《直接探测系统》ppt课件

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1、光电信号检测第九章直接探测系统§9－1光电探测系统的类型与指标一、光电系统分类光电探测系统的类型是很多的，可以从不同角度出发把系统进行分类。分类的目的是可以突出同类系统的特点和共性，以便掌握其规律性的内容。7/13/20212分类1）按携带信息的光源分，可分为主动系统和被动系统2）按光谱范围分，可分为可见光探测系统和红外探测系统3）按接收系统分，可分为点探测系统和面探测系统4）从调制方式和信号处理电路的类型分，也可分为模拟系统和数字系统5）从光波对信息信号(或被测未知量)的携带方式分，可分为直接探测系统和相干探测系统7/13/20213目标大气光学系

2、统调制器光电探测器电子学系统信息源调制器光源光学系统传输介质光学系统光电探测器电子学系统接收系统接收系统发射系统光源调制器光学系统信息源7/13/20214二、光电系统评价指标光电系统最终都是以电信号形式输出，其输出量是模拟电信号或者是数字电信号。从最终输出要求来看，它们有一个公共的指标，这就是信号的输出信噪比。对于模拟系统来说，人们所关心的是光所传输的信息经过光电探测系统检出以后其波形是否畸变。在系统中影响波形畸变的因素可能有许多，但是实际上许多因素可以通过精心设计各个环节而得到解决，影响信息信号畸变的最根本的因素是噪声。因此衡量模拟光电系统的一个

3、重要指标是信噪比。对于不同要求的探测系统要求的信噪比不同，有的只要求3～5，在一些精密测量中则要求10～100，甚至更高。7/13/20215数字式光电系统是用“0”、“1”两态脉冲传输信息。系统存在噪声时，噪声随机叠加在信号上时使信号产生畸变，可能使脉冲输出“0”误变为“1”。“0”、“1”码出现错误的概率称为误码率。显然，其仍然与信噪比有关。当信噪比高时，误码率就低，反之亦然。7/13/20216§9－2直接光电探测系统光波携带信息可以采用多种形式，如光波的强度变化、频率变化、相位变化及偏振变化等。在多数场合中，常常用光波的强度变化来携带信息，这

4、就需要用直接探测的方法将光波的强度变化所包含的信息检测出来。然而，光的频率和相位的变化必需采用光外差探测(相干探测)方法。与光外差探测方法相比，直接探测是一种简单而又实用的探测方法，在工业、航空、航天、军事、医疗等领域得到广泛的应用。7/13/20217一、直接探测的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，由光探测器将光强信号直接转化为相应的电流或电压，根据不同系统的要求，再经后续电路处理（如放大、滤波或各种信号变换电路），最后获得有用的信号。信号光场可表示为，式中，A是信号光电场振幅，ω是信号光的频率，则其平均光功率P

5、为由光电转换的基本规律可知，光探测器输出的光电流为若光探测器的负载电阻为RL，则光探测器输出的电功率为光探测器输出的电功率正比于入射光功率的平方。7/13/20218光探测器对光的响应特性包含两层含意，一是光电流正比于光场振幅的平方，即光的强度；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(IM)光，调制信号为d(t)，则光探测器输出的光电流为式中第一项为直流项，若光探测器输出有隔交流电容，则输出光电流只包含第一项，这就是直接探测的基本物理过程；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。7/13/20219二、

6、直接光电探测系统的信噪比考虑噪声式中，PS：信号光功率；Pn：噪声功率；SP：输出电功率；NP：输出噪声功率。由电信号和噪声的独立性：7/13/202110则输出功率信噪比为：讨论：1）若PS/Pn<<1，SNR＝(Ps/Pn)2，直接探测系统不适于微弱光的探测。2）若PS/Pn>>1，SNR＝Ps/2Pn3）直接探测方法不能改善输入信噪比；但方法简单、可靠性高、成本低。7/13/202111三、直接探测系统的探测极限及趋近方法如果考虑直接探测系统存在的所有噪声，则输出噪声总功率为则输出信号噪声比为：分别为信号光、背景光、暗电流引起的噪声以及负载电阻

7、和放大器热噪声之和。7/13/202112当热噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，则直接探测系统受热噪声限制，这时的信噪比为当散粒噪声远大于热噪声时，热噪声可以忽略，则直接探测系统受散粒噪声限制，这时的信噪比为当背景噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，则直接探测系统受背景噪声限制，这时的信噪比为7/13/202113当入射的信号光波所引起的散粒噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，则直接探测系统受信号噪声限制，这时的信噪比为：此为直接探测在理论上的极限信噪比，也称为直接探测系统的量子极限。在量子极限

8、下，直接探测系统理论上可测量的最小功率为7/13/202114假定探测器的量子效率为1，测量带宽为1Hz，则