第十一章直接探測(cè)系統(tǒng)詳解演示文稿

第十一章直接探測(cè)系統(tǒng)詳解演示文稿目前一頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)優(yōu)選第十一章直接探測(cè)系統(tǒng)目前二頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)

可見(jiàn)光：民用，探測(cè)器量子效率高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，調(diào)試方便紅外：軍事目標(biāo)，特點(diǎn)：隱蔽性好，不易發(fā)現(xiàn)；大氣窗口中，衰減小，作用距離長(zhǎng)多色多光譜超光譜3.接收系統(tǒng)分：點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)：只接收目標(biāo)總的輻射功率，一般只用單元探測(cè)器。當(dāng)用多元探測(cè)器時(shí)，用于確定目標(biāo)方法。面探測(cè)系統(tǒng)：測(cè)量目標(biāo)整體的光強(qiáng)分布；①用攝像器件或多元探測(cè)器陣列完成②單元探測(cè)+掃描目前三頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)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(duì)信息信號(hào)的攜帶方式：直接探測(cè)系統(tǒng)：任何光源，用光強(qiáng)攜帶信息；相干探測(cè)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(cè)系統(tǒng)的指標(biāo)：輸出信噪比1.對(duì)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(gè)別因素主要共性因素是噪聲：（光源、背景、光電探測(cè)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目前四頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)２.數(shù)字系統(tǒng)用0.1兩個(gè)狀態(tài)來(lái)傳遞信息，當(dāng)有噪聲存在時(shí)，會(huì)有誤碼。概念：誤碼率：0.1碼出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率信噪比高，誤碼率低。恒量信噪比此時(shí)不用噪聲功率用噪聲的概率分布規(guī)律。目前五頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)

目前六頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)§9-2直接探測(cè)系統(tǒng)的工作原理一、直接探測(cè)的基本物理過(guò)程直接探測(cè)系統(tǒng)直接檢測(cè)被測(cè)量光強(qiáng)設(shè)光場(chǎng)：①平均光功率：②則：光電探測(cè)器的輸出電流：③輸出的電功率：說(shuō)明：①光電探測(cè)器電輸出正比于入射光功率的平方；②另外光電探測(cè)器輸出的光電流正比于光場(chǎng)振幅的平方，即光強(qiáng)。目前七頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)④如果入射信號(hào)光為強(qiáng)度調(diào)制光(IM),設(shè)調(diào)制信號(hào)為d(t)則光電探測(cè)器輸出的光電流：*特別注意：光電探測(cè)器響應(yīng)的是光場(chǎng)的包絡(luò)，目前，沒(méi)有可以直接響應(yīng)光場(chǎng)頻率的探測(cè)器。二、直接探測(cè)系統(tǒng)的信噪比設(shè)信號(hào)的光功率為:PS噪聲功率為:PN光電探測(cè)器輸出的信號(hào)電功率為:SP

噪聲功率為:NP目前八頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)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(cè)器輸出信號(hào)信噪比小于1或者微弱光信號(hào)的探測(cè)。目前九頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)⑵如果⑶優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高、成本低。三、直接探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)極限及趨近方法如果將各種噪聲因素引入，輸出信號(hào)的信噪比：討論：情況1：當(dāng)熱噪聲是直接探測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源時(shí)：情況2：當(dāng)散粒噪聲大于熱噪聲時(shí)：目前十頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)

信號(hào)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(shí)，直接探測(cè)系統(tǒng)受背景噪聲限制：掃描熱探測(cè)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(hào)光波所引起的散粒噪聲是直接探測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源時(shí)，系統(tǒng)的噪聲極限：目前十一頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)△此為直接探測(cè)系統(tǒng)在理論上的極限信噪比，即直接探測(cè)系統(tǒng)的量子極限?！髦苯犹綔y(cè)系統(tǒng)在理論上可測(cè)量的最小功率為：△實(shí)際探測(cè)系統(tǒng)不可能是理想狀態(tài)；①實(shí)際系統(tǒng)的視場(chǎng)不能是衍射極限對(duì)應(yīng)的小視場(chǎng)。②背景噪聲不可能為零。③實(shí)際的光電探測(cè)器總有噪聲。④光電探測(cè)器本身的電阻等會(huì)產(chǎn)生熱噪聲；放大器具有電噪聲目前十二頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)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目前十三頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)§9-3直接探測(cè)系統(tǒng)的作用距離定義：對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)的張角小于系統(tǒng)的瞬時(shí)視場(chǎng)時(shí)，光電系統(tǒng)n個(gè)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(duì)于點(diǎn)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：距離平方反比定律目前十四頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)當(dāng)接收面的尺寸比光源距探測(cè)器距離L很小時(shí)，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：目前十五頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)由于實(shí)際光源不都向立體角發(fā)射，設(shè)實(shí)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(duì)點(diǎn)光源來(lái)說(shuō)：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(guò)率比較困難。非球面鏡：對(duì)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.衰減和散射目前十六頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)大氣透過(guò)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(guò)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(shí)對(duì)光傳播的影響：強(qiáng)度閃爍光束抖動(dòng)光束偏轉(zhuǎn)目前十七頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)

目前十八頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)三、接收光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則：將光場(chǎng)能量盡可能多地收集到光電探測(cè)器上；并使光束直徑小于光探測(cè)器的直徑。光電探測(cè)器接收到的功率為：?jiǎn)挝徊ㄩL(zhǎng)，單位立體角的接收功率。接收系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的立體角。對(duì)于被動(dòng)系統(tǒng)：由普朗克公式給出對(duì)于主動(dòng)系統(tǒng)：1.接收系統(tǒng)直接接收光源的輻射能：目前十九頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)

目前二十頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)目前二十一頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)2.目標(biāo)有反射：大目標(biāo)時(shí)，綜合蘭伯余弦定律小目標(biāo)時(shí)：在某距離上進(jìn)行直接探測(cè)時(shí)，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。目前二十二頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)四、光學(xué)系統(tǒng)的作用距離經(jīng)推導(dǎo)和簡(jiǎn)化計(jì)算，光電探測(cè)器的輸出電壓：在弱光下不能忽略探測(cè)器的噪聲：對(duì)于主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)：接收和發(fā)射光軸對(duì)準(zhǔn)情況：大目標(biāo)漫反射主動(dòng)系統(tǒng)：小目標(biāo)漫反射主動(dòng)系統(tǒng)：目前二十三頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)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(cè)量系統(tǒng)：4.目前二十四頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)§9-4直接探測(cè)系統(tǒng)要有一定的視場(chǎng)，保證被測(cè)對(duì)象的信號(hào)始終在測(cè)量過(guò)程中可被接收到。一、電探測(cè)器對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)及背景輻射1.如圖9-9探測(cè)器和光學(xué)系統(tǒng)透鏡的距離是fr則系統(tǒng)的視場(chǎng)角：目前二十五頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)

目前二十六頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)雖然實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)由于：①像差②大氣擾動(dòng)引起的跳動(dòng)等

光斑比非理想狀態(tài)下的愛(ài)里衍射斑要大，但視場(chǎng)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)：目前二十七頁(yè)\總數(shù)三十二頁(yè)\編于七點(diǎn)第九章直接探測(cè)系統(tǒng)限制背景功率的措施：①空間上限制系統(tǒng)的視場(chǎng)角。②加光學(xué)濾光片時(shí)對(duì)背景進(jìn)行光譜濾波。二、擴(kuò)展系統(tǒng)視場(chǎng)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(chǎng)：1.采用多元探測(cè)器列陣或采用攝像器件對(duì)每個(gè)探測(cè)器，視場(chǎng)不大，噪聲影響不大，