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大器激光探测光电子接收关键技术 大气激光探测光电子接收关键技术 摘要 大气激光探测是指以激光作为探测手段，对大气参数进行遥感探测的一种探 测方法，在探测晴空大气物理要素和大气成分浓度方面具有独到之处。随着现代 激光技术和大气激光探测原理的不断发展，大气激光探测得到了快速的发展，已 经在军事、民用的多个领域获得日益广泛的应用。 光电探测技术是大气激光探测的关键技术之一，光电探测器件性能的好坏直 接影响光电信号的好坏，进而影响大气激光探测的准确性。本文以现有的地基非 相干多普勒测风激光雷达系统为基础，分析了大气激光探测光电信号的相关理论 和原理，以及提高信嗓比的关键技术。根据所使用的激光雷达系统的性能指标选 取合适的光电倍增管，设计并制作完成门控光电倍增管探测系统；采用大带宽、 低噪声的高速运算放大器l m h 6 7 0 2 ，设计并制作完成光电倍增管前置放大电路。 根据所研制电路的特点，论文还对光电倍增管前置放大电路的噪声和带宽进行了 理论分析，给出了噪声和带宽的理论计算公式。 经实验证明，论文所研究的大气激光探测光电子接收的关键技术能有效的提 高大气激光雷达的探测距离、探测精度，改善激光探测信号的信噪比，达到了研 究的目的。同时，论文的研究内容对大气激光探测方法的继续深入研究也有一定 的推动作用。 关键词；大气激光探测；光电探测；激光雷达；门控光电倍增管；前置放大器； 信噪比； 大器激光探测光电子接收关键技术 k e yt e c h n o i o g i 0 so fr e o e i v i n gp h o t o e i e o t r o n si n a t m o s p h e r i 0d e t e c t i o nw i t hl a s e r a b s t r a c t a t m o s p h e r i cd e t e c t i o nw i t hl a s e ri sak i n do ft e c h n i q u e si nr e m o t es e n s i n ga n d d e t e c t i n gf o rt h ep a r a m e t e r so fa t m o s p h e r e ，w h i c hh a se x c e p t i o n a lp r e d o m i n a n c e si n d e t e c t i n gt h ei m p o r t a n tp h y s i c a lp a r a m e t e r so fa t m o s p h e r ei nc l e a rs k ya n dt h e c o n c e n t r a t i o n so fa t m o s p h e r i cc o m p o n e n t s w i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to fm o d e m l a s e r st e c h n o l o g ya n dt h e o r i e si na t m o s p h e r i cd e t e c t i o nw i t hl a s e r , t h et e c h n i q u eo f a t m o s p h e r i cd e t e c t i o nw i t hl a s e rd e v e l o p sr a p i d l y , a n di si n c r e a s i n g l ya p p l i e dt oa n u m b e ro f m i l i t a r ya n dc i v i lf i e l d s t h et e c h n o l o g yo fp h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o ni so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o r a t m o s p h e r i cd e t e c t i o nw i t hl a s e r t h ep e r f o r m a n c e so f p h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r sd i r e c t l y a f f e c tt h ep h o t o e l e c t r i cs i g n a l s ，a n dt h e na f f e c tt h ep r e c i s i o no fa t m o s p h e r i cd e t e c t i o n w i t hl a s e r b a s e do nt h eg r o u n d b a s e di n c o h e r e n td o p p l e rw i n dl i d a r , t h ep 印e r a n a l y z e dt h et h e o r i e sa n dp r i n c i p l e sr e l a t e dt op h o t o e l e c t r i cs i g n a lo fa t m o s p h e r i c d e t e c t i o nw i t hl a s e r , a n dt h ek e yt e c h n o l o g i e st oi m p r o v es n r a c c o r d i n gt ot h e p e r f o r m a n c e so ft h el i d a r , af i t t i n gp m t w a ss e l e c t e da n dt h eg a t i n gp m td e t e c t i o n s y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n dd e v e l o p e d w i d eb a n d ，l o wn o i s e ，h i g hs p e e do p a l m h 6 7 0 2w a su s e da n dt h ep m tp r e a m p l i f i e rc i r c u i th a sb e e nd e s i g n e da n d d e v e l o p e d o nt h eb a s i so fc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r i cc i r c u i t ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s h a sb e e ng i y e na b o u tn o i s ea n db a n d w i d t ho ft h ep m tp r e a m p l i f i e rc i r c u i t , a n d t h e o r e t i c a lf o r m u l a sf o rn o i s ea n db a n d w i d t hh a v ea l s ob e e np r e s e n t e di nt h i sp a p e r i ti sp r o v e db ye x p e r i m e n tt h a tt h ek e yt e c h n o l o g i e so fr e c e i v i n gp h o t o e l e c t r o n s i na t m o s p h e r i cd e t e c t i o nw i t hl a s e rs t u d i e di nt h ep a p e rc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v e d e t e c t a b l e - d i s t a n c eo fl i d a r , d e t e c t i o np r e c i s i o na n ds n r t h es t u d yi nt h i sp a p e ri s a l s oh e l p f u lt ot h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to f a t m o s p h e r i cd e t e c t i o nw i t hl a s e r k e y w o r d s ：a t m o s p h e r i cd e t e c t j o nw i t hl a s e r ；p b o t o e i e c t r i od e t e c t i o n ： l i d a r ：f i a t i n gp m t ：p r e a m pji f i e r ：s n r ： 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 洼：垫遣直墓缝置垩挂型岂盟趁：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 一竺竺兰兰堑垒垒竺竺塑三型旦 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅a 本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名彳 涮柞k 网，4 狮撇户权 签字日期之唧年厂月莎日 | 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签 钪隧 ，y 电话： 邮编 大器激光探涮光电子接收关键技术 0 刖吾 大气探测的对象众多，包括大气风场、大气成分、温度、湿度、压强、能见 度和气溶胶等，是大气科学的重要分支，是大气动力学研究、大气成分分析以及 气象业务、气象服务的重要技术基础。目前，国内外常用的大气探测的技术手段 有热气球，探空仪，多普勒雷达，激光遥感探测和卫星遥感等。这些技术手段随 着现代科学技术的发展而先后获得广泛的应用，而其中大气激光探测则是近三十 年多年来，随着激光技术和大气激光探测原理突飞猛进的发展才迅速发展成为大 气遥感探测领域的重要分支，而且应用前景十分广阔。 大气激光探测的回波信号为弱光信号，而远距离的回波信号尤为微弱。光电 探测器是将返回光信号转换为电信号的器件，其性能的好坏直接影响光电转换信 号的线性稳定度和信噪比等，进而影响大气激光探测的探测距离和探测精度；高 频小信号放大技术应用于弱光信号转换之后，具有信号放大和频带压缩提高信噪 比的作用。这些光电信号探测技术对提高大气激光探测信号的探测距离和信噪比 都有很好的作用，是大气激光探测的关键技术之一。 本论文以中国海洋大学海洋遥感教育部重点实验室研制的地基非相干多普 勒测风激光雷达系统为基础，深入的分析、研究了大气激光探测中非相干探测方 法的光电子接收关键技术；研制出电子门控光电倍增管探测系统；采用大带宽、 低噪声的高速运算放大器l m h 6 7 0 2 改善设计光电倍增管前置放大电路。最后， 通过实验验证该非相干多普勒测风激光雷达系统所采用的上述光电子接收关键 技术能有效的提高该激光雷达系统的探测距离和信噪比。同时，以上工作对大气 激光探测方法的继续深入发展也有一定的推动作用。 本论文共分为6 个章节： 第一章：概述国内外大气激光探测领域的发展动态。 第二章：介绍大气激光探测的相关理论原理，是本论文研究工作的理论依据。 第三章：详细介绍了门控光电倍增管探测系统的设计原理和过程以及实验结果。 第四章：详细介绍光电倍增管前置放大电路的优化设计以及实验结果。 第五章：总结在验证实验过程中碰到的种种干扰问题，并给出相应的处理方法。 第六章：论文的总结和展望。 大器激光探测光电子接收关键技术 1 国内外大气激光遥感探测的发展动态 1 1 大气激光探测的背景 大气激光探测是最近三十多年才发展起来的大气遥感探测领域的最新技术 手段，在遥感探测晴空大气物理要素和大气成分浓度等许多方面有非常突出的优 势，因而受到各国的普遍重视。 大气激光探测所使用的探测设备是大气激光雷达。传统的雷达以微波和毫米 波段的电磁波作为载波，而大气激光雷达则是以激光作为探测波源的一种雷达， 是现代激光技术、雷达技术、大气光学和现代光电子技术相结合的产物。大气激 光雷达主要由发射、接收和后续信号处理三部分以及使这三部分协调工作的辅助 机构组成。 大气激光雷达的探测波源激光问世于上世纪六十年代，具有单色性好、相干 性强、方向性好以及高亮度、大功率等突出特点，因此，大气激光雷达有很高的 探测精度、灵敏度和分辨率。比如：利用不同分子对特定波长激光的吸收、散射 或荧光特性，可以探测不同的物质成分；利用多普勒频移的大小反演径向风速， 精度可达1 米秒“。这些都是大气激光雷达独有的优点。正因为具有这些突出优 点，大气激光雷达受到各方面的高度重视，已经发展出米散射大气激光雷达、差 分吸收大气激光雷达( d 认l ) 、多普勒测风激光雷达和能见度激光雷达等多种大气 激光雷达。 随着大气激光探测原理和现代激光技术等突飞猛进的发展，大气激光探测已 经成为十分有前途的大气遥感探测的分支。目前，根据不同的大气激光探测原理， 大气激光雷达已经能够准确探测多种大气物理要素，例如：城市污染气体浓度， 烟尘浓度和分布，近地层风场和湍流，云的参数，大气能见度、温度、湿度和压 强等，同时还能监测臭氧分布。 1 2 国内外大气激光雷达的发展研究 由于大气激光雷达在遥感探测晴空大气物理要素和大气成分浓度等许多方 面具有独到优势，国内外科研机构和公司竞相开展大气激光雷达在大气遥感探测 领域的研究，并取得了一定的研究成果。 2 大器激光探测光电子接收关键技术 1 9 7 6 年美国无线电公司( r a d i oo fa m e r i c ac o ) 和帕新一埃尔默公司 ( p e r k i n - e l m e rc o ) 受n a s a 和美国国家海洋大气局( n a t i o n a lo c e a n i ca n d a t m o s p h e r i c a d m i n i s t r a t i o n n o a a ) 委托研制出测量全球对流层风场的c 0 2 相干 激光雷达。1 9 7 9 年美国m i c h i g a n 大学的va b r e u 使用位于卫星极轨平台的非 相干多普勒激光雷达系统( 该激光雷达采用n d ：y a g 激光器) 测量大气风场。1 。 1 9 8 4 年，t j k a n e 等研究了利用n d ：y a g 激光器探测大气风场的可能性，并 于1 9 8 7 年报道了第一台利用n d ：y a g 激光器的相干多普勒激光雷达系统“1 。1 9 8 8 年n a s a 的激光大气风速探测器( l a s e ra t m o s p h e r i cw i n ds y s t e m ，l a w s ) 对 不同高度上后向散射的水平风速的分辨率约为1 公里。1 9 8 9 年欧洲航天局 ( e u r o p e a ns p a c ea g e n c y , e s a ) 公布研究测风o z 相干激光雷达实验情况1 。 1 9 9 3 年，j gh a w l e y 等为美国肯尼迪航天发射中心研制了一台用于监测发射场 周围大气风场的相干n d ：y a g 多普勒测风激光雷达。国内，1 9 9 7 年，中国海 洋大学( 原青岛海洋大学) 刘智深教授首次提出了利用碘分子吸收滤波器取代干 涉仪测量大气风场的方案“。2 0 0 2 年6 月中国香港国际机场安装了世界上第一台 用于机场天气预警的激光雷达系统，该系统采用相干测量方法来探测机场附近区 域的风切边，保证飞机起降的安全。 随着现代航空航天技术、激光器技术、信息技术和能源、材料等商新技术的 快速发展，以及大气激光探测研究领域的不断拓展，目前最新研制的下一代大气 激光雷达开始逐渐从地基向机载和星载方向发展，并且取得了一定的研究成果。 上世纪9 0 年代，美国n a s a 全球水文气候研究中心的大气遥感工作组、n a s a 马歇尔空间飞行中心( m s f c ) 、n o a a 环境技术实验室( e t l ) 和喷气动力实 验室( j p l ) 共同研制开发了机载大气风场相干测量传感器( m a c a w s ) 系统。 该系统能够利用机载脉冲多普勒激光雷达对对流层、同温层三维风场及气溶胶散 射进行扫描测量，可用于研究全球气候和水文模型。1 9 9 4 年9 月，美国n a s a 成功完成了航天飞机搭载激光雷达技术实验( l i t e ：l i d a ri n - s p a c et e c h n o l o g y e x p e r i m e n t ) ，为星载激光雷达的发展跨出历史性的一步。2 0 0 5 年l o 月1 8 日欧 空局成功完成了星载大气激光多普勒效应仪“阿拉丁”( a l a d i n ) 机载演示器 a 2 d 的首次试飞，为将于2 0 0 8 年发射的欧空局“风神”星载激光雷达作必要的 机载验证试验。2 0 0 6 年4 月2 8 日美国成功发射了探测气溶胶的星载激光雷达 3 大嚣撒光探测光电子接收关键技术 “c a l i p s o ”( c l o u d - a e r o s o ll i d a ra n di n f r a r e dp a t h f i n d e rs a t e l l i t eo b s e r v a t i o n s ) ， 该星载激光雷达可以提供云和气溶胶垂直分布信息，考察气溶胶是否与云有关系 等，为人们评估气溶胶对全球大气环境变化的影响提供更新的信息。 根据国际上最新研制的大气激光雷达的组成结构可以看出，新一代的大气激 光探测系统不仅仅只包括一台激光雷达，往往根据研究需要而集多种遥感传感器 于一身。各种主、被动遥感传感器彼此配合，相辅相成组成联合观测平台，获取 更丰富、全面的大气物理要素信息。例如：利用机载大气激光雷达和太阳光谱辐 射计探测大气气溶胶的分布；美国星载大气激光雷达“c a l i p s o ”的有效载荷 包括激光雷达，被动式红外成像辐射计，大视场可见光相机。 1 3 大气激光探测的特点和局限性 由于激光具有单色性好、方向性好、相干性强以及高亮度、大功率等特点， 使得大气激光探测在大气遥感探测领域的许多方面都具有优势。从现有能力和内 在潜力来看，大气激光探测在大气污染监测、边界层气象、云雾物理、大气热力 过程、大气动力过程、高层大气和天气预报等研究领域内的实际应用，以及在国 民经济建设和国防建设中的实际应用，都将具有非常广阔的发展前景。 以下是大气激光雷达在大气遥感探测方面的特点： ( 1 ) ：大气激光雷达的发射波长位于光波波段，与烟、尘等大气气溶胶的粒 子尺寸相当，回向散射光相对较强，再加上高灵敏度高效率的光电探测器，使得 大气激光雷达对气溶胶甚至尺寸更小的大气分子的探测能发挥很好的作用。 ( 2 ) ：大气激光雷达所接收的激光回波信号除了光强度信息外，还包含频率、 相位和偏振等多种信息。利用回波信号里包含的这些信息就能够反演出多种大气 物理要素。 ( 3 ) ：激光的平面发散角很小，可控制在1 - 2 m r a d 左右，而且激光的脉宽可 以达到纳秒级。因此激光探测大气物理要素的空间分辨率可达“米”量级甚至更 高，从而能够探测大气物理要素的空间细微结构特点。 但是，大气激光探测跟其他大气遥感探测方法一样也存在自身的局限性“1 ： ( 1 ) ：激光的波长很短，所以激光在大气中传输时会与大气介质不断发生吸 收、散射等衰减作用，因此，激光在大气中传输时衰减强烈。若在低能见度或云 4 丈器激光探测光电子接收关键技术 雾天气条件下探涮，大气对激光的衰减尤为强烈，极大的影响了大气激光雷达对 其他物理要素的探测能力。所以，大气激光探测往往限于晴空大气探测。 ( 2 ) ：大气激光雷达主要是利用大气介质对入射激光的回向散射光信息，而 该回向散射光信号往往十分微弱，远距离探测时散射光信号就更微弱了。然而， 大气的背景辐射噪声一般则较强。因此，大气激光雷达的信噪比受到限制。从而 影响大气激光探测的精度和距离。对于散射光信号极其微弱的一些大气物理要 素，探测只能限于夜间进行。 ( 3 ) ：另外，大气激光雷达对一些重要的大气物理要素，如风速、温度和气 压的探测能力有限，探测的精度也达不到实际应用要求。 因此，为了深化、拓宽大气激光探测的研究领域，以及推动大气激光雷达的 实用化进程，一方面需要继续研究激光探测大气物理要素的新原理；另一方面， 由于以上所述的大气激光探测自身的局限性，还器进一步展开微弱光电信号转换 技术和微弱信号放大技术等研究，提高大气激光探测的信噪比和探测距离。 作为主要光电转换器件之一的光电倍增管( f m t ) ，在极微弱光信号检测方 面具有非常突出的优势，因此在大气激光探测领域里占有很大优势。目前国际上 重点研究的基于p m t 的门控技术珊，能有效地保护p m t 不受近场强光信号的破 坏，保证其工作于线性范围；同时还能压缩信号的动态范围，有利于信号的数字 化采集和恢复。国际上，该技术已经在激光探测大气气溶胶侧，差分吸收激光 雷达( d m l ) “上成功应用。高频小信号放大技术应用于弱光信号转换之后， 具有信号放大和频带压缩，提高信噪比的作用。目前，随着大气激光雷达系统高 度集成化和精密化，高频小信号放大技术的应用越来越广泛和多样化。这些光电 信号探测技术对提高大气激光探测的距离和信号的信噪比都有很好的促进作用， 是大气激光遥感探测的关键技术之一。 大器激光探测光电子接收关键技术 2 大气激光探测相关理论和原理 大气激光雷达的波源是激光，所以其回波信号的接收必然有一个光电转换的 过程。在大气激光雷达的工作过程中，激光与大气介质、探测目标发生以散射和 吸收为主的相互作用，激光衰减强烈。十几公里距离外的回波信号多则十几少则 几个光子，光电转换器件接收到的散射光信号非常微弱。大气激光雷达光电信号 检测技术关系到大气激光雷达的探测精度和探测距离，因而是大气激光雷达的关 键技术之，是大气激光遥感探测领域研究的重要阅题。 本章首先详细介绍了大气激光雷达的原理，然后介绍光电探测的主要方法和 原理，一些常用光电转换器件的工作原理、特性以及器件选取依据；最后还介绍 了大气激光探测的背景辐射和信噪比估算。 2 1 大气激光雷达原理 大气激光雷达系统中，接收系统的光电探测器接收到的返回光功率大小由很 多因素决定：发射系统的光功率，发射光束的发散角，大气介质的衰减，目标的 有效反射截面，发射系统和接收系统的光学效率等等。根据几何光学原理，可以 推导出大气激光雷达方程，该方程是进行大气激光遥感探测的基本方程”1 。 假设大气激光雷达是非同轴激光雷达，在激光光强均匀分布的条件下，设定 距离r 处大气介质所受到的激光照度为e ，则： e ( 胪志础) = 志丁( r ) ( 刚册2 ) ( 2 - 1 ) 式2 一l 中g o 为脉冲激光的总能量，f 为激光脉宽，e o = 兰t 表示激光发射功 率。s ( 1 0 为距离r 处激光光束的截面积。t ( r ) 表示传输距离为r 时的大气透过 率，可表示为： t ( r ) = c x p 一r 盯( ，) d r 盯( ，) ：为大气消光系数，单位为c m 4 ( 2 - 2 ) 再假设距离r 处被激光照射的大气体积元d v 的后向散射的辐照强度为 l ( r ) ，则有 厶( r ) = e , f 3 ( r ) d v 单位：w s r ( 2 3 ) 6 式中p ( r ) 为距离r 处大气介质的体后向散射微分截面，单位为锄s t - 1 。 图2 - l ：激光探测大气的回波不葸因 由图2 - 1 可知，大气体积元d 矿为a v = a s d r ，式中嚣为距离r 处激光雷 达发射光束与接收视场角相交截面墨( r ) 上的面积元，d r ( d r 2 寺“) 为分辨距 离，c 为光速。 散射体积元对接收望远镜的立体角为：q = 告，式中a 为望远镜有效截面。 再假设大气激光雷达接收系统总的光学效率为 ，可得到大气激光雷达接收 望远镜接收到的距离r 处大气体积元d 矿的散射光回波功率为： c 坶= ( r ) r ( r ) 叩( 且) q 善d 矿 ：熹1 - o 雕m 固吾孝唧 _ 2 知) d r p q 4 2 i 两( 胄) 刁( 尺) 黄孝唧l 之j ：盯p p 其中，卵( r ) ：墨婴称为充填系数，为距离r 处发射光束与接收视场角相交 m , o 截面上的激光能量互( r ) 与激光发射总能量历之比。刁僻) l ，随探测距离而变 化。当大气激光雷达为同轴激光雷达时，叩( 五) = 1 式2 - 4 沿截面墨饵) 积分，可得大气激光雷达接收望远镜接收到的距离r 处 的大气回波信号功率( 即大气激光雷达方程) 为： 郴) = 只萨a 雕) 郴) ( e x p - 2 f ) 毋 积 ( 2 - 5 ) 2 2 光电检测的原理和方法 与微波雷达不同，大气激光雷达的波源是激光，接收到的探测信号是很微弱 的大气散射光信号。因此，大气激光雷达接收系统有一个光电转换的过程。该转 7 大器激光探测光电子接收关键技术 换过程所用到的光电转换器件和光电检测技术，关系到大气激光雷达的探测灵敏 度和探测距离，因而是大气激光雷达的关键技术。 简单说来，光电探测就是把光辐射量转换为容易测量的电信号，然后进行放 大、处理的过程。光电转换的原理是光电效应。光电效应是指入射到光电转换材 料表面上的有足够能量的光子流与材料中的束缚电子发生相互作用，最后使电子 变成自由电子的效应。而利用光电效应，把光辐射量转换为电量的探测器称为光 电探测器。大气激光雷达系统中常用的光点探测器件有：光电倍增管( p m t ) 、 p i n 光电二极管、雪崩光电二极管( a p d ) 等。下面简单介绍一些概念，包括光 电转换定律，三种光电探测器简介，三种光电检测方法及其信号信嗓比。 2 2 1 光电转换定律 对光电探测器而言，入射光辐射时输出光电流。单色光功率p ( f ) 为能量砂的 光子流，光电流是光生电荷q 的时交量，则： 加) = 警= 砂警f ( ) = 塑d t = e 警 ( 2 - 6 ) ( 1 - 6 ) 中， 乞和m 分别表示入射光子数和光生电子数。式中所有变量都为 平均量，p o ) 和f ( f ) 之间有关系： 柳= d p ( t ) = 罢p ( ) ，其中节= 门y ( 2 7 ) 玎称为光电探测器的量子效率，由光电探测器的物理性质所决定。上式表明： 光电探测器对入射光功率的响应是光电流，因此光电探测器总可以看作是一个 电流源；因光功率p ( t ) 正比于光电场的平方，所以常把光电探测器称为平方律 探测器。 2 2 2 大气激光雷达常用的三种光电探测器 一、光电倍增管( p m t ) 光电倍增管是一种非常灵敏的微弱光信号探测器，依据光电发射效应而工 作。光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、倍增极以及阳极组 8 大器激光探测光电子接收关键技术 呼甥 9 大嚣激光探测光电子接收关键技术 雪崩光电二极管( a p d ) 是具有内部增益的光电二极管，增益一般为 1 0 2 1 0 4 。a p d 在1 0 0 4 0 0 v 的反向偏压作用下，光生载流子与晶格原子发生 碰撞并激发出更多的电子一空穴对，如此反复，形成雪崩效应而产生增益放大作 用。雪崩光电二极管的一个重要问题是它的噪声。除了一般光电探测器件所具有 的噪声外，a p d 还有与自身放大原理“雪崩碰撞电离”有关的附加噪声，因此 雪崩光电二极管的总体噪声较大，限制了它探测极微弱信号的能力。 总的来说，以上三种光电探测器各有优缺点，但其中p m t 和a i d 在大气激 光雷达系统里使用最普遍，p i n 光电二极管使用不多。a p d 具有体积小、重量 轻，工作电压低的特点，而且响应速度快，动态范围大，抗干扰能力强。但内增 益不够高，暗电流较大，使得其探测微弱信号的能力受到限制。而p m t 虽然尺 寸稍大，但是增益比a p d 高得多；而且本身的暗电流相对较小，探测灵敏度极 高，能够探测单光子微弱信号。另外，响应速度也很快。因此，p m t 与a p d 相 比在大气激光探测领域具有一定的优势，所以，中国海洋大学海洋遥感教育部重 点实验室研制的可移式多普勒测风激光雷达选用p m t 作为光电探测器，并在实 验中取得了理想的使用效果。 2 2 3 光电检测的三种方法 一、 直接探测法 光电探测器的基本功能就是把入射到探测器上的光功率转换为相应的光电 流，即f ( f ) = 罢p ( ，) 。因此，只要待测传递的信息表现为光功率的变化，利用光 删 电探测器的这种直接的光电转换就能实现信息的解调，这就是直接探测方法。因 为光电流实际上对应于光功率的包络变化，所以直接探测方法也叫包络探测法。 假设入射到光电探测器上的光功率为j ；，噪声光功率为h ，光电探测器的输 出电功率为s o ，输出噪声电功率为，则总的输入光功率为墨+ 吩，总的输出电 功率为已+ n 。根据光电转换定律，有； + ，乇= 七( 墨+ 珥) 2 = k ( g + 2 s ，吩+ 啊2 ) ( 2 9 ) 根据信号和噪声的非相关性，有 大器激光探测光电子接收关键技术 输出信噪比s n r 为。1 ： s o = 默 (2-10) = k ( 2 s l n l + 吩2 ) ( s n r ) 。= 生= ( 2 1 1 ) 由式2 - 1 1 可以可见，若l ，则有z ( 么) 2 ，即输出信噪比近似 等于输入信噪比的平方。这说明直接探测方式不适用于输入信噪比小于1 或微弱 光信号的探测。若么l ，则z 互ll ( s l 吩) ，这时输出信噪比等于输入信噪 比的一半，光电转换后信嗓比损失不大。所以，直接探测方式适用于强光探测。 但是由于直接探测法比较简单，可靠性又好，所以获得广泛应用。 二、 光外差探测法 激光的相干性、单色性和方向性都非常好，从而使得光波频段的外差探测成 为现实。光电探测器除了具有解调光功率包络变化的能力外，只要光谱响应匹配 和频率响应合适，同样具有光外差探测的能力。下图是光外差探测的系统框图。 网 臂 圈2 - 3 ：光外羞探删系统框图 设巳( f ) 和气( f ) 分别为信号光和本振光的光电场，由光电转换定律( 2 7 ) 有： 岛( f ) # 互c o s ( m f + 织)气( f ) = 最s ( 屹f + 纯) j 砸) = d ( 【乞( f ) + 气( r ) 】2 ) ( 2 1 2 ) = d ( 瞳2 ( f ) + 分+ 掘( f ) 气( f ) ) = d ( 陋2 2 ( 哗+ 纯) + 口c o s 2 ( 屹f + 讫) + 2 e 丘c 。+ 纯) c o s ( 吖+ 讫) ) = 。 譬+ 譬+ 巨毛c o s ( 屹+ m ) r + ( 吃+ 识) + e e c o s ( 屹一嵋) r + ( 纯一见) 大器激光探测光电子接收关键技术 式2 一1 2 求得的f ( f ) 是一个时间平均值( 用“( ) ”表示时间平均) ， ( e ，2 c o s 2 ( h f + 纯) ) 和( 邑2c 2 ( m f + 吼) ) 时间平均后为直流项；c o s ( h + ) f + ( 见+ 吼) 为高频项，光电探测器不能响应；c o s ( w j 一毗) f + 眩一纯) 为差频项，只要( 一k ) 小于光电探测器的截止响应频率，则有光电流输出。 如果让差频信号通过有限带宽的中频放大器，消除直流项后只剩下中频交流 分量： 珏( f ) = 皿巨c o s 谚f + ( 纯一优) ( 2 1 3 ) 由此可见，光外差探测系统与直接探测系统比较，多了一个本振光，光电探 测器起着光混频器的作用。它对信号光和本振光的差频分量响应，输出一个中频 光电流。因信号光和本振光是在光电探测器上相干涉，所以外差探测又往往称为 相干探测，而直接探测也称为非相干探测。 相干探测具有转换增益高；去背景能力强；探测灵敏度高；输出信 噪比高( 2 1 5 ) 。 已+ o c ( 墨+ 以+ 屯+ ，l ) 2 ( 2 1 4 ) 其中，j 。为输入信号，n i 为输入噪声；为本振信号，为本振噪声。略 去直流项和微小信号项，可得输出信噪比为“1 ： 巳+ 82 ( s l s l + s l n i + s l n l ) j 生：墨 ( 2 1 5 ) n on i + n l 如果没有本振噪声，相干检测输出的s n r 等于输入s n r ，即信号经过探测 器后s n r 并不变小。 三、光子计数法 大器激光探测远距离回波信号，光功率小到1 0 。8 w ( 每秒l o 个光子) 以下， 光信号呈现光的粒子性，这时就需要采用光子计数的方法进行检测。对于如此微 弱的光信号，一般选用低噪声的光电倍增管来探测。 光电倍增管对强、弱光信号呈现出完全不同的输出响应。当入射光信号较强 时，阳极输出脉冲相互重叠，彼此无法区分开来：当入射光信号非常微弱时，信 号呈现光子特性，每个光子产生的阳极脉冲相互分离。光子计数法：就是把每个 大器激光探测光电子接收关键技术 光电子产生的阳极脉冲一个一个地记录下来的方法。该方法用一定时间内计数得 到的光子数的多少来表示信号大小 计数脉冲中，除了有用信号产生的脉冲外，还包括了光电倍增管系统自身产 生的小幅度暗计数脉冲和宇宙射线等因素引起的大幅度计数脉冲。因此，为了提 高探测信噪比，必须把有用信号光电子脉冲从噪声脉冲中甄别出来。下面是光子 计数器的结构原理图： 图2 - 4 ：光子计数器框图 上甄别器用于去除数量不多的大幅度噪声计数脉冲，下甄别器则用于去除数 量非常多的小幅度噪声计数脉冲。上下甄别器共同作用，使脉冲高度处于上、下 甄别电平之间的有用信号光电子脉冲进入计数器。 2 3 大气激光探测的背景辐射和信噪比 2 3 1 大气激光探测的背景辐射 大气激光探测时，大气背景辐射是探测噪声的主要来源。对光电探测器来说， 任何发热、发光的物体都可能成为背景因素。 大气背景辐射主要产生于大气的散射辐射，它与许多因子有关：太阳辐射、 大气透明度、云量和下垫面反射率等等。大气背景辐射还具有明显的日变化和年 变化。首先，大气背景辐射与太阳高度角有关：太阳高度角为6 0 。时地面所受 的大气辐照度大约为太阳高度角为5 。时的4 倍；其次，大气透明度较好，大气 散射减弱，大气背景辐射减小，反之，大气透明度差，大气散射增强，大气背景 辐射随之增大“1 。 大气背景辐射具有明显的日变化和年变化。显而易见，中午大气辐照度最大， 早晚大气辐照度递减。就全年而言，夏季的大气背景辐射最大，冬季最小。 大器激光探测光电子接收关键技术 2 3 2 大气激光探测的信噪比估算 噪声的大小对大气激光探测的精度有很大影响，特别是探测远距离物理要 素噪声的大小一般用信号与噪声的比值来度量，即信噪比s n r ( ) 。s n r 越大，探测的精度越高，误差也就越小；反之精度越低，误差越大，严重的会使 探测结果无法使用。 一、 噪声源 大气激光探测的噪声源，主要是上述的大气背景辐射噪声。此外，还有两个 噪声源：一个是光电探测器自身引入的噪声；一个是信号本身的统计噪声。 1 光电探测器自身引入的噪声，包括散粒噪声( 暗电流噪声) 和等效电阻 热噪声。散粒噪声：指在无光照条件下，光电探测器由于热激发作用，随机产 生的电子所引起的信号起伏。散粒噪声电流的有效值l 为： 2 ：! 竺二。是探测器的暗电流，是测量带宽e 是电子电荷) ( 2 - 1 6 ) 圪= 2 p r 2 4 ，( 散粒噪声电压) 如果探测器具有内增益g ，则上式还应乘以增益系数g 。 由于光电探测器有一个等效电阻r ，电阻中自由电子随机运动会引起电压 起伏，即j o n s o n 热噪声。热噪声电压、电流分别为： 圪= 小丽，厶= 小乏亍j 丽( 髟勾波尔兹曼常数，功绝对温度) ( 2 1 7 2 信号本身的统计噪声 信号本身的统计噪声，也称为量子噪声或光子噪声。光电探测器在单位时间 内接收到的光信号是由统计起伏的大量光子所组成的。是一个光子数的统计平均 值。这种围绕某个平均值的统计起伏，形成噪声。不管信号光还是背景光，都有 光子噪声伴随，而且光子噪声随着光功率的增大而增大。量子噪声电流为： l = 2 p ( 为信号光电流) ( 2 1 8 ) 如果探测器具有内增益g ，则上式还应乘以增益系数g 。 二、 信噪比估算 在量子噪声、背景噪声、散粒噪声和热噪声相互独立的情况下，光电探测器 输出的功率信噪比和电压信噪比可以表示为： 1 4 大器激光探澳4 光电子接收关键技术 ( 小雨黥2 飘矗霄 ： ： 2 1 ” l 上( 7 7 + 孑+ s - - y + 孑) “2 式2 ，1 9 中，o 为光电探测器输出的平均信号电流，孑为光信号引起的量子 噪声的均方电流，孑为大气背景噪声均方电流，孑为光电探测器散粒噪声的 均方电流，孑为等效电阻热噪声的均方电流，最为负载电阻。 当仅考虑大气背景辐射噪声和信号起伏噪声的情况下( 散粒噪声和等效电阻 热噪声相对较小) ，式2 1 9 可简化为： 由光电转换定律f ( f ) = 墨p ( o 可知： 矗 ， = e ；毛= 只岛 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 其中，是光电探测器的灵敏度，只和只分别为大气激光雷达接收的大气 回波信号和大气背景辐射噪声的接收功率。可由式2 - 5 大气激光雷达方程求 p a r ) = 芴e o c f a 厦r ) 口( r ) 善e x p 2 r 盯( ，) 毋 最则表示为：最：爿鲤吼五；n o r 2 a c - b x a ；，式中岛( w 绷2 j ，d 五) 为背景 辐射的光谱辐亮度，兄为接收系统滤光器的带宽。 由式2 - 2 0 ，2 - 2 1 以及只和e 的表达式，可以推出电压信噪比的表达式“： sl r ，, , 酬v ol 高蒿瀚2 ) 夜间探测可以忽略大气背景辐射噪声，则电压信噪比的极限值为口1 1 ： 吼。= 产攀笔4 e r 字盟r 唧小明 2 s ， l 上。l 2 矽j l v 、一j 。 1 5 大器激光探测光电子接收关键技术 由式2 2 2 、2 2 3 的两信噪比表达式，可以得出结论： 1 大气激光雷达的发射能量e 和填充系数r l ( r ) 越大，s n r 越高。 2 探测目标的体后向散射系数( 月) 越大，大气消光系数c r ( r ) 越小，探测距离r 越近，s n r 越大。 3 大气激光雷达接收系统的光学效率善，接收望远镜孔径a 和光电探测器的灵 敏度如越大，测量带宽可越小，s n r 越大。 4 大气背景辐射只越小，滤光器的带宽a 五越窄，s n r 越大。 5 接收望远镜的视场角只越小，大气背景辐射噪声也越小，s n r 越大。但接收 视场角p 的大小还应该与激光光束的发散角q 相匹配，一般接收视场角p 略 大于6 ，充满区距离约4 0 0 5 0 0 米( 叩( r ) 1 0 0 丝( 3 1 2 ) v 上式中，i 为峰值输出电流，f 为脉冲宽度，v 为电容两端的电压。 3 。为了降低空间电荷积累效应的影响，除了以上介绍的在最后3 , - 4 级倍增极 上并联大电容的方法外，还可以在电荷密度较高的这些倍增极和阳极适当提高所 加的电压，增强它们的电压梯度，形成锥形分压电路( 见图3 8 ) 。锥型分压电路 的应用可以使阳极输出脉冲的线性度比使用普通分压电路的阳极输出脉冲线性 度提高5 1 0 倍”1 。 图3 8 ：p m t 的锥形分压电路 3 2 2 门控光电倍增管探测系统的p m t 设计 一，门控p m t 探测系统工作原理 论文在3 1 2 中介绍了p m t 增益系数g 与倍增极二次电子发射系数万、极 问电压u 之间的关系，现重写如下： g = s o ( 4 e ) ”= 岛 ) “e o ( a u , “7 ) ”= a o u , “( 嘞= 岛矿，常量) ( 3 1 3 ) 因此，利用极间电压u 、二次电子发射系数占与g 的关系，可以有效地控 制p m t 的导通和截止。研制的门控光电倍增管探测系统，正是利用这一原理来 实现门脉冲控制光电倍增管的导通和闭合的。 通过改造p m t 的分压电路，将p m t 的几个倍增极电压断开，使得整个p m t 加速电场中断，从而p m t 的阳极没有光电流形成。当需要p m t 探测时，就给 断开的这几个倍增极输入高压控制脉冲，重新构建p m t 的加速电场，从而使p m t 再次导通，这就是门控p m t 探测系统的工作原理。 二，门控p m t 探测系统分压电路的基本结构、特点 大器激光探测光电子接收关键技术 根据激光雷达系统的技术指标，选用h a m a m a t s u 公司生产c r l 3 1 光电倍增 管来制作门控p m t 探测系统。c r l 3 1 的特点有：直径1 8 英寸、9 级倍增极、 侧窗、透紫玻壳、多碱光阴极、1 8 5 - - - 9 0 0 n m 宽光谱响应、较低暗电流，而且采用 了特殊的抗滞后结构，有很好的输出稳定性。下表是c r l 3 1 的主要性能参数： 表3 - 1 ：c r l 3 1 的主要性能参数表 极限工作条件绝对最大值 工作电压 1 2 5 0 v d c 平均阴极电流 5 0 h a 阳极与最后倍增极间的电压2 5 0 v d c平均阳极电流0