要达到信号噪声限，要求
eG2PsRL >> 4kT
光电信号检测
系统的基本特性
❖ 信噪比：表征检测系统的灵敏度
SNRo
PS 2 2PS Pn Pn2
(PS Pn )2 1 2(PS Pn )
PS: 输入信号光功率, Pn: 噪声功率
❖ 检测距离：是系统灵敏度的另外一种评价指标，与
▪ 等效矩形带宽 ▪ 频谱曲线下降３dB的带宽 ▪ 包含９０％能量的带宽 ❖ 频带宽度越宽，通过信号的能量越大，系统的噪 声功率也越大．
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5.3 直接检测系统的距离方程
1.被动接收系统的距离方程 2.主动接收系统的距离方程 ❖ 以上内容学生讲解
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5.4 光电直接检测系统举例
时变光信号的检测 ❖ 光电系统所处理的输入信号有一类是辐射光通量直接
Psi2
(SNRpi)2
SNRpo
Pno
2PsiPni Pni2
1 2(SNRpi)
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信号光较弱时
分两种情况分析： ❖ 1）当Psi<<Pni时，直接探测系统的输出信噪比
SNRpo (SNRpi)2 (Psi / Pni)2 1 2(SNRpi) 1 2(Psi / Pni)
Psi / Pni 1
❖ 图中，由辐射源1产生的光通量Φ0，经布置于光路上的 被测样品或标准样品2的部分吸收或散射，投射到检测 器3的光敏表面上。
❖ 利用光电信号放大器4可以测量出载有信息的光通量Φ， 最后由指示仪表5显示记录下被测量的结果。
❖ 单通道测量系统常用的测量方法是直读法和指零法。
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1）直读法 ❖ 在单通道系统中，直接测量载荷信息的光通量值，并
SNRpo ( Psi )2 Pni
❖ 输出的信噪比将更小，检测灵敏度也低，直接检
测系统不适合弱光检测。
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信号光很强时
2）当Psi>>Pni 时，相应的输出信噪比：
(SNRpi)2
(Psi / Pni)2
SNRpo
1 2(SNRpi) 1 2(Psi / Pni)
Psi / Pni 1
❖ 点探测/面探测系统(按接受系统分) ▪ 用单元探测器接受目标的总辐射功率 ▪ 用面接受元件测量目标的光强分布
❖ 模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分) ❖ 直接检测/相干检测系统(按光波对信号的携带方式分)
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主动系统
❖ 通过信息调制光源，或者光源发射的光受被测 物体调制。
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SNRpo 1 (Psi / Pni) 2
当输入信噪比远远大于1时，输出信噪比尽管有所降低 也仍有足够的检测灵敏度。
结论：直接检测适合于强信号光的检测而不宜于弱信 号光的检测。
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直接探测系统的探测灵敏度
❖2.直接探测系统的探测灵敏度
输出总噪声功率主要考虑散弹噪声功率和探测器与电路 的热噪声功率。
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§5-1 光电直接检测系统的基本原理
5.1.1直接测量系统的工作原理 ❖ 定义：
光电直接检测是将待测光信号直接入射到光检测器光敏
面上，光检测器响应于光辐射强度（幅度）而输出相应 的电流或电压。
❖ 换句话说，直接检测系统是随时间变化光信号或随空间 变化的光信号的直接测量 ，属于非相干检测。
第五章 光电直接检测系统
电科08（系统设计）
宁波工程学院电子与信息工程学院
电子科学与技术教研室
丁志群 制
光电信号检测
光电信号检测
光电检测系统分类
❖ 主动系统/被动系统(按信息光源分)
❖ 红外系统/可见光系统(按光源波长分) ▪ 红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器 ▪ 可见光系统多用于民用
发射和接收系统的大气特性以及目标的反射特性有 关．
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（三）直接检测系统的视场角
❖ 表征系统能“观察”到的空 间范围。
❖ 系统的视场角越大越好。但 是增大检测器面积使系统的
噪声增大；减小焦距使系统 的相对孔径加大。
2
d Ad / f 1
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（四）系统的通频带宽度
❖ 检测系统要求Δf保持原由信号的调制信息． ❖ 确定系统频带宽度的几种方法：
N（t）是接收光场的光电子计数速率。
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（二）光电检测的平方律特性
❖假设 入射号 Es(t) Acos t
式中A为信号光电场振幅， 为信号光的频
率。平均功率为
Ps Es2 (t) A2 / 2
❖ 光检测器输出电流为
Is Ps e Es2 (t) e A2
h
2h
❖式中：Es2 (t) 表示 Es2 (t) 的时间平均值； 为光电变换比例常数，且有 e
光电信号检测
❖ 利用图b中的方框图可以计算出系统的测量关系。设被 测偏振面转角为θx，检偏器的读出转角为θ0，偏振器组 合的相对转角为θx-θ0，对于透光率τ的转换因子为M， 则检偏-起偏器组合和指示仪表的输出值θ分别可表示为：
τ＝M(θx-θ0)
和
❖ 由以上二式有
θ＝KSIΦ0τ
θ＝KSIΦ0M(θx-θ0)＝K0(θx-θ0)
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一、光通量的幅度测量 1．单通道测量系统
单通道测量系统和直读法 a) 原理示意图 b) 方框图 1-辐射源 2-被测样品（或标准样品） 3-检测器 4-光电信号放大器 5-指示仪表
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❖ 被测光通量沿单一光学通道传送到光电接收器，经由读 出装置进行测量的系统称作单通道测量系统。
❖ 只考虑热噪声影响 P min, TL (2 hv kT f / RL e
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❖ 3.光电探测器内增益对检测灵敏度的影响
SNRo Pso
（GPs）2
Pno 2eG（2 e）(Ps Pb)f 4kT f / RL
hv
Ps / ef
G2 2 G2
)（ e）(1 hv
Pb )f Ps
随被测信息变化的。这种情况下的被测信息是载荷在 光通量的幅度大小、变化频率或变化相位上，检测这 些参量可以测量出所需要的信息。 举例： ➢ 直接测量来自被测物体的光辐射进行的光谱分析和辐 射测温； ➢ 通过检测被测物体的透光率测量气体液体的浓度或薄 膜厚度； ➢ 通过测量反射率检测物体的表面状态等。下面介绍直 接随信息改变的光通量测量方法。
通过与标准样品的比对测定被测量的方法称作直读法。 ❖ 例如为了测量样品的透过率，可以在图a所示的光路中
事 先分别放置透过率已知的标准样品，每次对电表值 进行标定。 ❖ 经过这样的处理后再将被测样品放在光路中，即可由电 表的示值直接得到被测的透过率值。
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❖ 直读法测量系统的方框图示于图b中。设照明样品的光 通量为Φ0，样品透过率为τ，透过样品并为光电检测器 接收的光通量为Φ，检测器的电流灵敏度为SI，放大器 增益为K，读出装置的传递系数为M，输出值为θ，则 直读系统的测量值可表示为
i 1 A2 A2d (t) 2
若光电检测输出端有隔直电容，则输出仅有第二 项（即实现包络检测）。
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二、直接检测系统的信噪比和灵敏度 1. 直接探测系统的信噪比
Pso Pno （e）2(Psi Pni)2RL hv
（e）2(Psi2 2PsiPni Pni2 )RL hv
Pso
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❖ 式中，K0＝KSIΦ0M，Φ0为入射照明光通量，SI为光检 测器灵敏度，K为放大器增益。在无试样的校准状态下， 即θx＝0时，调整θ0，使θ＝0。随后加入试样则θx≠0， 因而θ≠0。重新调整θ，使θ再次为零，此时有 θx＝θ0
❖
θ＝SIKMΦ0τ＝K0τ
或
❖
τ＝θ/K0
式中K0＝SIKMΦ0。
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❖ 当K0保持恒定不变时，被测值τ和读出示值θ之间存在着 一一对应的关系，可根据θ确定被测的τ值。但实际上K0 值不是完全不变的。
❖ 特别是Φ0因子与照明状态有关，存在着长期工作的不 稳定性和不重复性。
❖ 比例因子K0的波动会直接造成测量示值的偏差。此外定 标所用基准的误差或在定标过程中引入的偏差也会直接 影响测量结果，因此直读法在实际应用中受到一定的限 制。
h
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（二）光电检测的平方律特性
❖ 若光检测器的负载电阻为RL，则光电检测器 输出功率为
结论：
Po
Is2 RL
( e)2
P R2 s L
h
直接探测系统的平方律特性
❖光电探测器的的光电流正比于光场振幅的平 方；
❖光电探测器输出的电功率正比于入射光功率 的平方。
光电信号检测
❖若入射波是调幅波，即 Es(t) A[1 d(t)]cost 式中： d (t) 为调制信号。则检测器输出电流为
K!
是光电转换系数
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❖ 泊松计数统计是光电转换的最基本统计，它对 应于恒定确知弱辐射光场和探测器材料作用转 换情况。
❖ 不确定的随机光场不适用泊松计数统计。
❖ 光电探测器响应单个光子的求和，可作为平均
光电流。
K (0,T )
Ip E[ X (t)] E[ h(t tj)]
j0
T
e(t tj)N (tj)dtj eN (t) 0
SNRo
Pso Pno
2e（[ e）(Ps
（e hv
Pb)
Ps）2 Id)]f
4kT f
/
RL
hv
光电信号检测
❖强信号下， SNRpo 1
❖只考虑散弹噪声的影响 SNRpo, sL Ps 2hvf
NEP P min, sL 2hvf /
❖ 只考虑背景噪声影响
