第七章直接探测系统.ppt

当 so/no=1 时, 信号光功率就是探测器的NEP， 则 ? 热噪声优势 当 时， 热噪声起主要作用， 称为热噪声优势。 一般说来，光电二极管由于M=1， 在比较弱的光信号时， 可以认为是处在这种工作状态。 此时信噪比为： ? 热噪声优势 若λ=1.06μm ，η=50%，T=300K，Δf =1HZ； 则估算：NEP≈0.92× 10-11W 噪声等效功率NEP： ? 散粒噪声优势 当 时，散粒噪声起主要作用，称为散粒噪声优势。因为光电倍增管的增益M很高，所以一般有可能工作于这种状态。这时信噪比为： ? 散粒噪声优势 为了简单起见， 令 is= ib= id ， 有 估算：NEP≈0.28× 10-11W 噪声等效功率NEP： ? 散粒噪声和热噪声相当 估算：NEP≈1.3× 10-12W 散粒噪声和热噪声相当的情况下 。 雪崩光电二极管的M大约为数百量级， 因此有可能工作在这种状态。 这时： ? 信号噪声极限 信号噪声极限是直接探测方式最理想的工作状态，其它噪声均不考虑，只存在光信号所引起的散粒噪声。即直接探测系统受信号噪声限制，则信噪比为： 直接探测系统的理论极限信噪比 直接探测系统的量子极限 若λ=1.06μm ，η=50%，T=300K，Δf =1HZ； 则估算：NEP≈7.2× 10-22W，而hν =18.7 × 10-22J， 这表明已接近单光子接收灵敏度，理想工作状态。 噪声等效功率NEP，即量子极限下直接探测系统理论上可 探测的最小功率： 若探测器量子效率η=1，测量带宽Δf =1Hz，系统在量子极限下最小可探测功率为2hv，接近单光子能量。 信号噪声极限是直接探测方式最理想的工作状态，即系统内部的噪声都抑制到可以忽略程度时得到的结果。 但实际的直接探测系统中，视场不是衍射极限对应的小视场，则背景噪声不可能为零；实际探测器总会有噪声；探测器本身电阻及负载电阻都会产生热噪声；放大器存在噪声。 若在光电探测过程中利用内增益获得光电倍增，可以使系统趋近量子极限从而改善信噪比。 直接探测系统中，光电倍增管、雪崩管的探测能力高于光电导器件； 信号功率增加M2则散粒噪声功率也倍增M2倍 M很大时热噪声可忽略 制冷、屏蔽等措施可减小暗电流及背景噪声，PMT可趋近量子限 采用高内部增益的探测器是直接探测系统可能趋近探测极限的唯一途径。但由于增益过程同时增加噪声，故存在最近增益系数问题。 注意：应选用无倍增因子起伏的内增益器件，否则会在系统中增加系统新的噪声源。 §7.3 直接探测系统的作用距离 作用距离是指：对于点目标，当目标的张角小于系统的瞬时视场时，光电系统所接收到的目标辐射能量与其间的距离有关；与接收到的最小可用能量相应的距离叫系统的作用距离。 7.3.1 发射系统 主动光电系统，所接收到的功率与光源发射功率有关； 被动光电系统，目标是自然光源，其辐射的空间分布由目标自身特性决定；多数固体目标辐射的空间分布可认为符合朗伯余弦定律。 辐射的光通量： 主动光电发射系统 设点光源辐射功率为P(t)，向四周发射球面波，则 辐射光强度： 距光源L处的光照度： Ar接收到的功率为： 距光源L处的接收面积 Ar (相对L足够小，可视为垂直入射)，该面接收到的光通量为： 因此，要充分利用发射源的能量必须提高单位立体角辐射功率。所以，一般反射系统都有光源和发射光学系统组成，用光学系统来提高单位立体角发射的能量。 点光源 P(t) L Ar i 实际光源不都是向4π立体角辐射的点光源，而是有一确定的发散角Ω0 ，则功率增益一般表示 发射系统功率增益大小与发射光学系统和光源特性配合有关。如点光源利用球面反射镜最方便，由于球面反射镜容易获得高反射率，反射能量损失较少。 如将点光源放在球面反射镜的球心，发射光束的立体角变为Ωa ，得到的功率增益为： 7.3.2 光在大气中的传输 光电系统尤其是远距离探测时，光波到达接收系统前一般会经过大气层（除光纤外），大气将对光的传播有较大影响。 大气中的水蒸气、二氧化碳、臭氧等分子及烟雾、灰尘等微粒的吸收和散射作用使光在大气中传播过程中衰减。 光子在大气中传播的示意图 太阳辐射在大气中的减弱 当天空中有较多粗粒或全天有云时，散射辐射光谱中的长波部分能量增加，其最大辐射能力波长也向长波方向移动。 某一波长的光强因大气分子吸收衰减而表现出的透过率与距离的关系为： 射