直接探测和外差探测要点共97页文档
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。
直接探测和相干探测[专业知识]
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(e
/
hv
)
2
2 s
in2S in2B in2D in2T
最理想情况，只有信号光电流 引起的散粒噪声（忽略吗？）
SNRd
s 2hv
f
in2S 2eISf
－－直接探测的量子极限
行业相关
20
2.直接探测系统的信噪比
2)直接探测的信噪比极限：
SNRd
s 2hv
f
－直接探测的量子极限
量子极限的另一种表达是：
例：η为1，Δf 为 1Hz， 可探测 ～2hv
9.1 直接探测
－－Drirect Detection ，又称为非相干探测 装置简单，光源为相干光源或非相干光源， 只能探测平均光功率（光强）
9.1.1直接探测的基本原理 9.1.2* 直接探测系统的视场和作用距离
9.1.3直接探测的应用举例
光电科学与工程学院
光信号
光电 探测器
电信号
E E0 cos(2 vt 0 )
响应平均光功率
响应光的频率 ···
直接探测
相干探测
行业相关
6
➢光－电信号变换
光信号
光电 探测器
电信号
E E0 cos(2 vt 0 )
入射光与探测器相互作用的物理过程
行业相关
7
第09章 直接探测和相干探测 ➢光－电信号变换
直接探测 （平均光功率） 相干探测 （光的波动参数） 探测方法的改进
S 2
{as2
ar2
as2
cos(2st
1.直接探测基本物理过程：
平方律器件： Ids SPs[1 V (t)]
－－光电探测器 响应光场包络
光场包络的 频率<1010Hz
直接探测和外差探测要点
后级信号
处理电路
反馈电路
光探测电路示意图
9
3.3.1 前放噪声等效电路
Eso
Eno
Vs－信号源，RS－信号源内阻， Ens－RS的热噪声 En－放大器噪声电压源，In－放大器噪声电流源， Av－放大器电压增益，Zi－放大器的输入阻抗，Eni －放大器输入端的噪声电压，Eso－放大器的输出端 电压，Eno－放大器输出端的总噪声电压
输出信噪比为
(
so M Ri Ps ) 2 2 2 2 no ins inb ind inT
探测器的噪声等效功率为
NEP Ps 1 2 2 2 2 12 (ins inb ind inT ) MRi
5
1 4k BTf 1 2 2 [2eM f (is ib id ) ] MRi RL
2 ns 2 2 2 2 K P ( Ens En In Rs )
2
2
2
KV
Zi Av Rs Z i
－放大器的电压传递函数 （考虑源在内的系统增益，注意和Av的区别！）
－放大器的功率传递函数
K P ( KV )2
2 E 2 2 2 2 no Ens En In Rs2 因此等效输入噪声为： Eni KP
so si2 (si ni )2 ( SNR)o 2 no 2si ni ni 1 2( si ni )
so ( si ni )2，说明直接探测不适合微弱信号 （1）si/ni《1，则有 no
讨论：
的探测；
so 1 ( si ni ) ，转换后信噪比损失不大； （2）si/ni》1，则有 no 2
讨论：
2 nT
（1）热噪声优势 i
光外差探测系统课件
环境监测是光外差探测系统在环保领域的应用，主要用于气体浓度、温度、压力 等参数的测量。
光外差探测系统具有高灵敏度、高精度、实时性强的特点，对于环境监测和污染 治理具有重要的意义。
06
光外差探测系统发展趋势与展望
高性能探测器研究
1 2 3
高灵敏度 通过优化探测器结构、提高材料质量等方式，提 高探测器的光子吸收效率和响应速度，从而提高 探测器的灵敏度。
数据存储与备份
将采集到的数据存储在可靠的存储介质中，并定 期进行备份，以防数据丢失。
系统调试与优化
系统调试
在实验过程中对系统进行实时监 测和调试，确保系统工作正常并 达到预期的性能指标。
性能优化
根据实验结果和实际需求，对系 统的性能进行优化，如调整探测 器参数、改善信号质量等。
故障排查与维护
在系统出现故障时，及时排查故 障原因并进行修复，确保系统的 稳定性和可靠性。
实验设备布局
根据实验需求合理布置实 验设备，包括激光器、光 外差探测器、信号源等， 确保设备间的连接无误。
环境温湿度控制
保持实验环境的温湿度稳 定，以确保实验结果的准 确性和可靠性。
数据采集与处理
数据采集方式
采用高速数据采集卡或示波器等设备，对探测器 输出的信号进行采集。
数据处理算法
根据实验需求选择合适的数据处理算法，如滤波、 放大、解调等，以提取有用的信号信息。
光谱分析
用于光谱分析中，实现对气体、液体、固体 等物质的高精度光谱测量。
光通信
用于光通信系统中，实现高速、大容量、低 噪声的光信号接收。
激光雷达
用于激光雷达系统中，实现高精度、远距离 的激光测距和成像。
02
光外差探测系统组成
第8章 外差(相干)探测系统
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外差探测系统
光频外差探测，就是把以 为载频的光频信息转换到以ω 光频信息转换到以 光频外差探测，就是把以ωs为载频的光频信息转换到以 IF 为载频的中频电流 中频电流上 这一“转换”是本振光的作用， 为载频的中频电流上。这一“转换”是本振光的作用，它 使外差探测具有一种天然的转换增益 转换增益。 使外差探测具有一种天然的转换增益。 在同样信号光功率P 条件下， 在同样信号光功率 s 条件下，相干探测和直接探测方法得 到的信号功率比， 转换增益为 到的信号功率比，即转换增益为：
2 2
有效中频功率与信号光功率和本振光信号平均功率乘 积有关。 积有关。
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外差探测系统
调幅信号的相干探测
信息信号加载在频率为ω 若调制频率为 的信息信号加载在频率为 s的光波振幅 调幅光波可表示为： 上，调幅光波可表示为：
调幅波振 幅平均值 第n次谐波分量的 次谐波分量的 圆频率和初始相位
ωLs 光电探测器转换的信号电源正比于瞬时中频电流。 光电探测器转换的信号电源正比于瞬时中频电流。光波 振幅上所携带的调制信号完全无畸变地转移到频率为 ωLs=ωL－ωs的电流上去。 的电流上去。 调频、调相方式的相干探测与之类似， 调频、调相方式的相干探测与之类似，但直接探测则无 法达到。 法达到。
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外差探测系统
§8-2 光频外差探测的特点
1 高的转换增益
信号光功率，本振光功率与相应电场振幅的关系为： 信号光功率，本振光功率与相应电场振幅的关系为：
大气探测知识点总结
1.直接探测、直接探测原理直接探测：将感应元件置放于测量位置上，直接测量大气要素的变化。
直接探测原理：根据元件的物理、化学性质受大气某种作用而产生反应的特点。
例子：温度表，水银液体的热胀冷缩性质。
2.遥感探测、遥感探测原理遥感探测：探测元件不放置于测量物体上，间接反演大气要素的变化遥感探测原理：是根据大气中声、光、电等信号传播过程中性质的变化，反演出大气要素的时空变化例子：鸽子照相，胶片对光的感应，卫星，辐射传输的变化3.主动遥感、被动遥感？主动遥感（发射能量）：设备具有声、光、电磁波发射源，在其测量空间中大气特性对其传播信号产生相应的吸收、散射、反射形成带有大气特征的回波信号。
如：测云雨雷达被动遥感（不发射）：直接探测来自大气的声、光、电磁波信号。
如：一些气象卫星传感器4.几个概念：灵敏度，精确度，惯性，稳定性灵敏度：指单位待测量的变化所引起的指示仪表输出的变化，仪器的灵敏度与它的感应原理有关。
精确度：是指测量值与实际值（真值）接近的程度，可以通过仪器误差的数值进行衡量。
惯性：指仪器的响应速率，它与电子仪器常用的时间常数的意义相同。
稳定性：主要指被测量与输出信号（读数）之间的检定关系的年变化率。
5. 大气探测代表性、准确性和比较性的含义。
代表性：观测记录不仅要反映测点的气象状况，而且要反映测点周围一定范围内的平均气象状况。
气象站的暴露状况是决定其代表性的关键因素。
气象站的代表性误差要远大于单纯的仪器系统设定的代表性误差。
在丘陵或滨海地区的气象站，对于较大尺度或中尺度来说，基本不具代表性。
准确性：观测记录应真实地反映实际气象状况。
在气象观测中应使用良好的仪器系统并进行正确操作，以达到所规定的准确度。
在气象观测实际业务中，观测准确性需要熟练的人员、技能培训、良好的装备和技术支持等方面的支撑。
比较性：不同地方的地面气象观测站在同一时间观测的同一气象要素值，或同一个气象站在不同时间观测的同一气象要素值能进行比较，从而能分别表示出气象要素的地区分布特征和随时间的变化特点。
直接探测和外差探测要点共99页文档
44、卓越的人一大优点是：在不Βιβλιοθήκη 与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
直接探测和外差探测要点
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
光电检测技术光电检测技术试卷(练习题库)(2023版)
光电检测技术光电检测技术试卷（练习题库）1、光电检测系统通常由哪三部分组成？2、光电效应包括哪些？3、外光电效应4、内光电效应5、简述内光电效应的分类？6、光电导效应7、光生伏特效应8、光电池是根据什么效应制成的将光能转换成电能的器件，按用途可分为哪几种？9、激光的定义，产生激光的必要条件有什么？10、热释电器件必须在什么样的信号的作用下才会有电信号输出？11、CCD是一种电荷耦合器件，CCD的突出特点是以什么作为信号，CCD的基本功能是什么？12、根据检查原理，光电检测的方法有哪四种？13、光热效应应包括哪三种？14、一般PSD分为两类，一维PSD和二维PSD,他们各自用途是什么？15、真空光电器件是基于什么效应的光电探测器，它的结构特点是有一个真空管，其他元件都在真空管中，真空光电器16、响应度（或称灵敏度）17、亮电流18、光电信号的二值化处理19、亮态前历效应20、热释电效应21、暗态前历效应22、简述雪崩光电二极管的工作原理？23、简述光生伏特效应与光电导效应的区别？24、简述光生伏特效应与光电导效应的联系？25、什么是敏感器？26、简述敏感器与传感器的区别？27、简述敏感器与传感器的联系？28、简述发光二极管的工作原理？29、简述PIN型的光电二极管的结构？30、简述PIN型的光电二极管的工作原理？31、简述PIN型的光电二极管的及特点？32、简述光电检倍增管的结构组成？33、简述光电检倍增管的工作原理？34、简述CCD器件的结构？35、简述CCD器件的工作原理？36、举例说明补偿测量方法的原理？37、举例说明象限探测器的应用。
38> 坎德拉(Cande1a,cd)39、象增强管40、本征光电导效应41、信息载荷于光源的方式信息载荷于透明体的方式、信息载荷于反射光的方式、信息载荷于遮挡光的方式、信息载荷42、光源选择的基本要求有哪些？43、光电倍增管的供电电路分为负—供电与正—供电，试说明这两种供电电路的特点，举例说明它们分别适用于哪44、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在那种偏置状态？为什么？45、为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光？而光电二极管要零偏或反偏才能有光生伏特效应？46、简述三种主要光电效应的基本工作原理？47、光电探测器与热电探测器在工作原理、性能上有什么区别？48、简述光电探测器的选用原则？49、简述光电池、光电二极管的工作原理及区别？50、叙述实现光外差检测必须满足的条件？51、光具有的一个基本性质是（）。
4.10 光频外差探测的基本原理解析
发生相干，获得振幅、频率和相位信号。 应用领域：光外差探侧在激光通信、雷达、测 长、测速、测振、光谱学等方面都很有用。精度达 7~8个数量级。 适用范围：激光受大气湍流效应影响严重，破 坏了激光的相干性，因而目前远距离外差探测在大 气中应用受到限制，但在外层空间特别是卫星之间 通信联系已达到实用阶段。
主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
3．外差探测信噪比
在相干探测中光混频器输出的中频信号功率正比于信号光和本 振光平均光功率的乘积。 假定光混频器具有内部增益G，光混频器的中频输出功率为
e 2 PIF 2 SP L RL G P hv
在光外差探测系统中遇到的噪声与直接探测系统中的噪声基本相 同，存在多种可能的噪声源。在此只考虑不可能消除或难以抑制 的散粒噪声和热噪声两种。在带宽为 f IF的带通滤波器输出端， 电噪声功率为
fS
2 f L 1 c
则信号光束与本地振荡光束的差频为
2 c 2 2 fS fL fL c L c L
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
可以求得
S f L 310 Hz
6
若取放大器的带宽f相为最大频移，则
3
主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
入射到探测器上的总光场为
由于光探测器的响应与光电场的平方成正比，所以光探测器 的光电流为
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4
主讲:周自刚《光电子技术》§4.10 光频外差探测的基本原理
式中：
是光电变换系数，η为量子效率 hυ为光子能量，ωc
=ωL-ωs称为差额。
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改 10直接探测和相干探测
l =?
2π / 2π(2nl / ) 2π( N m)
2nl 3.5 l 1.75
光场包络的 频率<1010Hz
I as S s [1 V (t )] e I as s [1 V (t )] h
例1 比较光场频率和光强度信号的变化频率 设光栅的栅距P＝40μm 相对移动的速度V =1cm/s 半导体激光器,波长λ =890nm 光场频率 v =?
s c / 3 108 / 890 109 3.37 1014 Hz
热力学方法，制冷降低探测器噪声 *提高器件内增益（光电倍增管、雪崩管）
例：红外探测系统
光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜· ·
第十章
直接探测和相干探测
光－电信号变换
直接探测 （平均光功率） 相干探测 （光的波动参数）
第10章 直接探测和相干探测 直接探测：（非相干探测）
装置简单，光源为相干光源或非相干光 源，只能探测光功率（光强）。
光强度信号的变化频率f = ？
m x [1 cos(2π )] 2 P m V [1 cos(2π t )] 2 P V m v 250Hz [1 cos(2πvt )] P 2
2.直接探测系统的光子信噪比(光信号输出/ 光噪声输出)
经推导得(江月松P255)，输出电信号信噪比为：
10.2.4 相干探测的应用举例
1)单频激光测长
单频
I hs Sas ar cos(t )
I hs Sar as cos
2π /
参考光
2 nl
信号光
2π / 2π(2nl / ) 2π( N m)
《直接探测系统》课件
直接探测系统的信号质量评估
信号强度
评估信号的强度和稳定性，确保信号能够被 探测器有效接收。
信噪比
评估信号与背景噪声的比值，以确定信号的 清晰度和可辨识度。
分辨率
评估系统对不同目标或细节的分辨能力，以 确定系统的探测精度和识别能力。
动态范围
评估系统对不同强度信号的响应范围，以确 保系统能够处理各种不同的信号强源自。《直接探测系统》PPT课件
目录
• 直接探测系统概述 • 直接探测系统的基本原理 • 直接探测系统的关键技术 • 直接探测系统的性能指标 • 直接探测系统的应用实例 • 直接探测系统的未来展望
01 直接探测系统概述
定义与特点
总结词
概述直接探测系统的定义、特点及与其他探测方法的区别。
详细描述
直接探测系统是一种通过直接接收和测量目标发出的信号来进行探测的技术。它具有高灵敏度、高分辨率和高速 度等优点，因此在许多领域都有广泛的应用。与间接探测方法相比，直接探测系统不需要通过其他介质或物理现 象来间接获取目标信息，因此具有更高的准确性和可靠性。
详细描述
高速数据采集通常采用高性能的ADC和FPGA等技术，通过优 化采样速率、分辨率和动态范围等参数，实现高速、高精度 、低失真的数据采集和处理。
数字信号处理技术
总结词
数字信号处理技术是直接探测系统中的重要组成部分，它能够通过算法和软件对 采集到的数据进行处理和分析，提取有用的信息，提高探测的精度和可靠性。
直接探测系统的应用领域
总结词
列举直接探测系统的应用领域及具体应用场景。
详细描述
直接探测系统广泛应用于雷达、声呐、通信、导航、地质勘探、无损检测等领域。在雷达和声呐中， 直接探测系统用于远程探测和识别目标；在通信和导航中，直接探测系统用于信号接收和定位；在地 质勘探和无损检测中，直接探测系统用于探测地下结构和检测材料内部的缺陷。
管线探测方法
管线探测方法(总4页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--管线探测方法(1)磁电充电法(或称直连法)：发射机一端接金属管线，另一端接地，将交变电流直接注入地下金属管线，观测管线电流产生的磁场。
可对各种金属管线进行扫描定位、测深、连续追踪并区分相邻管线。
由于管线电流产生的信号很强，故信噪比和分辨率均较高，水平定位、垂直测深精度最高，但必须有金属管线出露点。
在各种方法中，探测效果最好。
(2)电偶权感应法：发射机两端接地，在金属管线中产生感应电流，观测管线电流激励的电磁信号。
可搜索、追踪地下各种金属管线。
管线不需有地表露头，且信号较强，但应具备接地条件。
在有接地条件的地段，可用来探测金属管线。
(3)磁偶极感应法：由发射线圈产生一次交变电磁场，使金属管线产生感应电流．观测管线中感应电流在地面上产生的二次电磁场以确定管线在地下的分布状态。
在无管线露头及不具备接地条件的城市可用来确定管线走向、平面位置和埋深。
仪器操作员活、方便、效率高、效果好，是目前应用最多的一种有效方法，但探测深度一般小于5m，并且相邻管线干扰严重。
在磁偶极感应法中，若将发射线团(磁偶极子)送人管道内，在地面观测它产生的电磁场，则可以探测管道的位置和深度，而且特别适用于非金属管道的探测。
探测深度大、效果好；但操作麻烦、成本高，探头容易在管道中遇阻或遇卡。
(4)信号夹钳法：用信号夹钳套在金属管线上，使其产生感应电流，观测该电流的磁场。
特点是：信号强，探测精度高，易分辨相邻管线，但必须有管线出露点，可用来对管径较小，且有出口点的金属管线进行定位和定深。
(5)50Hz法：利用动力电缆、邻近电缆或工业离散电流在金属管线中产生的50 Hz感应电流激励的电磁场，可探测动力电缆或金属管线。
这种方法探测成本低、效率高、简单方便，但容易受到其他动力电缆的干扰，有的机型仅用接收机不能直读测深，可作为一种辅助性的探测方法。