光电检测技术与应用 第五章 光电直接探测系统.ppt

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1、第五章光电直接探测系统直接检测系统的基本工作原理直接检测系统的基本特性直接检测系统的距离方程光电直接检测系统举例直接探测（非相干探测）系统利用光源出射光束的强度去携带信息，光电探测器直接把接收到的光强度变化转换为电信号变化，最后用解调电路检出所携带的信息。光外差探测（相干探测）系统利用光波的振幅、频率、相位来携带信息，而不是利用光强度，所以只有相干光可被用来携带信息，检出信息时需用光波相干的原理。25.1直接检测系统的基本工作原理光电直接探测是将待测光信号直接入射到光探测器光敏面上，光探测器响应于光

2、辐射强度（幅度）而输出相应的电流或电压。强度调制直接探测模型强度调制直接探测模型3入射的信号光电场为ES(t)＝Acosωt，A:信号光电场振幅;ω:信号光的频率。平均光功率为:光探测器输出的电流为α为光电变换比例常数，η为量子效率。4光探测器输出电功率为:光探测器的平方律特性若入射光是调幅波：d(t)为调制信号输出的电流为:5直接检测系统的基本工作原理直接检测系统的基本特性直接检测系统的距离方程光电直接检测系统举例系统的信噪比、视场角和通频带宽度1、直接探测系统的信噪比(灵敏度)1）模拟系统信噪比

3、（1）模拟系统信噪比5.2直接探测系统的基本特性信号为已知波形:信号为随机变量:7入射信号光功率为Ps;噪声功率为Pn，输出的信号电功率为Po，输出噪声功率为Pno。且有如下关系：信号功率：噪声功率：输出功率信噪比为：8（i）若PS/Pn1，则有直接探测系统不适于输入信噪比小于1或者微弱光信号的探测。（ii）若PS/Pn>>1，则有直接探测系统不能改善信噪比！9（2）数字系统的信噪比用误码率评价它的性能。“0”、“1”码出现错误的概率称为误码率。10误码出现条件：IN：噪声电流；IS：信号电流；

4、kIS：阈值电流。平均误码率Pe为：或IN>kIS,11IN呈正态分布，P(IN)=P(-IN)，且k=1/2误码率Pe为：σ2是噪声电流的方差值；μ是噪声电流的平均值。一般的噪声电流其平均值μ=0,则设，则有：12引入误差函数定义：则误码率为：误码率与信噪比有关，当信噪比高时，误码率就低。132、直接探测系统的探测极限系统的信噪比主要取决于光学系统的接收信噪比（包括调制形式）和光电探测器的信噪比。以及信号处理系统的噪声系数F以及滤波器的通频带宽度Δf。输入信号光功率为PS。输出信号功率为：G为探测

5、器增益141）光伏型及光发射器件的极限信噪比（灵敏度）噪声包含暗电流、信号光电流和背景光电流的散粒噪声以及负载电阻的热噪声。光伏器件的倍增因子G=1光电倍增管的倍增因子噪声功率为：15信噪比为：当热噪声是主要噪声源时16系统的热噪声低于探测器的散粒噪声，并暗电流的散粒噪声小于光电流的散粒噪声。当背景光功率相对信号功率足够强时，信号功率产生的散粒噪声可忽略。背景极限灵敏度17若背景光功率Pb远小于信号光功率PS称为直接检测系统的极限信噪比当SNR=1时的等效噪声功率即为最小可探测功率，即：18改善系统

6、检测极限的方法：采用有内部高增益的探测器。比如对于光电倍增管，倍增因子G。G2很大时，热噪声可以忽略,光电倍增管可接近散粒噪声限。192）光导探测器直接探测系统的信噪比主要噪声为复合噪声，它和偏置电流成比例，因而它的灵敏度与具体使用条件有关。光导探测器的极限灵敏度比光伏器件及光电倍增管的极限灵敏度要低，所需理想的最小可探测功率大。3、直接探测系统的视扬角被测物在无穷远处，且物方与像方两侧的介质相同。20半视场角为：视场角立体角Ω为：增大视场角Ω方法：增大探测器面积或减小光学系统的焦距。214、系统的

7、通频带宽度1）等效矩形带宽I(ω)为信号的频谱，则信号的能量为：等效距形带宽Δω定义为：I(ωo)＝I(0)为最大频谱分量22激光波形为：β是脉冲峰值，β≈1.66/τ0，τ0是激光脉冲宽度。频谱I(ω)为：23能量E为：等效矩形带宽Δf1为：242)频谱曲线下3dB的带宽253)包含90％能量的带宽26几种带宽值0.90.80.70.60.527直接检测系统的基本工作原理直接检测系统的基本特性直接检测系统的距离方程光电直接检测系统举例5.3直接探测系统的距离方程主动检测和被动检测1、被动检测系统的

8、距离方程接收光学系统表面的光谱辐照度探测器上的光谱功率29探测器输出信号电压输出信噪比简化处理结果:30解得:又则31第一项:目标辐射特性及大气透过率对作用距离的影响；第二和第三项:光学系统及探测器特性对作用距离的影响；第四个项:信息处理系统对作用距离的影响。322、主动检测距离方程光源:激光光源光发射机：物体照射:物体反射:光接收机:33考虑接收光学系统的透过率,接收到的总功率为:输出电压为:34解得距离公式:或35直接检测系统的基本工作原理直接检测系统的基本特性直