光电检测办法_

　　光电检测办法 2.1 直接勘探 2.1.1 根本物理进程 .1.1 直接勘探是将待检测的光信号直接入射到光勘探器的光敏 面上，由光勘探器将光信号直接转化为电流或电压，依据不同的 要求，再经后续电路处理，最终取得有用的信号。 一般，光勘探器前可选用光学天线，在其前端还可通过频 率滤波和空间滤波处理。 这是为了进一步进步勘探功率和减小杂 散的布景光。 信号光场可表明为 ES (t ) = A cos ωt ，式中，A 是信号光电场振 幅， ω 是信号光的频率。则其平均功率 P 为 （2.1.1） 光勘探器输出的光电流为 （2.1.2） 若光勘探器的负载电阻为 RL ,则光勘探器输出的电功率为 （2.1.3） 光勘探器输出的电功率正比于入射光功率的平方。然后可 知，光勘探器对光的呼应特性包括两层含义，其一是光电流正比 于光场振幅的平方，即光的强度；其二是电输出功率正比于入射 光功率的平方。假如入射信号光为强度调制（TM）光，调制信 号为 d (t ) 。然后得 （2.1.4） 式中第一项为直流项，若光勘探器输出有隔直流电容，则输 出光电流只包括第二项，这便是直接勘探的根本物理进程，需强 调指出，勘探器呼应的是光场的包络，现在，尚无能直接呼应光 场频率的勘探器。 2.1.2 信噪比 设入射到光勘探器的信号光功率为 PS ,噪声功率为 Pn ， 光勘探 SP ，输出的噪声功率为 N P 。可得 器输出的信号电功率为 （2.1.5） 依据噪声比的界说，则输出功率信噪比为 （2.1.6） 从上式能够看出 I. 若 ，则有 （2.1.7） 输出信噪比等于输入信噪比的平方。由此可见，直接勘探体系不 适于输入信号比小于 1 或许弱小光信号的勘探。 II. 若 ，则 （2.1.8） 输出信噪比等于输入信噪比的一半，即经光—电转化后信 噪比丢失了 3dB，在实践使用中仍是能够承受的。 由此可见，直接勘探办法不能改进输入信噪比。 假如考虑直接勘探体系存在的所以噪声，则输出噪声总功 率为 （2.1.9） 式中， i 散粒噪声。 i 2 NS + i 2 NB + i 2 ND 分别为信号光，布景光和暗电流引起的 2 NT 为负载电阻的热噪声。 （2.1.10） 当直接勘探体系首要为信号光引起的散粒噪声约束 （即量子噪声 限）时 （2.1.11） 这便是抱负的直接勘探体系所能到达的最大信噪比极限。 噪声等效功率(NEP) 2.1.3 噪声等效功率(NEP) 不同的体系有不同的信噪比要求，因此不行能有归一化的 灵敏度方针，为了便于剖析和评价勘探体系的功能，引进等效噪 声功率（NEP）这一方针。它能够反映直接勘探体系弱小光辐射 的才能。 等效噪声功率为 ( S )P = 1 N ,时所需的信号功率。在直接勘探系 统中往往一起存在多种噪声源，可是，在不同情况下，各种噪声 源的噪声电平是不同的，按不同的起主导效果的噪声源剖析，可 得出一下几种噪声限下的 NEP。 一般情况下的 NEP 表明式 （2.1.12） 当热噪声是直接勘探体系的首要噪声源，而其他噪声能够 疏忽时，咱们就说直接勘探体系受热噪声约束，这时的 NEP 为 （2.1.13） 当散粒噪声为主，其它噪声能够疏忽时，则直接勘探体系 受散粒噪声约束，这时的 NEP 为 （2.1.14） 当布景噪声是直接勘探体系的首要噪声源，其它噪声能够 疏忽时，咱们就说直接勘探体系受布景噪声约束，这时的 NEP 为 （2.1.15） 当入射的信号光波所引起的散粒噪声时直接勘探体系的主 要噪声源，而其它噪声能够疏忽时，直接勘探体系受信号噪声限 制，这时的 NEP 为 （2.1.16） 在实践的直接勘探体系中，很难完成信号噪声极限勘探， 因为任何实践的光勘探器都不是抱负勘探器，总会有噪声存在， 在直接勘探体系中所用的放大器也不行能没有噪声， 至多能够做 到放大器噪声比光勘探器噪声低，再者，布景辐射和暗电流往往 是客观存在的，最终，光勘探器自身具有的电阻以及负载电阻等 都会发生热噪声。 所以信号噪声约束的勘探只能理解为直接勘探 体系的抱负作业状况。 从以上剖析可知，要想到达杰出的直接勘探效果，在接纳 光功率遭到必定约束的情况下，有必要合理的挑选光勘探器材，尽 或许的下降各种噪声，以改进体系的特性。 2.1.4 接纳光学体系 为了改进直接勘探体系的功能，十分直观的剖析是应尽可 能多的搜集信号光功率，为到达此意图，除了在或许条件下挑选 大的勘探器材，往往也选用各种光学体系。 接纳光学体系是为了搜集尽或许多信号光能量，并使光束 直径小于光勘探器的直径，入射到光勘探器光敏面上,对不同的 体系， 单位波长单位立体角所接纳到的光功率具有不同的表达形 式 在必定间隔上进行直接勘探时，光勘探器所能接纳到的光 功率与下述要素有关： i. 接纳体系所能接纳到的光功率与间隔平方成反比，接纳到 的光能量随间隔添加而衰减很快 ii. 方针反射的光功率愈大，则在同一间隔上接纳到光功率也 愈大，或在相同的接纳灵敏度下，体系的效果间隔也愈大， 用协作方针便是增大接纳光功率的办法之一。 iii. 光源发散角愈小， 接纳体系能接纳到的光功率愈大， 所以， 在发射端往往选用准直或会聚透镜体系来准直光束。 iv. 接纳到的光功率与接纳光学体系的口径直接有关，在结构 尺度答应的条件下，增大接纳光学体系的口径是有用的办法。 但有必要使出，因为大气传输，会引进随机闪耀，在必定程度 上，过大的口径，反而会增大噪声。 v. 各种光源发射的能量有确认的光谱，除选用与之匹配的光 勘探器外，光学体系的资料也应与之匹配。若作业间隔较长， 还应选用处于大气窗口以内的波长。光学体系尽或许挑选镜 片少的透镜组，如用反射或折反射式体系，以削减镜片对光 能的吸收损耗。 2.1.5 直接勘探办法使用 a) 光功率丈量 利用光勘探器的光电转化特性， 能够很简略完成光功率的测 定，这也是直接勘探技能的最简略，最直接的使用之一，一