光辐射的直接检测

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1、光辐射的直接检测相干检测，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。光外差检测检直接测光电检测系统光辐射的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

2、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。假定入射光信号电场为：光场平均光功率为：表示的时间平均值；光检测器输出电流为：称为光电变换比例常数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。若光检测器负载电阻RL，则光检测器输出电功率为：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: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。光辐射的直接检测系统的基本特性5.2.1直接检测系

3、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：考虑到信号和噪声的独立性，有：由信噪比定义，输出功率信噪比为：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：(2)若，则有：直接检测系统的检测极限及趋近方法

4、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。输出信噪比为：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：②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：③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：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

5、要噪声源时，直接检测系统受信号噪声限制，这时信噪比为：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：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

6、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。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

7、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。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：1、被动检测系统的距离方程令检测器的方均根噪声电压为Vn，则它的输出信噪比为：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

8、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。即：又因为：式中Ad为检测器面积；Δf为系统的带宽；