光電檢測(cè)系統(tǒng)：5- 光電直接檢測(cè)系統(tǒng)

第五章光電直接檢測(cè)系統(tǒng)1光電檢測(cè)系統(tǒng)分類主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長(zhǎng)分)點(diǎn)探測(cè)/面探測(cè)系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分)模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號(hào)處理方式分)直接檢測(cè)/光外差檢測(cè)系統(tǒng)(按光波對(duì)信號(hào)的攜帶方式分)2相干檢測(cè)，光源：相干光源原理：利用光的頻率、相位攜帶信息，檢測(cè)時(shí)需要用光波相干原理。調(diào)制方法：光相位調(diào)制，頻率調(diào)制測(cè)量精度更高，靈敏度更高。非相干檢測(cè)，光源：非相干或相干光源原理：利用光強(qiáng)度攜帶信息，將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，解調(diào)電路檢出信息。調(diào)制方法：光強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、波長(zhǎng)調(diào)制直接檢測(cè)是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。光外差檢測(cè)直接檢測(cè)光電檢測(cè)系統(tǒng)3典型的光電檢測(cè)系統(tǒng)直接檢測(cè)系統(tǒng)（光強(qiáng)調(diào)制）光纖通信系統(tǒng)激光測(cè)距儀葉片轉(zhuǎn)速測(cè)量環(huán)境污染檢測(cè)系統(tǒng)光外差檢測(cè)系統(tǒng)激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀（相位調(diào)制）多普勒測(cè)速（頻率調(diào)制）相干光通信45.1光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理光電直接檢測(cè)系統(tǒng)是將待測(cè)光信號(hào)直接入射到光探測(cè)器光敏面上，光檢測(cè)器響應(yīng)光輻射強(qiáng)度（幅度）并輸出相應(yīng)的光電流。檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)光學(xué)天線或直接由探測(cè)器接收光信號(hào)，前端還可經(jīng)過頻率濾波和空間濾波等處理。強(qiáng)度調(diào)制器光學(xué)天線光學(xué)通道接收天線及光電檢測(cè)器光電信號(hào)處理器光源信號(hào)發(fā)射機(jī)背景噪聲場(chǎng)接收機(jī)電路噪聲回收的信息強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)模型55.1光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理假定入射光信號(hào)電場(chǎng)為：光場(chǎng)平均光功率為：表示的時(shí)間平均值；光探測(cè)器輸出電流為：稱為光電變換比例常數(shù)6光檢測(cè)器的平方律特性：光電流正比于光電場(chǎng)振幅的平方，電輸出功率正比于入射光功率的平方。5.1光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理若光檢測(cè)器負(fù)載電阻RL，則光檢測(cè)器輸出電功率為：如果入射光是調(diào)幅波，即其中d(t)為調(diào)制信號(hào)，可推導(dǎo)出光檢測(cè)器的輸出電流為:式中第一項(xiàng)為直流項(xiàng)，若光檢測(cè)器輸出端有隔直電容，則輸出光電流只包含第二項(xiàng)，稱為包絡(luò)檢測(cè)。75.2光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本特性5.2.1直接檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比—衡量模擬系統(tǒng)好壞及靈敏度光檢測(cè)器輸出的總功率包括信號(hào)電功率和噪聲功率，可表示為：考慮到信號(hào)和噪聲的獨(dú)立性，有：由信噪比定義，輸出功率信噪比為：85.2.1直接檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比說明輸出信噪比是輸入信噪比的平方，可見，直接檢測(cè)系統(tǒng)不適用于輸入信噪比小于1或微弱光信號(hào)的檢測(cè)。輸出信噪比是輸入信噪比的一半。即經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，信噪比損失了3dB。實(shí)際應(yīng)用中可以接受?？梢?，直接檢測(cè)方法不能改善輸入信噪比，不適宜很微弱的光信號(hào)檢測(cè)。但這種方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高，成本低，得到廣泛應(yīng)用。(1)若，則有：(2)若，則有：9在數(shù)字式光電系統(tǒng)中，噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響常使用“誤碼率”來衡量。誤碼率仍然與信噪比有關(guān)。信噪比高，誤碼率低。105.2.2直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限及趨近方法考慮直接檢測(cè)系統(tǒng)中存在的所有噪聲，則輸出噪聲總功率為：分別為信號(hào)光、背景光和暗電流引起的散粒噪聲。為負(fù)載電阻和放大器的熱噪聲之和。輸出信噪比為：5-13115.2.2直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限①

當(dāng)熱噪聲是直接檢測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受熱噪聲限制，信噪比為：②

當(dāng)散粒噪聲遠(yuǎn)大于熱噪聲時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受散粒噪聲限

制，信噪比為：③當(dāng)背景噪聲是直接檢測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)

受背景噪聲限制，信噪比為：125.2.2直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限假定光波長(zhǎng)λ=0.7μm，檢測(cè)器的量子效率η=1，測(cè)量帶寬Δf=1Hz，由上式得到系統(tǒng)在量子極限下的最小可檢測(cè)功率為：④當(dāng)入射信號(hào)光波所引起的噪聲為直接檢測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受信號(hào)噪聲限制，這時(shí)信噪比為：該式為直流檢測(cè)在理論上的極限信噪比，稱為直接檢測(cè)系統(tǒng)的量子極限，又稱量子限靈敏度。若用等效噪聲功率NEP值表示，在量子極限下，直接檢測(cè)系統(tǒng)理論上可測(cè)量的最小功率為：13在實(shí)際直接檢測(cè)系統(tǒng)中，很難達(dá)到量子極限檢測(cè)，總會(huì)有背景噪聲、探測(cè)器和放大器的熱噪聲。背景限信噪比可以在激光檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)榧す夤庾V窄，加濾光片很容易消除背景光，實(shí)現(xiàn)背景限信噪比。系統(tǒng)趨近于量子極限意味著信噪比的改善，可行方法是在光電檢測(cè)過程中利用光探測(cè)器內(nèi)增益獲得光電倍增，如光電倍增管。當(dāng)倍增很大時(shí)，熱噪聲可忽略，同時(shí)加致冷、屏蔽等措施減小暗電流及背景噪聲，光電倍增管可達(dá)到散粒噪聲限。在特殊條件下可趨近于量子限。但倍增管也會(huì)帶入噪聲，增益過程中使噪聲增加。在直接檢測(cè)中，光電倍增管、雪崩管的檢測(cè)能力較高，采用有內(nèi)部高增益的探測(cè)器可使直接檢測(cè)系統(tǒng)趨近于檢測(cè)極限。對(duì)于光電導(dǎo)器件，主要噪聲為產(chǎn)生復(fù)合噪聲（極限散粒噪聲），光電導(dǎo)器件極限信噪比低，NEP較大。5.2.2直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限14直接檢測(cè)系統(tǒng)視場(chǎng)角檢測(cè)器物鏡5.2.3直接檢測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)角視場(chǎng)角表示系統(tǒng)能檢測(cè)到的空間范圍，是檢測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)之一。對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)，被測(cè)物看作是在無窮遠(yuǎn)處，且物方與像方介質(zhì)相同。當(dāng)探測(cè)器位于焦平面上時(shí)，其半視場(chǎng)角為：或視場(chǎng)角立體角Ω為：從觀察角度講，希望視場(chǎng)角愈大愈好，即大探測(cè)器面積或減小光學(xué)系統(tǒng)的焦距，但對(duì)探測(cè)器會(huì)帶來不利影響：①增加探測(cè)器面積意味著增大系統(tǒng)噪聲。因?yàn)閷?duì)大多數(shù)探測(cè)器，噪聲功率和面積的平方根成正比。②減小焦距使系統(tǒng)的相對(duì)孔徑加大，引入系統(tǒng)背景輻射噪聲，使系統(tǒng)靈敏度下降。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在能檢測(cè)到信號(hào)的基礎(chǔ)上盡可能減小系統(tǒng)視場(chǎng)角。155.2.4探測(cè)系統(tǒng)通頻帶寬度頻帶寬度Δf是光電檢測(cè)系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。檢測(cè)系統(tǒng)要求Δf應(yīng)保持原有信號(hào)的調(diào)制信息，并使系統(tǒng)達(dá)到最大輸出功率信噪比。系統(tǒng)按傳遞信號(hào)的能力，有以下幾種方法確定系統(tǒng)頻帶寬度。以脈沖激光波形為例.對(duì)于輸入信號(hào)為矩形波時(shí)，對(duì)不同帶通濾波器波形的分析，可知，要使系統(tǒng)可以復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)波形，要求系統(tǒng)帶寬Δf：在輸入信號(hào)為調(diào)幅波時(shí)，一般情況下取頻帶寬度為其包絡(luò)（邊頻）頻率的2倍。如果是調(diào)頻波，則要求濾波器加寬頻帶寬度，保證有足夠的邊頻分量通過系統(tǒng)。等效矩形帶寬：頻譜曲線下降3dB的帶寬包含90%能量的帶寬165.3直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程光電檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度針對(duì)不同的用途，靈敏度表達(dá)形式不同，在對(duì)地測(cè)距、搜索和跟蹤等系統(tǒng)中，通常用“檢測(cè)距離”來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的靈敏度。對(duì)于其他系統(tǒng)的靈敏度亦可用距離方程推演出來。直接檢測(cè)系統(tǒng)分為被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其距離方程不同，下面分別進(jìn)行推導(dǎo)。強(qiáng)度調(diào)制器光學(xué)天線光學(xué)通道接收天線及光電檢測(cè)器光電信號(hào)處理器光源信號(hào)發(fā)射機(jī)背景噪聲場(chǎng)接收機(jī)電路噪聲回收的信息171、被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程被動(dòng)檢測(cè)過程示意圖大氣傳播接收光學(xué)系統(tǒng)信號(hào)處理接收機(jī)接收信息光電檢測(cè)被測(cè)目標(biāo)18設(shè)被測(cè)目標(biāo)的光譜輻射強(qiáng)度為經(jīng)大氣傳播后到達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)表面的光譜輻射照度為：入射到探測(cè)器上的光譜功率為：根據(jù)目標(biāo)輻射強(qiáng)度最大的波段范圍及所選取探測(cè)器光譜響應(yīng)范圍共同決定選取的λ1―λ2的輻射波段，可得到探測(cè)器的輸出信號(hào)電壓為：5-211、被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程191、被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程

都是波長(zhǎng)的復(fù)雜函數(shù)，難有確切的解析表達(dá)式。通常作如下簡(jiǎn)化處理：式中①取τ1λ為被測(cè)距離L在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的平均透過率τ1。②光學(xué)系統(tǒng)的透過率τ0λ對(duì)光譜響應(yīng)范圍內(nèi)平均值。③把檢測(cè)器的光譜響應(yīng)帶看成是一個(gè)矩形帶寬。即在響應(yīng)范圍內(nèi)為常數(shù)RV，在其它區(qū)域?yàn)榱?。④根?jù)物體的溫度T查表，可計(jì)算出在考查波段范圍內(nèi)的黑體輻射強(qiáng)度，再乘以物體的平均比輻射率，可得到物體在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的輻射強(qiáng)度Ie。將上述值代入上式，可得：令檢測(cè)器的方均根噪聲電壓為Vn，則它的輸出信噪比為：20即：又因?yàn)椋菏街蠥d為檢測(cè)器面積；Δf為系統(tǒng)的帶寬；D*為檢測(cè)器的歸一化檢測(cè)度；AoIe=P0是入射到接收光學(xué)系統(tǒng)的平均功率。將Rv代入上式，可得：21為清楚地看出系統(tǒng)各部件對(duì)檢測(cè)距離的影響，把系統(tǒng)調(diào)制特性考慮為對(duì)入射功率的利用系數(shù)km，則上式改寫為：第一個(gè)括號(hào)是目標(biāo)輻射特性及大氣透過率對(duì)檢測(cè)距離的影響；第二個(gè)括號(hào)和第三個(gè)括號(hào)表示光學(xué)系統(tǒng)及檢測(cè)器件特性對(duì)作用距離的影響；第四個(gè)括號(hào)是信息處理系統(tǒng)對(duì)作用距離的影響。22大氣傳播接收光學(xué)系統(tǒng)信號(hào)處理接收機(jī)回收信息光電檢測(cè)強(qiáng)度調(diào)制器發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)光源信號(hào)發(fā)射機(jī)反射目標(biāo)2、主動(dòng)檢測(cè)距離方程主動(dòng)檢測(cè)過程示意圖23主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的光源主要為激光光源。令其發(fā)射功率為Ps(λ)；發(fā)射束發(fā)散立體角為Ω；發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過率為τ01(λ)，經(jīng)調(diào)制的光能利用率為km，則發(fā)射機(jī)發(fā)射的功率PT(λ)為：激光在大氣中傳播時(shí)，能量若為按指數(shù)規(guī)律衰減，令衰減系數(shù)為k(λ)，經(jīng)傳播距離L后光斑面積為SL=ΩL2，光斑SL的輻射照度Ee為：設(shè)在距光源L處有一目標(biāo)，其反射面積為Sa。普通情況下把反射體看作是朗伯反射，即在半球內(nèi)均勻反射，其反射系數(shù)為r。在此條件下，單位立體角的反射光輻射強(qiáng)度Ie(λ)為：2、主動(dòng)檢測(cè)距離方程24假定接收機(jī)和發(fā)射機(jī)在一處，反射光經(jīng)大氣傳輸?shù)浇邮掌鞯倪^程仍遵守指數(shù)規(guī)律衰減，衰減系數(shù)仍為k(λ)，則接收功率為：式中，D0為光學(xué)系統(tǒng)接收口徑；Ω’=πD02/4L2為接收系統(tǒng)的立體角。如果接收光學(xué)系統(tǒng)的透過率為τ02(λ)，則檢測(cè)器上接收到的總功率為：式中:檢測(cè)器上的輸出電壓為：25式中：RV(λ)為檢測(cè)器相對(duì)光譜響應(yīng)度，將RV(λ)

表達(dá)式代入上式得距離L為：如果目標(biāo)反射面積Sa等于光斑照射面積ΩL2，則上式可化為：可知，影響檢測(cè)距離的因素很多，發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)的大氣特性以及目標(biāo)反射特性都將影響檢測(cè)距離。在前面計(jì)算距離時(shí)，在被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，由于光譜范圍寬，大氣衰減作用以透過率表示，而在主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，絕大多數(shù)系統(tǒng)是以激光做光源，激光光譜較窄，用衰減系數(shù)表示，其物理意義是等價(jià)的。261、脈沖激光測(cè)距儀脈沖激光測(cè)距利用了激光的發(fā)散角小，能量空間相對(duì)集中的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還利用了激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短，能量在時(shí)間上相對(duì)集中的特點(diǎn)。因此瞬時(shí)功率很大，—般可達(dá)兆瓦級(jí)。由于上述兩點(diǎn)，脈沖激光測(cè)距在有反射器的情況下，可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測(cè)程；進(jìn)行近距離(幾公里)測(cè)量時(shí)，如果測(cè)量精度要求不高，不必使用反射器，利用被測(cè)目標(biāo)對(duì)脈沖激光的反射取得反射信號(hào)，也可以進(jìn)行測(cè)距。5.4直接檢測(cè)系統(tǒng)的舉例27

在1處產(chǎn)生的激光，經(jīng)過待測(cè)的路程射向2處。在2處裝有向1處反射的裝置，1處至2處間的距離D是待測(cè)的。如果在1處有一種裝置，它能夠測(cè)出脈沖激光從1處到達(dá)2處再返回1處所需要的時(shí)間t，則式中c為光的傳播速度。脈沖激光測(cè)距的工作原理28脈沖激光測(cè)距儀發(fā)射系統(tǒng)接收系統(tǒng)接收光學(xué)系統(tǒng)光電探測(cè)器低噪聲寬帶放大器整形電路門控電路時(shí)鐘脈沖振蕩器計(jì)數(shù)顯示器激光器：LD，ND：YAG（調(diào)Q/鎖模）電源發(fā)射望遠(yuǎn)系統(tǒng)物鏡小孔光闌干涉濾光片29它由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、控制電路、時(shí)鐘脈沖振蕩器以及計(jì)數(shù)顯示電路等組成。30

光電探測(cè)器得到電脈沖，經(jīng)放大器以后，輸出一定形狀的負(fù)脈沖至控制電路。由參考信號(hào)產(chǎn)生的負(fù)脈沖A(圖(d))經(jīng)控制電路去打開電子門。這時(shí)振蕩頻率一定的時(shí)鐘振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖，可以通過電子門進(jìn)入計(jì)數(shù)顯示電路，計(jì)時(shí)開始。當(dāng)反射回來經(jīng)整形后的測(cè)距信號(hào)B到來時(shí)，關(guān)閉電子門，計(jì)時(shí)停止。計(jì)數(shù)和顯示的脈沖數(shù)如圖(g)所示。從計(jì)時(shí)開始到計(jì)時(shí)停止的時(shí)間正比于參考信號(hào)與測(cè)距信號(hào)之間的時(shí)間。

則被測(cè)距離為：312、相位激光測(cè)距儀測(cè)距用的調(diào)制光波形如圖所示，若其調(diào)制頻率為f，光速為c，則波長(zhǎng)λ可由式λ=c/f求出。光波每前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)λ相當(dāng)于相位變化了2π則距離D可表示為：“光尺”測(cè)量距離原理圖測(cè)距時(shí)，調(diào)制激光照在合作目標(biāo)上，被反回接收經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后得到相同的電信號(hào)，與光源的驅(qū)動(dòng)電壓相比較，測(cè)得相位差，由相位差可算得所測(cè)距離。32如果設(shè)光波從A到A’點(diǎn)的傳播過程中相位變化(又稱為相位移)為φ，則由圖看出，被測(cè)距離為：

由上分析可知，如果測(cè)得光波相位移φ中2π的整數(shù)N和小數(shù)?n，就可以確定出被測(cè)距離值，所以調(diào)制光波可以被認(rèn)為是一把“光尺”，其波長(zhǎng)λ/2就是相位式激光測(cè)距儀的“測(cè)尺”長(zhǎng)度。33式中當(dāng)N等于0時(shí)：

Δφ可由檢相器檢出，得到被測(cè)距離，但當(dāng)N不等于0時(shí)，N的大小不能確定，出現(xiàn)測(cè)量誤差。目前的相位測(cè)距儀只可測(cè)相位尾數(shù)Δφ，不能求整周期數(shù)N，因此在測(cè)距離較長(zhǎng)時(shí)，選用較低的測(cè)尺頻率便會(huì)有很大的誤差，而且由于儀器存在測(cè)量誤差，選用大的測(cè)尺長(zhǎng)度愈大測(cè)距誤差越大。解決方法就是采用幾個(gè)精度不同的“光尺”配合使用。即除了基本測(cè)尺長(zhǎng)度L外，再選一個(gè)或