第10章+非相干检测方法与系统
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非相干 概率
非相干概率
非相干概率是指在量子力学中，当一个量子系统的状态是非相干的，即系统处于一个混合状态，而不是一个纯状态时，系统的行为就由非相干概率描述。
在量子力学中，系统的状态可以用密度矩阵来描述。
如果一个系统处于一个纯状态，那么它的密度矩阵就是一个单位矩阵。
如果一个系统处于一个混合状态，那么它的密度矩阵就不是单位矩阵，而是由一些单位矩阵的混合组成。
非相干概率是描述这种混合状态的一个重要工具。
它告诉我们，当我们对一个处于混合状态的量子系统进行测量时，我们得到某个结果的概率是多少。
这个概率是由系统的密度矩阵和测量的操作共同决定的。
具体来说，如果我们对一个量子系统进行一次测量，那么得到某个结果的概率可以由以下公式计算：P(result) = Tr[result |Ψ><Ψ|]
其中，Tr表示矩阵的迹，result表示测量的结果，
|Ψ><Ψ|表示系统的密度矩阵。
这个公式告诉我们，得到某个测量结果的概率是由测量结果和系统的密度矩阵共同决定的。
总的来说，非相干概率是量子力学中描述混合状态的
一个重要工具，它帮助我们理解量子系统的行为。
光纤通信课件 第10章 光纤传输系统
图7.1.1 光通信采用的调制方式
模拟强度调制
调 幅 (A M) 调频 (FM)
非相干调制 (直接强度调制)
IM/DD
直接 调制 外调制
副载波 调制
数字强度调制
调相 (P M)
幅 移 键 控 (A SK ) 频 移 键 控(FSK ) 相移键控 (P SK)
调制
幅 移 键 控 (A SK )
相干调制 (频率或相位调制)
N Tele T 109 / 2.733410 15 365853
编码
对数字信号进行编码的理由是： (1)为了使接收再生电路把相位或频率锁定到信号定时上； (2)因为光接收机采用电容耦合，接收机不能对直流和低
频分量响应，使长连零信号的幅度逐渐下降，经判决 电路后会产生误码，如图所示。
光接收机电容耦合使长连零信号幅度下降导致判决产生误码
模
拟 强
接收 机输
Pin
接收
度 入功率
机
调
制
噪 声
载波 信噪比 （ SN R）c
在( f ) b 内用均方根
基带信号功率度量
AM
模 Pin 接 收
拟
机
（ SN R）c
FM
在( f ) c 内 用RMS
副
噪 声
未调制载波功率与 RMS 噪声 之 比 度 量
PM
载
波
调
制
ASK
数 Pin 接 收
字
机
（ SN R）c
输出光信号 t
I 驱动电流
输入电信号
t
数字强度调制
激P 光 器 P-I曲 线 输 出 功 率
输出光脉冲
Pth
I
t
(10)光刻技术剖析
第10章 光刻技术
•影响光刻的主要因素为掩膜版、光刻胶和光刻机。
•掩膜版由透光的衬底材料（石英玻璃）和不透光金属吸收玻璃
（主要是金属铬）组成。通常还有一层保护膜。
•光刻胶又称为光致抗蚀剂，是由光敏化合物、基体树脂和有机溶
剂等混合而成的胶状液体。光刻胶受到特定波长光线的作用时化
学结构发生变化，使光刻胶在特定溶液中的溶解特性改变。正胶
X射线光刻胶：
43
10.3 光学分辨率增强技术
光学分辨率增强技术包括： 移相掩模技术（phase shift mask )、 离轴照明技术(off-axis illumination)、 光学邻近效应校正技术(optical proximity correction)、
光瞳滤波技术（pupil filtering technology）等。
26
27
28
10.2 光刻胶（PR-光阻）
光刻时接受图像的介质称为光刻胶。 以光刻胶构成的图形作为掩膜对薄膜进行腐蚀，图形就
转移到晶片表面的薄膜上了，所以也将光刻胶称为光致 抗蚀剂。 光刻胶在特定波长的光线下曝光，其结构发生变化。 如果胶的曝光区在显影中除去，称为正胶；反之为负胶。
29
45
通过移相层后光波与正常光波产生的相位差可用 下式表达：
Q 2d (n 1)
式中 d——移相器厚度； n——移相器介质的折射率； λ——光波波长。
46
附加材料造成 光学路迳差异， 达到反相
47
10.3.1 移相掩模技术
粗磨、精磨、厚度分类、粗抛、精抛、超声清洗、检验、平 坦度分类等工序后，制成待用的衬底玻璃。
2、铬膜的蒸发 铬版通常采用纯度99%以上的铬粉作为蒸发
源，把其装在加热用的钼舟内进行蒸发。蒸发前 应把真空度抽至10-3mmHg以上，被蒸发的玻璃 需加热。其它如预热等步骤与蒸铝工艺相似。
•影响光刻的主要因素为掩膜版、光刻胶和光刻机。
•掩膜版由透光的衬底材料（石英玻璃）和不透光金属吸收玻璃
（主要是金属铬）组成。通常还有一层保护膜。
•光刻胶又称为光致抗蚀剂，是由光敏化合物、基体树脂和有机溶
剂等混合而成的胶状液体。光刻胶受到特定波长光线的作用时化
学结构发生变化，使光刻胶在特定溶液中的溶解特性改变。正胶
X射线光刻胶：
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10.3 光学分辨率增强技术
光学分辨率增强技术包括： 移相掩模技术（phase shift mask )、 离轴照明技术(off-axis illumination)、 光学邻近效应校正技术(optical proximity correction)、
光瞳滤波技术（pupil filtering technology）等。
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28
10.2 光刻胶（PR-光阻）
光刻时接受图像的介质称为光刻胶。 以光刻胶构成的图形作为掩膜对薄膜进行腐蚀，图形就
转移到晶片表面的薄膜上了，所以也将光刻胶称为光致 抗蚀剂。 光刻胶在特定波长的光线下曝光，其结构发生变化。 如果胶的曝光区在显影中除去，称为正胶；反之为负胶。
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通过移相层后光波与正常光波产生的相位差可用 下式表达：
Q 2d (n 1)
式中 d——移相器厚度； n——移相器介质的折射率； λ——光波波长。
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附加材料造成 光学路迳差异， 达到反相
47
10.3.1 移相掩模技术
粗磨、精磨、厚度分类、粗抛、精抛、超声清洗、检验、平 坦度分类等工序后，制成待用的衬底玻璃。
2、铬膜的蒸发 铬版通常采用纯度99%以上的铬粉作为蒸发
源，把其装在加热用的钼舟内进行蒸发。蒸发前 应把真空度抽至10-3mmHg以上，被蒸发的玻璃 需加热。其它如预热等步骤与蒸铝工艺相似。
非相干光处理ppt课件
31
衍射受限系统的OTF等于光瞳函数(即出射光瞳函数,简 称光瞳函数)的归一化自相关函数，即
H( ,)
P(di , di)
P(di , di)
P(u, v) 2 dudv
10.3.3
32
H( ,)
P(di , di)
P(di , di)
P(u, v) 2 dudv
10.3.3
由(10.3.3)式可知,根据系统所需的OTF设计光瞳函数,
但是多年的实践表明,相干处理系统的突出问题 是相干噪声严重,导致对系统元件提出较高要求,而 非相干处理系统由于其装置简单,又没有相干噪声, 因而再度受到广泛的重视.
2
10.1 相干与非相干光学处理
1O.1.1 相干与非相干光学处理的比较
我们把一张透明图像片作为一个线性系统的输 入,当用相干光照明它时,图片上每一点的复振幅
I t1( x, y)t2 ( x, y)dxdy
(10.2.1)
t1( x, y)
t2(x, y)
上图是实现这一运算的系统.透镜L2将tl以相等大小成像在t2上,而 透镜L3将透过t2的一个缩小像投射到探测器上.若使其中一张透 明片匀速运动,并把测量的光电流响应作为时间的函数,就可以实
现tl和t2的一维卷积.例如,让透明片t2按反射的几何位置放入,使 得(10.2.1)式变成
均在其输出面上产生相应的复振幅输出.整个输
出图像是这些复振幅的线性叠加,即
U(x, y) Ui(x, y)
i
3
U(x, y) Ui(x, y)
i
也就是合成复振幅满足复振幅叠加原则.然而人
眼、感光胶片或其它接收器可感知的是光强,即合
成振幅绝对值的平方
衍射受限系统的OTF等于光瞳函数(即出射光瞳函数,简 称光瞳函数)的归一化自相关函数，即
H( ,)
P(di , di)
P(di , di)
P(u, v) 2 dudv
10.3.3
32
H( ,)
P(di , di)
P(di , di)
P(u, v) 2 dudv
10.3.3
由(10.3.3)式可知,根据系统所需的OTF设计光瞳函数,
但是多年的实践表明,相干处理系统的突出问题 是相干噪声严重,导致对系统元件提出较高要求,而 非相干处理系统由于其装置简单,又没有相干噪声, 因而再度受到广泛的重视.
2
10.1 相干与非相干光学处理
1O.1.1 相干与非相干光学处理的比较
我们把一张透明图像片作为一个线性系统的输 入,当用相干光照明它时,图片上每一点的复振幅
I t1( x, y)t2 ( x, y)dxdy
(10.2.1)
t1( x, y)
t2(x, y)
上图是实现这一运算的系统.透镜L2将tl以相等大小成像在t2上,而 透镜L3将透过t2的一个缩小像投射到探测器上.若使其中一张透 明片匀速运动,并把测量的光电流响应作为时间的函数,就可以实
现tl和t2的一维卷积.例如,让透明片t2按反射的几何位置放入,使 得(10.2.1)式变成
均在其输出面上产生相应的复振幅输出.整个输
出图像是这些复振幅的线性叠加,即
U(x, y) Ui(x, y)
i
3
U(x, y) Ui(x, y)
i
也就是合成复振幅满足复振幅叠加原则.然而人
眼、感光胶片或其它接收器可感知的是光强,即合
成振幅绝对值的平方
通信原理教程(第三版)课后思考题答案[打印版]
![通信原理教程(第三版)课后思考题答案[打印版]](https://img.taocdn.com/s3/m/f6f717495a8102d277a22f09.png)
. 专业.专注 .. word 完美格式 .通信原理思考题复习1.1 消息和信息有什么区别？信息和信号有什么区别？答：消息是信息的形式，信息是消息中包含的有效内容，信号是信息的载体。
1.2 什么是模拟信号，什么是数字信号？ 答：取值连续的信号是模拟信号，取值离散的信号是数字信号。
1.3 数字通信有何优点？ 答：质量好，便于差错控制和保密编码，便于存储和处理，易集成，信道利用率高信噪比高。
1.4 信息量的定义是什么？信息量的单位是什么？ 答：设消息x 的概率为P(x),其信息量I(x)=-logap(x),.当a=2时，信息量单位为比特（bit)，当a=e 时。
信息量单位为奈特（nat)，当a=10时，信息量单位为哈特莱。
1.5 按照占用频带区分，信号可以分为哪几种? 答：基带信号和带通信号。
1.6信源编码的目的是什么？信道编码的目的是什么？ 答：信源编码的目的是提高信号表示的有效性。
信道编码的目的是提高信号传输的可靠性。
1.7 何谓调制？调制的目的是什么？ 答：对信号进行调整就是调节。
调制的目的是使经过调制的信号适合信道的传输特性。
1.8 数字通信系统有哪些性能指标？ 答：主要有传输速率、错误率、频带利用率和能量利用率。
1.9 信道有哪些传输特性？ 答：噪声特性、频率特性、线性特性和时变特性等。
1.10无线信道和有线信道的种类各有哪些？ 答：无线信道的种类是按电磁波的频率划分的，主要分为无线电波，微波和光波。
有线信道主要有三类，即明线，对称电缆和同轴电缆，还有传输光信号的光纤。
1.11信道模型有哪几种？ 答：调制信道模型和编码信道模型。
1.12什么是调制信道？什么是编码信道？ 答：将发送端的调制器输出至接收端调制器输入端之间的部分称之为调制信道。
而将编码器输出端至解码器输入端之间的部分称之为编码信道。
1.13 何谓多径效应？ 答：信号经过多条路径到达接收端，而且每条路径的时延和衰减不尽相同，造成接收端的信号幅度和随机变化，这一现象称为多径效应。
第10章-太赫兹波的产生与检测PPT课件
10．1．2 光整流 光整流是太赫兹脉冲产生的另一种机制，它是电光效应的逆过程。此外，飞秒的激光脉冲也是必需的，
但是与激光束触发光电导材料不同，光整流发射的太赫兹光束的能量直接来源于激光脉冲的能量。光整流 的转换效率主要依赖于材料的非线性系数和相位匹配条件。
-
5
两个光束在线性介质中可以独立传播，而不改变各自的振荡频率。但是在非线性介质中，两个单色光 束将发生混合，从而产生和频振荡和差频振荡。在出射光中，除了有与入射光相同频率的光波外，还有新 的频率(例如和频)的光波。而且当一束高强度的单色激光在非线性介质中传播时，它会在介质内部通过差 频振荡效应激发一个恒定(不随时间变化)的电极化场。恒定的电极化场不辐射电磁波，但在介质内部建立 一个直流电场。这种现象称为光学整流效应，它是最早发现的非线性光学效应之一。由于这种效应缺乏实 际的应用背景，所以除了早期用于验证它和线性电光效应之间的关系之外，并没有引起研究者的重视。
THz(1012Hz)辐射通常指的是频率在 0.1～10 THz(波长在 30 μm～3 mm)之间的电磁波，其波段在微波 和红外光之间，属于远红外波段，如图 10−1 所示。在 20 世纪 80 年代中期以前，由于缺乏有效的产生方 法和检测手段，科学家对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限。近十几年来，超快激光技术的迅速发展， 为 THz 脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使 THz 辐射的产生和应用得到了蓬勃发展。
超短激光脉冲的发展为光学整流效应的研究和应用开辟了新的途径。根据傅里叶变换理论，一个脉冲 光束可以分解成一系列单色光束的叠加，其频谱决定于该脉冲的中心频率和脉冲宽度。在线性介质中，因 为每个单色分量都可以独立传播，出射光的频谱和波形与入射光相比没有根本的变化，其差别仅来源于介 质的色散特性。但非线性介质中，这些单色波分量不再 独立传播，它们之间将发生混合。和频振荡效应产生频 率接近于二次谐波的光波，而差频振荡效应则产生一个 低频振荡的电极化场，这种低频的电极化场可以辐射出 太赫兹波段的低频电磁波。
樊昌信《通信原理》(第6版)(章节题库 数字信号的最佳接收)【圣才出品】
图 10-2 （1）在图中 A 点及 B 点的带通噪声 nA（t）和 nB（t）是否统计独立，为什么? （2）若发送 s1（t），请问图中 C 点的抽样值 y1 的条件概率密度函数 p（y1／s1）与 D 点的抽样值 y2 的条件概率密度函数 p（y2／s1）是什么分布? （3）若发端发送 s1（t），请写出收端误判为 s2（t）的概率 p（s2／s1）的计算公式。
密度为
的加性高斯白噪声的干扰。若要利用此电话信道传输 2400bit／s 的二进
制数据序列，需接入调制解调器（MODEM）进行无码间串扰的频带传输。请设计并画出
最佳发送及接收系统的原理框图。
解：可用频率范围是 600～3000Hz，设计载波频率为频带的中心，即 fc＝1800Hz。
信道带宽为 3000-600＝2400（Hz），等效的基带带宽是 1200Hz，等效基带的频带率利
解：已知输入端的平均信噪功率比 为 7dB（5 倍）。由于“1”码的平均功率为
而“0”码的平均功率为 0，且“1”，“0”等概出现，则信号平均功率
噪声功率为 而信噪功率比
平均信噪功率比
故
输入噪声功率为
最佳判决门限 最佳归一化门限
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十万门限 νd*（写出推导过程）； （2）在近似认为抽样点无码间干扰条件下，请推导出系统平均误比特率计算公式 （写出详细推导步骤）。 解：（1）2PSK 可以看成基带为双极性信号的 2ASK，且只能用相干解调法解调，所 以抗噪声性能分析方法与 2ASK 相干解调的类似。 发“1”码时，设对应的基带信号幅值为 A，则接收端经相干解调之后低通滤波器的输 出为 x（t）＝A+nc（t）。 设加性高斯白噪声（AWGN）信道中噪声为零均值、方差为 σ2，则
信号处理课件第10章_2平稳信号的各态遍历性
ˆ ) } E { x (
为零
显然，若使 为最小，应使上式的第 二项为零。这是因为第一项不可能为零，即
由
引导出参数估计中的正交原理，即： 欲使估计误差的均方值为最小，应使已
知的数据向量
和误差
正交。
于是，下式第一项即是最小估计误差，即
ˆ) } M S E [ ] E { (
1. cov.m 本文件用来计算两个等长向量的协方差矩阵。 调用格式是： (1)covxy=cov(x,y), (3) covx=cov(x ) , (2) covxy=cov(x,y,1), (4) diag(cov(x));
2．xcov.m 本文件按（10.2.7）式计算两个离散序列的 协方差函数，或一个序列的自协方差函数。协方差函 数和相关函数的差别就在于前者去出了均值，而后者 没有去除。因此，xcov的用法和xcorr非常类似。
T T
e y - Xa
E e e
H
E y
H
ya
H
X
H
y y
H
Xa a
H
X
H
Xa
式中：
令：
最佳的 a
最小误差
(X
H
X)
1
X
H
X
X 的伪逆
最佳解的伪逆表示
对随机信号，“估计”是基本方法。有时要求 估计信号本身，更多的是估计信号的参数，如：
二、对随机信号 例3
参数最小均方估计
x(n) s(n) u (n)
观察信号 信号 噪声
rs x ( m ) E s ( n ) x ( n m ) E s ( n )[ s ( n ) u ( n )] rs ( m ) rs u ( m )
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几何变换的光电方法是基于将光学学现院象看作是直 线光束传输的结果，是在几何光学的术意义上利用光 束传播的直线性、透光、反射、折技射、成象等光学 方法进行的信号变换。物理变换电的光电方法是将光 学 学 等 的发现 的 光展象 意 学，看 义 现出作 上 象现是 利 和了用 参电光 量 各磁工种的 进波程新行振衍学型的荡射院信的传、光光号播干控变涉的制换、结。器光果件随谱，，着、是它光波在电们长物为子变理光学换光 信号的实时变换息和光路的集成化提供了广阔的发展 前景。这些变信换方法常常单独或者若干组合后应用 于不同目的都的光电系统中。
.
RL电. (技Ps 光
+
) Pn 2
考虑到信号和噪声的独立性，院有：
学
息工程 Po
=
eh hn
2
.
RL
. Ps2
Pno
=
eh hn
2
.
RL
. 2 Ps Pn
+
Pn2
由信噪比定义都，信输出功率信噪比为：
成 (SNR
) p
=
Po Pno
=
Ps2 2 Ps Pn + Pn2
=
_______
学Es2 (t) 表示 E 2 ( t) 程s 工 光检测器输出电流为：
的时间平均值；
息 Is 都=信aPs = 成
eh hn
______
Es2 (t )=
eh 2 hn
A2
a = eh hn
称为光电变换比例常数
9
二、 直接检测系统
若光检测器负载P电o 阻=RIL，s2 R则L 光= 检 he测hn技器术输2 P学出s2院电RL功率为： 光检测器的平方律特性：光电流电正比于光电场振幅的平 方，电输出功率正比于入射光光功率的平方。 如果入射光是调幅波，即学E院s (t ) = A[1 + d (t )]cos w t 其中d(t)为调制信号，程可推导出光检测器的输出电流为:
LOGO
院
光电检术测学 技术 技 电 光 院 学 程 工 息 信 都 成
第10章 非相干检测方法与系统
院 学 光电信号变换及检术测系统概述 技 直接检测光系电统 院 时间学变化的光电信号检测 程 息调工制盘及空间滤波 都信直接检测系统举例 成
习题作业
2
一、 光电信号变化及检测系统概述
院 学
直
术 原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为
接
检
光
测
电
检
技 电信号，解调电路检出信息。 电 调制方法：光强度调制、偏振调制。 光 直接检测是一种简单实用的方法。
院
测
学
系
统
光
外
差
程 工 相干检测， 息 光源：相干光源
检 测
信 原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息， 都 检测时需要用光波相干原理。 成调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制
都 ① 增加检测器面积意味着增大系统噪声。因为对大多数检测器，噪
成 声功率和面积的平方根成正比。
② 减小焦距使系统的相对孔径加大，引入系统背景辐射噪声，使系
统灵敏方式下降。
因此在系统设计时，在检测到1信7 号的基础上尽可能减小系统视场角。
三、 时间变化的光电信号检测
时变光信号的直接测量 院 学
光电系统所处理的输入信号有一类术是辐射光通量直 接 在 这随光些被 通参测 量量信 的可息 幅以变度测化 大量的 小出。 、所这 变需种 化要院情 频的光况 率信电下 或息技的 变。被 化测 相信 位息 上是 ，载 检荷 测
测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。
7
一、 光电信号变化及检测系统概述
光电直接检测系统的基本工作原院理
光源 强度 调制器
光学 天线
信号
光学 通道
学 接收天线 术 及光电检
技 测器 电
光电信 号处理
器
光 背景噪声场
电路噪声
回 收 的 信 息
发射机
院 学
接收机
强度调工制程直接检测模型
息 光电直接检测系统是将待光信号直接入射到光检测器光敏面
学
标之一。对于检测系统，被测物
术 看作是在无穷远处，且物方与像 技 方介质相同。当检测器位于焦平 电 面上时，其半视场角为：
院光 w = d
D
w
w
f'
u'
d
2f 或视场角立体角Ω为：
程学=
Ad f2
直接检测系统视场角
息工 从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即大检测器面积或减小光学系
信 统的焦距，但对检测器会带来不利影响：
18
三、 时间变化的光电信号检测
光通量的幅度测量
院
学
1．单通道测量系统
术
2．双通道测量系统
技 电
．频率测量
程 工
光通量的相位和信时息间测量
1．相位都测量
成
2．时间测量
19
三、 时间变化的光电信号检测
光通量的幅度测量
院
1．单通道测量系统
学
术
技
电
光
院
学
程
工
息
信
3
一、 光电信号变化及检测系统概述
典型光电信号变换方法的光学原理和应用
院
变换方法
光学原理
学 术
应用
几何光学
技 直进、遮光；反射、折 电 射；光学成象等非相干 院光 光的光学现象。
光开关、光学编码、光学扫 描、瞄准定位、准直定向、 测长测角、测距、成象测量 等。
学
程 衍射、干涉、光谱、波 莫尔条纹、干涉计量、外差
术 背景限信噪比可以在激光检测系统中实现，是因为激光光 技 谱窄，加滤光片很容易消除背景光，实现背景限信噪比。
电 系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行方法是在 光 光电检测过程中利用光检测器的内增益获得光电倍增，如光电 院 倍增管。当倍增很大时，热噪声可忽略，同时加致冷、屏蔽等 学 措施减小暗电流及背景噪声，光电倍增管可达到散粒噪声限。 程 在特殊条件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪声，增益 工 过程中使噪声增加。
( ) 式中第一都项信i为s息直=工流12 a项A，2若+光a检A2测d器t 输出端有隔直
电容，则输成出光电流只包含第二项，称为包络检测。
10
二、 直接检测系统
直接检测系统的信噪比—衡量模拟系院统好坏及灵敏度
光检测器输出的总功率包括信号电功率术和学噪声功率，可为：
Po
+
Pno
=
eh hn
2
通常在要光借电助系于统几的何信光号学形的成、、物传理送光、学检术的测学或和院光处电理子过学程的中方， 法对信号的组编形式和能量状态进技行人为的变换，包括 将一种光量转换为另一种光量，电将非光量转换为光量或 将连续光量变换为脉冲光量等光。
这 将种待变处换理的信目息的载在荷于到程：光学载院波上进而形成光电信号； 改善系统的时间空工间分辨能力和动态品质，提高传输 适和应检改能测善力精系。度成统；都的信检息测信噪比，提高工作可靠性和对环境的
2）随空间变化的光程电学信号。这类信号发生在一定的 空间坐标范围内，光工电信号的参量随空间位置而改变。 因此是二维或三维息空间的函数，用函数F(x,y,z)表示，其 中随时间变化的信信号称作时空变化的光电信号，用函数 F(x,y,z,t)表成示都。
6
一、 光电信号变化及检测系统概述
非相干检测， 光源：非相干或相干光源
学 制，信噪比为： 程 ( ) ( ) SNR
p散
=
eh
____
hn 2 . Ps2
____ ____
工i
2 NS
+
i
2 NB
+
i
2 ND
信息 ③ 当背景噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统
受背景噪声都限制，信噪比为：
成
(SNR
) p
背
=
(eh
2eDf
hn )2
.
eh hn
. Ps2 . PB
学 i 2 分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。 ND
____
程
工 i 2 为负载电阻和放大器的热噪声之和。
息 NT
信
( 成)都 ( ) SNR
p=
Po Pno
=
eh hn 2 . Ps2
____ ____ ____ ____
i
2 NS
+
i
2 NB
+
i
2 ND
+
i
2 NT
13
二、 直接检测系统
都 单通道测量系统和直读法 成 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
20
三、 时间变化的光电信号检测
院 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 学 进行测量的系统称作单通道测量系统。图中，由辐射源1产生的 术 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
信 上，光检测器响应光辐射强度（幅度）并输出相应的电流和电压。
都 检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信号，前端还可 成 经过频率滤波和空间滤波等处理。
8
二、 直接检测系统
假定入射光信号电场为：
院
Es
(t
)=
Acos wt
学 术
光场平均光功率为：
技
_______
电
Ps = Es2 (t )院= 光A2 2
.
RL电. (技Ps 光
+
) Pn 2
考虑到信号和噪声的独立性，院有：
学
息工程 Po
=
eh hn
2
.
RL
. Ps2
Pno
=
eh hn
2
.
RL
. 2 Ps Pn
+
Pn2
由信噪比定义都，信输出功率信噪比为：
成 (SNR
) p
=
Po Pno
=
Ps2 2 Ps Pn + Pn2
=
_______
学Es2 (t) 表示 E 2 ( t) 程s 工 光检测器输出电流为：
的时间平均值；
息 Is 都=信aPs = 成
eh hn
______
Es2 (t )=
eh 2 hn
A2
a = eh hn
称为光电变换比例常数
9
二、 直接检测系统
若光检测器负载P电o 阻=RIL，s2 R则L 光= 检 he测hn技器术输2 P学出s2院电RL功率为： 光检测器的平方律特性：光电流电正比于光电场振幅的平 方，电输出功率正比于入射光光功率的平方。 如果入射光是调幅波，即学E院s (t ) = A[1 + d (t )]cos w t 其中d(t)为调制信号，程可推导出光检测器的输出电流为:
LOGO
院
光电检术测学 技术 技 电 光 院 学 程 工 息 信 都 成
第10章 非相干检测方法与系统
院 学 光电信号变换及检术测系统概述 技 直接检测光系电统 院 时间学变化的光电信号检测 程 息调工制盘及空间滤波 都信直接检测系统举例 成
习题作业
2
一、 光电信号变化及检测系统概述
院 学
直
术 原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为
接
检
光
测
电
检
技 电信号，解调电路检出信息。 电 调制方法：光强度调制、偏振调制。 光 直接检测是一种简单实用的方法。
院
测
学
系
统
光
外
差
程 工 相干检测， 息 光源：相干光源
检 测
信 原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息， 都 检测时需要用光波相干原理。 成调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制
都 ① 增加检测器面积意味着增大系统噪声。因为对大多数检测器，噪
成 声功率和面积的平方根成正比。
② 减小焦距使系统的相对孔径加大，引入系统背景辐射噪声，使系
统灵敏方式下降。
因此在系统设计时，在检测到1信7 号的基础上尽可能减小系统视场角。
三、 时间变化的光电信号检测
时变光信号的直接测量 院 学
光电系统所处理的输入信号有一类术是辐射光通量直 接 在 这随光些被 通参测 量量信 的可息 幅以变度测化 大量的 小出。 、所这 变需种 化要院情 频的光况 率信电下 或息技的 变。被 化测 相信 位息 上是 ，载 检荷 测
测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。
7
一、 光电信号变化及检测系统概述
光电直接检测系统的基本工作原院理
光源 强度 调制器
光学 天线
信号
光学 通道
学 接收天线 术 及光电检
技 测器 电
光电信 号处理
器
光 背景噪声场
电路噪声
回 收 的 信 息
发射机
院 学
接收机
强度调工制程直接检测模型
息 光电直接检测系统是将待光信号直接入射到光检测器光敏面
学
标之一。对于检测系统，被测物
术 看作是在无穷远处，且物方与像 技 方介质相同。当检测器位于焦平 电 面上时，其半视场角为：
院光 w = d
D
w
w
f'
u'
d
2f 或视场角立体角Ω为：
程学=
Ad f2
直接检测系统视场角
息工 从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即大检测器面积或减小光学系
信 统的焦距，但对检测器会带来不利影响：
18
三、 时间变化的光电信号检测
光通量的幅度测量
院
学
1．单通道测量系统
术
2．双通道测量系统
技 电
．频率测量
程 工
光通量的相位和信时息间测量
1．相位都测量
成
2．时间测量
19
三、 时间变化的光电信号检测
光通量的幅度测量
院
1．单通道测量系统
学
术
技
电
光
院
学
程
工
息
信
3
一、 光电信号变化及检测系统概述
典型光电信号变换方法的光学原理和应用
院
变换方法
光学原理
学 术
应用
几何光学
技 直进、遮光；反射、折 电 射；光学成象等非相干 院光 光的光学现象。
光开关、光学编码、光学扫 描、瞄准定位、准直定向、 测长测角、测距、成象测量 等。
学
程 衍射、干涉、光谱、波 莫尔条纹、干涉计量、外差
术 背景限信噪比可以在激光检测系统中实现，是因为激光光 技 谱窄，加滤光片很容易消除背景光，实现背景限信噪比。
电 系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行方法是在 光 光电检测过程中利用光检测器的内增益获得光电倍增，如光电 院 倍增管。当倍增很大时，热噪声可忽略，同时加致冷、屏蔽等 学 措施减小暗电流及背景噪声，光电倍增管可达到散粒噪声限。 程 在特殊条件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪声，增益 工 过程中使噪声增加。
( ) 式中第一都项信i为s息直=工流12 a项A，2若+光a检A2测d器t 输出端有隔直
电容，则输成出光电流只包含第二项，称为包络检测。
10
二、 直接检测系统
直接检测系统的信噪比—衡量模拟系院统好坏及灵敏度
光检测器输出的总功率包括信号电功率术和学噪声功率，可为：
Po
+
Pno
=
eh hn
2
通常在要光借电助系于统几的何信光号学形的成、、物传理送光、学检术的测学或和院光处电理子过学程的中方， 法对信号的组编形式和能量状态进技行人为的变换，包括 将一种光量转换为另一种光量，电将非光量转换为光量或 将连续光量变换为脉冲光量等光。
这 将种待变处换理的信目息的载在荷于到程：光学载院波上进而形成光电信号； 改善系统的时间空工间分辨能力和动态品质，提高传输 适和应检改能测善力精系。度成统；都的信检息测信噪比，提高工作可靠性和对环境的
2）随空间变化的光程电学信号。这类信号发生在一定的 空间坐标范围内，光工电信号的参量随空间位置而改变。 因此是二维或三维息空间的函数，用函数F(x,y,z)表示，其 中随时间变化的信信号称作时空变化的光电信号，用函数 F(x,y,z,t)表成示都。
6
一、 光电信号变化及检测系统概述
非相干检测， 光源：非相干或相干光源
学 制，信噪比为： 程 ( ) ( ) SNR
p散
=
eh
____
hn 2 . Ps2
____ ____
工i
2 NS
+
i
2 NB
+
i
2 ND
信息 ③ 当背景噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统
受背景噪声都限制，信噪比为：
成
(SNR
) p
背
=
(eh
2eDf
hn )2
.
eh hn
. Ps2 . PB
学 i 2 分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。 ND
____
程
工 i 2 为负载电阻和放大器的热噪声之和。
息 NT
信
( 成)都 ( ) SNR
p=
Po Pno
=
eh hn 2 . Ps2
____ ____ ____ ____
i
2 NS
+
i
2 NB
+
i
2 ND
+
i
2 NT
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二、 直接检测系统
都 单通道测量系统和直读法 成 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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三、 时间变化的光电信号检测
院 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 学 进行测量的系统称作单通道测量系统。图中，由辐射源1产生的 术 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
信 上，光检测器响应光辐射强度（幅度）并输出相应的电流和电压。
都 检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信号，前端还可 成 经过频率滤波和空间滤波等处理。
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二、 直接检测系统
假定入射光信号电场为：
院
Es
(t
)=
Acos wt
学 术
光场平均光功率为：
技
_______
电
Ps = Es2 (t )院= 光A2 2