安徽科技学院：《光电探测与信号处理》课程教学资源（教案讲义）光电探测与信号处理教案 Photoelectric detection and signal processing（打印版）

>教案 专业：光电信息科学与工程 电子科学与技术 主讲：何恩节 学院：电气与电子工程学院

课程简介： 《光电探测与信号处理》课程是光电信息学科核心课程之一，该课程基于 几何光学、信息光学、光电子学、模拟电路、数字电路、信号与系统、计算机接 口技术等课程的基础理论，将电子技术与光学技术相结合、从电子技术上的电子 学频段扩展至光频段，利用电子技术对光学信息进行探测或检测，并进一步传递、 存储、控制、计算和显示光信息。 该课程主要内容包括光电探测的基本物理理论、各类光电探测器的工作原理 及其负载电路的设计规则和思路、光直接探测与光外差探测两类体系的性能及最 佳信号处理策略、光电成像器件的原理（含功能）即光电成像的特征、光接收机信 号探测的基本理论、光电探测与信号处理的最新研究进展及发展趋势等。 通过该核心课程的系统学习，要求学生学握与光电技术有关的基础知识、基 本原理和基础效应，理解光电探测技术的基本应用，熟悉基本光电探测与信号处 理系统的主要参数，掌握光电技术中光信息和光电信息的主要处理方法，把握解 光电探测的基本方法及光电检测电路的设计思想，了解光电技术的发展前景与发 展趋势。以此培养学生综合运用相关知识分析处理实际问题的能力和创新能力、 理论联系实际的学风和严谨的科学态度，为以后从事相关专业的工作奠定坚实的 基础

教学方法或手段： 主要教学方法或手段主要包含以下几个方面： 1、在课程教学中，适当引导学生回顾和加强有关物理学和电子技术知识的 学习。 2、在课堂教学中对一些以前没有涉及到的知识点进行适当补充，并要求学 生阅读相关的书籍，介绍与时俱进发展的新内容、新技术，并结合科研进行案例 教学。 3、对一些新知识和新技术，以具体应用实例导引，通过专题讲座形式向学 生传授。 4、利用动画演示、图片等多种形式，使学生对所学知识形成直观的印象和 理解。 5、充分利用网络资源，将多媒体课件、动画演示、图片、参考材料等有关 内容上网，供学生参考阅读

教学评价方式： 教学评价结合以下两个方面综合展开： 1、以教为主的形成性评价 以教为主的课堂教学过程中的形成性评价，具体环节包含以下两个方面：一 是收集反应课堂教学效果的有关信息资料，二是根据信息资料所反映的教学状况 做出及时反馈。拟采用的信息资料收集方法主要有三种：测验、调查和观察。 2、以学为主的形成性评价 由于以学为主的教学过程采用的是自主学习策略，即主要依靠学生的自主探 索、自主发现。所以评价内容主要围绕两个方面展开：自主学习能力的检测，协 作学习过程中做出的贡献的衡量

教材选用： 1、选用教材 《光电探测与信号处理》，安毓英等著，科学出版社，2010年5月。 2、参考教材（备用教材） (1)《光电检测技术与应用》，国培源等著，北京航空航天大学出版社， 2011年8月： (②)《光电信号检测原理与技术》，赵远等著，机械工业出版社，2011年 1月： 3)《光电探测技术与应用》，郝晓剑等著，国防工业出版社，2009年8 月： (4)《光电检测技术》，雷玉堂等著，中国计量出版社，1997年5月： (5)《光电系统与信号处理》，叶嘉雄等著，科学出版社，1997年1月

全书内容简介： 在光电子系统中，光电探测对信号的解调过程是功率响应。本书从这一点 出发，结合探测器性能和信噪比的概念，系统地介绍了光电系统和信号处理的基 本内容和基本技术 第1章介绍光电探测基础： 第2章介绍光子、光热两大类探测器的工作原理与负载电路设计方法： 第3章介绍直接探测和外差探测两种体制的系统性能及最佳信号处理方法： 第4章介绍光电成像特点和CCD等探测器的功能： 第5章介绍光接收机信号检测理论

第1章光电探测基础 教学目标： 1、理解光电系统的基本模型 2、深刻把握光电探测定律和基本的物理效应 3、理解各类性能参数的具体物理意义 教学重点： 1、光电探测器的基本物理原理 教学难点： 1、光电探测定律 2、各类性能参数的物理意义

1.1光电系统描述 光电系统： 是指以光波作为信息和能量载体而实现传感、传输、探测等功能的测量系统 远红外 红外可见光紫外 「射线 花红外里一 X射线 电磁波 103106109101 10101102102fHz 2 8 1 光电系统的工作区域：光频段，包括红外光、可见光、紫外光和X射线部 分的电磁辐射。对应的频率范围为3*10L3*1011z,或波长1mm-10mm。 从光量子的观点分析，单光子的能量E(用V表示？) 其中，h是普朗克常数，其值为6.626×10J.S。 波谱区 波长 须率yHz nv /ev 微波 300-1mm 1*1093*1012 0.0000040.004 红外光 1mm-0.76um 3*10-4.3*1014 0.004-1.7 可见光 0.76038μm 4.3*10145.7*1014 1.7-2.3 紫外光 0.38-0.01μm 5.7*10141016 2.3-40 X射线 10-0.03nm 1016-1019 404000 Γ射线 1019 >4000 1.1.1光电系统的基本模型 光电系统频率提高了几个两级（实现方法、功能质变）：载波容量、角分辨 率、距离分辨率和光谱分辨率极大提高。 光电系统基本构型： 光发射机 光学信道 光接收机

根据光发射 主动式：由光源和调制器构成发光射机 机的不同光 电系统分为 被动式：被探测物体的热辐射发射 光学信道：主要指大气、空间、水下和光纤。 光接收机：用于收集入射的光场并处理、恢复光载波的信息。 一本课程主要内容 接收到的光场 接收透 光电 后续检测 镜系统 探测器 处理器 接收到的光场 透镜系统：把接收的光场进行滤波和聚焦 光电探测器：将光信号转化为电信号： 后续处理器：完成信号放大、处理及过滤，恢复所需信息。 光接收机的分类： 功率探测接收机（直接探测或非相干接收机） 外差接收机（空间相干接收机） 准直后 滤波器原理 透硬 透镜 的光场 合束镜 接收到 聚焦光场 光电探测器 接收到 聚集光场>光电探测器 的光 的光场 本地光场 频率法波器 接收以幅度、颜本地 空间相干 待传输信息一瞬间光功率的变化 率、相位调制子 激光器 性要求高 式传递的信息 a功率探测接收机 心)外差接收机

1.1.2光源发射增益 (光接收机接收到的光功率与光发射机发射功率相关) 光的辐射特性：光源的亮度函数L(0)。 定义：该函数描述了在一个给定的方向角0时，光源辐射的归一化功率 单位：w(srm2)瓦特每球面度平方米) 均匀辐射型光源（大部分光源） 辐射的总功率为 >均匀辐射型光源（大部分光源） 辐射的总功率为：P。=LA2 (As:发光面积：Qs:辐射角) 朗伯光源：2，=2π(s)P=2π4 ·辐射对称型光源 立体角Qs与平面辐射角0s间的关系 2、=2π1-cos(0./2)] 图1.1-5光反射角 ●光束形成和光汇聚平面光束的直径 入：波长 d：输出透镜直径 :透镜的距离 注意：扩束准直后的光束在长距离空间通信中会扩展，而不是 平行光束，因为聚束透镜无法把光源场聚焦为一点 讨论： (1)在近场时，z/d21 光束直径随距离的增加而 扩大。扩散的平面角约为 图1.1-6 光束形成和光汇背