1、1第五章第五章 光电直接检测系统光电直接检测系统2光电检测系统分类光电检测系统分类v主动系统主动系统/被动系统被动系统(按信息光源分按信息光源分)v红外系统红外系统/可见光系统可见光系统(按光源波长分按光源波长分)红外系统多用于军事红外系统多用于军事,有大气窗口有大气窗口,需要特种需要特种探测器探测器可见光系统多用于民用可见光系统多用于民用v点探测点探测/面探测系统面探测系统(按接收系统分按接收系统分)用单元探测器接收目标的总辐射功率用单元探测器接收目标的总辐射功率用面接收元件测量目标的光强分布用面接收元件测量目标的光强分布v模拟系统模拟系统/数字系统数字系统(按调制和信号处理方式分按调制和信
2、号处理方式分)v直接检测直接检测/相干检测系统相干检测系统(按光波对信号的携带按光波对信号的携带方式分方式分)3主动系统主动系统v通过信息调制光源通过信息调制光源,或者光源发射的光受被测或者光源发射的光受被测物体调制物体调制.返回返回信信息息源源调调制制器器光光源源光光学学系系统统电电子子电电路路传传输输介介质质光光学学系系统统光光电电探探测测器器接收系统接收系统信信息息源源调调制制器器光光源源光光学学系系统统发射系统发射系统4被动系统被动系统v光信号来自被测物体的自发辐射光信号来自被测物体的自发辐射返回返回目目标标大大气气光光学学系系统统电电子子电电路路调调制制器器光光电电探探测测器器接收系
3、统接收系统5相干检测相干检测原理原理：利用光的振幅、频率、相位携带信：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。息，检测时需要用光波相干原理。调制方法调制方法：光振幅调制、相位调制，频率：光振幅调制、相位调制，频率调制调制光源光源：相干光源：相干光源测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。非相干检测非相干检测原理：原理：利用光强度携带信息，将光强度转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。换为电信号，解调电路检出信息。调制方法调制方法：光强度调制、偏振调制。：光强度调制、偏振调制。光源光源：非相干或相干光源：非相干或相干光
4、源直接检测是一种简单实用的方法直接检测是一种简单实用的方法。光光外外差差检检测测直直接接检检测测光光电电检检测测系系统统65.1 光电直接检测系统的基本工作原理光电直接检测系统的基本工作原理1、光检测器响应、光检测器响应光辐射强度光辐射强度并输出相应的电流和并输出相应的电流和电压。电压。2、检测系统前端还可经过频率滤波、检测系统前端还可经过频率滤波(如滤光片如滤光片)和和空间滤波（如光阑）等处理。空间滤波（如光阑）等处理。光光源源强度强度调制器调制器光学天光学天线线光学通光学通道道接收天线接收天线及光电检及光电检测器测器光电信光电信号处理号处理器器信信号号发射机发射机背景噪背景噪声场声场接收机
5、接收机电路噪声电路噪声回收回收的信的信息息强度调制直接检测模型强度调制直接检测模型7假定入射光信号电场为：假定入射光信号电场为：cossEtAt5-15-1光场平均光功率为：光场平均光功率为：_222ssPEtA表示表示 _2sEt 2sEt的时间平均值；的时间平均值；光检测器输出电流为：光检测器输出电流为：_222ssseeIPEtAhh称为光电变换比例常数称为光电变换比例常数eh5-18光检测器的平方律特性光检测器的平方律特性：光电流正比于光电场振幅：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。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若光检测器负载电
6、阻RL，则光检测器输出电功，则光检测器输出电功率为：率为：222osLsLePI RP Rh5-3如果入射光是调幅波，即如果入射光是调幅波，即 1cossEtAd tt其中其中d(t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流为为调制信号，可推导出光检测器的输出电流为:2212siAA d t式中第一项为直流项，若光检测器输出端有隔直电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，称为容，则输出光电流只包含第二项，称为包络检测包络检测。5-495.2 光电直接检测系统的基本特性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直接检测系统的信噪比衡量模拟系统好坏
7、及灵敏度衡量模拟系统好坏及灵敏度设信号光功率为设信号光功率为Ps，噪声功率为，噪声功率为Pn，光检测器输出的总功率包括光检测器输出的总功率包括信号电功率信号电功率P Po o和噪声功率和噪声功率P Pnono，可表示为：，可表示为：22onoLsnePPRPPh5-5考虑到信号和噪声的独立性，有：考虑到信号和噪声的独立性，有：22oLsePRPh222noLsnnePRP PPh由信噪比定义，输出功率信噪比为：由信噪比定义，输出功率信噪比为：222212snospnosnnsnPPPPSNRPP PPPP5-610nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222说明输出信噪比是输
8、入信噪比的平方，可见，直接检测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系统不适用于输入信噪比小于1 1或微弱光信号的检测。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，信噪比损失了换，信噪比损失了3dB。实际应用中可以接受。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。靠性高，成本低，得到广泛应用。(1)若若1
9、snP P，则有：则有：2snpSNRP P5-7(2)若若1snP P，则有：，则有：12spnPSN RP5-811在数字式光电系统中，噪声对系统的影响常使用在数字式光电系统中，噪声对系统的影响常使用“误码率误码率”来衡量。信噪比高，误码率低。由噪声来衡量。信噪比高，误码率低。由噪声的概率分布规律考虑的概率分布规律考虑“概率问题概率问题”来衡量。来衡量。噪声功率（方差）信号功率PSNRis0101is1ab信号加噪声信号加噪声t00011正确正确 正确正确 正确正确 正确正确 错误错误阈值阈值阈值阈值ct125.2.2 直接检测系统的检测极限及趋近方法直接检测系统的检测极限及趋近方法考虑直
10、接检测系统中存在的所有噪声，则输出噪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：声总功率为：_2222noNSNBNDNTLPiiiiR_222,N SN BN Diii和分别为信号光、背景光和暗电流引起的散分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声粒噪声。_ _ _ _2N Ti为负载电阻和放大器的热噪声之和。为负载电阻和放大器的热噪声之和。5-922_2222sopnoNSNBNDNTehPPSNRPiiii输出信噪比为：输出信噪比为：5-1013_2_2_2_222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR 当热噪声是直接检测系统当热噪声是直接检测系统 的主要噪声源时，
11、直接检测系统受热噪声限制，信的主要噪声源时，直接检测系统受热噪声限制，信噪比为：噪比为：224spLehPSNRkTfR热5-11 当散粒噪声远大于热噪声时，直接检测系统受散粒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：噪声限制，信噪比为：22_222spNSNBNDehPSNRiii散5-12 当背景噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接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：检测系统受背景噪声限制，信噪比为：22222sspBBehPPSNRehfPe fPh背5-1314假定光波长假定光波长=0.7m，检测器的量子效率，检测器的量
12、子效率=1，测量带宽，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，由上式得到系统在量子极限下的最小可检测功率为为18min2hv10PW 当入射信号光波所引起的噪声为直接检测系统的主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，这时信要噪声源时，直接检测系统受信号噪声限制，这时信噪比为：噪比为：2spPSNRhf信5-14该式为直流检测在理论上的极限信噪比，称为直接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检测系统的量子极限量子极限，又称，又称量子限灵敏度量子限灵敏度。若用等效噪声功率若用等效噪声功率NEP值表示，在量子极限下，
13、直值表示，在量子极限下，直接检测系统理论上可测量的最小功率为：接检测系统理论上可测量的最小功率为：2hfNEP量5-1515背景限信噪比可以在激光检测系统中实现，是因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。景限信噪比。系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行方法是在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，如光电倍增管光电倍增，如光电倍增管。当倍增很大时，热噪声可。当倍增很大时，热噪声可忽略，同
14、时加致冷、屏蔽等措施减小暗电流及背景噪忽略，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。对于光电导器件，主要噪声为产生复合使噪声增加。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，噪声（极限散粒噪声），光电导器件极限信噪比低，NEP较大。较大。165.2.3 直接检测系统的视场角直接检测系统的视场角视场角表示系统能检视场角表示系统能检测到的空间范围，是检测测到的空间范围，
15、是检测系统的性能指标之一。对系统的性能指标之一。对于检测系统，被测物看作于检测系统，被测物看作是在无穷远处，且物方与是在无穷远处，且物方与像方介质相同。当检测器像方介质相同。当检测器位于焦平面上时，其半视位于焦平面上时，其半视场角为：场角为：或视场角立体角或视场角立体角为：为：2dAf 2dfd直接检测系统视场角直接检测系统视场角D f检测器检测器物镜物镜17从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即增大检从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即增大检测器面积或减小光学系统的焦距，但对检测器会带来测器面积或减小光学系统的焦距，但对检测器会带来不利影响：不利影响：增加检测器面积意味着增大系统噪声增加检测器
16、面积意味着增大系统噪声。因为。因为对大多数检测器，噪声功率和面积的平方根成正比。对大多数检测器，噪声功率和面积的平方根成正比。减小焦距使系统的相对孔径加大，引入系统减小焦距使系统的相对孔径加大，引入系统背景辐射噪声，使系统灵敏方式下降背景辐射噪声，使系统灵敏方式下降。因此在系统设计时，在检测到信号的基础上尽可因此在系统设计时，在检测到信号的基础上尽可能减小系统视场角。能减小系统视场角。185.2.4 系统的通频带宽度系统的通频带宽度频带宽度频带宽度f是光电检测系统的重要指标之一。是光电检测系统的重要指标之一。检测检测系统要求系统要求f应保存原有信号的调制信息，并使系统达应保存原有信号的调制信息
17、，并使系统达到最大输出功率信噪比。系统按传递信号能力，可有到最大输出功率信噪比。系统按传递信号能力，可有以下几种方法确定系统频带宽度。以下几种方法确定系统频带宽度。1.等效矩形带宽：等效矩形带宽：令令I()为信号的频谱，则信号为信号的频谱，则信号的能量为的能量为等效矩形带宽等效矩形带宽 定义为定义为式中：式中：I(0)为为=0时的频谱时的频谱分量，如右图所示分量，如右图所示I(0)。21()2EId20()EI I 0I0O1等效矩形带宽等效矩形带宽191200.062(0)EI例如，以钟形波表示的脉冲激光信号的等效矩形带例如，以钟形波表示的脉冲激光信号的等效矩形带宽，激光波形为宽，激光波形为
18、式中：式中：为脉冲峰值，为脉冲峰值，1.66/1.66/0;0为激光脉冲宽为激光脉冲宽度。它的频谱度。它的频谱I()为为激光脉冲能量激光脉冲能量E为为等效矩形带宽等效矩形带宽1为为2 2()tI tAe22/4()()j tAII t edte2222/4122AAEed202.频谱曲线下降频谱曲线下降3dB的带宽的带宽将上面将上面I()的表达式的表达式代入代入 或或 ，可得，可得200.62f()20log3(0)II()1(0)2II2ln2,224ln222/4()()j tAII t edte213.包含包含90%能量的带宽能量的带宽在在90%处能量得带宽为处能量得带宽为式中式中此时，
19、此时，300.89f()0.9EE22222/41()()21()22EIdAAedx22对于输入信号为矩形波时，通过不同带通滤波器的对于输入信号为矩形波时，通过不同带通滤波器的波形的分析，可知，要使系统可以复现输入信号波形，波形的分析，可知，要使系统可以复现输入信号波形，要求系统带宽要求系统带宽f：在输入信号为调幅波时，一般情况下取频带宽度为在输入信号为调幅波时，一般情况下取频带宽度为其包络（边频）频率的其包络（边频）频率的2倍。如果是调频波，则要求滤倍。如果是调频波，则要求滤波器加宽频带宽度，保证有足够的边频分量通过系统。波器加宽频带宽度，保证有足够的边频分量通过系统。04f5-20235
20、.3 直接检测系统的距离方程直接检测系统的距离方程光电检测系统的灵敏度在不同的用途时，光电检测系统的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，通常用跟踪等系统中，通常用“检测距离检测距离”来评价系来评价系统的灵敏度。对于其他系统的灵敏度亦可用距统的灵敏度。对于其他系统的灵敏度亦可用距离方程推演出来。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。统，其距离方程不同。下面分别进行推导。241 1、被动检测系统的距离方程、被动检测系统的距离方程被动
21、检测过程示意图被动检测过程示意图eE接收光学系统接收机接收信息eP光电检测大大气气传传播播L信号处理sV被测被测目标目标eI光谱辐射强度L传播距离大气光谱透过率1VR光 谱 响 应 度00A光谱透过率入射孔径面积25设被测目标的光谱辐射强度为设被测目标的光谱辐射强度为eI经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度度 为：为：eE12eeIEL的距离为目标到光电检测系统内的大气光谱透过率；为被测距离LL1入射到检测器上的光谱功率入射到检测器上的光谱功率 为：为：eP10 00 02eeeIPE AAL透过率为接收光学系统的光谱孔径面积为接收光学系统
22、的入射10A根据目标辐射强度最大的波段范围及所选取检测器光谱根据目标辐射强度最大的波段范围及所选取检测器光谱响应范围共同决定选取的响应范围共同决定选取的12的辐射波段，可得到检测的辐射波段，可得到检测器的输出信号电压为：器的输出信号电压为：22110102seVeVAVP R dIR dL 为检测器的光谱响应度VR00A26 都是波长的复杂函数，都是波长的复杂函数，难有确切的解析表达式。通常作如下简化处理：难有确切的解析表达式。通常作如下简化处理：10eVIR、和式中 取取1为被测距离为被测距离L在光谱响应范围内的在光谱响应范围内的平均透过率平均透过率1。光学系统的透过率光学系统的透过率0对光
23、谱响应范围内平均值。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。即在响应范围内为范围内为常数常数RV，在其它区域为零。，在其它区域为零。根据物体的温度根据物体的温度T查表，可计算出在考查波段范围内的查表，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，可得到物体黑体辐射强度，再乘以物体的平均比辐射率，可得到物体在在光谱响应范围内的辐射强度光谱响应范围内的辐射强度Ie。令检测器的方均根噪声电压为令检测器的方均根噪声电压为Vn，则它的输出信噪比为：，则它的输出信噪比为：210102seVnnVAIR dVV L
24、5-222701 02seVnnVAIRVV L210102seVnnVAIR dVV L 即即：1201 0sneVVn VA IRLV5-24又因为：又因为：*nVdVDRAf可得：可得：12*010sneVdVA IDLAf 式中式中Ad为检测器面积；为检测器面积；f为系统的带宽；为系统的带宽；D*为为检测器的归一化检测度；检测器的归一化检测度；AoIe=P0是入射到接收是入射到接收光学系统的平均功率。光学系统的平均功率。28为清楚地看出系统各部件对检测距离的影响，把调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制特性考虑为对入射功率的利用系数km，则上式
25、改，则上式改写为：写为：11221122*10 0medsnkDLIAAf V V 第一个括号是第一个括号是目标辐射特性及大气透过率对检测距目标辐射特性及大气透过率对检测距离的影响；离的影响；第二个括号和第三个括号表示第二个括号和第三个括号表示光学系统及检测器件光学系统及检测器件特性对作用距离的影响；特性对作用距离的影响；第四个括号是第四个括号是信息处理系统对作用距离的影响信息处理系统对作用距离的影响。29大大气气传传播播 kL衰减系数传播距离2LLSL 经距离 后光斑面积 eE eIaSr反射面积反射系数 P dP接收光接收光学系统学系统信信号号处处理理接收机接收机回回收收信信息息0D接收口
26、径立体角 02透过率光光电电检检测测强度强度调制器调制器发射光发射光学系统学系统光光源源信信号号发射机发射机 sPmk 01 TP反射反射目标目标LsV2、主动检测距离方程、主动检测距离方程主动检测过程示意图主动检测过程示意图30主动检测系统的光源主要为激光光源。令其发射功率主动检测系统的光源主要为激光光源。令其发射功率为为Ps()；发射束发散立体角为；发射束发散立体角为；发射光学系统透过率；发射光学系统透过率为为01()，经调制的光能利用率为，经调制的光能利用率为km，则发射机发射的，则发射机发射的功率功率PT()为：为：T01PsmPk 激光在大气中传播时，能量若为按指数规律衰减，令激光在
27、大气中传播时，能量若为按指数规律衰减，令衰减系数为衰减系数为k()，经传播距离，经传播距离L后光斑面积为后光斑面积为SL=L2，光斑光斑SL的辐射照度的辐射照度Ee为：为：e2EkLkLTTLPPeeSL设在距光源设在距光源L处有一目标，其反射面积为处有一目标，其反射面积为Sa。普通情况。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，下把反射体看作是朗伯反射，即在半球内均匀反射，其反射系数为其反射系数为r。在此条件下，单位立体角的反射光辐。在此条件下，单位立体角的反射光辐射强度射强度Ie()为：为：e21IkLLaeaPrS ErS eL31假定接收机和发射机在一处，反射光经大气传输到
28、接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：则接收功率为：220e4PI4kLTaPDrS eL 式中，式中，D0为光学系统接收口径；为光学系统接收口径；=D02/4L2为接收系为接收系统的立体角。如果接收光学系统的透过率为统的立体角。如果接收光学系统的透过率为02()，则，则检测器上接收到的总功率为：检测器上接收到的总功率为：220d024PP4kLsmaPk kS DeL式中式中:0102kr 检测器上的输出电压为：检测器上的输出电压为：220sd4VP4kLsmaVVPk kS
29、DReRL32式中：式中：RV()为检测器相对光谱响应度，代入上式得距为检测器相对光谱响应度，代入上式得距离离L为：为：220sd4VP4kLsmaVVPk kS DReRL142*20L4kLsmasndPk kS D DeVVAf 如果目标反射面积如果目标反射面积Sa等于光斑照射面积等于光斑照射面积L2，则上式可，则上式可化为：化为：122*20L4kLsmsndPk kD DeVVAf 可知，影响检测距离的因素很多，发射系统、接收系可知，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。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。意义是等价的。
