非相干光与的检测与变换.ppt

第七章非相干光变换与检测 第一节光电信号变换与光电测量系统概述 变换的目的 1）将待处理的信息加载到光载波上，得到光载波的信号 变换的方法 借助于几何光学、物理光学、光电子学等 光电信号变换方法与应用范围 光源、光学变换系统和光电接收器件构成了光电检测系统 光电变换的基本形式 1)被测对象为辐射源的形式 光电探测器件直接探测物体本身的辐射量以确定目标物的存在。 设物体全辐射通量密度 光电变换的基本形式 2)光透过被测对象的形式 当光透过均匀介质时，光被吸收而减弱的规律为 光电变换的基本形式 3)光由被测对象反射的形式 光反射有镜面反射和漫反射两种形式——其反射的物理性质有所不同 光电变换的基本形式 4)光由被测对象遮挡的形式 设光电器件光敏面的宽度和高度为b，而被测物体的宽度大于b，物体遮挡光的位移量为Δl，则物体遮挡入射到器件的光照面积的变量为 光电变换的基本形式 5)被测对象经光信息量化的形式 光电变换的基本形式 6)光传输信息的形式 第二节 光电直接检测系统的基本工作原理 检测系统可经光学变换或直接由检测器接收被测信号 在其前端还可经过频率滤波（如滤光片）和空间滤波（如光阑）等处理 此时光学变换也接收到背景辐射，并与信号一起入射到检测器的光敏面上 假定入射的信号光强为 若检测器的负载电阻为RL，则光电检测器输出电功率为 上式说明光电检测器输出的电功率正比于入射光功率的平方 如果入射光是调幅波，即 X(t)—调制信号 检测器件输出的电流为 若光电检测器输出端由隔离直流的电容，则只有第二项输出——这就是包络检测的意思 光电检测系统（非相干）的基本特性 1、检测系统的信噪比 设入射到检测器的信号光功率为PS 设入射到检测器的噪声功率为Pn 检测器输出的信号电功率为P0 检测器输出的噪声功率为Pn0 光电检测系统（非相干）的基本特性 考虑到信号与噪声的独立性，则有 光电检测系统（非相干）的基本特性 根据信噪比的定义，则输出功率信噪比为 ①若 ，则有 这说明输出信噪比等于输入信号比的平方 由此可见，直接检测光电系统不适用于输入信噪比小于1或者微弱光信号的检测 光电检测系统（非相干）的基本特性 ②若 ，则有 上式表明输出信噪比等于输入信噪比的一半，即经光电转换后信噪比损失了3dB，在实际应用中还是可以接受的 从上述得知：直接检测方法并不能改善输入信噪比——这是其检测系统的弱点（与相干或外差系统相比） 但它对不是十分微弱光信号的检测则是很适宜的检测方法——因为该方法比较简单，易于实现，可靠性高，成本低，应用广泛 光电检测系统（非相干）的基本特性 2、直接检测系统的检测极限及趋近方法 如果考虑直接检测系统存在的所有噪声，则输出噪声的总功率为 光电检测系统（非相干）的基本特性 输出信号噪声比为 当热噪声是直接检测系统的主要噪声源，而其它可以忽略时，信噪比为 光电检测系统（非相干）的基本特性 当散粒噪声远大于热噪声时，热噪声可以忽略，则直接检测系统受散粒噪声限制，这是的信噪比为 光电检测系统（非相干）的基本特性 当背景噪声是直接检测系统主要噪声源时，这是的信噪比为 PB为背景辐射功率 扫描热检测系统的理论极限即由背景噪声极限所决定 光电检测系统（非相干）的基本特性 当入射的信号光波所引起的散粒噪声是系统的主要噪声源——系统受信号噪声限制 上式为直接检测系统在理论上的极限信噪比，也称为直接检测系统的量子极限 光电检测系统（非相干）的基本特性 若用等效噪声功率NEP值表示，在量子极限下直接检测系统理论上可以测量的最小功率为 假定检测器的量子效率η=1，测量带宽Δf=1Hz 得到系统的最小可检测功率为2hν,已接近单个光子的能量 光电检测系统（非相干）的基本特性 3、直接检测系统的视场角 视场角是直接检测系统的性能指标之一 它表示系统能“观察”到的空间范围 对于检测系统，被测物看作是在无限远处且物 方与像方两侧的介质相同 故在上述条件下检测器位于焦平面上时，其半视场角为 光电检测系统（非相干）的基本特性 或视场角立体角为 而从观察范围看，即从发现目标的观点考虑：希望视场角愈大愈好 从上式可看出，增大Ω，可增大Ad或减少f 而这两个方面对检测系统的影响都不利 ① Ad的增大——增大了系统的噪声 ②减少焦距使系统的相对孔径加大—一般不允许 ③ Ω加大后背景辐射也随之增加 光电