光电技术 第七周周四 已授课.ppt

基于材料吸收光辐射能量后温度升高的光热效应现象 光热效应的特点是入射光辐射与物质中的晶格相互作用 晶格因吸收光能而增加振动能量 这又引起物质的温度上升 从而导致与温度有关的材料的某些物理性质 例如电动势 电阻 的变化 这与光电效应 光子将能量直接转移给电子 有本质的不同 光热效应与入射辐射的光子的性质例如波长没有关系 对光辐射的响应无波长选择性 光热效应可以产生温差电效应 电阻率变化效应 自发极化强度的变化效应 气体体积和压强的变化效应等等 利用这些效应可制作各种热探测器 2 热探测器 当由两种不同材料制成的两个结点出现温差时 在该两点间就有电动势产生 这个现象称为温差电效应 测辐射温差热电偶和热电堆 当闭合回路的两个结点置于不同温度 两点之间就产生电动势 温差电动势 其大小反应所吸收的光辐射的能量或功率 为了增加信号电压 常常在衬底上蒸上一层金属膜 然后再蒸上第二种材料与第一层膜部分重叠 从而形成若干接触点 辐射热电偶和热电堆的光电信号要比光子探测器弱 但不需要电偏置和致冷 广泛应用 当吸收光辐射而温度升高时 金属的电阻会增加 而半导体材料的电阻会降低 通过电阻变化可测定被吸收的光辐射功率 电阻测辐射热器 热释电探测器由热释电晶体制成 它们具有自发电极化的特性 其自发电极化强度随温度升高而下降 热释电探测器 当光辐射投射到热释电晶体上时 引起自发电极化强度随时间的变化 结果在垂直于极化方向的晶体两个外表面之间出现微小变化的信号电压 由此可测定所吸收的光辐射功率 2 2光电探测器的性能参数 光电探测器的工作条件有关响应方面的性能参数有关噪声方面的参数其它参数 辐射源的光谱分布光子探测器 其响应是辐射波长的函数 仅在特定的波长范围内的辐射有信号输出 应明确辐射源光谱分布 电路的通频带和带宽因噪声限制了探测器的极限性能 噪声电压或电流均正比于带宽的平方根 应明确通频带和带宽 工作温度半导体材料制作的探测器 信号还是噪声 都和工作温度有密切关系 应明确工作温度 4 光敏面尺寸探测器的信号和噪声都和光敏面积有关 一般信噪比与光敏面积的平方根成比例 参考面积一般为1cm2 5 偏置情况光电导探测器和电阻测辐射热器需要直流偏置电源 光电磁探测器的偏置是磁场 光电探测器的工作条件 响应率 或称响应度 500K黑体测试可见光波段 灵敏度响应率描述探测器灵敏度 探测器输出与入射辐射之比 2 单色灵敏度又叫光谱响应度 是电探测器输出与入射的单色辐射通量之比 3 积分响应度探测器各波长输出和与各波长辐射通量和之比 二 有关响应方面的参数 4 响应时间 描述探测器对入射辐射响应快慢 即当入射或入射遮断后 探测器输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间 称为响应时间 常用时间常数的大小来表示 一辐射脉冲照射光电探测 如方波 脉冲的上升和下降时间很短 则光电探测器的输出有延迟 从10 上升到如90 峰值处所需的时间称为探测器的上升时间 而把从如90 下降到10 处所需的时间称为下降时间 trtf 5 频率响应由于光电探测器信号存在滞后 光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化 称为频率响应 利用时间常数可得到光电探测器响应度与入射辐射调制频率的关系 其表达式为 三 有关噪声方面的参数 信噪比等效噪声输入 NEI 噪声等效功率 NEP 探测率D与比探测率D 当入射功率很低时 输出只是些杂乱无章的变化信号 而无法确定是否有辐射入射在探测器上 这是探测器固有的 噪声 引起的 如果对这些随时间而起伏的电压 流 按时间取平均值 则平均值等于零 但这些值的均方根不等于零 这个均方根电压 流 称为探测器的噪声电压 流 探测器的D 10E11 探测器的光敏面积的直径Diameter 5E 3 用于 f 5E3的光电仪器 求它能检测的最小辐射功率 作业 提示 噪声 光电系统包含光电探测器和电子学部分 例如前置放大器 光电系统在工作时 总会受到一些无用信号的干扰 如光电变换中光电子随机起伏的干扰 光辐射场在传输过程中受到通道的影响及背景光的干扰 放大器引入的干扰等等 基本噪声是来自微观粒子引起的物理量自然涨落 既不能预见它某瞬间大小 又不能排除其存在 光电检测系统的检测能力受到 无规起伏 的限制 当辐射引起的信号弱到 无规起伏 程度 就无法识别出信号 光电检测系统中噪声主要来源是 背景噪声和光电探测器及其电子线路的固有噪声 光电探测器都是利用半导体各种效应将光辐射转变为电信号 半导体中载流子的浓度起伏和运动起伏都会产生噪声 放大器中的电子器件也多为半导体 也会产生噪声 2 3噪声的统计特性 本节将介绍噪声的一些主要的统计特征 其中噪声的概率分布密度 功率谱密度及相关函数就是一些主要的统计特征量 了解和掌握这些统计特征量 就可以采取有效措施对光电信号进行各种处理 从而实现把淹没于噪声中的光信号提取出来 一 噪声的概率分布 光电系统处于稳定状态时 噪声的方差和数学期望不随时间变化 这时噪声称为广义平稳随机过程 若噪声的概率分布密度不随时间变化 则称为狭义平稳随机过程 或严格平稳随机过程 狭义平稳随机过程一定为广义平稳随机过程 反之则不然 光电系统中的噪声还具有各态经历性质 就是其统计平均可用时间平均来计算 可见一个随机过程具有各态经历 噪声计算及测量变得容易 光电系统噪声一般看成是各态经历过程 也是一种广义平稳随机过程 光电系统中热噪声电压的概率分布密度一般符合高斯正态分布 此式说明 噪声可以取很大的值 但是取值越大 出现概率越小 二 噪声的功率谱密度 一般光电系统输出中的噪声受放大器带宽限制 积分上下限应改为 f1 f2 放大器的带宽应限制在能使信号的特征频谱分量通过即可 过宽的带宽不会增加有用的信息量 反而降低信噪比 典型噪声的功率谱密度 白噪声 具有平坦功率谱密度低频噪声 1 f噪声 低频处具有很强功率谱密度高频噪声 SN f f2 高频处有很强功率谱密度 三 噪声的相关函数 自相关函数指一个随机过程在不同时刻取值的相关性 对于具有各态经历的平稳随机过程 则统计 或称集平均 又可用时间平均表示 统计特征量与时间起点无关 噪声的自相关函数具有下列重要特征 噪声的自相关函数与噪声功率密度之间关系 与自相关函数类似 当光电系统存在多个噪声源时 必须考虑噪声源之间的互相关性 可用互相关函数来描述其互相关性 2 噪声的互相关函数 对于具有各态经历的平稳随机过程 互相关函数可表示为 互相关函数具有下列重要特性 定义两个随机过程的互功率谱密度立与互相关函数之间的付里叶变换 即 y t 如果为参考信号 要求与被检测信号相关 同频且相位差恒定的正弦信号 经互相关器输出的信号即为互相关函数 互相关函数用于从噪声中检测微弱信号 信号 噪声 参考信号 在无线通信等数字信号处理领域 序列之间的互相关运算被用来测量未知数字信息与已知数字信息的相关程度 互相关器常用于通信系统的同步 它决定了同步质量 例如 OFDM通信系统的同步中可通过算接收 与本地PN序列副本的相关来确定整数频偏 在直接序列扩频通信系统中 在接收端的相关器中 接收序列与本地参考扩频序列计算互相关 从而确定用户 并去掉扩频码 恢复原始数据 相关器还是GPS系统接收机中的重要组成 一种高效数字相关器 接收一个数据就得出相