4.9 直接探测系统的性能分析

如果入射信号光为强度调制（IM）光，调制信号为d（t）， 则探测器的光电流为：
IP
e P 1 d t hv
2、直接探测系统的信噪比
众所周知，任何系统都需一个重要指标——信噪比来衡量其质 量的好坏，其灵敏度的高低与此密切相关。
S P N P (e / h ) RL ( PS PN )
输出功率的信噪比
PS PN PS SP S 2 1 2 PS PN N P N P 2 PS PN PN
2 2
讨论：
（1）若Ps/PN <<1，则
PS S N P P N
2
输出信噪比等于输入信噪比的平方。因此，直接探测系统不 适于输入信噪比小于1或者微弱光信号的探测。
3 直接探测系统
光波携带信息可以采用多种形式，如光波的强度变化、 频率变化、相位变化及偏振变化等。 1.直接探测的基本物理过程 直接探测:将待检测的光信号直接入射到光探测 器的光敏面上，由光探测器将光强信号直接转化为相 应的电流或电压，再经后续电路处理（如放大、滤波 或各种信号变换电路），最后获得有用的信号。 信号光场
如果考虑直接探测系统存在的所有噪声，则输出噪声总功率为：
N P iNS iNB iND 来自iNT RL输出信号噪声比
2 2 ( e / h ) PS S S P N P N P iNS 2 iNB 2 iND 2 iNT 2

2
2
2
2
冲传输信息，当系统不存在噪声时，系统输出信号能准确 复现发射的信号编码规律，如图（a）所示，当噪声随机 叠加在信号上时，信号产生畸变，如图（b）所示。由图 （c）可以看出：由于负向噪声叠加在脉冲“1”上使脉冲 输出为“0”；同样，噪声也有可能使脉冲输出“0”误变为 “1”。“0”、“1”码出现错误的概率称为误码率。
2 光电探测系统的指标
光电探测系统具有感知信息、传递信息、测量 未知的光学量或非光学量，以及作信息存储等多种 功能和用途。各个系统有不同的技术要求。但是， 它们最终都是以电信号形式输出，其输出量是模拟 电信号或者是数字电信号。从最终输出要求来看， 它们有一个公共的指标，这就是信号的输出信噪比。
1、模拟系统

（1）当热噪声为主要噪声源，其信噪比：
S N P热
2 e hv P s 4kT f R 2
（2）当散粒噪声为主噪声源，其信噪比：
S 2 2 2 N P散 i NS i NB i ND
（3）当背景噪声为主要噪声源，其信噪比：
2
2
PS 信号光功率 PN 噪声功率 S P 光电探测器输出信号电 功率 PN 输出的噪声功率
(e / h ) 2 RL ( PS 2 2 PS PN PN 2 )
考虑到信号和噪声的独立性
S P (e / h ) 2 RL PS2
2 N P (e / h ) 2 RL (2 PS PN PN )
2
当M很大时，热噪声可以忽略。如果光电倍增管加致冷、屏 蔽等措施可以减小暗电流及背景噪声。因此光电倍增管达到散粒 噪声限是不难的。在特殊情况下可以趋于量子限。
注意：选用无倍增因子起伏的内增益的器件，否则倍增因子 的起伏又会在系统中增加新的噪声源。
Es A cost
平均功率
P Es2 (t ) A2 / 2
e e 2 IP P A hv 2hv
光电探测器输出的光电流
若光探测器负载电阻为RL，则其输出的电功率为：
e 2 SP I P RL P RL hv
2
2
表明：光电探测器的电功率正比于入射光功率的平方。 光电探测器对光的响应特性包含两层含义： （1）光电流正比于光场振幅的平方，即光的强度。 （2）光电流输出功率正比于入射光功率的平方。
S N P背
2 2 e hv P P s s e 2hvf PB 2ef PB hv 2
2 e hv P s 2
扫描热探测系统的理论极限即由背景噪声极限所决定。
（4）当散粒噪声为主要噪声源，其信噪比：
P S S 2hvf N P信
直接探测在理论上的极限信噪比，也称直接探测器的量子极限
（5）在量子极限下，直接探测系统理论上可测量的最小功率为
( NEP)量
2hf

PS ( S / N )信号
若＝1，f＝1Hz，则系统 在量子极限下所探测功率为 2h
直接探测器的理想状态，系统内部噪声都抑制到可以忽略的程度， 但实际系统的视场不能是衍射极限对应的小视场，背景噪声不能 为0，实际探测器总会用噪声，光探测器本身具有电阻以及负载 电阻等都会产生热噪声和放大器噪声
2. 光谱范围：可见光探测系统和红外探测系统 对军事目标的 探测，不论是主动或是被动系统一般都工作于红外光波段。 工作在这一波段的优越性首先是隐蔽性好，不易被对方发现； 其次是光波在大气中传播时，红外波段有几个窗口对光能量 的衰减较小，这样系统的作用距离远。 3. 接收系统：点探测系统和面探测系统 对于点探测系统来说， 系统把目标作为一个点来考虑，只接收目标总的辐射功率。 而面探测系统则同时要测量目标的光强分布，通常用摄像器 件或多元探测器列阵完成。 4. 光波对信息信号（或被测未知量）的携带方式：直接探测 系统和相干探测系统 不论光源是自然光源或人造光源，是非 相干光源或是相干性好的激光光源，直接探测方式都是利用 光源出射光束的强度去携带信息。而相干探测方式则是利用 光波的振幅、频率、相位来携带信息，而不是利用光强度。 所以只有相干光可被用来携带信息，捡出信息时需用光波相 干的原理。
（2）若Ps/PN>>1，则
1 PS S N P 2 PN
输出信噪比等于输入信噪比的一半，即经光电转换后信噪比 损失了3dB，在实际应用中还是可以接受的。 直接探测方法不能改善输入信噪比，不适合探测微弱信 号。但是这种方法比较简单，易于实现，可靠性高，成本较 低。
3、直接探测系统的探测极限及趋近方法
§4.9 直接探测系统的性能分析
技术领域：光子计数技术 探测范围：强信号 探测原理：非相干探测
1 系统类型 2 光电探测系统的指标 3 直接探测系统
1 系统类型
1、按携带信息的光源：主动系统和被动系统 被动探测系统所接收到的光信号来自目标的自 发辐射，例如被测目标是星体、飞机、导弹、云层、 大地、车辆和人体等。目标辐射功率和背景辐射功 率同时进入光学系统，然后会聚到探测器上光信号 转换为电信号，光电信号由电路处理以后输出所需 信息。系统有加调制也有不加调制的。
信 息 源
调 制 器
光 源
光 学 系 统
传 输 介 质
光 学 系 统
光 电 探 测 器
电 子 电 路
接收系统 光 源 调 制 器 光 学 系 统 信 息 源
主动光电系统方块图
特点及缺点：
1、这两种接收系统都是把目标和背景的入射光能 量经过光学系统会聚于光电探测器上进行光电转 换。 2、探测器输出的信号经处理电路检出信息，在此 过程中，背景噪声和系统内部探测器噪声及电路 噪声等都与信号一起进入系统。
如果使系统趋近量子极限则意味着信噪比的改善，可行的方法就 是在光电探测过程中利用光电探测器的内增益获得光电倍增。
iS 举例：对于光电倍增管，由于倍增因子M的存在，信号功率 增加M2的同时，散粒噪声功率也倍增M2倍，信噪比变为：
2 2 2 ( e / h ) P M S S 2 2 2 2 N P (iNS iNB iND ) M 2 iNT
光传输的信息经过光电探测系统检出后其波形是 否发生畸变。如：外界干扰，可以通过精心设计各个 环节解决。 影响信号畸变的最根本的因素是噪声，主要来自 光源、背景、光电探测器和电路。 衡量模拟光电系统的一个重要指标信噪比：
信号功率 SNRp 噪声功率（方差）
2、对于数字式光电系统，因为是用“0”、“1”两态脉
目 标
大
气
光 学 系 统
调 制 器
光 电 探 测 器
电 子 电 路
接受系统
被动光电系统方块图
主动探测系统是发射和接收系统共同配合进 行工作的。 光源采用人工光源，如激光器、发光管、气 体放电灯等。信息源可以通过调制光源的电源电 压（或电流），把信息载到光波上去，通过发射 系统发射调制光。或者， 光源出射的光（经过或 者不经过光学调制器）照射目标，利用目标的反 射、透射或散射加载上目标信息，然后由接受系 统进行检测。