光电检测技术与应用 第五章 光电直接探测系统
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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。
SNRP
PS 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
1 PS SNRP 2 Pn
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：
Po Pno e h RL PS Pn
2 2 2 2 S
2 2 噪声功率： P no e h RL 2P SP n P n 输出功率信噪比为：
1 Pe P( I N )dIN 2
IS / 2
e
I N 2
dIN
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：
Pe
1
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:
S 2 (t ) t时刻信号的平方 SNRP 2 N (t ) t时刻的噪声方均值
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 Po (PS ) PS G hv
2
2
G为探测器增益
14
1）光伏型及光发射器件的极限信噪比ຫໍສະໝຸດ Baidu
IS / 2
2 e
2
d
12
引入误差函数定义： 2 z erfz e d 0 则误码率为：
2
IS 1 IS 1 Pe 1 erfz erfc 2 2 2 2 2 2 2 IN
误码率与信噪比有关，当信噪比高时，误 码率就低。
13
2、直接探测系统的探测极限
（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 G 10 噪声功率为：
2 2 2 2 Pno iNS iNB iND iNT RL
e 2 4kt 2 2 [2 ( PS Pb )G 2dId G ]fRL hv RL
背景极限灵敏度
17
若背景光功率Pb远小于信号光功率PS PS SNRp 2hf 称为直接检测系统的极限信噪比 当SNR=1时的等效噪声功率即为最小可探 测功率，即：
2 S 2
4
光探测器输出电功率为:
e 2 Po I RL PS RL h
2 S 2
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:
ES t A1 d t cost
1 2 e 2 I S A A d t PS [1 d (t )] 2 hv
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 h SNRp
P 4KTf R
2
2 S
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。
SNRp
PS
2
2hv( PS Pb )f
当背景光功率相对信号功率足够强时，信号功 率产生的散粒噪声可忽略。
PS2 SNRp 2hPb f
信号功率： P o e h RL P
2
e h RL P 2 PS Pn P
2 S
2 S
Po P PS Pn SNRP 2 Pno 2PS Pn Pn 1 2PS Pn
2 S 2
8
（i）若PS/Pn1，则有
10
误码出现条件：
I S I N kIS 或I N I S (1 k )
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 Pe [ I N I S (1 k )的几率 I N kI S的几率 2
11
IN呈正态分布，P(IN)=P(-IN)，且k=1/2 误码率Pe为：
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:
PS E t A 2 光探测器输出的电流为 e 2 e 2 I S PS ES t A h 2h α为光电变换比例常数，η为量子效率。 e h
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。
SNRP
PS 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
1 PS SNRP 2 Pn
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
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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：
Po Pno e h RL PS Pn
2 2 2 2 S
2 2 噪声功率： P no e h RL 2P SP n P n 输出功率信噪比为：
1 Pe P( I N )dIN 2
IS / 2
e
I N 2
dIN
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：
Pe
1
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:
S 2 (t ) t时刻信号的平方 SNRP 2 N (t ) t时刻的噪声方均值
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 Po (PS ) PS G hv
2
2
G为探测器增益
14
1）光伏型及光发射器件的极限信噪比ຫໍສະໝຸດ Baidu
IS / 2
2 e
2
d
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引入误差函数定义： 2 z erfz e d 0 则误码率为：
2
IS 1 IS 1 Pe 1 erfz erfc 2 2 2 2 2 2 2 IN
误码率与信噪比有关，当信噪比高时，误 码率就低。
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2、直接探测系统的探测极限
（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 G 10 噪声功率为：
2 2 2 2 Pno iNS iNB iND iNT RL
e 2 4kt 2 2 [2 ( PS Pb )G 2dId G ]fRL hv RL
背景极限灵敏度
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若背景光功率Pb远小于信号光功率PS PS SNRp 2hf 称为直接检测系统的极限信噪比 当SNR=1时的等效噪声功率即为最小可探 测功率，即：
2 S 2
4
光探测器输出电功率为:
e 2 Po I RL PS RL h
2 S 2
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:
ES t A1 d t cost
1 2 e 2 I S A A d t PS [1 d (t )] 2 hv
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 h SNRp
P 4KTf R
2
2 S
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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。
SNRp
PS
2
2hv( PS Pb )f
当背景光功率相对信号功率足够强时，信号功 率产生的散粒噪声可忽略。
PS2 SNRp 2hPb f
信号功率： P o e h RL P
2
e h RL P 2 PS Pn P
2 S
2 S
Po P PS Pn SNRP 2 Pno 2PS Pn Pn 1 2PS Pn
2 S 2
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（i）若PS/Pn1，则有
10
误码出现条件：
I S I N kIS 或I N I S (1 k )
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 Pe [ I N I S (1 k )的几率 I N kI S的几率 2
11
IN呈正态分布，P(IN)=P(-IN)，且k=1/2 误码率Pe为：
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:
PS E t A 2 光探测器输出的电流为 e 2 e 2 I S PS ES t A h 2h α为光电变换比例常数，η为量子效率。 e h