光电子技术第15课.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光电子技术第十五课,王炜路,Tel,：,18296136141,QQ,：,67148453,Email,：,wlwang,精彩回顾,直接探测系统,光电探测系统分类,按,携带信息的光源：,主动和被动探测系统,光谱范围：,可见光和红外探测系统,接收系统：,点和面探测系统,信号处理电路：,模拟和数字探测系统,光波对信息信号的携带方式,(,调制方式,),：,直接,和相干探测系统,主动式光电系统中，光发射机主要由光源,(,例如激光器,),和调制器构成；,被动式光电系统中，光发射机则理解为被探测物体或目标的自发辐射。如被测目标是：星体、飞机、导弹等,光学信道和光接收机对两者是完全相同的。,光发射机,光学信道,光接收机,光发射机,光接收机,是用于收集入射的光场并处理、恢复光载波的信息。基本模型包括三个基本模块：,光接收前端,(,通常包括一些透镜或聚光部件,),、光探测器、后续处理器。,透镜系统把接收的光场进行滤波和聚焦并使其入射到光探测器上。,光探测器把光信号变换为电信号。,后续处理器完成必要的信号放大、信号处理及过滤处理，以从探测器的输出中恢复所需要的信息。,主动式光电系统：,主动式光电系统是,发射和接收系统,共同配合进行工作的。光源出射的光照射目标，利用目标的反射、投射或散射载上目标信息，然后由接收系统进行检测。,光源,调制器,光学系统,信息源,发射系统,光源,传输介质,接收系统,光学系统,光电探测器,电子电路,光学系统,调制器,信息源,目标,大气,光学系统,调制器,光电探测器,电子电路,接收系统,被动式光电系统：,被动式光电系统中，目标和背景辐射功率同时进入光学系统，然后会聚到探测器上转换为光电信号由后续电子电路处理后输出所需信息。系统有无调制均可。,主动和被动式光电系统,，接收系统都是把目标和背景的入射光能量经光学系统会聚到光电探测器上进行光电转换，探测器输出的信号经处理电路输出所需信息。,在此过程中，背景噪声和系统内部的探测器噪声及电路噪声都与信号一起进入系统,对军事目标的探测，无论是主动或被动式光电系统，一般都工作在红外光波段，因为此波段隐蔽性好，不易被对方发现,在民用装置或仪器中除必须工作于红外波段外，都尽可能工作在可见光和近红外波段，因为此波段探测器的量子效率高，系统设计调试比较方便。,可见与红外探测系统：,光电系统根据接收系统分为点探测和面探测系统两类；,点探测系统,中，系统把目标当作一点考虑，只接收目标的,总辐射功率,。通常只用单元探测器，或用多元阵列探测器以分辨目标位置；,面探测系统,中，同时测量目标强度分布，通称用,摄像器件,或多元探测器阵列完成。,光发射机和光学信道对两者是完全相同的。,光发射机,光学信道,光接收机,点与面探测系统：,透镜系统和光电探测器用于检测所收集到的到达光接收机的光场瞬间光功率。,直接探测光接收机的工作方式是最简单的一种，只要传输的信息体现在接收光场的,功率或强度,变化之中，就可以采用这种接收机。,接收到,的光场,透镜,空间滤波器,频率滤波器,光电探测器,聚焦光场,光接收机可分为两种基本类型，即直接探测和外差探测。,直接探测接收机也称作功率探测或非相干接收机，它的前端系统如图所示。,直接与相干探测系统：,本地产生光场与接收到的光场经前端镜面加以合成后由探测器检测合成光波。,接收到,的光场,透镜,光电探测器,聚焦光场,本地,激光器,本地光场,准直后,的光场,合束镜,外差接收机的前端系统,外差式接收机可接收以,幅度调制、频率调制、相位调制,方式传输的信息，即利用振幅、频率、相位来携带信息而不是利用光强度。,外差接收机实现较困难，它对两个待合成的光场在空间相干性方面有严格要求。因此，外差式接收机通常也称为,空间相干接收机,。,不论是哪一种接收机，前端透镜系统都能把接收光场或合成后的光场聚焦到光探测器的表面，这就使得光探测器的面积可以比接收透镜的面积小很多。,直接探测系统的性能分析,通过学习，我们已经清楚地知道，光电探测器的基本功能就是把入射到探测器上的光功率转换为相应的光电流。即,光电流,i,(,t,),是光电探测器对入射光功率,P,(,t,),的响应，当然,光电流随时间的变化也就反映了光功率随时间的变化。,因此，只要待传递的信息表现为光功率的变化，利用光电探测器的这种,直接光电转换功能,就能实现信息的解调。这种探测方式通常称为,直接探测,。直接探测系统的方框图如图,7.1-1,所示。,图,7.1-1,直接探测系统,激光的高度相干性、单色性和方向性使光频段的外差探测成为现实。,光外差探测系统的方框图如图,7.1-2,所示。,图,7.1-2,光外差探测系统,与无线电波一样，评价上述两种光探测系统的性能的判据也是信噪比,(SNR),。,它定义为信号功率和噪声功率之比。若信号功率用符号,S,表示，噪声功率用,N,表示，则,光电探测器的平方律特性,假定入射信号光的电场,e,s,(,t,)=,E,s,co,s,s,t,是等幅正弦变化的，这里,s,是光频率。因为光功率,P,s,(,t,),e,2,(,t,),，,所以由光电探测器的,光电转换定律,(7.1-1),式中,e,2,s,(,t,),上的短划线表示时间平均。这是因为光电探测器的响应时间远远大于光频变化周期，所以光电转换过程实际上是对光场变化的时间积分响应。把正弦变化的光场代入式,(7.1-1),：,(7.1-2),式中,P,s,是入射信号光的平均功率。若探测器的负载电阻是,R,L,，,那么，光电探测器的电输出功率,(7.1-3),该式说明，探测器的电输出功率正比于入射光功率的平方。所以，我们应该建立这样的观念：,光电探测器的平方律特性包含着两层含义。其一,是光电流正比于光电场振幅的平方,；其二是,电输出功率又正比于入射光功率的平方。,如果入射光场是调幅波,:,那么,(7.1-4),信噪比性能分析,设输入光电探测器的信号光功率为,s,i,，,噪声功率为,n,i,，,光电探测器的输出电功率为,s,o,，,输出噪声功率为,n,o,，,则总的输入功率为,(,s,i,+,n,i,),，,总的输出功率为,(,s,o,+,n,o,),。,由光电探测器的平方律特性,s,o,+,n,o,=,k,(,s,i,+,n,i,),2,=,k,(,s,2,i,+2,s,i,n,i,+,n,2,i,),根据信噪比的定义，输出信噪比为,(7.1-7),考虑到信号和噪声的独立性，应用,从上式可以得出如下结论：,(1),若,s,i,/,n,i,1,则,(7.1-10),说明,直接探测方式适宜于强光信号的探测,。,直接探测系统的,NEP,分析,具有内增益的光电探测器的电输出功率由式,(7.1-3),可以写为,(7.1-11),式中,(7.1-12),M=I,A,/I,K,而输出噪声功率,(7.1-13),(7.1-14),(7.1-15),(7.1-16),(7.1-17),信号光电流,背景光电流,暗漏电流,电阻温度产生的,噪声功率,产生原因,度量,探测器种类,散粒噪声,光电子的随机产生,all,产生复合噪声,载流子产生与复合的随机性,光电导探测器,热噪声,电荷载流子的随机热运动,all,1/,f,噪声,光敏层的微粒不均匀,all,温度噪声,周围环境交换热能,热探测器,以上诸式适用于光电倍增管。对光电二极管，,M,=1,；,对光电导探测器，式,(,7,.1-14)(,7,.1-16),前面的系数,2,应改为,4,。其中,i,s,=,P,s,(,7,.1-18),i,b,=,P,b,这里,P,b,是指背景杂散光功率。,按照输出信噪比的定义，由式,(7.1-14)(7.1-19),有,(3.1-19),(7.1-20),当,s,o,/,n,o,=1,时,信号光功率就是探测器的,NEP,，,所以有,(7.1-21),1/2,1.,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,(7.1-22),若,=1.06m,，,=50%,，,T=300K,f=1HZ,，,则,估算：,NEP0.92 10,-11,W,2.,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,(7.1-23),为了简单起见，令,i,s,=,i,b,=,i,d,，有,(7.1-24),估算：,NEP0.28 10,-11,W,3.,散粒噪声和热噪声相当,散粒噪声和热噪声相当的情况下，,。,雪崩光电二极管,的,M,大约为百数量级，因此有可能工作在这种状态。这时,(7.1-25),估算：,NEP1.3 10,-12,W,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，只存在光信号噪声。,(7.1-26),所以,若,=1.06m,，,=50%,，,f=1HZ,，,则,NEP7.2 10,-22,W,而,h=18.7 10,-22,J,这表明已接近单光子接收灵敏度，理想,工作状态。,1/2,