《光電直接檢測(cè)系統(tǒng)》PPT課件

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1、第五章光電直接檢測(cè)系統(tǒng)7/25/20211典型的光電檢測(cè)系統(tǒng)直接檢測(cè)系統(tǒng)（光強(qiáng)調(diào)制）莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀激光測(cè)距儀激光準(zhǔn)直環(huán)境污染檢測(cè)系統(tǒng)光外差檢測(cè)系統(tǒng)激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀（相位調(diào)制）多普勒測(cè)速（頻率調(diào)制）光外差通信7/25/20212光電檢測(cè)系統(tǒng)分類(lèi)主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見(jiàn)光系統(tǒng)(按光源波長(zhǎng)分)點(diǎn)探測(cè)/面探測(cè)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(hào)處理方式分)直接檢測(cè)？/光外差檢測(cè)系統(tǒng)？(按光波對(duì)信號(hào)的攜帶方式分)7/25/20213相干檢測(cè)，光源：相干光源原理：利用光的振幅、頻率、相位攜帶信息，檢測(cè)時(shí)需要用光波相干原理。調(diào)制方法：光振幅調(diào)

2、制、相位調(diào)制，頻率調(diào)制測(cè)量精度（靈敏度）更高，作用距離更遠(yuǎn)。非相干檢測(cè)，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(hào)，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(cè)是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。光外差檢測(cè)直接檢測(cè)光電檢測(cè)系統(tǒng)7/25/202145.1光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理光電直接檢測(cè)系統(tǒng)是將待光信號(hào)直接入射到光檢測(cè)器光敏面上，光檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)經(jīng)光學(xué)天線或直接由檢測(cè)器接收光信號(hào)，前端還可經(jīng)過(guò)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(cè)器光電信號(hào)處理器光源信號(hào)發(fā)射機(jī)背

3、景噪聲場(chǎng)接收機(jī)電路噪聲回收的信息強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)模型7/25/202155.1光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理假定入射光信號(hào)電場(chǎng)為：5-1光場(chǎng)平均光功率為：表示的時(shí)間平均值；5-2光檢測(cè)器輸出電流為：稱(chēng)為光電變換比例常數(shù)5-37/25/20216光檢測(cè)器的平方律特性：光電流正比于光電場(chǎng)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(cè)系統(tǒng)的基本工作原理若光檢測(cè)器負(fù)載電阻RL，則光檢測(cè)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(hào)，可推導(dǎo)出光檢測(cè)器的輸出電流為:5-5式中第一項(xiàng)為直流項(xiàng)，若光檢測(cè)器輸出端有隔直電容，則輸出光電流只包含第二項(xiàng)

4、，稱(chēng)為包絡(luò)檢測(cè)。5-67/25/202175.2光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本特性5.2.1直接檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比—衡量模擬系統(tǒng)好壞及靈敏度光檢測(cè)器輸出的總功率包括信號(hào)電功率和噪聲功率，可表示為：5-7考慮到信號(hào)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：5-97/25/202185.2.1直接檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比說(shuō)明輸出信噪比是輸入信噪比的平方，可見(jiàn)，直接檢測(cè)系統(tǒng)不適用于輸入信噪比小于1或微弱光信號(hào)的檢測(cè)。輸出信噪比是輸入信噪比的一半。即經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換，信噪比損失了3dB。實(shí)際應(yīng)用中可以接受?？梢?jiàn)，直接檢測(cè)方法不能改善輸入信噪比，適宜不是很微弱的光信號(hào)檢測(cè)。但這種方法

5、簡(jiǎn)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：5-117/25/20219在數(shù)字式光電系統(tǒng)中，噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響常使用“誤碼率”來(lái)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(wèn)題”來(lái)衡量。7/25/2021105.2.2直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限及趨近方法考慮直接檢測(cè)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(hào)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：5-137/25/2021115.2.2直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限①當(dāng)熱噪聲是直接檢測(cè)系統(tǒng)的主要噪

6、聲源時(shí)，直接檢測(cè)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(shí)，直接檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受背景噪聲限制，信噪比為：5-167/25/2021125.2.2直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限假定光波長(zhǎng)λ=0.7μm，檢測(cè)器的量子效率η=1，測(cè)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(cè)功率為④當(dāng)入射信號(hào)光波所引起的噪聲為直接檢測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受信號(hào)噪聲限制，這時(shí)信噪比為：5-17該式為直流檢測(cè)在理論上的極限信噪比，稱(chēng)為直接檢測(cè)系統(tǒng)的量子極限，又稱(chēng)量子限靈敏度。若用

7、等效噪聲功率NEP值表示，在量子極限下，直接檢測(cè)系統(tǒng)理論上可測(cè)量的最小功率為：5-187/25/202113在實(shí)際直接檢測(cè)系統(tǒng)中，很難達(dá)到量子極限檢測(cè)。實(shí)際系統(tǒng)總會(huì)有背景噪聲、檢測(cè)器和放大器的熱噪聲。背景限信噪比可以在激光檢測(cè)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(cè)過(guò)程中利用光檢測(cè)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(shí)，熱噪聲可忽略，同時(shí)加致冷、屏蔽等措施減小暗電流及背景噪聲，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(huì)帶入