第五章 光电直接检测系统.ppt

1、光辐射的直接检测,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：,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 直接检测系统的信噪比衡量模拟系统好坏及灵敏度,光检测器

2、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。,直接检测系统的检测极限及趋近方法,输出信噪比为：, 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：, 当散粒噪声远大于热噪声时，直接检测系统受散

3、粒噪声限制，信噪比为：, 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=0.7m，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：,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

4、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

5、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。,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：, 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。 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

6、谱响应范围内的辐射强度Ie。,即：,又因为：,为清楚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：,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； 第二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。,主动检测系统的光源主要为激光光源。令其发射功率为Ps()；发射束发散立体角为；发射光学系统透过率为01()，经调制的光能利用率为km，则发射机发射的功率PT()为：,激光在大气中传播时，能量若为按指数规律衰减，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

7、为：,设在距光源L处有一目标，其反射面积为Sa。普通情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,假定接收机和发射机在一处，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。如果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：RV()为检测器相对光谱响应度，将5-25式代入上式得距离L为：,如果目标反射面积Sa等于光斑照射面积L2，则上式可化为：

8、,可知，影响检测距离的因素很多，发射系统、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。,在前面计算距离时，在被动检测系统中，由于光谱范围宽，大气衰减作用以透过率表示，而在主动检测系统中，绝大多数系统是以激光做光源，激光光谱较窄，用衰减系数表示，其物理意义是等价的。,专题：关于环境污染检测系统的讨论：,(1) 大气污染检测系统,eg:采用红外线的co2气体分析仪的工作原理,大气污染视频,红外辐射在大气中传播时，大气对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的。,(2) 水质污染检测系统,eg:原油污染分析仪的工作原理,水污染视频,光锥: 它是一种圆柱体状的聚光镜. 它是一种非成像的聚光元件,与物镜类似可引起增加光照度或减小探测器面积的作用.,浸没透镜： 它是二次聚光元件,它是由球面和平面组成的球冠体. 探测器与浸没透镜平面间或胶合或光胶,使像面浸没在折射率较高的介质中, 它的主要作用使显著的减小探测器的光敏面积,提高信噪比.,