光辐射的直接检测.ppt
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1、光辐射的直接检测,光辐射的直接检测系统的基本工作原理,光电直接检测系统是将待光信号直接入射到光检测器光敏面上,光检测器响应光辐射强度(幅度)并输出相应的电流和电压。 检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信号,前端还可经过频率滤波和空间滤波等处理。,假定入射光信号电场为:,光检测器的平方律特性:光电流正比于光电场振幅的平方,电输出功率正比于入射光功率的平方。,若光检测器负载电阻RL,则光检测器输出电功率为:,式中第一项为直流项,若光检测器输出端有隔直电容,则输出光电流只包含第二项,称为包络检测。,光辐射的直接检测系统的基本特性,5.2.1 直接检测系统的信噪比衡量模拟系统好坏及灵敏度,光检测器
2、输出的总功率包括信号电功率和噪声功率,可表示为:,考虑到信号和噪声的独立性,有:,由信噪比定义,输出功率信噪比为:,说明输出信噪比是输入信噪比的平方,可见,直接检测系统不适用于输入信噪比小于1或微弱光信号的检测。,输出信噪比是输入信噪比的一半。即经过光电转换,信噪比损失了3dB。实际应用中可以接受。,可见,直接检测方法不能改善输入信噪比,适宜不是很微弱的光信号检测。但这种方法简单,易于实现,可靠性高,成本低,得到广泛应用。,直接检测系统的检测极限及趋近方法,输出信噪比为:, 当热噪声是直接检测系统 的主要噪声源时,直接检测系统受热噪声限制,信噪比为:, 当散粒噪声远大于热噪声时,直接检测系统受
3、散粒噪声限 制,信噪比为:, 当背景噪声是直接检测系统的主要噪声源时,直接检测系统 受背景噪声限制,信噪比为:,假定光波长=0.7m,检测器的量子效率=1,测量带宽f=1,由上式得到系统在量子极限下的最小可检测功率为, 当入射信号光波所引起的噪声为直接检测系统的主要噪声源时,直接检测系统受信号噪声限制,这时信噪比为:,该式为直流检测在理论上的极限信噪比,称为直接检测系统的量子极限,又称量子限灵敏度。 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测量的最小功率为:,在实际直接检测系统中,很难达到量子极限检测。实际系统总会有背景噪声、检测器和放大器的热噪声。 背景限信噪比可以在
4、激光检测系统中实现,是因为激光光谱窄,加滤光片很容易消除背景光,实现背景限信噪比。 系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善,可行方法是在光电检测过程中利用光检测器的内增益获得光电倍增,如光电倍增管。当倍增很大时,热噪声可忽略,同时加致冷、屏蔽等措施减小暗电流及背景噪声,光电倍增管可达到散粒噪声限。在特殊条件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪声,增益过程中使噪声增加。 在直接检测中,光电倍增管、雪崩管的检测能力较高,采用有内部高增益的检测器可使直接检测系统趋近于检测极限。对于光电导器件,主要噪声为产生复合噪声(极限散粒噪声),光电导器件极限信噪比低,NEP较大。,直接检测系统的距离方程,光电检测
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