光电检测技术与应用光电直接检测系统.ppt

第五章 光电直接检测系统DateDate1 1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DateDate2 2光电检测系统分类§ 主动系统/被动系统(按信息光源分) § 红外系统/可见光系统(按光源波长分) § 点探测/面探测系统？(按接受系统分) § 模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方 式分) § 直接检测？/光外差检测系统？(按光波 对信号的携带方式分)DateDate3 3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，作用距离更远非相干检测，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、偏振调制直接检测是一种简单实用的方法光 外 差 检 测直 接 检 测光 电 检 测 系 统DateDate4 45.1 光电直接检测系统的基本工作原理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强度 调制器光学天线光学通道接收天线及光 电检测器光电信号 处理器光源信号发射机背景噪声场接收机电路噪声回收的 信息强度调制直接检测模型DateDate5 55.1 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：5-1光场平均光功率为：表示的时间平均值；5-2光检测器输出电流为：称为光电变换比例常数5-3DateDate6 6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：5-4如果入射光是调幅波，即其中d(t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流 为:5-5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5-6DateDate7 75.2 光电直接检测系统的基本特性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：5-7考虑到信号和噪声的独立性，有：5-8 由信噪比定义，输出功率信噪比为：5-9DateDate8 85.2.1 直接检测系统的信噪比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。

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1)若，则有：5-10(2) 若，则有：5-11DateDate9 9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DateDate10105.2.2 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：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5-12输出信噪比为：5-13DateDate11115.2.2 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：5-14② 当散粒噪声远大于热噪声时，直接检测系统受散粒噪声限制，信噪比为： 5-15③ 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：5-16DateDate12125.2.2 直接检测系统的检测极限假定光波长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：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：5-18DateDate1313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5.2.2 直接检测系统的检测极限DateDate14145.2.3 直接检测系统的视场角直接检测系统视场角检测器物镜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 ：或视场角立体角Ω为：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5-19DateDate15155.2.4 系统的通频带宽度频带宽度Δf是光电检测系统的重要指标之一检测系统要求Δf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.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Δf：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5-201. 等效矩形带宽：2. 频谱曲线下降3dB的带宽3. 包含90%能量的带宽DateDate16165.3 直接检测系统的距离方程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强度 调制器光学天线光学通道接收天线及 光电检测器光电信号 处理器光 源信 号发射机背景噪声场接收机电路噪声回收的 信息DateDate17171、被动检测系统的距离方程被动检测过程示意图大 气 传 播接收光 学系统信 号 处 理接收机接 收 信 息光 电 检 测被测 目标DateDate1818设被测目标的光谱辐射强度为经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度 为：入射到检测器上的光谱功率 为：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：5-211、被动检测系统的距离方程DateDate19191、被动检测系统的距离方程都是波长的复杂函数，难有确切 的解析表达式通常作如下简化处理：式中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将上述值代入5-22式，可得：令检测器的方均根噪声电压为Vn，则 它的输出信噪比为：5-22DateDate20205-23即： 5-24又因为：5-25将上式代入5-24，可得：5-26式中Ad为检测器面积；Δf为系统 的带宽；D*为检测器的归一化检 测度；AoIe=P0是入射到接收光学 系统的平均功率考虑到系统的调 制特性，入射到探测器上的有效功 率为：S(ω)为调制信号的功率谱DateDate2121为清楚地看出系统各部件对检测距离的影响，把调制特性考 虑为对入射功率的利用系数km，则上式改写为：5-27第一个括号是目标辐射特性及大气透过率对检测距离的影响 ； 第二个括号和第三个括号表示光学系统及检测器件特性对作 用距离的影响； 第四个括号是信息处理系统对作用距离的影响DateDate2222大 气 传 播接收光 学系统信 号 处 理接收机回 收 信 息光 电 检 测强度 调制器发射光 学系统光 源信 号 发射机 反射 目标2、主动检测距离方程主动检测过程示意图DateDate2323主动检测系统的光源主要为激光光源。

令其发射功率为Ps(λ)； 发射束发散立体角为Ω；发射光学系统透过率为τ01(λ)，经调 制的光能利用率为km，则发射机发射的功率PT(λ)为：激光在大气中传播时，能量若为按指数规律衰减，令衰减系数为 k(λ)，经传播距离L后光斑面积为SL=ΩL2，光斑SL的辐射照度Ee 为：设在距光源L处有一目标，其反射面积为Sa普通情况下把反射 体看作是朗伯反射，即在半球内均匀反射，其反射系数为r在 此条件下，单位立体角的反射光辐射强度Ie(λ) 为：2、主动检测距离方程DateDate2424假定接收机和发射机在一处，反射光经大气传输到接收器的过程 仍遵守指数规律衰减，衰减系数仍为k(λ)，则接收功率为：式中，D0为光学系统接收口径；Ω’=πD02/4L2为接收系统的立 体角如果接收光学系统的透过率为τ02(λ)，则检测器上接收 到的总功率为：式中:检测器上的输出电压为：DateDate2525式中：RV(λ)为检测器相对光谱响应度，将5-25式代入上式得距 离L为：如果目标反射面积Sa等于光斑照射面积ΩL2，则上式可化为：可知，影响检测距离的因素很多，发射系统、接收系统的大气 特性以及目标反射特性都将影响检测距离。

在前面计算距离时，在被动检测系统中，由于光谱范围宽，大气衰减作用以 透过率表示，而在主动检测系统中，绝大多数系统是以激光做光源，激光光 谱较窄，用衰减系数表示，其物理意义是等价的DateDate26265.4 直接检测系统的举例计量光栅可分为透射式光栅 和反射式光栅两大类，均由光源 、光栅副、光敏元件三大部分组 成光敏元件可以是光敏二极管 ，也可以是光电池透射式光栅 一般是用光学玻璃或不锈钢做基 体，在其上均匀地刻划出间距、 宽度相等的条纹，形成连续的透 光区和不透光区5.4.1 莫尔条纹测长仪 在检测技术中常用的是计量光栅计量光栅主要是利用光 的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分辨力，可优 于0.1m 黑白光栅DateDate2727计量光栅由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成，标尺 光栅和指示光栅的刻线宽度和间距完全一样将指示光栅与 标尺光栅叠合在一起，两者之间保持很小的间隙（0.05mm或 0.1mm）在长光栅中标尺光栅固定不动，而指示光栅安装 在运动部件上，所以两者之间可以形成相对运动 在透射式直线光栅中，把主 光栅与指示光栅的刻线面相对叠。