电子们。 在参考和回波脉冲之间计数器 所接收到的时钟脉冲个数代表 来被测距离。
时钟频率越高，测量的分辨率 越高。但分辨率最终取决于激 光脉冲的上升时间。
注意：
在电子细分技术中，常采用四倍频细分法， 这种细分法也是许多其他细分法的基础。
依次相距B／4的位置安放四个光电元件
细分电路原理框图
i
+
C
u1
_
uc _ +
+
R
u2
_
uC (0 _) 0 V
u1
U
tp
u2
t1
t
t
四倍频细分电路
激光测距仪
激光测距仪的类型 – 脉冲激光测距仪 – 相位激光测距仪 激光测距仪的特点 – 测程远、测量精度高 – 结构小巧、携带方便 – 快速、非接触式距离测量 – 激光对点准确 – 受气象条件影响较大 激光测距仪广泛应用于工业、 国防军事、科学技术。
长光栅莫尔条纹
播放动画
长光栅光闸莫尔条纹
播放动画
圆弧莫尔条纹
播放动画 单击准备演示 播放中……
辐射、光闸莫尔条纹
播放中…… 播放动画
环形莫尔条纹
播放中…… 播放动画
单击准备演示
辐射形莫尔条纹
单击准备演示 播放动画
莫尔条纹测长仪
莫尔条纹的原理
– 将两块光栅(同节距)叠加在一 起,并且两者的栅线成很小的 角度θ ,透过光栅能看到随光 栅的移动，某点透过的光强呈 现明暗交替变化.这就是莫尔 条纹的光强调制作用． 条纹变化情况与光栅节 距之间是什么关系？ 光栅相对运动一个节距， 条纹变化一个周期
光电光电检测技术及应用第5章
变换方法 光 学 原 理
应用范围
几何光学法 透射、反射、折射、散 光开关、光学编码、光扫描、 射、遮光、光学成像等 瞄准定位、光准直、外观质 非相干光学现象或方法 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、多谱 勒测速等
图5－14光激电光光电相检测位技术测及距应用仪第5原章 理图
相位测距仪原理：
光电光电检测技术及应用第5章
四、时间法 若光源发出的光通量是脉冲式辐射，这时可
用单个脉冲的时间延迟来测距离，称为时间法。 脉冲式激光测距仪和激光雷达都是时间法测距的 典型应用。
下面两图是脉冲激光测距仪的原理方框图和各 级波形图。
光电光电检测技术及应用第5章
光电光电检测技术及应用第5章
§5.4空间分布的光电信号检测方法与系统
一、光学目标和空间定位 所谓光学目标就是不考虑被测对象的物理本
质，只把它们看作是与背景间有一定光学反差的 几何形体或图形景物。例如机械工件、运动物体、 光学图样和实体景物等。
信号处理的目的是确定目标相对基准坐标的 角度或位置偏差，称作空间定位。
W d/2f
或视场立体角为：
Ad f2
式中，d是探测器直径；
f Ad 为探测器面积； 为焦距。 光电光电检测技术及应用第5章
§5.3随时间变化的光电信号检测方法与系统
非相干光电信号按其时空特点分为随时间变 化的光电信号和随空间变化的光电信号。前者的 特征是信号随时间缓慢变化或周期性以及瞬时变 化，发生于有限空间内，与时间有关而与空间无 关，信号可表示为F(t)。随空间变化的光电信号 发生在一定空间之内，光电信号随空间位置而改 变，表示为F(x，y，z)，有的还同时随时间改变， 表示为F(x，y，z，t)。非相干光电信号的变换与 检测方法如图5-5所示。
第五章 光电信号的检测方法
L= 2/•גN
这就是双频干涉测长装置的测量公式。
2、萨格纳克效应（光程差随转速而改变的现象）和转动差频 当封闭的光路相对于惯性空间有一转动速度Ω时，顺时针光路和
逆时针光路之间形成与转速成正比的光程差ΔL，其数值满足下列 关系：
式中，c为光速，A为封闭光路包围的面积；φ为转速矢量与面积 A的法线间的夹角。当光路平面垂直于Ω时，上式简化为：
图5-13给出像偏移测量轴向位移的原理示意图。
下图为采用PSD和半导体激光器的距离传感器示意图。
驱动电路
半导体 激光器
聚光 透镜
光学 滤光 片
PSD 器件
模拟开关 取样放大器
A/D变 换器
成像聚光镜
信号电 极距 PSD光 敏区中
放大器 输出
电脑 Z K I A I B
IA IB
入射光 点距中
像点的ΔZ′偏移引起原像面上的离焦，使像面照 度分布扩散，如图所示。
2、像点轴外偏移检测的像偏移法
像点偏移法又称光切法。它是一种三角测量方式的轴 向位移测量方法。当将光束照射到被测物体时，用成 像物镜从另外的角度对物体上的光点位置成像，通过 三角测量关系可以计算出物面的轴向位移大小。这种 方法数毫米到数米的距离范围可实现高精度的测量。 在工业领域内的离面位移检测中常常用到。
这一光程差随转速而改变的现象称作萨格纳克效应，图5－22给 出这一效应的图解说明。
三个或三个以上反射绕组成的激光谐振腔使光路转折形 成闭合环路。这种激光器称作环形激光器(如图5－23)。
小型化的环形激光器及相应的光学差频检测装置组成了 激光陀螺。它可以感知相对惯性空间的转动，在惯性导 航中作为光学陀螺仪使用。此外，作为一种测角装置， 它是一种以物理定律为基准的客观角度基准，有很高的 测角分辨率。图5－23(b)给出了早期激光陀螺的结构示 意图。
这就是双频干涉测长装置的测量公式。
2、萨格纳克效应（光程差随转速而改变的现象）和转动差频 当封闭的光路相对于惯性空间有一转动速度Ω时，顺时针光路和
逆时针光路之间形成与转速成正比的光程差ΔL，其数值满足下列 关系：
式中，c为光速，A为封闭光路包围的面积；φ为转速矢量与面积 A的法线间的夹角。当光路平面垂直于Ω时，上式简化为：
图5-13给出像偏移测量轴向位移的原理示意图。
下图为采用PSD和半导体激光器的距离传感器示意图。
驱动电路
半导体 激光器
聚光 透镜
光学 滤光 片
PSD 器件
模拟开关 取样放大器
A/D变 换器
成像聚光镜
信号电 极距 PSD光 敏区中
放大器 输出
电脑 Z K I A I B
IA IB
入射光 点距中
像点的ΔZ′偏移引起原像面上的离焦，使像面照 度分布扩散，如图所示。
2、像点轴外偏移检测的像偏移法
像点偏移法又称光切法。它是一种三角测量方式的轴 向位移测量方法。当将光束照射到被测物体时，用成 像物镜从另外的角度对物体上的光点位置成像，通过 三角测量关系可以计算出物面的轴向位移大小。这种 方法数毫米到数米的距离范围可实现高精度的测量。 在工业领域内的离面位移检测中常常用到。
这一光程差随转速而改变的现象称作萨格纳克效应，图5－22给 出这一效应的图解说明。
三个或三个以上反射绕组成的激光谐振腔使光路转折形 成闭合环路。这种激光器称作环形激光器(如图5－23)。
小型化的环形激光器及相应的光学差频检测装置组成了 激光陀螺。它可以感知相对惯性空间的转动，在惯性导 航中作为光学陀螺仪使用。此外，作为一种测角装置， 它是一种以物理定律为基准的客观角度基准，有很高的 测角分辨率。图5－23(b)给出了早期激光陀螺的结构示 意图。
光电检测技术与应用 ppt课件
光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3) 光电管，摄像管，光电倍增管
色敏传感器
固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）
位置检测用元件（PSD）
光电池
ppt课件
返回14
光电检测系统
光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件 为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发 射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测， 即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。
ppt课件
11
例：空调机测量控制室温 被测对象： 室内空气 被测信息： 温度 检测器具： 温度传感器 --- 热电阻、热电偶
操作过程：空气 热敏电阻 电信号 处理 显示
Hale Waihona Puke 空调机ppt课件返回12
直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的
数值。例如：
– 长度：直尺、游标卡尺、千分尺 – 电压：万用表 – 质量：天平
光电检测技术
ppt课件
1
教材
《光电检测技术与应用》郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社
参考书目
《光电检测技术》曾光宇等编著 清华大学出版社 《激光光电检测》吕海宝等编著 国防科技大学出版社 《光电检测技术》雷玉堂等编著 中国计量出版社
ppt课件
2
目录
第一章 绪论
第二章 2.1 2.2 2.3 2.4
10
检测的基本概念
定义：确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作
被测对象： 被测信息：
宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……）
物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） ……
色敏传感器
固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）
位置检测用元件（PSD）
光电池
ppt课件
返回14
光电检测系统
光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件 为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发 射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测， 即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。
ppt课件
11
例：空调机测量控制室温 被测对象： 室内空气 被测信息： 温度 检测器具： 温度传感器 --- 热电阻、热电偶
操作过程：空气 热敏电阻 电信号 处理 显示
Hale Waihona Puke 空调机ppt课件返回12
直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的
数值。例如：
– 长度：直尺、游标卡尺、千分尺 – 电压：万用表 – 质量：天平
光电检测技术
ppt课件
1
教材
《光电检测技术与应用》郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社
参考书目
《光电检测技术》曾光宇等编著 清华大学出版社 《激光光电检测》吕海宝等编著 国防科技大学出版社 《光电检测技术》雷玉堂等编著 中国计量出版社
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2
目录
第一章 绪论
第二章 2.1 2.2 2.3 2.4
10
检测的基本概念
定义：确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作
被测对象： 被测信息：
宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……）
物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） ……
光电检测技术与应用第5章光电直接检测系统
Es2 t 的时间平均值；
光检测器输出电流为：
Is
Ps
e h
______
Es2 t
e 2h
A2
5-3
2021/4/6
光信息科学与he技术系 称为光电变换比例常数 6
5.1 光电直接检测系统的基本工作原理
若光检测器负载电阻RL，则光检测器输出电功率为：
Po
I
2 s
RL
e h
2
Ps2 RL
测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。
光信息科学与技术系
4
5.1 光电直接检测系统的基本工作原理
光源 强度 调制器
信号
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
回收的
信息
背景噪声场
电路噪声
发射机
接收机
强度调制直接检测模型
光电直接检测系统是将待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。
I e
2021/4/6
被动检测过程示意图
光信息科学与技术系
18
1、被动检测系统的距离方程
I 设被测目标的光谱辐射强度为 e
经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度 Ee为：
Ee
I e 1
L2
1为被测距离L内的大气光谱透过率； L为目标到光电检测系统的距离
P 入射到检测器上的光谱功率 e 为：
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，
第五章 光电直接检测系统
2
若要达到信号噪声限，要求 2 eG PsRL >> 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
PS ( PS Pn ) SNRo 2 2 PS Pn Pn 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
j
k
(mv ) mv Pos ( K , mv ) e K!
mv （）dt I d
v
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 )
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。
Pso SNRo Pno 2e[ e）Ps Pb) Id )]f 4kT f / RL （ ( hv
电子科学与技术教研室电子科学与技术教研室宁波工程学院电子与信息工程学院宁波工程学院电子与信息工程学院第五章光电直接检测系统光电信号检测电科08系统设计光电信号检测光电信号检测光电信号检测光电信号检测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可见光系统多用于民用点探测面探测系统按接受系统分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光电信号检测主动系统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
若要达到信号噪声限，要求 2 eG PsRL >> 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
PS ( PS Pn ) SNRo 2 2 PS Pn Pn 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
j
k
(mv ) mv Pos ( K , mv ) e K!
mv （）dt I d
v
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 )
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。
Pso SNRo Pno 2e[ e）Ps Pb) Id )]f 4kT f / RL （ ( hv
电子科学与技术教研室电子科学与技术教研室宁波工程学院电子与信息工程学院宁波工程学院电子与信息工程学院第五章光电直接检测系统光电信号检测电科08系统设计光电信号检测光电信号检测光电信号检测光电信号检测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可见光系统多用于民用点探测面探测系统按接受系统分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光电信号检测主动系统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
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13
2、直接探测系统的探测极限
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 P ( P G P o S) S hv
2
2
G为探测器增益
当热噪声是主要噪声源时
e h P p SNR
2
2 S
4 KT f R
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。 2 P S
p SNR
2 hv ( P P ) f S b
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:
S2(t) t时刻信号的平方 SNR P 2 N (t) t时刻的噪声方均值
P e
1
I S/2
2 e d
2
12
引入误差函数定义： 2 z erf z e d
2
0
则误码率为：
I I 1 S 1 S P 1 erfz erfc e 2 2 2 2 2 22 I
N
误码率与信噪比有关，当信噪比高时，误 码率就低。
1 P P ( I ) dI e e N N I / 2 S 2
I N 2
dI N
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：
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。
2 S 2
4
光探测器输出电功率为: 2 2 e 2 P ISR P o L S R L h 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:
E t A 1 d t cos t S
12 e 2 I A A d t P [ 1 d ( t )] S S 2 hv
2 S n
8
（i）若PS/Pn1，则有
P S SNRP 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
1P SNR P S 2P n
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。
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：
P P e h R P P o no L S
2 2
2 2 噪声功率： P e h R 2 P P P n o L S n n
10
误码出现条件：
I I kI 或 I I ( 1 k ) S N S N S
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 P [ I I ( 1 k ) 的几率 I kI 的几 e N S N S 2
11
IN呈正态分布，P(IN)=P(-IN)，且k=1/2 误码率Pe为：
15
信噪比为：
2 P e h P SNR p o 2 2 2 S 2 P iNS iNBiNDiNT no 2 2 (e P G / hv ) S 2 2 e2(P P ) G 4k t 2 S b 2 eI f dG hv R L
14
1）光伏型及Βιβλιοθήκη 发射器件的极限信噪比（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 G10 噪声功率为：
2 2 2 2 P i i i i R no NS NB ND NT L 2 e kt 2 2 4 [ 2 ( P P ) G 2 dI G ] fR S b d L hv R L
e h R P 信号功率： P o
2
2 2 e h R P 2 P P P L S Sn S
2 n
2 S
2 L S
输出功率信噪比为：
P P P P o SNR P 2 P P P P 2 P no 2 S n n 1 SP n
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:
P E t A2 S 光探测器输出的电流为 e e 2 2 I P E t A S S S h 2 h α为光电变换比例常数，η为量子效率。 e h
2、直接探测系统的探测极限
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 P ( P G P o S) S hv
2
2
G为探测器增益
当热噪声是主要噪声源时
e h P p SNR
2
2 S
4 KT f R
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。 2 P S
p SNR
2 hv ( P P ) f S b
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:
S2(t) t时刻信号的平方 SNR P 2 N (t) t时刻的噪声方均值
P e
1
I S/2
2 e d
2
12
引入误差函数定义： 2 z erf z e d
2
0
则误码率为：
I I 1 S 1 S P 1 erfz erfc e 2 2 2 2 2 22 I
N
误码率与信噪比有关，当信噪比高时，误 码率就低。
1 P P ( I ) dI e e N N I / 2 S 2
I N 2
dI N
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：
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。
2 S 2
4
光探测器输出电功率为: 2 2 e 2 P ISR P o L S R L h 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:
E t A 1 d t cos t S
12 e 2 I A A d t P [ 1 d ( t )] S S 2 hv
2 S n
8
（i）若PS/Pn1，则有
P S SNRP 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
1P SNR P S 2P n
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。
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：
P P e h R P P o no L S
2 2
2 2 噪声功率： P e h R 2 P P P n o L S n n
10
误码出现条件：
I I kI 或 I I ( 1 k ) S N S N S
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 P [ I I ( 1 k ) 的几率 I kI 的几 e N S N S 2
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IN呈正态分布，P(IN)=P(-IN)，且k=1/2 误码率Pe为：
15
信噪比为：
2 P e h P SNR p o 2 2 2 S 2 P iNS iNBiNDiNT no 2 2 (e P G / hv ) S 2 2 e2(P P ) G 4k t 2 S b 2 eI f dG hv R L
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1）光伏型及Βιβλιοθήκη 发射器件的极限信噪比（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 G10 噪声功率为：
2 2 2 2 P i i i i R no NS NB ND NT L 2 e kt 2 2 4 [ 2 ( P P ) G 2 dI G ] fR S b d L hv R L
e h R P 信号功率： P o
2
2 2 e h R P 2 P P P L S Sn S
2 n
2 S
2 L S
输出功率信噪比为：
P P P P o SNR P 2 P P P P 2 P no 2 S n n 1 SP n
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
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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:
P E t A2 S 光探测器输出的电流为 e e 2 2 I P E t A S S S h 2 h α为光电变换比例常数，η为量子效率。 e h