光电直接检测系统PPT课件

Is Ps h e _ Es_ 2_ t__2e_hA2
5-3
e 称为光电变换比例常数 h
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 Is2RL he2Ps2RL
5-4
光检测器的平方律特性：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。
____
i
2 NT
为负载电阻和放大器的热噪声之和。
输出信噪比为：
SNpR P P noo_ iN 2_S e __ i_N 2_hB __ i_N 2 2_D P _s2 _ i_N 2_T __ 5-13
5.2.2 直接检测系统的检测极限
① 当热噪声是直接检测系统
SNpR P P n oo_ iN 2_S e __ i_N 2_ hB __ i_N 2 2_ D P _s2 _ i_N 2_T _
如果入射光是调幅波，即 E st A 1 d tco ts5-5
其中d(t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流
为:
is
1A2A2dt
2
5-6
式中第一项为直流项，若光检测器输出端有隔直电容，
则输出光电流只包含第二项，称为包络检测。
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—衡量模拟系统好坏及灵敏度
受背景噪声限制，信噪比为：
SNp背 R2ee fh h e 2P P sB 22h P fs2 P B
5.2.2 直接检测系统的检测极限
④ 当入射信号光波所引起的噪声为直接检测系统的主要噪声源 时，直接检测系统受信号噪声限制，这时信噪比为：
SNRp信
Ps 2hf
5-17
该式为直流检测在理论上的极限信噪比，称为直接检测系统 的量子极限，又称量子限灵敏度。
第五章 光电直接检测系统
典型的光电检测系统
▪ 直接检测系统（光强调 制）
– 莫尔条纹测长仪 – 激光测距仪 – 激光准直 – 环境污染检测系统
▪ 光外差检测系统
– 激光干涉测长仪（相位 调制）
– 多普勒测速（频率调制） – 光外差通信
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) ▪ 点探测/面探测系统？(按接受系统分) ▪ 模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方
光检测器输出的总功率包括信号电功率和噪声功率，可表示为：
P oP noh e 2RLP sP n2
5-7
考虑到信号和噪声的独立性，有：
Po
e h
2
RL
Ps2
Pn oh e 2RL2PsPnP 5n -28
由信噪比定义，输出功率信噪比为：
Biblioteka Baidu
SN p R P P n oo 2 P sP P n s2 P n 2 1 P 2 sP P snP 2 n 5-9
检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信号，前端还 可经过频率滤波和空间滤波等处理。
5.1 光电直接检测系统的基本工作原理
假定入射光信号电场为：
EstAco ts
5-1
光场平均光功率为：
_______
Ps Es2tA2 2
5-2
_______
E
2 s
t
表示
Es2 t
的时间平均值；
光检测器输出电流为：
(2)
若 Ps Pn 1，则有：
SNRp
1 2
Ps Pn
5-11
输出信噪比是输入信噪比的一半。即经过光电转换，信噪
比损失了3dB。实际应用中可以接受。
可见，直接检测方法不能改善输入信噪比，适宜不是很微弱的 光信号检测。但这种方法简单，易于实现，可靠性高，成本低， 得到广泛应用。
在数字式光电系统中，噪声对系统的影响常 使用“误码率”来衡量。误码率仍然与信噪比 有关。信噪比高，误码率低。由噪声的概率分 布规律考虑“概率问题”来衡量。
5.2.2 直接检测系统的检测极限及趋近方法
考虑直接检测系统中存在的所有噪声，则输出噪声总功
率为：
Pno_ iN 2_S __i_N 2_B __ i_N 2_D __i_N 2_T_ _RL
5-12
________ ____
iN 2S, iN 2B 和iN 2D 分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。
5.2.1 直接检测系统的信噪比
(1)若 Ps Pn 1，则有：
SN p R P P n oo 2 P sP P n s2 P n 2 1 P 2 sP P snP 2 n
SN pR P s P n2
5-10
说明输出信噪比是输入信噪比的平方，可见，直接检测系 统不适用于输入信噪比小于1或微弱光信号的检测。
统差
检测时需要用光波相干原理。
检
调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制
测 测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。
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。
若用等效噪声功率NEP值表示，在量子极限下，直接检测系
统理论上可测量的最小功率为：
NEP 量
2hf
5-18
假定光波长λ=0.7µm，检测器的量子效率η=1，测量带宽Δf=1， 由上式得到系统在量子极限下的最小可检测功率为
Pmin1018W
5.2.2 直接检测系统的检测极限
在实际直接检测系统中，很难达到量子极限检测。实际系统 总会有背景噪声、检测器和放大器的热噪声。
式分)
▪ 直接检测？/光外差检测系统？(按光波
对信号的携带方式分)
非相干检测，
直 接 光检 电测
光源：非相干或相干光源 原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为
电信号，解调电路检出信息。 调制方法：光强度调制、偏振调制
直接检测是一种简单实用的方法。
检
相干检测，
测
光
光源：相干光源
系
外
原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息，
的主要噪声源时，直接检测系统受热噪声限制，信噪比为：
SNpR 热e4kh T f2R P Ls2
5-14
② 当散粒噪声远大于热噪声时，直接检测系统受散粒噪声限
制，信噪比为：
S
NRp散
e h 2Ps2
_ _ _ __ _ _ __ _ _
_
5-15
iN 2 SiN 2 BiN 2 D
③ 当背景噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统