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文档简介

1、9-1光电系统的类型和指标光电系统的类型和指标一、系统的类型一、系统的类型.按携带信息的光源分为主动和被动系统按携带信息的光源分为主动和被动系统 被动系统:接收目标的自发辐射:如云、导弹、大地、被动系统:接收目标的自发辐射:如云、导弹、大地、 车、人车、人 体等。只有接收系统体等。只有接收系统(图图9-1) 主动系统:由发射和接收两部分组成。主动系统:由发射和接收两部分组成。主要问题:背景噪声和系统主要问题:背景噪声和系统内部的探测器噪声、电路噪内部的探测器噪声、电路噪声等一起进入系统。声等一起进入系统。.按光谱特性分:按光谱特性分: 可见光:民用,探测器量子效率高,系统设计,调试方便可见光:

2、民用,探测器量子效率高,系统设计,调试方便 红外:军事目标,特点:隐蔽性好,不易发现;大气窗口红外:军事目标,特点:隐蔽性好,不易发现;大气窗口 中,衰减小,作用距离长中,衰减小,作用距离长 多色多色 多光谱多光谱 超光谱超光谱 3.3.接收系统分:接收系统分:点探测系统:只接收目标总的辐射功率,一般只用单元探测点探测系统:只接收目标总的辐射功率,一般只用单元探测 器。当用多元探测器时,用于确定目标方法。器。当用多元探测器时,用于确定目标方法。面探测系统:测量目标整体的光强分布;面探测系统:测量目标整体的光强分布;用摄像器件或多元探测器阵列完成单元探测用摄像器件或多元探测器阵列完成单元探测+扫

3、描扫描4.4.调制及电路特性:模拟系统,数字系统调制及电路特性:模拟系统,数字系统5.5.光波对信息信号的携带方式:光波对信息信号的携带方式:直接探测系统:任何光源,用光强携带信息;直接探测系统:任何光源,用光强携带信息;相干探测系统:相干光,用光的振幅,频率和相位携带信息相干探测系统:相干光,用光的振幅,频率和相位携带信息二、光电探测系统的指标:输出信噪比二、光电探测系统的指标:输出信噪比1.1.对模拟系统:波形是否畸变(输出)对模拟系统:波形是否畸变(输出)原因:线性度、外界干扰、还有大量的个别因素原因:线性度、外界干扰、还有大量的个别因素主要共性因素是噪声主要共性因素是噪声:(光源、背景

4、、光电探测器、电路):(光源、背景、光电探测器、电路)指标:指标:不同系统要求信噪比不同,有的不同系统要求信噪比不同,有的3 35 5,有的,有的1010100100信号功率信噪比噪声功率(方差). .数字系统数字系统用用0.10.1两个状态来传递信息,当有噪声存在时,会有误码。两个状态来传递信息,当有噪声存在时,会有误码。概念:概念:误码率:误码率:0.10.1码出现错误的概率码出现错误的概率信噪比高,误码率低。恒量信噪比信噪比高,误码率低。恒量信噪比 此时不用噪声功率此时不用噪声功率用噪声的概率分布规律。用噪声的概率分布规律。 9-2 9-2 直接探测系统的工作原理直接探测系统的工作原理一

5、、直接探测的基本物理过程一、直接探测的基本物理过程直接探测系统直接探测系统 直接检测被测量光强直接检测被测量光强设光场:设光场:平均光功率:平均光功率:则:光电探测器的输出电流:则:光电探测器的输出电流:输出的电功率:输出的电功率:说明:光电探测器电输出正比于入射光功率的平方;说明:光电探测器电输出正比于入射光功率的平方; 另外光电探测器输出的光电流正比于光场振幅另外光电探测器输出的光电流正比于光场振幅 的平方,即光强。的平方,即光强。SE (t)=Acos t22SP=E(t)=A /222PeeIPAhh222(/)PLLSI RehP R如果入射信号光为强度调制光如果入射信号光为强度调制

6、光(IM),设调制信号为设调制信号为d(t)则光电探测器输出的光电流:则光电探测器输出的光电流:*特别注意:光电探测器响应的是光场的包络,目前,没有特别注意:光电探测器响应的是光场的包络,目前,没有可以直接响应光场频率的探测器。可以直接响应光场频率的探测器。二、直接探测系统的信噪比二、直接探测系统的信噪比设信号的光功率为设信号的光功率为:PS噪声功率为噪声功率为:PN光电探测器输出的信号电功率为光电探测器输出的信号电功率为:SP 噪声功率为噪声功率为:NP1( )PeIPd th输出功率信噪比为:输出功率信噪比为:讨论:讨论:如果如果 ,则上式为:,则上式为:不适合于探测器输出信号信噪比小于不

7、适合于探测器输出信号信噪比小于1或者微弱光信号的或者微弱光信号的探测。探测。(/)1SNPP22222()()()(2)PPLSNLSSNNeeSNRPPRPP PPhh2222()()(2)PLSPLSNNeeSR PNRP PPhh222(/)()212(/)NSSNPNSNNSNSPPPSNPP PPPP2()(/)PSNSPPN如果如果优点:易于实现、可靠性高、成本低。优点:易于实现、可靠性高、成本低。三、直接探测系统的探测极限及趋近方法三、直接探测系统的探测极限及趋近方法如果将各种噪声因素引入,输出信号的信噪比:如果将各种噪声因素引入,输出信号的信噪比:讨论:讨论:情况情况1:当热噪

8、声是直接探测系统的主要噪声源时:当热噪声是直接探测系统的主要噪声源时:情况情况2:当散粒噪声大于热噪声时:当散粒噪声大于热噪声时:(/)1SNPP1()2SPNPSNP222222(/)()SPNSNBNDNTehPSNiiii22(/)()4/SPehPSNkT fR热 信号信号 引起散粒噪声引起散粒噪声 背景背景 暗电流暗电流1.1.当背景噪声为主要误差源时,直接探测系统受背景噪声限当背景噪声为主要误差源时,直接探测系统受背景噪声限制:制:扫描热探测系统的理论极限及由背景噪声极限决定。扫描热探测系统的理论极限及由背景噪声极限决定。2.2.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当

9、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时,系统的噪声极限:要噪声源时,系统的噪声极限:22S(/)()22()SSPehPSPeNhfe fPh信号22222NSNBND(/)()iiiSPehPSN散222(/)()22()SSPBBehPPSeNhfPe fPh背 此为直接探测系统在理论上的极限信噪比,即直接探测此为直接探测系统在理论上的极限信噪比,即直接探测系统的量子极限。系统的量子极限。 直接探测系统在理论上可测量的最小功率为:直接探测系统在理论上可测量的最小功率为:实际探测系统不可能是理想状态;实际探测系统不可能是理想状态;实际系统的视场不能是衍射极限对应的小视场。

10、实际系统的视场不能是衍射极限对应的小视场。背景噪声不可能为零。背景噪声不可能为零。实际的光电探测器总有噪声。实际的光电探测器总有噪声。光电探测器本身的电阻等会产生热噪声;光电探测器本身的电阻等会产生热噪声; 放大器具有电噪声放大器具有电噪声2()hfNEP量11()2()fNEPh 量当,时,理想值 改善信噪比,使系统趋近量子极限的办法改善信噪比,使系统趋近量子极限的办法用光电倍增管用光电倍增管 雪崩管雪崩管内部具有内增益光电管9-39-3直接探测系统的作用距离直接探测系统的作用距离定义:对于点目标,当目标的张角小于系统的瞬时视场时,定义: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

11、光电系统n n个接收到的目标辐射能量与其间的距离有关,与个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做系统的作用距离。接收到的最小可用能量相应的距离叫做系统的作用距离。一、发射系统一、发射系统对于点目标,设其辐射功率为对于点目标,设其辐射功率为P(t),P(t),向四周发射球面波,则向四周发射球面波,则辐射的光通量为:辐射的光通量为:辐射光强度:辐射光强度:据光源据光源L L处的光照度为:处的光照度为: 距离平方反比定律距离平方反比定律P(t)I4F=CV P(t)= P(t)22IP(t) 1EL4L当接收面的尺寸比光源距探测器距离当接收面的尺寸比光源距探测器距

12、离L L很小时,辐射可视为很小时,辐射可视为垂直入射在接收面垂直入射在接收面A Ar r上,则上,则A Ar r上的光通量为:上的光通量为:A Ar r三面上接收到的功率:三面上接收到的功率:讨论:讨论:1.1.单位立体角的辐射功率:单位立体角的辐射功率:2.2.光学系统可以提高单位立体角的辐射功率光学系统可以提高单位立体角的辐射功率设光学系统的发射角为设光学系统的发射角为则功率增益:则功率增益:r2AP(t)FEdS=4LrS2AP(t)P (t)4LP(t)4aP(t)/a4GP(t)/ 4ad由于实际光源不都向立体角由于实际光源不都向立体角发射,设实际的发射角为发射,设实际的发射角为 ,

13、则:,则:G G和发射光学系统及光源的配合有关。和发射光学系统及光源的配合有关。对点光源来说:对点光源来说:球面镜:反射率高,能量损失少。球面镜:反射率高,能量损失少。球面透镜:宽光谱范围内要有高透过率比较困难。球面透镜:宽光谱范围内要有高透过率比较困难。非球面镜:对压缩光发散角更有利非球面镜:对压缩光发散角更有利激光器:光束发射角很小,用倒置望远镜系统和压缩发射角激光器:光束发射角很小,用倒置望远镜系统和压缩发射角二、光在大气中的传输二、光在大气中的传输1.1.衰减和散射衰减和散射oaaG0大气透过率:大气透过率: 大气组成成分、密度、气象条件等因素有关。大气组成成分、密度、气象条件等因素有

14、关。2.2.大气窗口:大气透过率较高的波段大气窗口:大气透过率较高的波段远距离工作的光学系统,光源发射光谱选在大气窗口内。远距离工作的光学系统,光源发射光谱选在大气窗口内。3.3.湍流时对光传播的影响:湍流时对光传播的影响: 强度闪烁强度闪烁 光束抖动光束抖动 光束偏转光束偏转( )( )1()()kkLeeuL 吸散1L 三、接收光学系统三、接收光学系统设计原则:将光场能量尽可能多地收集到光电探测器上;并设计原则:将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。使光束直径小于光探测器的直径。光电探测器接收到的功率光电探测器接收到的功率 为:为: 单位波长,单位立体角的

15、接收功率。单位波长,单位立体角的接收功率。 接收系统对应的立体角。接收系统对应的立体角。对于被动系统:对于被动系统: 由普朗克公式给出由普朗克公式给出对于主动系统:对于主动系统:1.1.接收系统直接接收光源的辐射能:接收系统直接接收光源的辐射能:S(t)P21221( )( )rSAP tPdL ( ):P:P2/:rAL00( )( ):aP tGP光源系统本身发射角25/21( )1hckThcPe 2.2.目标有反射:大目标时,综合兰伯余弦定律目标有反射:大目标时,综合兰伯余弦定律小目标时:小目标时:在某距离上进行直接探测时,和以下因素直接相关:在某距离上进行直接探测时,和以下因素直接相

16、关:1.1.2.2.3.3.目标反射的光功率越大,则在同一距离上接收到的光功率目标反射的光功率越大,则在同一距离上接收到的光功率 越大;或在同样的接收灵敏度下,系统的作用距离也越大越大;或在同样的接收灵敏度下,系统的作用距离也越大4.P4.P和光学系统口径和光学系统口径 有关,有关, 但但A Ar r大,噪声大。大,噪声大。5.5.光谱要匹配。光谱要匹配。21PLND( ) A( )AP tP0 小,P大2rAL2,rAPL( )( )P tP四、光学系统的作用距离四、光学系统的作用距离经推导和简化计算,光电探测器的输出电压:经推导和简化计算,光电探测器的输出电压:在弱光下不能忽略探测器的噪声

17、:在弱光下不能忽略探测器的噪声:对于主动探测系统:对于主动探测系统:接收和发射光轴对准情况:接收和发射光轴对准情况:大目标漫反射主动系统:大目标漫反射主动系统:小目标漫反射主动系统小目标漫反射主动系统:1*2 1 221/2()()rsdnJADLVAfV 1*3 1 221/2()()rsdnJADLVAfV 1 1 22rVSJA RVL *1 1 221/2()rNSdJAVDVL Af *1/21 1 21/2()(/)rdSNJA DLAfVV1*4 1 221/2()()rsdnJADLVAfV 讨论:讨论:1.1. A Ar r:距光源:距光源L L处的接收面积处的接收面积( (

18、光学系统口径光学系统口径) ) A Ad d:光敏面积。光敏面积。 两者之间的关系?两者之间的关系?2.2.3.3. 跟踪光学系统:跟踪光学系统: 精度测量系统:精度测量系统:4.4.,rVdALAAA越大也越大*D 高SNVLV小大精度低,可靠性差SNV /V3 5SNV /V10 100fL ,9-49-4直接探测系统直接探测系统要有一定的视场,保证被测对象的信号始终在测量过程中可要有一定的视场,保证被测对象的信号始终在测量过程中可被接收到。被接收到。一、电探测器对应的视场及背景辐射一、电探测器对应的视场及背景辐射1.1.如图如图9-9 9-9 探测器和光学系统透镜的距离探测器和光学系统透镜的距离是是f fr r则系统的视场角:则系统的视场角:2ddrA /f 虽然实际光学系统由于:虽然实际光学系统由于:像差像差大气扰动引起的跳动等大气扰动引起的跳动等 光斑比非理想状态下的爱里衍射光斑比非理想状态下的爱里衍射斑要大,但视场还是要小斑要大,但视场还是要小原因:工艺上的限制原因:工艺上的限制 Ad小,背景噪声小小,背景噪声小2.2.背景功率:背景功率:经推导:经推导:2brd 121bdd22rP (t)=N( )AdAA

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