安徽科技学院：《光电探测与信号处理》课程教学资源（课件讲稿）第三章 直接探测和外差探测（打印版）

第3章 直接探测与外差探测 直接探测：光功率响应（非相干探测、包络探测） a1 对角切料失 包络检波： 从调幅信号中将低频信号 解调出来的过程 (外围曲线即包络线) ,。包络检波器输出、输入电压波形 外差探测：光电探测器=光混频器（差频分量、中频光电流） 1

>光一电信号变换 i00=e”P0 光信号 光电 电信号 探测器 E=Ecos(2πvt+p) 响应平均光功率 响应光的频率… 直接探测 相干探测

1.直接探测的基本原理3.1直接探测系统性能分析 只要待传递的信息表现为光功率变化，利用光电探测器的这种 直接光电转换功能即可实现信息的解调（光电流的变化相应于光功率 的包络变化，直接探测又称包络探测)】 (1)基本物理过程： 光波：e,()=Ecos(@) 光功率：P,()ce() 信号光接收 光电 前置 信号 背景光光学系统 探测器 放大器 处理电路 电路声 深器应时间 i,0=Re() 1-2RE3-RB 大于光频变化周期 光电转换过程实际是对光场变化的时间积分响应 若探测器的负载电阻是R,则光电探测器的输出功率为 平方定律：D=R,=RRP2

P。=iR=RRP >探测器的电输出功率正比于入射光功率的平方 >光电探测器平方定律两层内涵： 光电流正比于光场振幅的平方 电输出功率正比于入射光功率的平方 特例：（入射光波为调幅波） 调幅波：e,()=E,1+KV(coso,() i,0=Re() 则： ()-REREKV0) (1) 包络探测： 若探测器输出端有隔直电容，则输出光电流()中只包含第二项

(2)信噪比 P=R=RRP2 设输入的信号功率和噪声功率分别为s和n, 输出的电功率 分别依次为s,和n。由平方律有 S。+n。=k(6,+n)2 考虑到信号和噪声的独立性，S。=☒子 输出信噪比： n。=(2s,n,+n) (SWR。== (/m)2 元.24+1+2/m 讨论： (1)s,/n《1,则有。=(s/m,)乃，说明直接探测不适合微弱信号 的探测； (②》sa》L,则有受号加，转换后信噪比损失不大， 总之：直接探测方式最适宜于强光探测

(3)等效噪声功率 具有内增益的光电探测器的电输出功率为 Po M'iR=M'RRP2 输出的噪声功率为 信号光电流： 孟=2eMi,y Pn=(记+话+品+记)R 背景光电流： ia=2eM2i,△y 暗漏电流： 品-2eM2,4y 电阻温度噪 4k.T△f 声电流： 输出信噪比为)= M2R2P2 R 层+层+品+品 对于光电二极管，M1 11。 对于光电导探测器，前 三项前面的2改为4. 探测器的噪声等效功率(SN,=1)为 NEP=P.= 1 MR -(话+石++高) 散粒 噪声 [eM△f(i,+i,+ia 热噪声 MR, R

讨论： (1)热噪声优势石>++冠 NEP= MR R PDM=1)在弱光时的工作状态 (2)散粒噪声优势<+石+ NEP= 二[2ey,+i,+i,y PMT的M很大，一般有可能处于此种状态 (3)散粒噪声和热噪声相当≈层++品NEP= 1 APD的M在几百的量级，可能处子此种状态 MR R (4)信号噪声极限（值接探测最佳工作状态，理想），只考虑光信号噪声 )= P。MRP2R-RP R=- p2eM2i,△fR,2e△f p h NEP=2hvy 例：n为1，△f为1Hz,NEP2hp,已很接近单个光的能量v。 任何探测器都不可能没有噪声。单光子的灵敏度是理想情况7

3.2提高输入S/N的方法 信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标 思路 >尽可能地减小混入探测系统的杂散光和背景光 (空间滤波、光谱滤波) 空间滤波：基于目标辐射和背景辐射之间的波长差p148 >有效减小探测器的有效面积，降低探测器内部噪声p149

提高系统信噪比的基本途径： 一一光学方法：如场镜、光锥、浸没透镜… 一一一一一《应用光学》 电学方法：如滤波、低噪声放大、弱信 号检测… 一一热力学方法：制冷降低探测器噪声

2.直接探测的应用举例 应用于测量： 几何量（长度、位移…） 表面形状参量（工件粗糙度、伤痕…） 光学参量（吸收、反射…） 电磁量（电流、电场、磁场…) 应用于控制： 激光制导、飞行物自动跟踪 激光稳频、机器人视觉 特点：信息加载一一辐通量（光强)