光电检测技术与应用 第5章 光电直接检测系统2

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。
5.2.4 系统的通频带宽度
频带宽度∆f是光电检测系统的重要指标之一。检测系统要求∆f应保存原有 信号的调制信息，并使系统达到最大输出功率信噪比。系统按传递信号能力， 可有以下几种方法确定系统频带宽度。以脉冲激光波形为例.
I (ω) ∆ 1 ω
1.
等效矩形带宽：∆ω1 =
0.06
τ0
I (0)
2. 频谱曲线下降3dB的带宽 ∆f2 = 3. 包含90%能量的带宽 ∆f = 0.89 3 τ0
直接检测是一种简单实用的方法。
相干检测， 光源：相干光源 原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息， 检测时需要用光波相干原理。 调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制
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 发射机 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 电路噪声 接收机
Vs = ∫
λ1
A λ2 0 Pλ RVλdλ = 2 ∫ Ieλτ1λτ0λ R λdλ e V λ1 L
5-21
R λ为 测 的 谱 应 检 器 光 响 度 V
1、被动检测系统的距离方程 令检测器的方均根噪声电压为Vn，则 它的输出信噪比为：
A λ2 0 Vs = 2 ∫ Ieλτ1λτ0λ R λdλ V L λ1
0.62
τ0
O
ω0
ω
对于输入信号为矩形波时，通过不同带通滤波器的波形的分 析，可知，要使系统可以复现输入信号波形，要求系统带宽∆f：
∆f ≥
4
τ0
5-20
在输入信号为调幅波时，一般情况下取频带宽度为其包络 （边频）频率的2倍。如果是调频波，则要求滤波器加宽频带宽 度，保证有足够的边频分量通过系统。
5.3 直接检测系统的距离方程
(SNR) p
1P s ≈ 2 P 5-11 n
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：
____ ____ ____ ____ 2 2 2 2 P = iNS + iNB + iND + iNT ⋅ RL no
____ ____ 2 2 N S N B
5-12
P in =10−18W m
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。 背景限信噪比可以在激光检测系统中实现，是因为激光光谱 窄，加滤光片很容易消除背景光，实现背景限信噪比。 系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行方法是在光 电检测过程中利用光检测器的内增益获得光电倍增，如光电倍 增管。当倍增很大时，热噪声可忽略，同时加致冷、屏蔽等措 施减小暗电流及背景噪声，光电倍增管可达到散粒噪声限。在 特殊条件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪声，增益过 程中使噪声增加。 在直接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力较高，采用 有内部高增益的检测器可使直接检测系统趋近于检测极限。对 于光电导器件，主要噪声为产生复合噪声（极限散粒噪声）， 光电导器件极限信噪比低，NEP较大。
式中 的解析表达式。通常作如下简化处理：
Vs A λ2 5-22 = 02 ∫ Ieλτ1λτ0λ RVλdλ Vn VnL λ1 Ieλ、 τ1λ、 τ0λ和 Vλ 都是波长的复杂函数，难有确切 R
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， 再乘以物体的平均比辐射率，可得到物体在光谱响应范围内的辐射强度Ie。
回收的 信息
背景噪声场
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。 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：
2 2 s
如果入射光是调幅波，即
Es (t ) = A1+ d(t )]cosωt [
5-5
其中d(t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流 为:
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。
1 2 2 is = αA +αA d(t ) 2
5-6
5.2 光电直接检测系统的基本特性
式分) 式分)
直接检测？/光外差检测系统？ 直接检测？/光外差检测系统？(按光波
对信号的携带方式分) 对信号的携带方式分)
非相干检测，
光 电 检 测 系 统
直 接 检 测 光 外 差 检 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
5.2.3 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
ω
ω
d
A d 或视场角立体角 为： Ω = 2 f
d ω= 2f
5-19
f'
直接检测系统视场角
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P
Ieλτ1λ Pλ = Eeλ A0τ0λ = 2 ⋅ A0τ0λ e L
λ2
A为 收 学 统 入 孔 面 接 光 系 的 射 径 积 0
τ1λ为 收 学 统 光 透 率 接 光 系 的 谱 过
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：
i
,i
和 i i
____ 2 N D
分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。 为负载电阻和放大器的热噪声之和。
____ 2 N T
输出信噪比为：
(SNR) p
P = o = ____ ____ ____ ____ P 2 2 2 2 no iNS + iNB + iND + iNT
(eη hν )2 ⋅ P2 s
5-3
eη α= 称为光电变换比例常数 hν
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：
eη 2 P = I RL = 5-4 P RL o s hν 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。
(SNR) p
(P P ) P P2 o s s n = = = 2 P 2P P + P 1+ 2(P P ) no s n n s n
2
(SNR) p ≈ (P s
(2) 若 P P >>1，则有： s n
P) n
2
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。
2
eη 2 P = ⋅ RL ⋅ 2P P + P no s n n hν
2
2
由信噪比定义，输出功率信噪比为：
5-8
(SNR) p
(P P ) P P2 o s s n = = = P 2P P + P2 1+ 2(P P ) no s n n s n
5-9
5.2.1 直接检测系统的信噪比 (1)若 P P <<1 ，则有： s n
1、被动检测系统的距离方程
大 光 透 率 1λ 气 谱 过 τ
光 响 度 谱 应 Rλ V
信 号 处 理 光 电 检 测
光 透 率 0λ 谱 过 τ 入 孔 面 A 射 径 积0
传 距 L 播 离
接 收 信 息
接收光 学系统
Eeλ
大 气 传 播
被测 目标
L
光 辐 强 谱 射 度 Ieλ
V s
Pλ e
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/ 主动系统/被动系统(按信息光源分) 按信息光源分) 红外系统/ 红外系统/可见光系统(按光源波长分) 按光源波长分) 点探测/ 点探测/面探测系统？(按接受系统分) 按接受系统分) 模拟系统/ 模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方
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 直接检测系统的信噪比—
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：
eη 2 P +P = ⋅ RL ⋅ (P + P ) o no s n hν
2
5-7
考虑到信号和噪声的独立性，有：
eη 2 P = ⋅ RL ⋅ P o s hν
接收机
被动检测过程示意图
1、被动检测系统的距离方程
设被测目标的光谱辐射强度为
Ieλ
Eeλ为：
τ1λ为 测 离L内 大 光 透 率 被 距 的 气 谱 过 ；
L为 标 光 检 系 的 离 目 到 电 测 统 距
经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度
Ieλτ1λ Eeλ = 2 L
入射到检测器上的光谱功率 eλ 为：
Es (t) = Acosωt
光场平均光功率为：
5-1
P = E (t) = A 2 s
2
_______ 2 s
_______ 2 s
5-2
2 E (t ) 表示 Es (t ) 的时间平均值；
光检测器输出电流为：
eη Is = αP = s hν
______ 2 Es t =
()
eη 2 A 2hν
η⋅ P s (SNR) p信 = 2hν∆f
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。 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 =
2hν∆f
η
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
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 的主要噪声源时，直接检测系统受热噪声限制，信噪比为：
(SNR) p
(eη hν ) ⋅ P2 P o = = ____ ____ ____ s ____ P 2 2 2 2 no iNS + iNB + iND + iNT
2
(SNR) p热
⋅ P2 s 4kT ∆f RL
2
5-14
η ⋅ P2 s (SNR) p背 = = eη 2hν∆f ⋅ P B 2e∆f ⋅ ⋅P B hν 5-16
(eη hν )2 ⋅ P2 s
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：
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 电路噪声
回收的 信息
背景噪声场
发射机
接收机
光电检测系统的灵敏度在不同的用途时， 灵敏度的表达形式不同，在对地测距、搜索和 跟踪等系统中，通常用“检测距离”来评价系 统的灵敏度。对于其他系统的灵敏度亦可用距 离方程推演出来。 直接检测系统分为被动检测和主动检测系 统，其距离方程不同。下面分别进行推导。
(eη hν ) =
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 2 制，信噪比为： (eη hν ) ⋅ P2 s (SNR) p散 = ____ ____ ____ 5-15 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 受背景噪声限制，信噪比为：
2 2 2 iNS + iNB + iND