光电直接检测系统要点课件.pptVIP

第五章光电直接检测系统§直接检测系统（光强调制）–莫尔条纹测长仪–激光测距仪–激光准直–大气污染检测系统§光外差检测系统–激光干涉测长仪（相位调制）–多普勒测速（频率调制）–光外差通信9/8/20231

光电检测系统分类§主动系统/被动系统(按信息光源分)§红外系统/可见光系统(按光源波长分)§点探测/面探测系统(按接受系统分)§模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分)§直接检测/光外差检测系统(按光波对信号的携带方式分)9/8/20232

非相干检测，光源：非相干或相干光源直接检测原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为电信号，解调电路检出信息。调制方法：光强度调制、偏振调制直接检测是一种简单实用的方法。光电检测系统相干检测，光外差检测光源：相干光源原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息，检测时需要用光波相干原理。调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。9/8/20233

5.1光电直接检测系统的基本工作原理光源强度调制器光电信号处理器接收天线及光电检测器光学天线光学通道回收的信息信号背景噪声场电路噪声接收机发射机强度调制直接检测模型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（滤光片）和空间滤波(光圈)等处理。9/8/20234

5.1光电直接检测系统的基本工作原理入射光信号为：5-15-2光场平均光功率为：的时间平均值；表示光检测器输出电流为：5-3称为光电变换比例常数9/8/20235

5.1光电直接检测系统的基本工作原理若光检测器负载电阻R，则光检测器输出电功率为：L5-4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。如果入射光是调幅波，即5-55-6其中d(t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流为: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。9/8/20236

5.2光电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输出的总功率包括信号电功率和噪声功率，可表示为：5-7考虑到信号和噪声的独立性，有：5-8由信噪比定义，输出功率信噪比为：5-99/8/20237

5.2.1直接检测系统的信噪比(1)若，则有：5-10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。(2)若，则有：5-11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，适宜不是很微弱的得到广泛应用。光信号检测。但这种方法简单，易于实现，可靠性高，成本低，9/8/20238

5.2.2直接检测系统的检测极限及趋近方法考虑直接检测系统中存在的所有噪声，则输出噪声总功率为：5-12分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。为负载电阻和放大器的热噪声之和。输出信噪比为：5-139/8/20239

5.2.2直接检测系统的检测极限①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：5-14②当散粒噪声远大于热噪声时，直接检测系统受散粒噪声限制，信噪比为：5-15③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：5-1109/8/2023

5.2.2直接检测系统的检测极限④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：5-17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：5-18假定光波长λ=0.7μm，检测器的量子效率（量子效率=光生电子数/入射光子数。）η=1，测量带宽Δf=1，由上式得到系统在量子极限下的最小可检测功率为9/8/202311

5.2.2直接检测系统的检测极限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，