Ch.8 光电探测技术reiew.pdf

Ch.8 光电探测技术１.探测系统（直接探测、外差探测）２.信号起伏极限和背景起伏极限３.噪声对最小可探测功率的限制４.噪声对脉冲码调制系统误码率的影响５. 信号的检测（微弱、红外信号）直接探测系统光电探测器是把入射到探测器上的光功率转换为相应的光电流，)()( tPhvetIη=直接对光电流进行探测，为直接探测由于光电流是对入射光功率的响应，相应于光功率的包络变化，所以也叫包络探测直接探测系统的信噪比性能分析设信号光功率为si，噪声光功率ni，光电探测器的输出电功率为so，输出噪声功率no，由光电探测器平方律，)2()(222iiiiiioonnssKnsKns++=+=+)2(22iiioionnsKnKss+==信号和噪声的独立性则输出信噪比，)/(21)/(2)(222iiiiiiiiooonsnsnnssnsSNR+=+==讨论：2)(iioonsns≈则有,1)/( >iinsiioonsns21≈输出信噪比是输入信噪比的平方输出信噪比是输入信噪比的一半,损失不大说明直接探测适用于强光探测，如果是小信号，由于电信号的输出也小，为了信号处理和显示，需加前置放大，但放大器对噪声也放大，同时，放大器本身也要引入新的噪声，因此，需合理配置。

直接探测系统的噪声等效功率（NEP）分析)cos()( tEtesssω=设入射信号光电场为光电流为)()()()(2teDtPDtPhvetIssss===η光电探测器的响应时间远大于光频变化的周期，所以光电转换过程实际是光场变化的时间积分响应．sssDPDEtI ==221)(光电探测器的电输出功率222sLLsePRDRIP ==222sLePRMDP =探测器的光电转换因子考虑内增益只考虑光信号噪声，对光电倍增管（光电二极管？光电导探测器？）LsLNNfRIeMRIP ∆==222feDPfRIeMRPMDPPnssLsLsNeoo∆=∆==222222输出信噪比噪声等效功率ηfhvPsNEPUSNR∆===21)(若WNEPHzfm22105.7,1%,50,06.1−×≈=∆==则ηµλ而Jhv22107.18−×=单光子接收灵敏度单位信噪比时的信号光功率光频外差探测光频外差原理光电探测器起光混频的作用，对信号光和本振光的差频分量响应，输出中频电流sωLωsω光学天线带通滤波器光电探测器中频放大器本振激光L中频电信号输出ω设同方向，同偏振方向的信号和本机振荡光束的电场分别为)cos()(sssstEte ϕω +=)cos()(LLLLtEte ϕω +=)()( tDPtI =得2)]()([)( teteDtILs+=由则})]()cos[()]()cos[()(cos)(cos{)(2222LsLsLsLsLsLsLLLssstEEtEEtEtEDtIϕϕωωϕϕωωϕωϕω++++−+−++++=光谱响应频率响应LsIFωωω −=考虑光电探测的物理过程，频率响应)]}(cos[22{)(22LsIFLsLstEEEEDtI ϕϕω −+++=经过有限带宽的中频放大器，直流项滤除，只剩交流项)](cos[LsIFLsFItEDEI ϕϕω −+=光频外差是全息探测技术．在直流探测中，只响应光功率的时变信息，在光频外差探测中，光频电场的振幅、频率、相位所带的信息都可探测出来。

)cos(,LsLSIFLsEDEI ϕϕωω−==若零拍探测则光频外差的基本特性高转换增益：光频外差的光电转换不是检波过程，而是把以为载频的光频信息转换到以为载频的中频电流上，因此定义转换增益为sωLωLPG =IFP而LLsLIFIFRPPDRtIP222)( ==LsLsLRPDRIP222==中频电流输出的电功率则因PL>>Ps，则Ｇ＞＞１PsPGL2=本振光的电功率信号光功率设ＰＬ＝０.５ｍＷPs/W10-310-410-510-610-710-810-910-1010-11G 1 10 100 103104105106107108可见，微弱光照射下，外差探测器表现出十分高的转换增益．良好的滤波性能：直接探测中，加窄带滤光片，如滤波片带宽１nm，相应的频带宽度（波长１０.６um），Hzcf92103×=∆=∆ λλ滤外差探测中，取差频宽度作为信息处理器的通频带，则LsLsIFfff −=−=∆πωω2１０.６um外差测速装置，当运动目标沿光速方向速度为V＝１０m／s时，信号回波的多普勒频率)21(cffLsυ±=若目标向光源运动，HzfcfffLIFLs6106.22×==∆=−υ可见，外差探测有良好的滤波性能．良好的空间和偏振鉴别能力信号光和本振光沿同向、同偏振方向传播。

光频外差探测的信噪比令输入端信号场和噪声场分别为si和ni，本振光束的信号和噪声分别为sL和nL，则入射到探测器面上的总输入场为LLiiinsnse +++=则输出信号为2)(LLiiooonsnsDnse +++=+=简化后，)(2LLiLLiooonsnsssDnse ++≈+=考虑信号和噪声的独立性，输出信噪比为iLioonnsns+=本振光中含有噪声，输出信噪比降低．为减小本振噪声，可采用光学平衡混频器，光电探测器１光电探测器２激光器相移器1800合成器光信号中频输出合成后的中频输出噪声为])()[(22LLiiLLiioonsnsknsnsDns −−+−+++=+)]2)(1()1)((2[LLiiLnskknssD −+++≈LLns >>若两探测器性能相近，k≈１，则)21(4LiiLoonknsDsns−++=+21 knnsnsLiioo−+=则当选用两个匹配很好的探测器，本振噪声的影响可大大减小．外差探测极限灵敏度光电探测器的噪声功率为IFBLIFdbsLNfTkRfIPPPDeMP ∆+∆+++= 4])([22散粒噪声热噪声LIFLNRfeDPMP ∆≈22中频输出功率LLsIFRPPDMP222=输出功率信噪比IFsIFsNIFIFfhvPfeDPPPns∆=∆==η)(噪声等效功率（外差探测的极限灵敏度）ηηfhvNEPfhvNEPdIFIF∆=<<∆=2)()(光频外差探测的空间相位条件)](cos[LsIFLsFItEDEI ϕϕω −+=信号光波和本振光波的波前在探测器光敏面保持同相位．因为光波长比光电探测器光混频面积小得多，所以光混频是分布问题．总的中频电流等于混频面上每一微分面元所产生的中频微分电流之和．只有这些中频微分电流保持同相位，总的中频电流才最大．１.信号光和本振光有相同的模式结构，激光用单频基模．２.信号光和本振光在光混频面上重合．光斑直径等．３.信号光和本振光角准直．４.波前曲率匹配．５.同偏振．１.信号光和本振光不平行θθθaxxyyzLkskjyixr +=)cos(),( rkstEstress•−= ω)cos(),( rktEtreLLLL•−= ω则tEesssωcos=)sincos( θωLLLLyktEe +=在（０，y）处，dy宽度的混频面所产生的中频电流为dyyktEDEdyyktEDEdytyILIFLsLIFLsFI)cos()sincos(),,0(θωθω+≈+=总的中频电流为∫−==2/2/22sin)cos(),,0(1aaLLIFLsIFFIakaktEDEdytyIaIθθωπθ=2akL可见，中频电流大小与两束光的偏差有关，当0=IFIaLλθ =max则最大允许偏差角波长长的红外比可见光易实现光频外差探测．说明，良好的空间鉴别能力，有利于抑制有害的背景杂散光．２.信号光和本振光平行，但不垂直光敏面θθθaxyskLk)sincoscos(),( θθω ykxktEtresssss+−=)sincoscos(),( θθω ykxktEtreLLLLL+−=)cos(),,0( θω yktEDEtyIIFIFLsFI∆+≈cKKkIFsLIFω=−=∆积分，∫−∆∆==2/2/22sin)cos(),,0(1aaIFIFIFLsIFFIakaktEDEdytyIaIθθωπθ=∆2akIF0)(当，=tIIFaIFλθ =max于是很容易满足要求，把光调平行噪声对脉冲码调制系统误码率的影响编码IsIsk)1( −kIs光脉冲电信号数据电脉冲调制器光纤传输探测器接收误码率：输出的脉冲序列中给定脉冲与输入序列相应脉冲不一致的概率１１１００阈值０TTTTFkIs信噪比越大，误码率越小信号+噪声１１００误码率Pe电流信噪比])/([2/12NseIIfP =微弱信号的检测周期信号有重复性特点，噪声没有重复性，随机的，不同时刻噪声无关联．窄带滤波法利用信号功率谱密度较窄，而噪声功率谱密度很宽的特点，使用窄带滤波器将有用的信号提取出来．周期性正弦波、单次信号单次信号的大部分能量集中在频谱宽度曲线基频所在的主峰内，只要滤波器的频宽大于主峰频宽就可使信噪比得改善，可复现波形。

输入功率信噪比输出功率信噪比=SNIR信噪比改善系数滤波器的测量带宽dfGfGfm∫∞=∆022)(对白噪声，功率谱密度与频率无关，∫∫∆=∆==dffGVVfffpVdffGfpVVVVVSNIRsOsiNiNisiSONisiNOso)()()()(2222222222输入的白噪声带宽窄带滤波器等效噪声带宽热噪声输入仅有白噪声，窄带滤波法信噪比改善系数等于输入白噪声带宽和窄带滤波器等效噪声之比，通过限制带宽可带来信噪比的改善同步累积法利用信号的重复性和噪声的随机性，多次重复测量，使信号同相累积来改善信噪比平均值信号累积n次，VsnVs =噪声重复n次，NNVnV =是累计噪声均方根值nSNIR =信噪比改善系数∫∫Vo(t)Vi(t)Vo(t)_SS Vi(t)S锁定接收法窄带放大乘法器积分器Vso(t)Vs(t)Vr(t))sin()( stVstVs φω +=)sin()( rtVrtVr φω +=)cos(2)()(1)(0rsGVsVrdttVrtGVsTtVsoTφφ −==∫同步参考信号则只能测量信号的幅度而不能复现波形锁定放大器的噪声输出∫++−−= dtrttrttTGVrtVNo]})(2cos[])()[cos[(2)( ϕφωφφρ0, =∞→NOVT当积分时间长，有抑制噪声的作用．锁定放大器信噪比改善系数ffSNIRNi∆∆=RCf41=∆积分器采用低通滤波器，积分器采用有源滤波器，FFCRf41=∆时间常数愈大，信噪比改善愈好取样积分器利用信号周期重复的特点，在每周期内对信号的一部分取样一次，经过积分器取出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体展现了待测信号的真实波形．Vs(t)是输入周期信号Vr(t)是与信号同步的参考信号，受Vr(t)控制的时基信号驱动取样脉冲的产生，使得在取样脉冲期间取样门被接通，于是输入信号通过取样门进入积分器，最后得输出信号取样门积分器取样脉冲发生器时基Vso(t)Vs(t)同步取样ffnSNIRiNp∆∆=Vr(t)红外信息检测红外系统的信息检测是判断目标是否在视场内．)()2exp()(022raIarrrp+−=信号与噪声通过滤波器后的幅值概率密度r归一化的信号加噪声幅值，a归一化的信号幅值，Io零阶虚宗量贝塞尔函数a=0漏报概率发现概率虚警概率ldfaPPPP(r)a=4rv0匹配滤波器比较器１积累器比较器２第一门限v0第二门限k。