第3章 光电检测技术 第1节

直接探测技术的输出信噪比等于输入信噪比的一半 光电直接探测的前提条件是输入信噪比大于1 直接探测方法不能改善输入信噪比，不适合探测微弱信号。 但是这种方法比较简单，易于实现，可靠性高，成本较低。
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
③ 光电直接探测的信号噪声极限 具有内增益M的探测器上输出的电功率
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3.1.2 光信号的直接探测方法
③ 脉冲测量方法
LOGO
被测物体3放在传送带或链轨上， 传送轮4转动时，物体即移动。 它的移动速度u与传送带的速度 相等，即两者无相对滑动。
物体通过光源1光束的时间为t，即照在光电探测器件上的光线被 遮断的暗脉冲持续时间为t，那么被测物体长度为 L ut
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LOGO
so M 2 2 Ps2 RL SNR 2 2 2 2 no ins inb ind inT RL
当SNR=1时，信号光功率是探测器系统的噪声等效功率(NEP)
1 1 2 2 2 2 NEP ins inb ind inT 2 M
散粒噪声
3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 脉冲测距
LOGO
距离的光电测量主要有两种方法：脉冲法测距和相位法测距。
由激光器对被测目标发 射一个光脉冲，然后接 收目标反射回来的光脉 冲，通过测量光脉冲往 返所经过的时间来算出 目标的距离。
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3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 脉冲测距
信噪比变得更差。即直接探测技术不能用于输入信噪比 小于1时的情况。
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
② 光电直接探测的信噪比
LOGO
si / ni so SNR no 1 2 si / ni
2
输入信噪比很高
si / ni 1
so 1 SNR si / ni no 2
G 2 2 Ps2 G 2 2 Ps2 Ps 2 2 2eG is f 2eG Ps f 2ef
Ps 2hf
2hf 量子噪声
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
③ 光电直接探测的信号噪声极限
LOGO
Ps SNR 2hf
等效噪声功率
NEP
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3.1.2 光信号的直接探测方法
② 光学差动方法
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被测量与参考量进行比较，将两者的差值信号作为检测出的 信号。 特点：电源干扰可以消除、背景干扰可以消除、器件的不一 致性可以消除、检测灵敏度可以提高。 环境影响 液体透过率光学差动法测试装置
输入 敏感元件 敏感元件 变换电路
参考光路
信号光路
d W 2f
Ad 2 f
增大视场角，能够提高发现目标的概率。其具 体措施为增大探测器面积或者减小光学系统焦 距，这两种方案都将明显增大光探测传感器的 本底噪声。
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3.1.2 光信号的直接探测方法
① 直接作用方法
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光直接照射到光电探测器上，光电转换后进行电信号放大， 放大后的信号用于显示。
发射光波强度调制信号（交流部分） Its 接收的光波强度为
Im cos st
I rs I m cos s t t I m cos s t
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3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 相位测距
LOGO
2L 2 f s t 2 f s c 则待测距离L为 L c 4 f s
LOGO
发射望远系统是倒置的 伽利略望远镜，它可使 激光的发散角进一步压 缩，一般输出激光发散 角在毫弧度范围内。单 位立体角的光能量得到 提高，目标所得到的照 度也相应提高，有利于 提高测程和可靠性。
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3.1.2 光信号的直接探测方法
LOGO
④ 激光测距仪 脉冲测距 脉冲激光接收机由接收光学系统、光电探测器、低噪声宽带放 大器和整形电路组成。
2hf

直接探测的理论极限
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
③ 光电直接探测的信号噪声极限
LOGO
如果使系统趋近量子极限则意味着信噪比的改善，可行的方法就 是在光电探测过程中利用光电探测器的内增益获得光电倍增。
2 对于光电倍增管，由于倍增因子M的存在，信号功率 iS 增加M2的同 时，散粒噪声功率也倍增M2倍，信噪比变为：
e i t P t hv
光电直接探测称为包络探测或非相干光探测。 在光电直接探测中，信噪比(SNR)为
s SNR n
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
① 光电探测器的平方律特性 设输入光信号
LOGO
es t Es cos st
is t es2 t
C3 光电检测技术
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3 光电检测技术
光接收机可分为：功率接收机和外差接收机 功率接收机（直接检测接收机或非相干接收机）
空间滤波器 接收到 的光场
接收到 的光场
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聚焦光场
光电检测器
聚焦光场
光电检测器
本振光
外差接收机（空间相干接收机）
2
C3 光电检测技术
LOGO
3.1 3.2 3.3 3.4
光电探测器对光波的频率是不可能直接响应 探测只能获得光强的平均值信息。对应的光电流为
e is t e t E Ps 2 hv α为光电转换因子，Ps为入射光的平均功率
2 s 2 s
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
① 光电探测器的平方律特性
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2 直接探测只响应光波的功率（或振幅）而不响应光波的频 率和相位。
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
④ 光电直接探测的视场角
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直接探测系统接收无穷远处光源发出的光信号，光电探测 器的光敏面位于收集光系统的焦平面上,对应的半视场角
d W 2f
对应的立体角
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Ad 2 f
3.1.1 光强探测系统的基本特性
④ 光电直接探测的视场角
LOGO
由于光源的尺度有限，远场条件下被探测对 象等效于点源。
② 光电直接探测的信噪比
LOGO
输入信号功率、输入噪声功率；输出信号功率、输出噪声功 率一般关系
2 2 so no k si ni k si 2 si ni ni 2
对应的输出信号为
so ksi2
输出噪声为
no k 2 si ni ni2
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LOGO
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3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 脉冲测距
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脉冲测距机 L
目 标
激光器与被测目标的距离
c L t
距离误差
L c t t L c t t
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3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 脉冲测距
A 激光器 参考信号取样器 B 探测器 光阑 干涉滤光片 放大 整形 C T触发器 D 时钟脉冲振荡器 E 计数器 K 回波 发射激光束
3.1.1 光强探测系统的基本特性
② 光电直接探测的信噪比 输出信噪比为
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si / ni so ks SNR 2 no k 2si ni ni 1 2si / ni
2 i 2
输入信噪比很小
si / ni 1
so 2 SNR si / ni no
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
① 光电探测器的平方律特性
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is t

2
Es2 1 2 KV t
幅度调制信号不受平方律影响。 采用隔直电路可得相应调幅信号的输出电流
s t Es2 KV t i
包络探测
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
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电源
同性同步补偿型
3.1.2 光信号的直接探测方法
② 光学差动方法
环境影响 输入 + -
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敏感元件 输出 敏感元件 变换电路
电源
差动结构补偿
共光路干涉仪
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3.1.2 光信号的直接探测方法
③ 脉冲测量方法
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由被测物理量控制的光通量连续作用于光探测器，获得被测量 参数的方法通常称为连续测量法。 由被测物理量控制的光通量断续 地作用在光探测器上，输出电脉 冲，脉冲参数(频率、持续时间、 脉冲数)随被测物理量变化，电 脉冲经过放大后由测量仪表或计 数器读出，这种方法称为脉冲法 或断续作用法。
光电直接检测技术 光电外差检测技术 激光干涉测试技术 激光衍射测量技术
3
3 光电检测技术
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光电直接检测技术
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3.1 光电直接检测技术
LOGO
3.1.1 光强探测系统的基本特性
3.1.2 光信号的直接探测方法
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
① 光电探测器的平方律特性
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光电探测器件实现光电转换。被测信息包含于光功率的变 化中，光电流与光功率的关系为
热噪声
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
③ 光电直接探测的信号噪声极限
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直接探测的最理想状态，不考虑其他噪声，只存在光信 号噪声 2 2 2 2 2 2
G Ps RL G Ps SNR 2 2 2 2 2 i i i i i R ns nb nd nT L ns
考虑探测器的负载电阻，则相应的输出电功率为
2 2 2 P i t R Ps RL e s L
is t e t
2 s

Es2 Ps
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
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
① 光电探测器的平方律特性 对光场进行幅度调制后，输入光信号为
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es t Es 1 KV t cos s t
调制频率有限，调制信号检测结果为
is t e t
2 s

2
2 2 Es2 1 2 KV t K V t


2
Es2 1 2 KV t
回波相位差 注意
cos cos 2 N
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3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 相位测距 距离方程一般形式为
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c L 2 N N 4 f s
LOGO
P e M i t RL P M RL
2 2 s 2 2 s 2
考虑信号噪声、背景噪声、暗电流噪声、热噪声。总噪声 功率为
Pn i i i i
2 ns 2 nb 2 nd
2 nT
R
L
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3.1.1 光强探测系统的基本特性
③ 光电直接探测的信号噪声极限 输出信噪比
LOGO
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3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 脉冲测距 计数脉冲周期 T
LOGO
1 f
两个计时触发间隔对应的光程 L
t nT c c nl 2 2
计数器的频率直接影响测距的精度
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3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 脉冲测距 脉冲激光发射机由激光器、电源和发射望远系统组成 激光脉冲宽度在十纳秒量级。
光学系统收集激光回波 能量会聚到探测器上。 探测器位于光学系统后 焦面上，口径愈大，收 集光能量愈多。 要求光电探测器光谱响 应度高、响应时间短 (纳秒量级)。低噪声的 宽带放大器。
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3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 相位测距
LOGO
相位法测距就是通过测量从激光测距仪发出的连续调制光在待 测距离上往返所产生的相位移动来计算待测距离的方法。 相位测距法比脉冲测距法有更高的测距精度。结合一角锥镜光 反射器，较低的光源功率便可得到较远的测程。适合于民用测 量，如大地测量、地震测量等。
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3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 相位测距
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振荡信号源调制LD激光， 产生“光强正弦调制波”， 通过光学发射机准直为 mrad级的光束射向目标。 经目标反射的回波仍为的 调制波，但产生由测程L决 定的相位延迟。
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3.1.2 光信号的直接探测方法
④ 激光测距仪 相位测距
LOGO
so M 2 2 Ps2 RL SNR 2 2 2 2 no M 2 ins RL i i i nb nd nT
当M很大时，热噪声可以忽略。如果光电倍增管加致冷、屏蔽等 措施可以减小暗电流及背景噪声。因此光电倍增管达到散粒噪声 限是不难的。在特殊情况下可以趋于量子限。