光电信号的探测

第三章光电信号的探测主要内容光电系统简介光学传感器技术光电探测器信号放大技术直接探测技术外差探测技术第一节光电系统简介光谱照明方式用途光电系统红外光电系统可见光光电系统紫外光电系统主动被动光学计量系统物理光学系统显微系统光学测试系统天文光学系统医用光学系统军用光学系统一、光电系统分类二、光电系统的组成辐射源传输介质光学系统调制器光电探测器电子系统记录显示存储转换控制被动照明方式：主动照明方式：辐射源传输介质光学系统调制器光电探测器电子系统记录显示存储转换控制信息源信息源传输介质光学系统调制器光电探测器电子系统记录显示存储转换控制辐射源第二节光学传感技术对于光信号可以用一般式表示：

信号加载的方式：强度调制相位调制偏振调制频率调制一、强度调制传感技术以光的强度作为调制对象，利用外界因素使之改变，通过测量光强的变化来测量外界的物理量。调制方式：辐射式，反射式，遮挡式，透射式探测物体的辐射功率，光谱分析及温度等参数，以便确定待测物体的存在，所处方位以及根据其光谱的分布分析它的物质成份和性质。例如：物体的测温——斯特藩－波耳兹曼定律辐射式：比辐射率，：斯特藩－波耳兹曼，T：绝对温度，：转换系数黑体辐射定律：光电探测器输出的电信号在漫反射某一位置上的光电探测器只能接收部分反射光，接受到的光通量大小与产生漫反射表面材料的性质，表面的粗糙度、缺陷等因素有关，可监测物体的外观质量可用于激光测距，激光制导，主动式夜视，电视摄像，文字判读等方面。反射式Ev：被检测表面的光照度，S：缺陷面积，：光电转换系数，1：缺陷表面的反射率，2：无缺陷表面的反射率光电探测器输出的电信号被测物体部分活全部地遮挡式扫过入射光到探测器的光束，以便引起光探测器输出信号的变化。可用于光电计数，光电测速，光电自动开关，防盗报警等遮挡式I0：入射光强，L：介质长度，：吸收系数，介质的吸收系数与介质的浓度成正比。可用于检测流体、气体的浓度，透明度；检测透明薄膜的厚度和质量，透明容器的缺陷，透明胶片的密度等通过物体的吸收或散射透射式二、相位传感技术利用外界因素改变光波的相位，通过检测相位变化来测量物理量的变化，光波的相位有光传播的物理长度，传播介质的折射率及其分布等参数决定，改变其参量可产生光波相位的变化；一般采用光的干涉技术，导致光强的变化，实现物理量的测量。比如：激光相位测距，迈克尔逊干涉仪三、偏振传感技术利用外界因素（应力、磁场、电场等）可改变特定光学介质的传输特性，调制从中通过的光的偏振状态，由光偏振状态的变化，可检测出相位的外界参数旋光现象当偏振光通过某些透明物质（如石英晶体）时，偏振光的振动面将以光的传播方向为轴旋转一定的角度，偏振光的振动面的旋转方向与旋转物质的性质有关，旋转角度的大小与波长、旋转物质的厚度有关。d：物质厚度，：旋光率，与物质的性质及入射光的波长有关磁光法拉第效应Vr：费尔德常量（磁性材料所固有的，与波长温度有关），H：磁场强度，L：长度，：角度克尔光电效应当外加电场作用在各向同性的透明介质上时，各向同性物质的光学性质发生了变化，变成了具有双折射现象的各向异性特性，no和ne为外加电场后寻常光和异常光的折射率，当外加电场方向与光的传播方向垂直，k为克尔常量，为波长，E为电场强度。光弹效应当外力或振动作用于弹性体时，弹性体产生应变，弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性质no和ne为外加电场后寻常光和异常光的折射率，为波长，p为外力作用强度。利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率的变化来检测外界物理量的原理，主要指光学多普勒频移0：光源发出的原频率，c＝c0/n：光在介质中的传播速度，c0：真空中的光束，n：介质的折射率，v：物体的运动速度，：相对速度方向和光传播方向的夹角。四、频率传感技术第三节光电探测器的信号放大技术一、放大器的噪声放大器的噪声模型把放大器内的所有噪声源都折算到输入端En输入端串联及用阻抗为无限大的噪声电流发生器InVsi为信号电压，Rs为信号源内阻（或光探测器、传感路内阻），Ens是信号源噪声，

Kv为放大器增益，Zi为放大器输入阻抗，Vso、Eno为放大器输出端的信号和噪声电压。二、最佳源电阻噪声系数直接与源电阻Rs有关，选择最佳电阻Rs可使噪声系数F最小。通过求导，即可求得最佳源电阻当放大器输入阻抗为源电阻时，噪声系数F达到最小值；在相同源电阻的条件下，随着乘积EnIn的增加，F也增加；乘积EnIn大的曲线F随Rs变化急剧。三、光电探测器前置放大器的要求一是要求探测器-前置放大器功率传输最大，即放大器的输入电阻等于光探测器内阻，工作于匹配状态，其次，要求光探测器-前置放大器输出最小的噪声，即放大器要工作在最佳源电阻的情况下，此时在放大器输出端可得到最大的信噪比。对于一个给定的光探测器，已知其输入信号、响应特性、阻抗、噪声特性：1）首先从增益、带宽着手设计放大器，再加反馈来增加带宽和提高稳定性，然后校核噪声指标。2）从阻抗匹配着手，通过负反馈满足输入、输出阻抗匹配，再校核增益、带宽、噪声指标是否达到要求。四、光电探测信号的耦合Rc1Rb1+VCC+T1+Re2Rc2T2-(d)直接耦合实现阻抗匹配的目的阻容耦合C1RC1Rb1+VCCC2RL++T1++Rc2Rb2C3T2+变压器耦合对于低噪声放大器，源电阻的大小是选择第一级放大元件的重要依据：如果源电阻小于100，可采用变压器耦合；源电阻在10～1M之间，则多选用双极晶体管作输入级。源电阻在1k～1M之间选用运算放大器；在1k～1G之间多用结型场效应管（JFET）；当超过1M时，也选用MOSFET。五、源电阻的选择第四节直接探测技术一、直接探测技术的物理过程直接探测是将待检测的光信号直接入射到光探测器的光敏面上，由光探测器将光信号转化为相应的电流或电压，根据不同的要求，再经后续电路处理（如放大、滤波或各种信号变换等电路），最后获得有用的信号。二、直接探测技术的信噪比入射到光探测器的信号光功率为Ps，噪声功率为Pn，光探测器输出的信号电功率为Sp，输出的噪声功率为Np：输出功率的信噪比：直输出信噪比等于输入信噪比的平方。直接探测系统不适于输入信噪比小于1或者微弱光信号的探测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。三、直接探测系统存在的总噪声直接探测系统存在的信噪比当直接探测系统主要为信号光引起的散粒噪声限制（即量子噪声限）——达到的最大信噪比极限四、直接探测系统输出的等效噪声功率热噪声：散粒噪声：背景噪声：信号噪声：第四节外差探测技术一、外差探测的基本原理信号光：本征光：探测光：光电流：光电流：中频电流：中频电压：二、外差探测技术的特点1、有利于微弱光信号的探测，因光外差探测中，光混频器输出的中频信号功率正比于信号光和本振光平均光功率的乘积。2、可获得全部信息。在光外差探测中，光混频器输出的中频光电流的振幅、频率、相位都随信号光的振幅、频率和相位的变化而变化。这使我们能把频率调制和相位调制的信号光像幅度调制或强度调制一样进行解调。4、具有良好的滤波性能。在光外差探测过程中，只有与本振光混频后所产生的输出仍在中频带宽以内的杂散背景光才能进入探测系统，而其它杂散背景光所引起的噪声则被中频滤波器滤除掉。而且，杂散背景光不会在原来信号光和本振光所产生的相干项上产生附加的相干项。因此，对于光外差探测来说，杂散背景光的影响可以略去不计。4、具有高的转换增益。探测器输出的中频功率光外差探测所提供的中频功率转换增益在实际应用中，本振光功率PL（为毫瓦量级）远远大于信号光功率（一般在10-6～10-10W量级）。例如，当PS＝10-10W，PL＝10-3W时，GIF＝2×107。可见光外差的转换增益是非常高的。三、外差探测技术的信噪比外差探测所获得的中频信号：信号噪声：热噪声：探测器的信噪比：探测器的噪声：探测器的信噪比：对于热噪声为主要噪声源的系统来说，要实现量子噪声限探测，必须满足（本征光的散粒噪声大于热噪声）四、外差探测技术的等效噪声功率这个量有时又称为光外差探测的灵敏度。光外差探测的理论极限。该式表明，如果光混频器的量子效率则光外差探测灵敏度的极限是一个光子。在实际的光外差探测中，光混频器本身及负载电阻等总要引入热噪声；此外，放大器也有噪声。这些都会使光外差探测的灵敏度降低（即使得NEP值增大）。因此，实际的光外差探测系统的探测灵敏度只能接近于理论极限。根据理论计算，光外差探测的灵敏度可比直接探测的灵敏度高7～8个数量级。探测灵敏度高是光外差探测的又一突出优点。四、外差探测技术的空间和频率条件空间条件：在推导光外差探测的信噪比和噪声等效功率的表示式时，曾假定信号光束和本振光束重合并垂直入射到光混频器表面上，亦即信号光和本振光的波前在光混频器表面上保持相同的相位关系。由于光副射的波长比光混频器的尺寸小得多，实质上光混频是在一个个小面积元上发生的，即总的中频电流等于光混频器表面上每一微分面积元所产生的微分中频电流之和。很显然，只有当这些微分中频电流保持恒定的相位关系时，总的中频电流才会达到最大值。这就要求信号光和本振光的波前必须重合，也就是说，必须保持信号光和本振光在空间上的角准直。频率条件：光外差探测除了要求信号光和本振光必须保持空间准直以外，还要求两者具有高度的单色性和频率稳定度。从物理光学的观点来看，光外差探测（或相干探测）是两束光波迭加后产生干涉的结果。显然，这种干涉取决于信号光束和本振光