光电检测技术与应用光电直接检测系统资料

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,光信息科学与技术系,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,光信息科学与技术系,*,第五章 光电直接检测系统,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(按承受系统分),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),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,5.1 光电直接检测系统的根本工作原理,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,5.1 光电直接检测系统的根本工作原理,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,5-3,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根本工作原理,若光检测器负载电阻,R,L,，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。,5-6,5.2 光电直接检测系统的根本特性,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：,5-9,5.2.1,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。实际应用中可以承受。,(1),若,，则有：,5-10,(2),若,，则有：,5-11,5.2.2,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：,5-13,5.2.2,直接检测系统的检测极限,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：,5-14,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：,5-15,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：,5-16,5.2.2,直接检测系统的检测极限,假定光波长,=0.7,m,，检测器的量子效率,=1,，测量带宽,f=1,，由上式得到系统在量子极限下的最小可检测功率为,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：,5-18,在实际直接检测系统中，很难到达量子极限检测。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，是由于激光光谱窄，加滤光片很简洁消退背景光，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，热噪声可无视，同时加致冷、屏蔽等措施减小暗电流及背景噪声，光电倍增管可到达散粒噪声限。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、雪崩管的检测力量较高，承受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,5.2.3,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，且物方与像方介质一样。当检测器位于焦平面上时，其半视场角为：,或视场角立体角,为：,5-19,5.2.4,系统的通频带宽度,频带宽度f是光电检测系统的重要指标之一。检测系统要求f应保存原有信号的调制信息，并使系统到达最大输出功率信噪比。系统按传递信号力量，可有以下几种方法确定系统频带宽度。,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,f,：,在输入信号为调幅波时，一般状况下取频带宽度为其包络边频频率的2倍。假设是调频波，则要求滤波器加宽频带宽度，保证有足够的边频重量通过系统。,5-20,5.3,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、搜寻和跟踪等系统中，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。下面分别进展推导。,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,1,、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,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,1,2,的辐射波段，可得到检测器的输出信号电压为：,5-21,1,、被动检测系统的距离方程,1,、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,取1为被测距离L在光谱响应范围内的平均透过率1。,光学系统的透过率0对光谱响应范围内平均值。,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。,依据物体的温度T查表，可计算出在考察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,V,n,，则它的输出信噪比为：,5-22,5-23,即：,5-24,又因为：,5-25,将上式代入,5-24,，可得：,5-26,为清晰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；,其次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。,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,主动检测系统的光源主要为激光光源。令其放射功率为Ps()；放射束发散立体角为；放射光学系统透过率为01()，经调制的光能利用率为km，则放射机放射的功率PT()为：,激光在大气中传播时，能量假设为按指数规律衰减，令衰减系数为k()，经传播距离L后光斑面积为SL=L2，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。一般状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()为：,2,、主动检测距离方程,假定接收机和放射机在一处，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()，则接收功率为：,式中，D0为光学系统接收口径；=D02/4L2为接收系统的立体角。假设接收光学系统的透过率为02()，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：,式中：,R,V,(,),为检测器相对光谱响应度，将,5-25,式代入上式得距离,L,为：,假设目标反射面积Sa等于光斑照射面积L2，则上式可化为：,可知，影响检测距离的因素很多，放射系统、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。,5.4,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、光敏元件三大局部组成。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，有很高的区分力，可优于0.1m。,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和在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角,，光栅节距为,P,。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。,这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹,.,莫尔条纹是周期性函数。,计量光栅,莫尔条纹光栅原理,构成,：,主光栅,-,标尺光栅，,定光栅,指示光栅,-,动光,栅,横向莫尔条纹特征,当指示光栅沿x轴例如水平方向自左向右移动时，莫尔条纹的亮带和暗带将挨次自下而上不断地拂过光敏元件在演示中就是我们的眼睛。光敏元件“观看”到莫尔条纹的光强变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距P，光强变化一个周期。,由于光栅的刻线非常细微，很难分辨到底移动了多少个栅距，而利用莫尔条纹具有放大作用，当光栅移动了一个节距时,P,，莫尔条纹移动了一个宽度,B,。且满足关系式：,莫尔条纹有如下特征：,1,）平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。,2,）对应关系：当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。,3,）放大作用：莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角,而改变。,越小，,B,越大，相当于把微小的栅距,P,扩大了 倍。由此可见，计量光栅起到光学放大器的作用。,对应关系,莫尔条纹的特征,放大作用,放大倍数为,1/,越小,B,越大。,例如,=0.1,时