第9章 直接探测系统

某一波长的光强因大气分子吸收衰减而表现出的 透过率与距离的关系可表示为
I ( ) （吸）＝ e k ( ) I 0 ( )
nL

式中，I0(λ)为射入大气的光强度，I(λ)为经距离L 后透射的光强度。k(λ)是每个分子的吸收系数，μ 为吸收总分子数，n为单位截面、单位距离内的分 子数。
3）按接收系统分，可分为点探测系统和面探测系统
4）从调制方式和信号处理电路的类型分，也可分为模拟 系统和数字系统
5）从光波对信息信号(或被测未知量)的携带方式分，可 分为直接探测系统和相干探测系统
目 标
大 气
光 学 系 统
调 制 器
光 电 探 测 器
电 子 学 系 统
接收系统 光 学 系 统 光 学 系 统 传 输 介 质
N p信

2hf
s

此为直接探测在理论上的极限信噪比，也称为直接探测系 统的量子极限。在量子极限下，直接探测系统理论上可测 量的最小功率为
( NEP)量
2hf


假定探测器的量子效率为1，测量带宽为1Hz，则最小可探 测功率为2hν，此结果己接近单个光子的能量。
但在实际直接探测系统中，很难达到量子极限探测：因为 实际系统的视场不能是衍射极限对应的小视场，于是背景 噪声不可能为零；任何实际的光探测器总会有噪声存在； 光探测器本身具有电阻以及负载电阻等都会产生热噪声； 放大器也不可能没有噪声。 —般地，在直接探测中，光电倍增管、雪崩管的探测能力 高于光电导器件。采用有内部高增益的探测器是直接探测 系统可能趋近探测极限的唯一途径。但由于增益过程将同 时使噪声增加，故存在一个最佳增益系数。
2
e 2 SP RL PS h
2
e 2 NP RL (2PS Pn Pn ) h
2

则输出功率信噪比为：

讨论：
( PS Pn ) 2 SP SNR N P 1 2( PS Pn )
1）若PS/Pn<<1，SNR＝(Ps/Pn)2 ，直接探测系统不适于微 弱光的探测。
信 息 源
调 制 器
光 源
光 学 系 统
光 电 探 测 器 接收系统
电 子 学 系 统
光 源
调 制 器
信 息 源
发射系统
二、光电系统评价指标

光电系统最终都是以电信号形式输出，其输出量是模拟电 信号或者是数字电信号。从最终输出要求来看，它们有一 个公共的指标，这就是信号的输出信噪比。 P信号功率 SNR P噪声功率 (方差) 对于模拟系统来说，人们所关心的是光所传输的信息经过 光电探测系统检出以后其波形是否畸变。在系统中影响波 形畸变的因素可能有许多，但是实际上许多因素可以通过 精心设计各个环节而得到解决，影响信息信号畸变的最根 本的因素是噪声。
入射光线 二次散射 一次散射
接收器 三次散射

大气散射作用对入射光强的衰减也符合指数衰减规律。散射 作用表现出大气的透过率与距离之间的关系也可表示为
光电信号检测
第九章 直接探测系统
§9－1 光电探测系统的类型与指标
一、光电系统分类

光电探测系统的类型是很多的，可以从不同角度出发 把系统进行分类。 分类的目的是可以突出同类系统的特点和共性，以便 掌握其规律性的内容。


分类 1）按携带信息的光源分，可分为主动系统和被动系统 2）按光谱范围分，可分为可，即被一种散射颗粒所 散射的辐射还可能再一次被另一散射颗粒所散射。 散射的结果是大气本身像一个发光体，有自身的辐 亮度。 大气朝下散射使地球表面增加了一个漫射照射的分 量，降低了地面景物的对比度；大气朝上的散射可 以直接进入遥感器。大气散射导致景物的对比度在 到达空间遥感器时有显著的降低。
2


光探测器对光的响应特性包含两层含意，一是光电流 正比于光场振幅的平方，即光的强度；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(IM)光，调制信号为d(t)， 则光探测器输出的光电流为
e IP P[1 d (t )] h

式中第一项为直流项，若光探测器输出有隔交流电容， 则输出光电流只包含第一项，这就是直接探测的基本 物理过程；
S p e / h 2 Ps2 S 2 4kTf / R N p热 i NT

当散粒噪声远大于热噪声时，热噪声可以忽略，则直接探测 系统受散粒噪声限制，这时的信噪比为
Sp e / h 2 Ps2 S 2 2 2 2 2 2 N p散 i NS i NB i ND i NS i NB i ND
分别为信号光、背景光、暗 电流引起的噪声以及负载电 阻和放大器热噪声之和。
e / h P S 2 N p N p i NS i 2 i 2 i 2 NB ND NT
Sp
2 2 s

当热噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽 略时，则直接探测系统受热噪声限制，这时的信噪比为
散射)：当粒子直径与波长相当如水蒸汽、气溶胶等而能见 度恶化时，就会发生以米氏散射为主的散射现象。
(3)无选择性散射(散射颗粒较辐射波长大)当粒子比波长
大得多时(如漂浮尘埃、水珠、雨等），散射仅取决于粒子 的几何形状，这样就失去了波长的选择性。全部色光均等 同地散射。云看上去为白色就是这个道理。

一、直接探测的基本物理过程

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 测器将光强信号直接转化为相应的电流或电压，根据不同系统的要求，再 经后续电路处理（如放大、滤波或各种信号变换电路），最后获得有用的 信号。 信号光场可表示为 E (t ) A cos(t ) ，式中，A是信号光电场振幅，ω 是信号光的频率，则其平均光功率P为


e / h Ps2 M 2 S 2 2 2 2 N p i NS i NB i ND M 2 i NT

2

§9－3 直接光电探测系统的作用距离

作用距离：对于点目标，当目标的张角小于系统的 瞬时视场时，光电系统所接收到的目标辐射能量与 其间的距离有关，与接收到的最小可用能量相应的 距离叫系统的作用距离。 通常希望作用距离越大越好。提高系统作用距离与 提高系统输出信噪比有相同的意义。 分析直接探测系统各环节对系统作用距离的影响。 （主动、被动）
如空气分子和空气中的含碳气体分子等，就产生瑞利散射。 它的散射力与入射光波长的四次方成反比。 例如，0.45μm蓝光的散射力为0.7μm红光的六倍，来 自太阳的蓝光则全向散射。因此，从侧面看太阳光呈蓝色， 而迎着太阳光看则为红色。同理，日出和日落时的太阳看 上去呈红色。
(2)米氏散射(散射颗粒与辐射波长相近似，也叫气溶胶

A2 P E s2 (t ) 2

由光电转换的基本规律可知，光探测器输出的光电流为
e e 2 IP P A h 2 h

若光探测器的负载电阻为RL，则光探测器输出的电功率为

e 2 2 S P I P RL P RL h 光探测器输出的电功率正比于入射光功率的平方。
§9－2

直接光电探测系统
光波携带信息可以采用多种形式，如光波的强度变化、频 率变化、相位变化及偏振变化等。在多数场合中，常常用 光波的强度变化来携带信息，这就需要用直接探测的方法 将光波的强度变化所包含的信息检测出来。
然而，光的频率和相位的变化必需采用光外差探测(相干探 测)方法。


与光外差探测方法相比，直接探测是一种简单而又实用的 探测方法，在工业、航空、航天、军事、医疗等领域得到 广泛的应用。

当背景噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以 忽略时，则直接探测系统受背景噪声限制，这时的信噪比为
Sp e / h 2 Ps2 Ps2 S 2 N p背 i NB 2ef ( e P ) 2hf PB B h

当入射的信号光波所引起的散粒噪声是直接探测系统的主 要噪声源，而其它噪声可以忽略时，则直接探测系统受信 号噪声限制， 这时的信噪比为： P S

2）若PS/Pn>>1， SNR＝Ps/2Pn
3）直接探测方法不能改善输入信噪比；但方法简单、可 靠性高、成本低。
三、直接探测系统的探测极限及趋近方法

如果考虑直接探测系统存在的所有噪声，则输出噪声 总功率为
Np i

2 NS
i
2 NB
i
2 ND
i
2 NT
R
L

则输出信号噪声比为：


一、发射系统

对于主动系统来说，所接收到的功率与光源发射功率有关。 若光源是一个点光源，其辐射功率为P(t)，并向四周发射球 面波。则Ar面接收到的功率为
Ar Ps (t ) P (t ) 2 4L



要充分利用发射源的能量必须提高单位立体角辐射功率。所 以，一般发射系统都由光源和发射光学系统组成，用光学系 统来提高单位立体角发射的能量。 最简单的点光源放在球面反射镜的球心，发射光束的立体角 变为Ωa，得到功率增益为 P(t ) / a 4 Ga P(t ) / 4 a 实际光源不都是向4π立体角辐射的点光源，而是有一确定的 发散角Ω0 。所以功率增益的一般式为




在2.7和6.3μm附近以及21～100μm之间，有水汽的强振转吸收带； 在2.7、4.3和14.7μm附近有二氧化碳的强振转吸收带; 而在可见光区和8～13μm红外区，吸收不明显，是两个对遥感 探测和大气辐射十分重要的大气窗区。若接收辐射的高度由海 平面移至高空，如移至11公里高空，则由于水汽等大量减少， 大气吸收也大为减少。 太阳辐射的紫外部分，波长在0.2μm以下，主要被大气中原子态 或分子态的氧和氮所吸收，完全不能到达地面。 波长短于0.34μm的太阳紫外辐射，由臭氧的哈特莱(Hartley)吸 收带(0.2～0.3μm)和哈根斯(Huggins) 吸收带（0.32～0.36μm）的 共同作用，在到达地面之前， 也绝大部分被吸收。 在可见光窗区，大气吸收较少，这里主要有臭氧的夏普伊 (Chappuis)吸收带（0.43～0.75μm），氧在0.54μm和0.76μm附 近的吸收，以及水汽在0.69μm附近的吸收等。