第十一章直接探测系统

第九章直接探测系统

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可见光：民用，探测器量子效率高，系统设计，调试方便红外：军事目标，特点：隐蔽性好，不易发现；大气窗口中，衰减小，作用距离长多色多光谱超光谱3.接收系统分：点探测系统：只接收目标总的辐射功率，一般只用单元探测器。当用多元探测器时，用于确定目标方法。面探测系统：测量目标整体的光强分布；①用摄像器件或多元探测器阵列完成②单元探测+扫描现在是2页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统4.调制及电路特性：模拟系统，数字系统5.光波对信息信号的携带方式：直接探测系统：任何光源，用光强携带信息；相干探测系统：相干光，用光的振幅，频率和相位携带信息二、光电探测系统的指标：输出信噪比1.对模拟系统：波形是否畸变（输出）原因：线性度、外界干扰、还有大量的个别因素主要共性因素是噪声：（光源、背景、光电探测器、电路）指标：不同系统要求信噪比不同，有的3～5，有的10～100现在是3页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统２.数字系统用0.1两个状态来传递信息，当有噪声存在时，会有误码。概念：误码率：0.1码出现错误的概率信噪比高，误码率低。恒量信噪比此时不用噪声功率用噪声的概率分布规律。现在是4页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统

现在是5页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统§9-2直接探测系统的工作原理一、直接探测的基本物理过程直接探测系统直接检测被测量光强设光场：①平均光功率：②则：光电探测器的输出电流：③输出的电功率：说明：①光电探测器电输出正比于入射光功率的平方；②另外光电探测器输出的光电流正比于光场振幅的平方，即光强。现在是6页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统④如果入射信号光为强度调制光(IM),设调制信号为d(t)则光电探测器输出的光电流：*特别注意：光电探测器响应的是光场的包络，目前，没有可以直接响应光场频率的探测器。二、直接探测系统的信噪比设信号的光功率为:PS噪声功率为:PN光电探测器输出的信号电功率为:SP

噪声功率为:NP现在是7页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统输出功率信噪比为：讨论：⑴如果，则上式为：∴不适合于探测器输出信号信噪比小于1或者微弱光信号的探测。现在是8页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统⑵如果⑶优点：易于实现、可靠性高、成本低。三、直接探测系统的探测极限及趋近方法如果将各种噪声因素引入，输出信号的信噪比：讨论：情况1：当热噪声是直接探测系统的主要噪声源时：情况2：当散粒噪声大于热噪声时：现在是9页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统

信号引起散粒噪声背景暗电流1.当背景噪声为主要误差源时，直接探测系统受背景噪声限制：扫描热探测系统的理论极限及由背景噪声极限决定。2.当入射的信号光波所引起的散粒噪声是直接探测系统的主要噪声源时，系统的噪声极限：现在是10页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统△此为直接探测系统在理论上的极限信噪比，即直接探测系统的量子极限。△直接探测系统在理论上可测量的最小功率为：△实际探测系统不可能是理想状态；①实际系统的视场不能是衍射极限对应的小视场。②背景噪声不可能为零。③实际的光电探测器总有噪声。④光电探测器本身的电阻等会产生热噪声；放大器具有电噪声现在是11页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统△改善信噪比，使系统趋近量子极限的办法用光电倍增管雪崩管现在是12页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统§9-3直接探测系统的作用距离定义：对于点目标，当目标的张角小于系统的瞬时视场时，光电系统n个接收到的目标辐射能量与其间的距离有关，与接收到的最小可用能量相应的距离叫做系统的作用距离。一、发射系统对于点目标，设其辐射功率为P(t),向四周发射球面波，则辐射的光通量为：辐射光强度：据光源L处的光照度为：距离平方反比定律现在是13页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统当接收面的尺寸比光源距探测器距离L很小时，辐射可视为垂直入射在接收面Ar上，则Ar上的光通量为：Ar三面上接收到的功率：讨论：1.单位立体角的辐射功率：2.光学系统可以提高单位立体角的辐射功率设光学系统的发射角为则功率增益：现在是14页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统由于实际光源不都向立体角发射，设实际的发射角为，则：∴G和发射光学系统及光源的配合有关。对点光源来说：球面镜：反射率高，能量损失少。球面透镜：宽光谱范围内要有高透过率比较困难。非球面镜：对压缩光发散角更有利激光器：光束发射角很小，用倒置望远镜系统和压缩发射角二、光在大气中的传输1.衰减和散射现在是15页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统大气透过率：大气组成成分、密度、气象条件等因素有关。2.大气窗口：大气透过率较高的波段远距离工作的光学系统，光源发射光谱选在大气窗口内。3.湍流时对光传播的影响：强度闪烁光束抖动光束偏转现在是16页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统

现在是17页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统三、接收光学系统设计原则：将光场能量尽可能多地收集到光电探测器上；并使光束直径小于光探测器的直径。光电探测器接收到的功率为：单位波长，单位立体角的接收功率。接收系统对应的立体角。对于被动系统：由普朗克公式给出对于主动系统：1.接收系统直接接收光源的辐射能：现在是18页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统

现在是19页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统现在是20页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统2.目标有反射：大目标时，综合兰伯余弦定律小目标时：在某距离上进行直接探测时，和以下因素直接相关：1.2.3.目标反射的光功率越大，则在同一距离上接收到的光功率越大；或在同样的接收灵敏度下，系统的作用距离也越大4.P和光学系统口径有关，但Ar大，噪声大。5.光谱要匹配。现在是21页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统四、光学系统的作用距离经推导和简化计算，光电探测器的输出电压：在弱光下不能忽略探测器的噪声：对于主动探测系统：接收和发射光轴对准情况：大目标漫反射主动系统：小目标漫反射主动系统：现在是22页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统讨论：1.Ar：距光源L处的接收面积(光学系统口径)Ad：光敏面积。两者之间的关系？2.3.

跟踪光学系统：精度测量系统：4.现在是23页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统§9-4直接探测系统要有一定的视场，保证被测对象的信号始终在测量过程中可被接收到。一、电探测器对应的视场及背景辐射1.如图9-9探测器和光学系统透镜的距离是fr则系统的视场角：现在是24页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统

现在是25页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统虽然实际光学系统由于：①像差②大气扰动引起的跳动等

光斑比非理想状态下的爱里衍射斑要大，但视场还是要小原因：①工艺上的限制②Ad小，背景噪声小2.背景功率：经推导：现在是26页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统限制背景功率的措施：①空间上限制系统的视场角。②加光学滤光片时对背景进行光谱滤波。二、扩展系统视场的方法在不降低系统灵敏度和空间分辨率的条件下扩大视场：1.采用多元探测器列阵或采用摄像器件对每个探测器，视场不大，噪声影响不大，作用距离长空间分辨率高现在是27页\一共有33页\编辑于星期四第九章直接探测系统

现在是28页\一共有33页\编辑于星期四第九章直