光電信號(hào)的探測(cè)

第三章光電信號(hào)的探測(cè)主要內(nèi)容光電系統(tǒng)簡(jiǎn)介光學(xué)傳感器技術(shù)光電探測(cè)器信號(hào)放大技術(shù)直接探測(cè)技術(shù)外差探測(cè)技術(shù)第一節(jié)光電系統(tǒng)簡(jiǎn)介光譜照明方式用途光電系統(tǒng)紅外光電系統(tǒng)可見光光電系統(tǒng)紫外光電系統(tǒng)主動(dòng)被動(dòng)光學(xué)計(jì)量系統(tǒng)物理光學(xué)系統(tǒng)顯微系統(tǒng)光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)天文光學(xué)系統(tǒng)醫(yī)用光學(xué)系統(tǒng)軍用光學(xué)系統(tǒng)一、光電系統(tǒng)分類二、光電系統(tǒng)的組成輻射源傳輸介質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制器光電探測(cè)器電子系統(tǒng)記錄顯示存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換控制被動(dòng)照明方式：主動(dòng)照明方式：輻射源傳輸介質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制器光電探測(cè)器電子系統(tǒng)記錄顯示存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換控制信息源信息源傳輸介質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制器光電探測(cè)器電子系統(tǒng)記錄顯示存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換控制輻射源第二節(jié)光學(xué)傳感技術(shù)對(duì)于光信號(hào)可以用一般式表示：

信號(hào)加載的方式：強(qiáng)度調(diào)制相位調(diào)制偏振調(diào)制頻率調(diào)制一、強(qiáng)度調(diào)制傳感技術(shù)以光的強(qiáng)度作為調(diào)制對(duì)象，利用外界因素使之改變，通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)的變化來(lái)測(cè)量外界的物理量。調(diào)制方式：輻射式，反射式，遮擋式，透射式探測(cè)物體的輻射功率，光譜分析及溫度等參數(shù)，以便確定待測(cè)物體的存在，所處方位以及根據(jù)其光譜的分布分析它的物質(zhì)成份和性質(zhì)。例如：物體的測(cè)溫——斯特藩－波耳茲曼定律輻射式：比輻射率，：斯特藩－波耳茲曼，T：絕對(duì)溫度，：轉(zhuǎn)換系數(shù)黑體輻射定律：光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)在漫反射某一位置上的光電探測(cè)器只能接收部分反射光，接受到的光通量大小與產(chǎn)生漫反射表面材料的性質(zhì)，表面的粗糙度、缺陷等因素有關(guān)，可監(jiān)測(cè)物體的外觀質(zhì)量可用于激光測(cè)距，激光制導(dǎo)，主動(dòng)式夜視，電視攝像，文字判讀等方面。反射式Ev：被檢測(cè)表面的光照度，S：缺陷面積，：光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，1：缺陷表面的反射率，2：無(wú)缺陷表面的反射率光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)被測(cè)物體部分活全部地遮擋式掃過(guò)入射光到探測(cè)器的光束，以便引起光探測(cè)器輸出信號(hào)的變化?？捎糜诠怆娪?jì)數(shù)，光電測(cè)速，光電自動(dòng)開關(guān)，防盜報(bào)警等遮擋式I0：入射光強(qiáng)，L：介質(zhì)長(zhǎng)度，：吸收系數(shù)，介質(zhì)的吸收系數(shù)與介質(zhì)的濃度成正比?？捎糜跈z測(cè)流體、氣體的濃度，透明度；檢測(cè)透明薄膜的厚度和質(zhì)量，透明容器的缺陷，透明膠片的密度等通過(guò)物體的吸收或散射透射式二、相位傳感技術(shù)利用外界因素改變光波的相位，通過(guò)檢測(cè)相位變化來(lái)測(cè)量物理量的變化，光波的相位有光傳播的物理長(zhǎng)度，傳播介質(zhì)的折射率及其分布等參數(shù)決定，改變其參量可產(chǎn)生光波相位的變化；一般采用光的干涉技術(shù)，導(dǎo)致光強(qiáng)的變化，實(shí)現(xiàn)物理量的測(cè)量。比如：激光相位測(cè)距，邁克爾遜干涉儀三、偏振傳感技術(shù)利用外界因素（應(yīng)力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等）可改變特定光學(xué)介質(zhì)的傳輸特性，調(diào)制從中通過(guò)的光的偏振狀態(tài)，由光偏振狀態(tài)的變化，可檢測(cè)出相位的外界參數(shù)旋光現(xiàn)象當(dāng)偏振光通過(guò)某些透明物質(zhì)（如石英晶體）時(shí)，偏振光的振動(dòng)面將以光的傳播方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)一定的角度，偏振光的振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，旋轉(zhuǎn)角度的大小與波長(zhǎng)、旋轉(zhuǎn)物質(zhì)的厚度有關(guān)。d：物質(zhì)厚度，：旋光率，與物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長(zhǎng)有關(guān)磁光法拉第效應(yīng)Vr：費(fèi)爾德常量（磁性材料所固有的，與波長(zhǎng)溫度有關(guān)），H：磁場(chǎng)強(qiáng)度，L：長(zhǎng)度，：角度克爾光電效應(yīng)當(dāng)外加電場(chǎng)作用在各向同性的透明介質(zhì)上時(shí)，各向同性物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，變成了具有雙折射現(xiàn)象的各向異性特性，no和ne為外加電場(chǎng)后尋常光和異常光的折射率，當(dāng)外加電場(chǎng)方向與光的傳播方向垂直，k為克爾常量，為波長(zhǎng)，E為電場(chǎng)強(qiáng)度。光彈效應(yīng)當(dāng)外力或振動(dòng)作用于彈性體時(shí)，彈性體產(chǎn)生應(yīng)變，彈性體的折射率發(fā)生變化，呈現(xiàn)雙折射性質(zhì)no和ne為外加電場(chǎng)后尋常光和異常光的折射率，為波長(zhǎng)，p為外力作用強(qiáng)度。利用外界因素改變光的頻率，通過(guò)檢測(cè)光的頻率的變化來(lái)檢測(cè)外界物理量的原理，主要指光學(xué)多普勒頻移0：光源發(fā)出的原頻率，c＝c0/n：光在介質(zhì)中的傳播速度，c0：真空中的光束，n：介質(zhì)的折射率，v：物體的運(yùn)動(dòng)速度，：相對(duì)速度方向和光傳播方向的夾角。四、頻率傳感技術(shù)第三節(jié)光電探測(cè)器的信號(hào)放大技術(shù)一、放大器的噪聲放大器的噪聲模型把放大器內(nèi)的所有噪聲源都折算到輸入端En輸入端串聯(lián)及用阻抗為無(wú)限大的噪聲電流發(fā)生器InVsi為信號(hào)電壓，Rs為信號(hào)源內(nèi)阻（或光探測(cè)器、傳感路內(nèi)阻），Ens是信號(hào)源噪聲，

Kv為放大器增益，Zi為放大器輸入阻抗，Vso、Eno為放大器輸出端的信號(hào)和噪聲電壓。二、最佳源電阻噪聲系數(shù)直接與源電阻Rs有關(guān)，選擇最佳電阻Rs可使噪聲系數(shù)F最小。通過(guò)求導(dǎo)，即可求得最佳源電阻當(dāng)放大器輸入阻抗為源電阻時(shí)，噪聲系數(shù)F達(dá)到最小值；在相同源電阻的條件下，隨著乘積EnIn的增加，F(xiàn)也增加；乘積EnIn大的曲線F隨Rs變化急劇。三、光電探測(cè)器前置放大器的要求一是要求探測(cè)器-前置放大器功率傳輸最大，即放大器的輸入電阻等于光探測(cè)器內(nèi)阻，工作于匹配狀態(tài)，其次，要求光探測(cè)器-前置放大器輸出最小的噪聲，即放大器要工作在最佳源電阻的情況下，此時(shí)在放大器輸出端可得到最大的信噪比。對(duì)于一個(gè)給定的光探測(cè)器，已知其輸入信號(hào)、響應(yīng)特性、阻抗、噪聲特性：1）首先從增益、帶寬著手設(shè)計(jì)放大器，再加反饋來(lái)增加帶寬和提高穩(wěn)定性，然后校核噪聲指標(biāo)。2）從阻抗匹配著手，通過(guò)負(fù)反饋滿足輸入、輸出阻抗匹配，再校核增益、帶寬、噪聲指標(biāo)是否達(dá)到要求。四、光電探測(cè)信號(hào)的耦合Rc1Rb1+VCC+T1+Re2Rc2T2-(d)直接耦合實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的目的阻容耦合C1RC1Rb1+VCCC2RL++T1++Rc2Rb2C3T2+變壓器耦合對(duì)于低噪聲放大器，源電阻的大小是選擇第一級(jí)放大元件的重要依據(jù)：如果源電阻小于100，可采用變壓器耦合；源電阻在10～1M之間，則多選用雙極晶體管作輸入級(jí)。源電阻在1k～1M之間選用運(yùn)算放大器；在1k～1G之間多用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）；當(dāng)超過(guò)1M時(shí)，也選用MOSFET。五、源電阻的選擇第四節(jié)直接探測(cè)技術(shù)一、直接探測(cè)技術(shù)的物理過(guò)程直接探測(cè)是將待檢測(cè)的光信號(hào)直接入射到光探測(cè)器的光敏面上，由光探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流或電壓，根據(jù)不同的要求，再經(jīng)后續(xù)電路處理（如放大、濾波或各種信號(hào)變換等電路），最后獲得有用的信號(hào)。二、直接探測(cè)技術(shù)的信噪比入射到光探測(cè)器的信號(hào)光功率為Ps，噪聲功率為Pn，光探測(cè)器輸出的信號(hào)電功率為Sp，輸出的噪聲功率為Np：輸出功率的信噪比：直輸出信噪比等于輸入信噪比的平方。直接探測(cè)系統(tǒng)不適于輸入信噪比小于1或者微弱光信號(hào)的探測(cè)輸出信噪比等于輸入信噪比的一半，即經(jīng)光—電轉(zhuǎn)換后信噪比損失了3dB，在實(shí)際應(yīng)用中還是可以接受的。三、直接探測(cè)系統(tǒng)存在的總噪聲直接探測(cè)系統(tǒng)存在的信噪比當(dāng)直接探測(cè)系統(tǒng)主要為信號(hào)光引起的散粒噪聲限制（即量子噪聲限）——達(dá)到的最大信噪比極限四、直接探測(cè)系統(tǒng)輸出的等效噪聲功率熱噪聲：散粒噪聲：背景噪聲：信號(hào)噪聲：第四節(jié)外差探測(cè)技術(shù)一、外差探測(cè)的基本原理信號(hào)光：本征光：探測(cè)光：光電流：光電流：中頻電流：中頻電壓：二、外差探測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)1、有利于微弱光信號(hào)的探測(cè)，因光外差探測(cè)中，光混頻器輸出的中頻信號(hào)功率正比于信號(hào)光和本振光平均光功率的乘積。2、可獲得全部信息。在光外差探測(cè)中，光混頻器輸出的中頻光電流的振幅、頻率、相位都隨信號(hào)光的振幅、頻率和相位的變化而變化。這使我們能把頻率調(diào)制和相位調(diào)制的信號(hào)光像幅度調(diào)制或強(qiáng)度調(diào)制一樣進(jìn)行解調(diào)。4、具有良好的濾波性能。在光外差探測(cè)過(guò)程中，只有與本振光混頻后所產(chǎn)生的輸出仍在中頻帶寬以內(nèi)的雜散背景光才能進(jìn)入探測(cè)系統(tǒng)，而其它雜散背景光所引起的噪聲則被中頻濾波器濾除掉。而且，雜散背景光不會(huì)在原來(lái)信號(hào)光和本振光所產(chǎn)生的相干項(xiàng)上產(chǎn)生附加的相干項(xiàng)。因此，對(duì)于光外差探測(cè)來(lái)說(shuō)，雜散背景光的影響可以略去不計(jì)。4、具有高的轉(zhuǎn)換增益。探測(cè)器輸出的中頻功率光外差探測(cè)所提供的中頻功率轉(zhuǎn)換增益在實(shí)際應(yīng)用中，本振光功率PL（為毫瓦量級(jí)）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)光功率（一般在10-6～10-10W量級(jí)）。例如，當(dāng)PS＝10-10W，PL＝10-3W時(shí)，GIF＝2×107?？梢姽馔獠畹霓D(zhuǎn)換增益是非常高的。三、外差探測(cè)技術(shù)的信噪比外差探測(cè)所獲得的中頻信號(hào)：信號(hào)噪聲：熱噪聲：探測(cè)器的信噪比：探測(cè)器的噪聲：探測(cè)器的信噪比：對(duì)于熱噪聲為主要噪聲源的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)量子噪聲限探測(cè)，必須滿足（本征光的散粒噪聲大于熱噪聲）四、外差探測(cè)技術(shù)的等效噪聲功率這個(gè)量有時(shí)又稱為光外差探測(cè)的靈敏度。光外差探測(cè)的理論極限。該式表明，如果光混頻器的量子效率則光外差探測(cè)靈敏度的極限是一個(gè)光子。在實(shí)際的光外差探測(cè)中，光混頻器本身及負(fù)載電阻等總要引入熱噪聲；此外，放大器也有噪聲。這些都會(huì)使光外差探測(cè)的靈敏度降低（即使得NEP值增大）。因此，實(shí)際的光外差探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度只能接近于理論極限。根據(jù)理論計(jì)算，光外差探測(cè)的靈敏度可比直接探測(cè)的靈敏度高7～8個(gè)數(shù)量級(jí)。探測(cè)靈敏度高是光外差探測(cè)的又一突出優(yōu)點(diǎn)。四、外差探測(cè)技術(shù)的空間和頻率條件空間條件：在推導(dǎo)光外差探測(cè)的信噪比和噪聲等效功率的表示式時(shí)，曾假定信號(hào)光束和本振光束重合并垂直入射到光混頻器表面上，亦即信號(hào)光和本振光的波前在光混頻器表面上保持相同的相位關(guān)系。由于光副射的波長(zhǎng)比光混頻器的尺寸小得多，實(shí)質(zhì)上光混頻是在一個(gè)個(gè)小面積元上發(fā)生的，即總的中頻電流等于光混頻器表面上每一微分面積元所產(chǎn)生的微分中頻電流之和。很顯然，只有當(dāng)這些微分中頻電流保持恒定的相位關(guān)系時(shí)，總的中頻電流才會(huì)達(dá)到最大值。這就要求信號(hào)光和本振光的波前必須重合，也就是說(shuō)，必須保持信號(hào)光和本振光在空間上的角準(zhǔn)直。頻率條件：光外差探測(cè)除了要求信號(hào)光和本振光必須保持空間準(zhǔn)直以外，還要求兩者具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定度。從物理光學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，光外差探測(cè)（或相干探測(cè)）是兩束光波迭加后產(chǎn)生干涉的結(jié)果。顯然，這種干涉取決于信號(hào)光束和本振光