第十一章直接探測系統(tǒng)詳解演示文稿

第十一章直接探測系統(tǒng)詳解演示文稿當(dāng)前1頁，總共32頁。優(yōu)選第十一章直接探測系統(tǒng)當(dāng)前2頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)

可見光：民用，探測器量子效率高，系統(tǒng)設(shè)計，調(diào)試方便紅外：軍事目標(biāo)，特點：隱蔽性好，不易發(fā)現(xiàn)；大氣窗口中，衰減小，作用距離長多色多光譜超光譜3.接收系統(tǒng)分：點探測系統(tǒng)：只接收目標(biāo)總的輻射功率，一般只用單元探測器。當(dāng)用多元探測器時，用于確定目標(biāo)方法。面探測系統(tǒng)：測量目標(biāo)整體的光強(qiáng)分布；①用攝像器件或多元探測器陣列完成②單元探測+掃描當(dāng)前3頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)4.調(diào)制及電路特性：模擬系統(tǒng)，數(shù)字系統(tǒng)5.光波對信息信號的攜帶方式：直接探測系統(tǒng)：任何光源，用光強(qiáng)攜帶信息；相干探測系統(tǒng)：相干光，用光的振幅，頻率和相位攜帶信息二、光電探測系統(tǒng)的指標(biāo)：輸出信噪比1.對模擬系統(tǒng)：波形是否畸變（輸出）原因：線性度、外界干擾、還有大量的個別因素主要共性因素是噪聲：（光源、背景、光電探測器、電路）指標(biāo)：不同系統(tǒng)要求信噪比不同，有的3～5，有的10～100當(dāng)前4頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)２.數(shù)字系統(tǒng)用0.1兩個狀態(tài)來傳遞信息，當(dāng)有噪聲存在時，會有誤碼。概念：誤碼率：0.1碼出現(xiàn)錯誤的概率信噪比高，誤碼率低。恒量信噪比此時不用噪聲功率用噪聲的概率分布規(guī)律。當(dāng)前5頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)

當(dāng)前6頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)§9-2直接探測系統(tǒng)的工作原理一、直接探測的基本物理過程直接探測系統(tǒng)直接檢測被測量光強(qiáng)設(shè)光場：①平均光功率：②則：光電探測器的輸出電流：③輸出的電功率：說明：①光電探測器電輸出正比于入射光功率的平方；②另外光電探測器輸出的光電流正比于光場振幅的平方，即光強(qiáng)。當(dāng)前7頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)④如果入射信號光為強(qiáng)度調(diào)制光(IM),設(shè)調(diào)制信號為d(t)則光電探測器輸出的光電流：*特別注意：光電探測器響應(yīng)的是光場的包絡(luò)，目前，沒有可以直接響應(yīng)光場頻率的探測器。二、直接探測系統(tǒng)的信噪比設(shè)信號的光功率為:PS噪聲功率為:PN光電探測器輸出的信號電功率為:SP

噪聲功率為:NP當(dāng)前8頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)輸出功率信噪比為：討論：⑴如果，則上式為：∴不適合于探測器輸出信號信噪比小于1或者微弱光信號的探測。當(dāng)前9頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)⑵如果⑶優(yōu)點：易于實現(xiàn)、可靠性高、成本低。三、直接探測系統(tǒng)的探測極限及趨近方法如果將各種噪聲因素引入，輸出信號的信噪比：討論：情況1：當(dāng)熱噪聲是直接探測系統(tǒng)的主要噪聲源時：情況2：當(dāng)散粒噪聲大于熱噪聲時：當(dāng)前10頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)

信號引起散粒噪聲背景暗電流1.當(dāng)背景噪聲為主要誤差源時，直接探測系統(tǒng)受背景噪聲限制：掃描熱探測系統(tǒng)的理論極限及由背景噪聲極限決定。2.當(dāng)入射的信號光波所引起的散粒噪聲是直接探測系統(tǒng)的主要噪聲源時，系統(tǒng)的噪聲極限：當(dāng)前11頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)△此為直接探測系統(tǒng)在理論上的極限信噪比，即直接探測系統(tǒng)的量子極限?！髦苯犹綔y系統(tǒng)在理論上可測量的最小功率為：△實際探測系統(tǒng)不可能是理想狀態(tài)；①實際系統(tǒng)的視場不能是衍射極限對應(yīng)的小視場。②背景噪聲不可能為零。③實際的光電探測器總有噪聲。④光電探測器本身的電阻等會產(chǎn)生熱噪聲；放大器具有電噪聲當(dāng)前12頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)△改善信噪比，使系統(tǒng)趨近量子極限的辦法用光電倍增管雪崩管當(dāng)前13頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)§9-3直接探測系統(tǒng)的作用距離定義：對于點目標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)的張角小于系統(tǒng)的瞬時視場時，光電系統(tǒng)n個接收到的目標(biāo)輻射能量與其間的距離有關(guān)，與接收到的最小可用能量相應(yīng)的距離叫做系統(tǒng)的作用距離。一、發(fā)射系統(tǒng)對于點目標(biāo)，設(shè)其輻射功率為P(t),向四周發(fā)射球面波，則輻射的光通量為：輻射光強(qiáng)度：據(jù)光源L處的光照度為：距離平方反比定律當(dāng)前14頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)當(dāng)接收面的尺寸比光源距探測器距離L很小時，輻射可視為垂直入射在接收面Ar上，則Ar上的光通量為：Ar三面上接收到的功率：討論：1.單位立體角的輻射功率：2.光學(xué)系統(tǒng)可以提高單位立體角的輻射功率設(shè)光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)射角為則功率增益：當(dāng)前15頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)由于實際光源不都向立體角發(fā)射，設(shè)實際的發(fā)射角為，則：∴G和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)及光源的配合有關(guān)。對點光源來說：球面鏡：反射率高，能量損失少。球面透鏡：寬光譜范圍內(nèi)要有高透過率比較困難。非球面鏡：對壓縮光發(fā)散角更有利激光器：光束發(fā)射角很小，用倒置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和壓縮發(fā)射角二、光在大氣中的傳輸1.衰減和散射當(dāng)前16頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)大氣透過率：大氣組成成分、密度、氣象條件等因素有關(guān)。2.大氣窗口：大氣透過率較高的波段遠(yuǎn)距離工作的光學(xué)系統(tǒng)，光源發(fā)射光譜選在大氣窗口內(nèi)。3.湍流時對光傳播的影響：強(qiáng)度閃爍光束抖動光束偏轉(zhuǎn)當(dāng)前17頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)

當(dāng)前18頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)三、接收光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計原則：將光場能量盡可能多地收集到光電探測器上；并使光束直徑小于光探測器的直徑。光電探測器接收到的功率為：單位波長，單位立體角的接收功率。接收系統(tǒng)對應(yīng)的立體角。對于被動系統(tǒng)：由普朗克公式給出對于主動系統(tǒng)：1.接收系統(tǒng)直接接收光源的輻射能：當(dāng)前19頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)

當(dāng)前20頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)當(dāng)前21頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)2.目標(biāo)有反射：大目標(biāo)時，綜合蘭伯余弦定律小目標(biāo)時：在某距離上進(jìn)行直接探測時，和以下因素直接相關(guān)：1.2.3.目標(biāo)反射的光功率越大，則在同一距離上接收到的光功率越大；或在同樣的接收靈敏度下，系統(tǒng)的作用距離也越大4.P和光學(xué)系統(tǒng)口徑有關(guān)，但Ar大，噪聲大。5.光譜要匹配。當(dāng)前22頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)四、光學(xué)系統(tǒng)的作用距離經(jīng)推導(dǎo)和簡化計算，光電探測器的輸出電壓：在弱光下不能忽略探測器的噪聲：對于主動探測系統(tǒng)：接收和發(fā)射光軸對準(zhǔn)情況：大目標(biāo)漫反射主動系統(tǒng)：小目標(biāo)漫反射主動系統(tǒng)：當(dāng)前23頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)討論：1.Ar：距光源L處的接收面積(光學(xué)系統(tǒng)口徑)Ad：光敏面積。兩者之間的關(guān)系？2.3.

跟蹤光學(xué)系統(tǒng)：精度測量系統(tǒng)：4.當(dāng)前24頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)§9-4直接探測系統(tǒng)要有一定的視場，保證被測對象的信號始終在測量過程中可被接收到。一、電探測器對應(yīng)的視場及背景輻射1.如圖9-9探測器和光學(xué)系統(tǒng)透鏡的距離是fr則系統(tǒng)的視場角：當(dāng)前25頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)

當(dāng)前26頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)雖然實際光學(xué)系統(tǒng)由于：①像差②大氣擾動引起的跳動等

光斑比非理想狀態(tài)下的愛里衍射斑要大，但視場還是要小原因：①工藝上的限制②Ad小，背景噪聲小2.背景功率：經(jīng)推導(dǎo)：當(dāng)前27頁，總共32頁。第九章直接探測系統(tǒng)限制背景功率的措施：①空間上限制系統(tǒng)的視場角。②加光學(xué)濾光片時對背景進(jìn)行光譜濾波。二、擴(kuò)展系統(tǒng)視場的方法在不降低系統(tǒng)靈敏度和空間分辨率的條件下擴(kuò)大視場：1.采用多元探測器列陣或采用攝像器件