光電檢測技術(shù)與應(yīng)用光電直接檢測系統(tǒng)

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1、第五章光電直接檢測系統(tǒng)7/13/20211典型的光電檢測系統(tǒng)直接檢測系統(tǒng)（光強(qiáng)調(diào)制）莫爾條紋測長儀激光測距儀激光準(zhǔn)直環(huán)境污染檢測系統(tǒng)光外差檢測系統(tǒng)激光干涉測長儀（相位調(diào)制）多普勒測速（頻率調(diào)制）光外差通信7/13/20212光電檢測系統(tǒng)分類主動系統(tǒng)/被動系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長分)點(diǎn)探測/面探測系統(tǒng)？(按接受系統(tǒng)分)模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號處理方式分)直接檢測？/光外差檢測系統(tǒng)？(按光波對信號的攜帶方式分)7/13/20213相干檢測，光源：相干光源原理：利用光的振幅、頻率、相位攜帶信息，檢測時需要用光波相干原理。調(diào)制

2、方法：光振幅調(diào)制、相位調(diào)制，頻率調(diào)制測量精度（靈敏度）更高，作用距離更遠(yuǎn)。非相干檢測，光源：非相干或相干光源原理：利用光強(qiáng)度攜帶信息，將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號，解調(diào)電路檢出信息。調(diào)制方法：光強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制直接檢測是一種簡單實(shí)用的方法。光外差檢測直接檢測光電檢測系統(tǒng)7/13/202145.1光電直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理光電直接檢測系統(tǒng)是將待光信號直接入射到光檢測器光敏面上，光檢測器響應(yīng)光輻射強(qiáng)度（幅度）并輸出相應(yīng)的電流和電壓。檢測系統(tǒng)經(jīng)光學(xué)天線或直接由檢測器接收光信號，前端還可經(jīng)過頻率濾波和空間濾波等處理。強(qiáng)度調(diào)制器光學(xué)天線光學(xué)通道接收天線及光電檢測器光

3、電信號處理器光源信號發(fā)射機(jī)背景噪聲場接收機(jī)電路噪聲回收的信息強(qiáng)度調(diào)制直接檢測模型7/13/202155.1光電直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理假定入射光信號電場為：5-1光場平均光功率為：表示的時間平均值；5-2光檢測器輸出電流為：稱為光電變換比例常數(shù)5-37/13/20216光檢測器的平方律特性：光電流正比于光電場振幅的平方，電輸出功率正比于入射光功率的平方。5.1光電直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理若光檢測器負(fù)載電阻RL，則光檢測器輸出電功率為：5-4如果入射光是調(diào)幅波，即其中d(t)為調(diào)制信號，可推導(dǎo)出光檢測器的輸出電流為:5-5式中第一項為直流項，若光檢測器

4、輸出端有隔直電容，則輸出光電流只包含第二項，稱為包絡(luò)檢測。5-67/13/202175.2光電直接檢測系統(tǒng)的基本特性5.2.1直接檢測系統(tǒng)的信噪比—衡量模擬系統(tǒng)好壞及靈敏度光檢測器輸出的總功率包括信號電功率和噪聲功率，可表示為：5-7考慮到信號和噪聲的獨(dú)立性，有：5-8由信噪比定義，輸出功率信噪比為：5-97/13/202185.2.1直接檢測系統(tǒng)的信噪比說明輸出信噪比是輸入信噪比的平方，可見，直接檢測系統(tǒng)不適用于輸入信噪比小于1或微弱光信號的檢測。輸出信噪比是輸入信噪比的一半。即經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，信噪比損失了3dB。實(shí)際應(yīng)用中可以接受?？梢姡苯訖z測方法不

5、能改善輸入信噪比，適宜不是很微弱的光信號檢測。但這種方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高，成本低，得到廣泛應(yīng)用。(1)若，則有：5-10(2)若，則有：5-117/13/20219在數(shù)字式光電系統(tǒng)中，噪聲對系統(tǒng)的影響常使用“誤碼率”來衡量。誤碼率仍然與信噪比有關(guān)。信噪比高，誤碼率低。由噪聲的概率分布規(guī)律考慮“概率問題”來衡量。7/13/2021105.2.2直接檢測系統(tǒng)的檢測極限及趨近方法考慮直接檢測系統(tǒng)中存在的所有噪聲，則輸出噪聲總功率為：分別為信號光、背景光和暗電流引起的散粒噪聲。為負(fù)載電阻和放大器的熱噪聲之和。5-12輸出信噪比為：5-137/13/202

6、1115.2.2直接檢測系統(tǒng)的檢測極限①當(dāng)熱噪聲是直接檢測系統(tǒng)的主要噪聲源時，直接檢測系統(tǒng)受熱噪聲限制，信噪比為：5-14②當(dāng)散粒噪聲遠(yuǎn)大于熱噪聲時，直接檢測系統(tǒng)受散粒噪聲限制，信噪比為：5-15③當(dāng)背景噪聲是直接檢測系統(tǒng)的主要噪聲源時，直接檢測系統(tǒng)受背景噪聲限制，信噪比為：5-167/13/2021125.2.2直接檢測系統(tǒng)的檢測極限假定光波長λ=0.7μm，檢測器的量子效率η=1，測量帶寬Δf=1，由上式得到系統(tǒng)在量子極限下的最小可檢測功率為④當(dāng)入射信號光波所引起的噪聲為直接檢測系統(tǒng)的主要噪聲源時，直接檢測系統(tǒng)受信號噪聲限制，這時信噪比為：5-17該

7、式為直流檢測在理論上的極限信噪比，稱為直接檢測系統(tǒng)的量子極限，又稱量子限靈敏度。若用等效噪聲功率NEP值表示，在量子極限下，直接檢測系統(tǒng)理論上可測量的最小功率為：5-187/13/202113在實(shí)際直接檢測系統(tǒng)中，很難達(dá)到量子極限檢測。實(shí)際系統(tǒng)總會有背景噪聲、檢測器和放大器的熱噪聲。背景限信噪比可以在激光檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)榧す夤庾V窄，加濾光片很容易消除背景光，實(shí)現(xiàn)背景限信噪比。系統(tǒng)趨近于量子極限意味著信噪比的改善，可行方法是在光電檢測過程中利用光檢測器的內(nèi)增益獲得光電倍增，如光電倍增管。當(dāng)倍增很大時，熱噪聲可忽略，同時加致冷、屏蔽等措施減小暗電流及背

8、景噪聲，光電倍增管可達(dá)到散粒噪聲限。在特殊條件下可趨近于量子限。但倍增管也會帶入