第五章光电检测系统

• 变换的目的：
① 将待测信息载荷到光载波上进而形成光电信号；
② 改善系统的时间或空间分辨力和动态品质，提高传输效率和 检测精度； ③ 改善系统的检测信噪比，提高工作可靠性。
2
光电信号的变换方法
变换方法 光学原理 透射、反射、折射、散 应用 光开关、光学编码、光扫描 、瞄准定位、光准直、外观
几何光学法
I dS K Ps [1 d (t )]
• 式中第一项为直流电平，第二项为有用信号，即光载波的包络 线。
13
系统的基本特性
• 系统噪声：
2 IN 2Sqf ( Ps Pb ) 2qI d f 4k Tf / R
• 信噪比：表征检测系统的灵敏度
2 I ds S 2 PS2 SNRd 2 I N 2Sqf ( Ps Pb ) 2qId f 4kTf / R
6
被动光电系统和主动光电系统
• 光源、光电变换系统和光电接收器件一起构成光电测量系统。 • 如果信息源通过调制光源的电源电压或电流，把信息载荷到光 载波上，而发射调制光，或者用光电系统的光源（人工光源） 照射目标再进行光电变换，然后由光电接收系统接收，称为主 动光电系统。 • 如果光电系统所接收的信号完全来自于被测对象的自发辐射而 非人工光源照明，称为被动光学系统；
1. 调制检测光信号可以减少自然光或杂散光对检测结果 的影响； 2. 调制检测光信号可以消除光电探测器暗电流对检测结 果的影响； 3. 调制检测光信号的方法提供了多种形式的信号处理方 案，可达到最佳检测的设计。通常交流电路处理信号 方便、稳定，而没有直流放大器零点漂移的问题； 4. 调制检测光信号的方法还提供了多种调制方案，如调 幅、调频和调相等，从而扩大了应用范围。
输出 功率10 (m W)
29
数字调制：对信号的幅度按一定规律间隔取样，以编码的形式转
变为脉冲序列。载波脉冲在时间上的位置是固定的，在幅度上是 被量化的。常采用两电平表示的二进制编码形式。
30
直 接 调 制
31
LD和LED的直接调制
直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源 （激光二极管LD或半导体发光二极管LED），从而获得调制光信号。 由于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制。 根据调制信号的类型，直接调制又可以分为模拟调制和数字 调制两种。 半导体激光器（LD）直接调制的原理
I hs 2a0 as cos[(s 0 )t (s 0 )]
式
s L
是光频差；
f f s f L 是相位差。
17
• 当两束光频率相同时，Δω=0，
I A( x, y){ 1 ( x, y) cos( ( x, y)}
称为单频光干涉。
10
非相干检测
如果光源是非相干光，但用光调制的方法使被 测信息载荷于调制光的幅度、频率或相位之中，然 后用光电的方法从调制光的幅度、频率或相位之中 检测出被测信息，则仍为非相干检测。因此，把直 接检测光信息的光强（或叫光功率）以及检测非相 干光调制频率、振幅或相位的方法统称为非相干检 测。
11
直接检测系统的工作原理
• 当Δω不等于0时，干涉条纹将以Δω的角频率随时
间波动，形成光学拍频，这时称为外差干涉。
18
光外差检测的特性
• 可获得全部信息：不仅可探测振幅和强度调制的光信号，还 可探测频率调制及相位调制的光信号，即在光探测器输出电 流中包含有信号光的振幅、频率和相位等全部信息。 • 转换效率高：转换增益可高达107-10８，对微弱信号的探测 有利。外差检测与直接检测相比：
I G I
2 dm 2 ds
4k Ps Po RL 4Po 2 2 k Ps RL Ps
2
• P 信号光功率 o 本振光功率， P s • 差频信号由具有恒定频率（近于单频）和恒定相位的相干光 混频得到。
19
• 良好的滤波性能
取差频信号为信息处理器的通频带，可以过滤频带外的 杂散光，而在直接探测中，所有的杂散光都将被接收。
• 直接检测是将待测的光信号直接入射到光电器件的光敏面 上，光电器件的输出电流或电压与入射光强度有关。 • 若入射光波的振幅为 U (t ) a sin( t )
S s s s
那么入射光功率为
PS (t ) as [sin( st s )]平均
2
光电检测器件的输出光电流为 I K P 1 K a 2 dS s s 2 q 式中K为光电灵敏度 K 其中 q 为产生的电荷， h h 为入射光功率。 平方律：输出光电流和输入光振幅的平方成正比
21
调制的基本概念
• 将信息加载到介质载体的过程称为调制； • 在光电技术中常利用光波作为信息传递的载波；
光调制：通过改变光波的振幅、强度、相位、频率 或偏振等参数，使传播的光波携带信息的过程； 调制的目的：对所需处理的信号或被传输的信息作 某种形式的变换，使之便于处理、传输和检测。
22
光信号调制检测的优点/作用
26
直接调制与间接调制：内调制是直接对光源进行的调 制，又称为直接调制或电源调制；外调制是在激光形 成以后加载调制信号，又称为间接调制。
27
模拟调制：模拟调制是将信
息强度、频率、相位或
偏振等的一种形式。在 任何时刻信息的幅度与 载波参数之间都有一一 对应的关系，它包括调
幅(AM)、调频(FM)和调
• 信噪比损失小； • 检测灵敏度高 NEP hf
例如：量子效率为１，Δf为１Hz，则外差检测的灵敏度极 限为１个光子。
系统对探测器性能的要求
• 光外差检测对探测器的要求比直接检测高 – 响应频带宽 – 均匀性好 – 工作温度高
20
•调制的基本概念
•直接调制
•调制盘调制
•器件调制 •光调制信号的解调
16
两束光合光时，光电探测器（平方律特性）输出电流
2 I hs E K U s (t ) U 0 (t ) K{U s2 (t ) U 0 (t ) 2U s (t )U s (t )} 2 2

K 2 2 2 {as a0 as2 cos(2s t 2s ) a0 cos(20t 20 ) 2 2a0 as cos[(s 0 )t (s 0 )] 2a0 as cos[(s 0 )t (s 0 )]}
式中PS为输入信号光功率。
• 检测距离：是系统灵敏度的另外一种评价指标，与发射 和接收系ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的大气特性以及目标的反射特性有关。
14
相干探测的基本原理
• fS 为信号光波，fL为本机
振荡光波，这两束相干光 入射到探测器表面进行混 频，形成相干光场。 • 经探测器变换后，输出信
号中包含 f s f L 的差频
光电子学法
磁光效应、空间光调制 、光纤传光与传感等
光电信号的变换方法与应用
• 几何光学变换法是利用几何光学意义上的光传播的直线性、
通光、遮光、反射、折射、成像等光学方法进行变换，在光 开关、光扫描、光学编码以及光电瞄准、测距、几何尺寸及
外观品质检验等技术中应用十分广泛；
• 物理光学变换法是利用光的干涉、衍射、散斑、全息、光谱 等光学方法进行干涉计量、光谱分析、散斑全息测量等； • 光电子学法是利用光控器件及光导纤维光学等方法实现光调 制、光记录、光存储、光传输等。
7
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。
8
被动系统
• 光信号来自被测物体的自发辐射
9
相干检测与非相干检测
• 光载波所携带的被测光信息有多种，若光信息为光 强，即被测量携带于光载波的强度之中，不论光源 是相干光源还是非相干光源，光电器件都只直接接 收光强度变化，最后用解调的方法检出被测信息为 直接检测（非相干检测）； • 若光信息载荷于相干光源的光载波的振幅、频率或 者相位变化之中，称为相干检测。
举例？
23
光调制的分类
• 光载波分为相干光波和非相干光波，光载波所具有的特征参量是光功率、 振幅、频率、相位、脉冲时间、传播方向、偏振方向、光学介质的折射率 等。 • 1、按调制次数分类
调制有一次调制和二次调制之分（将信息直接调制到光载波上被称为一 次调制。而将光载波先人为地调制成随时间或空间变化，然后再将被测信 息调制到光载波上称为二次调制。这样做看起来是比较复杂，但它对提高 信噪比和测量灵敏度，对信息处理的简化都有好处；还可以改善系统的工 作品质和扩大目标定位范围。）例如？
信号，故又称相干探测。
15
• 设入射到探测器上的信号光场为：
Es t As cos st f s
• 本机振荡光场为：
EL t AL cos Lt f L
• 入射到探测器上的总光场为：
E t As cos st fs AL cos Lt f L
光电检测技术
Ch5 光电检测系统
吕勇 lvyong222@
0
•光电检测系统相关概念
•直接（非相干）探测基本原理
•相干探测的基本原理
•光调制/解调
1
光电信号变换
• 在光电系统中，通常要借助于几何光学、物理光学和光电子
学的方法对信号进行变换，包括将一种光量转换为另一种光 量，将非光量转换为光量或将连续光量转换为脉冲光量等。
4
光电系统的类型
• 主动和被动光电系统 (携带信息的光源）
• 可见、红外、紫外光电系统（光谱范围）
• 点探测系统和面探测系统 (接收系统) • 模拟和数字系统 (调制方式和信号处理电路的类型) • 直接探测系统和相干探测系统(光波对信息的携带方 式 )
5
光电系统的指标
• • • • • • • 信号的输出信噪比SNRp 模拟系统——线性度 数字系统——误码率 作用距离 视场 信号传输率，响应速度，带宽 分辨率