第十一章直接探测系统.pptVIP

* * * * * * * * * 三、接收光学系统 设计原则：将光场能量尽可能多地收集到光电探测器上；并 使光束直径小于光探测器的直径。 光电探测器接收到的功率 为： 单位波长，单位立体角的接收功率。 接收系统对应的立体角。 对于被动系统： 由普朗克公式给出 对于主动系统： 1.接收系统直接接收光源的辐射能： 2.目标有反射：大目标时，综合兰伯余弦定律 小目标时： 在某距离上进行直接探测时，和以下因素直接相关： 1. 2. 3.目标反射的光功率越大，则在同一距离上接收到的光功率 越大；或在同样的接收灵敏度下，系统的作用距离也越大 4.P和光学系统口径 有关， 但Ar大，噪声大。 5.光谱要匹配。 四、光学系统的作用距离 经推导和简化计算，光电探测器的输出电压： 在弱光下不能忽略探测器的噪声： 对于主动探测系统： 接收和发射光轴对准情况： 大目标漫反射主动系统： 小目标漫反射主动系统： 讨论： 1. Ar：距光源L处的接收面积(光学系统口径) Ad：光敏面积。 两者之间的关系？ 2. 3. 跟踪光学系统： 精度测量系统： 4. §9-4直接探测系统 要有一定的视场，保证被测对象的信号始终在测量过程中可 被接收到。 一、电探测器对应的视场及背景辐射 1.如图9-9 探测器和光学系统透镜的距离 是fr 则系统的视场角： 虽然实际光学系统由于： ①像差 ②大气扰动引起的跳动等 光斑比非理想状态下的爱里衍射斑要大，但视场还是要小 原因：①工艺上的限制 ②Ad小，背景噪声小 2.背景功率： 经推导： 限制背景功率的措施： ①空间上限制系统的视场角。 ②加光学滤光片时对背景进行光谱滤波。 二、扩展系统视场的方法 在不降低系统灵敏度和空间分辨率 的条件下扩大视场： 1.采用多元探测器列阵或采用摄像器件 对每个探测器，视场不大，噪声影响不大，作用距离长 空间分辨率高 2.加场镜：Ar，Ad对场镜互为共轭 3.光学系统扫描 * * * * * * * * * * * * * §9-1光电系统的类型和指标 一、系统的类型 １.按携带信息的光源分为主动和被动系统 被动系统：接收目标的自发辐射：如云、导弹、大地、 车、人 体等。只有接收系统(图9-1) 主动系统：由发射和接收两部分组成。 主要问题：背景噪声和系统 内部的探测器噪声、电路噪 声等一起进入系统。 ２.按光谱特性分： 可见光：民用，探测器量子效率高，系统设计，调试方便 红外：军事目标，特点：隐蔽性好，不易发现；大气窗口 中，衰减小，作用距离长 多色 多光谱 超光谱 3.接收系统分： 点探测系统：只接收目标总的辐射功率，一般只用单元探测 器。当用多元探测器时，用于确定目标方法。 面探测系统：测量目标整体的光强分布； ①用摄像器件或多元探测器阵列完成②单元探测+扫描 4.调制及电路特性：模拟系统，数字系统 5.光波对信息信号的携带方式： 直接探测系统：任何光源，用光强携带信息； 相干探测系统：相干光，用光的振幅，频率和相位携带信息 二、光电探测系统的指标：输出信噪比 1.对模拟系统：波形是否畸变（输出） 原因：线性度、外界干扰、还有大量的个别因素 主要共性因素是噪声：（光源、背景、光电探测器、电路） 指标： 不同系统要求信噪比不同，有的3～5，有的10～100 ２.数字系统 用0.1两个状态来传递信息，当有噪声存在时，会有误码。 概念： 误码率：0.1码出现错误的概率 信噪比高，误码率低。恒量信噪比 此时不用噪声功率 用噪声的概率分布规律。 §9-2 直接探测系统的工作原理 一、直接探测的基本物理过程 直接探测系统 直接检测被测量光强 设光场： ①平均光功率： ②则：光电探测器的输出电流： ③输出的电功率： 说明：①光电探测器电输出正比于入射光功率的平方； ②另外光电探测器输出的光电流正比于光场振幅 的平方，即光强。 ④如果入射信号光为强度调制光(IM),设调制信号为d(t) 则光电探测器输出的光电流： *特别注意：光电探测器响应的是光场的包络，目前，没有 可以直接响应光场频率的探测器。 二、直接探测系统的信噪比 设信号的光功率为:PS 噪声功率为:PN 光电探测器输出的信号电功率为:SP 噪声功率为:NP 输出功率信噪比为： 讨论： ⑴如果 ，则上式为： ∴不适合于探测器输出信号信噪比小于1