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1、光电信号检测,第九章 直接探测系统,91 光电探测系统的类型与指标,一、光电系统分类 光电探测系统的类型是很多的，可以从不同角度出发把系统进行分类。分类的目的是可以突出同类系统的特点和共性，以便掌握其规律性的内容。,分类 1）按携带信息的光源分，可分为主动系统和被动系统 2）按光谱范围分，可分为可见光探测系统和红外探测系统 3）按接收系统分，可分为点探测系统和面探测系统 4）从调制方式和信号处理电路的类型分，也可分为模拟系统和数字系统 5）从光波对信息信号(或被测未知量)的携带方式分，可分为直接探测系统和相干探测系统,目标,大气,光学系统,调制器,光电探测器,电子学系统,信息源,调制器,光源,
2、光学系统,传输介质,光学系统,光电探测器,电子学系统,接收系统,接收系统,发射系统,光源,调制器,光学系统,信息源,二、光电系统评价指标 光电系统最终都是以电信号形式输出，其输出量是模拟电信号或者是数字电信号。从最终输出要求来看，它们有一个公共的指标，这就是信号的输出信噪比。对于模拟系统来说，人们所关心的是光所传输的信息经过光电探测系统检出以后其波形是否畸变。在系统中影响波形畸变的因素可能有许多，但是实际上许多因素可以通过精心设计各个环节而得到解决，影响信息信号畸变的最根本的因素是噪声。 因此衡量模拟光电系统的一个重要指标是信噪比。 对于不同要求的探测系统要求的信噪比不同，有的只要求35，在一
3、些精密测量中则要求10100，甚至更高。,数字式光电系统是用“0”、“1”两态脉冲传输信息。系统存在噪声时，噪声随机叠加在信号上时使信号产生畸变，可能使脉冲输出“0”误变为“1”。 “0”、“1”码出现错误的概率称为误码率。显然，其仍然与信噪比有关。当信噪比高时，误码率就低，反之亦然。,92 直接光电探测系统,光波携带信息可以采用多种形式，如光波的强度变化、频率变化、相位变化及偏振变化等。在多数场合中，常常用光波的强度变化来携带信息，这就需要用直接探测的方法将光波的强度变化所包含的信息检测出来。 然而，光的频率和相位的变化必需采用光外差探测(相干探测)方法。 与光外差探测方法相比，直接探测是一
4、种简单而又实用的探测方法，在工业、航空、航天、军事、医疗等领域得到广泛的应用。,一、直接探测的基本物理过程 直接探测：是将待检测的光信号直接入射到光探测器的光敏面上，由光探测器将光强信号直接转化为相应的电流或电压，根据不同系统的要求，再经后续电路处理（如放大、滤波或各种信号变换电路），最后获得有用的信号。 信号光场可表示为 ，式中，A是信号光电场振幅，是信号光的频率，则其平均光功率P为由光电转换的基本规律可知，光探测器输出的光电流为若光探测器的负载电阻为RL，则光探测器输出的电功率为光探测器输出的电功率正比于入射光功率的平方。,光探测器对光的响应特性包含两层含意，一是光电流正比于光场振幅的平方
5、，即光的强度；二是电输出功率正比于入射光功率的平方。 如果入射信号光为强度调制(IM)光，调制信号为d(t)，则光探测器输出的光电流为式中第一项为直流项，若光探测器输出有隔交流电容，则输出光电流只包含第一项，这就是直接探测的基本物理过程；探测器响应的是光场的包络。目前，尚无能直接响应光场频率的探测器。,二、直接光电探测系统的信噪比考虑噪声式中，PS：信号光功率；Pn：噪声功率；SP：输出电功率；NP：输出噪声功率。由电信号和噪声的独立性：,则输出功率信噪比为：讨论： 1）若PS/Pn1， SNRPs/2Pn 3）直接探测方法不能改善输入信噪比；但方法简单、可靠性高、成本低。,三、直接探测系统的
6、探测极限及趋近方法如果考虑直接探测系统存在的所有噪声，则输出噪声总功率为则输出信号噪声比为：,分别为信号光、背景光、暗电流引起的噪声以及负载电阻和放大器热噪声之和。,当热噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，则直接探测系统受热噪声限制，这时的信噪比为当散粒噪声远大于热噪声时，热噪声可以忽略，则直接探测系统受散粒噪声限制，这时的信噪比为当背景噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，则直接探测系统受背景噪声限制，这时的信噪比为,当入射的信号光波所引起的散粒噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，则直接探测系统受信号噪声限制，这时的信噪比为：此为直接探测在
7、理论上的极限信噪比，也称为直接探测系统的量子极限。在量子极限下，直接探测系统理论上可测量的最小功率为,假定探测器的量子效率为1，测量带宽为1Hz，则最小可探测功率为2h，此结果己接近单个光子的能量。但在实际直接探测系统中，很难达到量子极限探测：因为实际系统的视场不能是衍射极限对应的小视场，于是背景噪声不可能为零；任何实际的光探测器总会有噪声存在；光探测器本身具有电阻以及负载电阻等都会产生热噪声；放大器也不可能没有噪声。般地，在直接探测中，光电倍增管、雪崩管的探测能力高于光电导器件。采用有内部高增益的探测器是直接探测系统可能趋近探测极限的唯一途径。但由于增益过程将同时使噪声增加，故存在一个最佳增
8、益系数。,作用距离：对于点目标，当目标的张角小于系统的瞬时视场时，光电系统所接收到的目标辐射能量与其间的距离有关，与接收到的最小可用能量相应的距离叫系统的作用距离。 通常希望作用距离越大越好。提高系统作用距离与提高系统输出信噪比有相同的意义。 分析直接探测系统各环节对系统作用距离的影响。（主动、被动）,93 直接光电探测系统的作用距离,一、发射系统 对于主动系统来说，所接收到的功率与光源发射功率有关。 若光源是一个点光源，其辐射功率为P(t)，并向四周发射球面波。则Ar面接收到的功率为,要充分利用发射源的能量必须提高单位立体角辐射功率。所以，一般发射系统都由光源和发射光学系统组成，用光学系统来
9、提高单位立体角发射的能量。 最简单的点光源放在球面反射镜的球心，发射光束的立体角变为a，得到功率增益为实际光源不都是向4立体角辐射的点光源，而是有一确定的发散角0 。所以功率增益的一般式为,球面、非球面、倒置望远镜,二、光在大气中的传输光波自光源发出后到达接收系统以前一般都经过大气层(除光纤传输外)。在远距离探测时，经过大气的距离还相当长，大气对光的传播影响很大。对于光电系统来说，大气这个环节是一个非常复杂的环节。 光在大气中传播时，由于受到空气中水蒸气、二氧化碳、臭氧等分子及烟雾、灰尘等微粒的吸收和散射作用，使光在传播过程中遭到衰减。,在2.7和6.3m附近以及21100m之间，有水汽的强振
10、转吸收带； 在2.7、4.3和14.7m附近有二氧化碳的强振转吸收带; 而在可见光区和813m红外区，吸收不明显，是两个对遥感探测和大气辐射十分重要的大气窗区。若接收辐射的高度由海平面移至高空，如移至11公里高空，则由于水汽等大量减少，大气吸收也大为减少。 太阳辐射的紫外部分，波长在0.2m以下，主要被大气中原子态或分子态的氧和氮所吸收，完全不能到达地面。 波长短于0.34m的太阳紫外辐射，由臭氧的哈特莱(Hartley)吸收带(0.20.3m)和哈根斯(Huggins) 吸收带（0.320.36m）的共同作用，在到达地面之前， 也绝大部分被吸收。 在可见光窗区，大气吸收较少，这里主要有臭氧的
11、夏普伊(Chappuis)吸收带（0.430.75m），氧在0.54m和0.76m附近的吸收，以及水汽在0.69m附近的吸收等。,某一波长的光强因大气分子吸收衰减而表现出的透过率与距离的关系可表示为式中，I0()为射入大气的光强度，I()为经距离L后透射的光强度。k()是每个分子的吸收系数，为吸收总分子数，n为单位截面、单位距离内的分子数。,大气的散射是由大气中不同大小的颗粒反射或者折射所造成的，这些颗粒包括组成大气的气体分子、灰尘和大的水滴。单纯散射没有能量损失，它只是改变了能量的分配方向。散射过程与大气中散射颗粒的尺寸分布、组成和浓度，以及入射波长有很大关系。,散射可分成三类情况：(1)瑞
12、利散射：当粒子的尺寸只有波长的几十分之一时，如空气分子和空气中的含碳气体分子等，就产生瑞利散射。它的散射力与入射光波长的四次方成反比。例如，0.45m蓝光的散射力为0.7m红光的六倍，来自太阳的蓝光则全向散射。因此，从侧面看太阳光呈蓝色，而迎着太阳光看则为红色。同理，日出和日落时的太阳看上去呈红色。(2)米氏散射(散射颗粒与辐射波长相近似，也叫气溶胶散射)：当粒子直径与波长相当如水蒸汽、气溶胶等而能见度恶化时，就会发生以米氏散射为主的散射现象。 (3)无选择性散射(散射颗粒较辐射波长大)当粒子比波长大得多时(如漂浮尘埃、水珠、雨等），散射仅取决于粒子的几何形状，这样就失去了波长的选择性。全部色
13、光均等同地散射。云看上去为白色就是这个道理。,大气的散射还存在多次过程，即被一种散射颗粒所散射的辐射还可能再一次被另一散射颗粒所散射。散射的结果是大气本身像一个发光体，有自身的辐亮度。 大气朝下散射使地球表面增加了一个漫射照射的分量，降低了地面景物的对比度；大气朝上的散射可以直接进入遥感器。大气散射导致景物的对比度在到达空间遥感器时有显著的降低。,入射光线,大气散射作用对入射光强的衰减也符合指数衰减规律。散射作用表现出大气的透过率与距离之间的关系也可表示为r()为散射系数，它是光波长的函数，还与散射粒子的横截面有关。由于大气的散射衰减作用和吸收衰减作用叠加在一起，使实际大气透过率12为大气透过
14、率是距离的函数，同时还是光波长的函数。 严格讲大气透过率是随机值，它和大气的组成、物质微粒密度及气象条件等因素有关。,图中给出了大气透过率与波长的关系曲线。 在红外波段，大气透过曲线中有几个透明度较高的波段，称为“大气窗口”。 几个大气窗口的波段是：0.720.94m；0.951.05m；1.151.35m；1.51.8m；2.12.4m；3.34.2m；4.55.1m；814m。,远距离工作的光电探测系统总是首先把光源发射光谱选在大气窗口范围内，以便获得较高的大气透过率。对于被动系统，目标的红外辐射光谱范围虽然很宽，但能被系统接收到的也只是大气透射窗光谱范围的能量。,光在大气中传播时，除功率
15、辐度的衰减外，还会产生光束的弯曲、光波相位的变化、偏振态波动等现象。这些现象的发生是由于大气湍流效应造成的。 在干燥炎热的夏天，湍流对激光传播的影响尤为突出。主要表现为下述几方面：,1强度闪烁 当激光束直径湍流尺度大很多时，光束截面内可能包容许多湍流涡旋体，每个涡旋体对照射在其上的部分光独立地散射和衍射，从而造成光束截面的强度分布个均匀，在空间上光强此起彼伏，在时间上时隐时现。此种现象称为“闪烁”。强度闪烁造成探测系统的附加噪声，使系统接收灵敏度下降。 2光束抖动 当光束直径与湍流尺寸相当时，在接收平面上形成到达角(波法线与光轴之间的夹角)的随机起伏，使光束波前出现随机偏转，即通常所说的波前畸
16、变。波前畸变使外差接收灵敏度下降。这种现象用望远镜观察行星时，会在像面上看到像点抖动现象。 3光束偏转 当光束直径与湍流尺寸相比很小时，湍流效应使光束作为一体而随机偏转。在接收口径内短时间呈现为光束截面位置发生偏移；在长时间内呈现为光斑中心位置的随机漂移，漂移频率可达数十赫兹。有时也把这种现象称为光束弯曲。由于光束漂移将使定向(瞄准)精度降低。,三、接收光学系统 接收光学系统首先要考虑的是把光场能量尽可能多地收集到光电探测器上，并使光束直径小于光探测器的直径。 光电探测器所接收到的功率Ps(t)为式中：P()为单位波长单位立体角所收到的功率；Ar为光学系统接收面积；1为大气的光谱透过率；2为光学系统材料的光谱透过率(包括调制器的透过率)；L为辐射源到接收系统的距离(LAr) ； Ar/L2为接收口径所对应的立体角。,
