光电检测方法

1、精选优质文档-倾情为你奉上光电检测方法2.1直接探测2.1.1基本物理过程直接探测是将待检测的光信号直接入射到光探测器的光敏面上，由光探测器将光信号直接转化为电流或电压，根据不同的要求，再经后续电路处理，最后获得有用的信号。一般，光探测器前可采用光学天线，在其前端还可经过频率滤波和空间滤波处理。这是为了进一步提高探测效率和减小杂散的背景光。信号光场可表示为，式中，A是信号光电场振幅，是信号光的频率。则其平均功率P为 （2.1.1）光探测器输出的光电流为 （2.1.2）若光探测器的负载电阻为,则光探测器输出的电功率为 （2.1.3）光探测器输出的电功率正比于入射光功率的平方。从而可知，光探测器对

2、光的响应特性包含两层含意，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。如果入射信号光为强度调制（TM）光，调制信号为。从而得 （2.1.4）式中第一项为直流项，若光探测器输出有隔直流电容，则输出光电流只包含第二项，这就是直接探测的基本物理过程，需强调指出，探测器响应的是光场的包络，目前，尚无能直接响应光场频率的探测器。2.1.2信噪比设入射到光探测器的信号光功率为,噪声功率为，光探测器输出的信号电功率为，输出的噪声功率为。可得 （2.1.5）根据噪声比的定义，则输出功率信噪比为 （2.1.6）从上式可以看出I. 若 ，则有 （2.1.7）输出信噪比等于

3、输入信噪比的平方。由此可见，直接探测系统不适于输入信号比小于1或者微弱光信号的探测。II. 若 ，则 （2.1.8）输出信噪比等于输入信噪比的一半，即经光电转换后信噪比损失了3dB，在实际应用中还是可以接受的。由此可见，直接探测方法不能改善输入信噪比。如果考虑直接探测系统存在的所以噪声，则输出噪声总功率为 （2.1.9） 式中，分别为信号光，背景光和暗电流引起的散粒噪声。为负载电阻的热噪声。 （2.1.10）当直接探测系统主要为信号光引起的散粒噪声限制（即量子噪声限）时 （2.1.11）这就是理想的直接探测系统所能达到的最大信噪比极限。2.1.3噪声等效功率(NEP)不同的系统有不同的信噪比要

4、求，因而不可能有归一化的灵敏度指标，为了便于分析和评估探测系统的性能，引入等效噪声功率（NEP）这一指标。它可以反映直接探测系统微弱光辐射的能力。等效噪声功率为,时所需的信号功率。在直接探测系统中往往同时存在多种噪声源，但是，在不同情况下，各种噪声源的噪声电平是不同的，按不同的起主导作用的噪声源分析，可得出一下几种噪声限下的NEP。一般情况下的NEP表示式 （2.1.12）当热噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其他噪声可以忽略时，我们就说直接探测系统受热噪声限制，这时的NEP为 （2.1.13）当散粒噪声为主，其它噪声可以忽略时，则直接探测系统受散粒噪声限制，这时的NEP为 （2.1.14）当

5、背景噪声是直接探测系统的主要噪声源，其它噪声可以忽略时，我们就说直接探测系统受背景噪声限制，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探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，直接探测系统受信号噪声限制，这时的NEP为 （2.1.16）在实际的直接探测系统中，很难实现信号噪声极限探测，因为任何实际的光探测器都不是理想探测器，总会有噪声存在，在直接探测系统中所用的放大器也不可能没有噪声，至多可以做到放大器噪声比光探测器噪声低，再者，背景辐射和暗电流往往是客观存在的，最后，光探测器本身具有的电阻以及负载电阻等都会产生热噪声。所以信号噪声限制的探测只能理解为直接探测系

6、统的理想工作状态。从以上分析可知，要想达到良好的直接探测效果，在接收光功率受到一定限制的情况下，必须合理的选择光探测器件，尽可能的降低各种噪声，以改善系统的特性。2.1.4接收光学系统为了改善直接探测系统的性能，非常直观的分析是应尽可能多的收集信号光功率，为达到此目的，除了在可能条件下选择大的探测器件，往往也采用各种光学系统。接收光学系统是为了收集尽可能多信号光能量，并使光束直径小于光探测器的直径，入射到光探测器光敏面上,对不同的系统，单位波长单位立体角所接收到的光功率具有不同的表达形式在一定距离上进行直接探测时，光探测器所能接收到的光功率与下述因素有关：i. 接收系统所能接收到的光功率与距离

7、平方成反比，接收到的光能量随距离增加而衰减很快ii. 目标反射的光功率愈大，则在同一距离上接收到光功率也愈大，或在同样的接收灵敏度下，系统的作用距离也愈大，用合作目标就是增大接收光功率的方法之一。iii. 光源发散角愈小，接收系统能接收到的光功率愈大，所以，在发射端往往采用准直或会聚透镜系统来准直光束。iv. 接收到的光功率与接收光学系统的口径直接有关，在结构尺寸允许的条件下，增大接收光学系统的口径是有效的办法。但必须使出，由于大气传输，会引入随机闪烁，在一定程度上，过大的口径，反而会增大噪声。v. 各种光源发射的能量有确定的光谱，除选用与之匹配的光探测器外，光学系统的材料也应与之匹配。若工作

8、距离较长，还应选用处于大气窗口以内的波长。光学系统尽可能选择镜片少的透镜组，如用反射或折反射式系统，以减少镜片对光能的吸收损耗。2.1.5直接探测方法应用a) 光功率测量利用光探测器的光电转换特性，可以很容易实现光功率的测定，这也是直接探测技术的最简单，最直接的应用之一，一个好的光功率计除要求有一定的精度外，还应尽可能做到：1. 能响应宽的光谱范围，以适应对不同光辐射源的测量2. 具有大的动态范围。光探测器受待测光照射后，将光信号变成电流或电压信号，由于这个电流或电压信号一般都比较微弱，所以，再用一个稳定的线性放大器予以放大，输出至指示仪表，经过校准，即可直接读出光功率的绝对值。在测量微弱光功

9、率的场合，由于光探测器存在一定的暗电流和漏电流，信号光电流可能被淹没，为此，可在光功率计的探头中，采用斩波的方法，将恒定光变成交变光，经过隔直电容将交流信号与直流的暗电流和漏电流分离出来，再用锁相放大器放大到显示仪表所需电平。b) 条形码阅读器条形码是印刷在标签上的一系列宽窄不同，距离不等的黑色线宽，这些线条的组合代表着各种信息。对条形码进行读取的装置，实际上就是一种光辐射探测装置，这种装置通常称为阅读器。其核心是光探测器对条纹反射光强变化的直接探测。条形码阅读器原理框图如下所示： 图2.1.1条形码阅读器通常由两部分组成：一部分为输入装置，通常称作扫描器；另一部分是译码器。评价条形码扫描器好

10、坏由以下几个指标1. 条纹分辨率高2. 扫描角度适应性强。3. 黑白条纹反光强弱适应性强。4. 光信号抗干扰能力强而评价译码器，则有：1. 识别编码种类多2. 配接扫描器能力强3. 与微机接口多4. 拒识率与误码率低由条形码返回的光信号在扫描器中转换成电信号，再送至译码器变成一串编码信号，这个信号由计算机确定所代表的信号特征。其指标好坏与其光学系统，光源，光探测器和电路选择密切相关。2.2光外差探测方法2.2.1简介在电磁波谱的射频和微波波段，作为一种探测技术，外差接收的优点早已为人们所熟知，并在通信，广播，雷达等领域得到了广泛的应用。近年来，随着激光与红外技术的发展，外差探测技术也广泛用于光

11、学和红外波段。由于光外差探测是基于两束光在光探测器光敏面上的相干效应，因此，光外差探测又称为光辐射的相干探测，或差拍探测。2.2.2基本原理偏振方向相同，传播方向平行且重合的两束光垂直入射到光混频器上。一束是频率为（即原来的）的本振光，另一束是频率为（即原来的）的信号光。光混频器可在频率，和频（）及差频（-）处产生输出。但在实际情况下，光频，及（）极高，其远远超过光外差探测系统的响应速度。因此在光混频器的输出中只需考虑频率较低的差频项，亦即中频项。这个中频信号包含了信号光所携带的全部信息。中频信号经过中频放大器放大，解调器解调，最后得到所需要的信息。 下图所示为光差频探测的原理图 图 2.2.

12、12.2.3特点1. 有利于微弱光信号的探测。在光外差探测中，光混频器输出的中频信号功率正比于信号光和本振光平均光功率的乘积。而在直接探测中光探测器输出的光电流正比于信号光的平均光功率，即光探测器输出的电功率正比于信号光平均光功率的平方。在一般情况下，入射到光探测器上的信号光功率是非常小的（尤其在远距离上的应用，例如光雷达，光通讯等应用），因而，在直接探测中光探测器输出的电信号也是极其微弱的。在光外差探测过程中，尽管信号光功率非常小，但只要本振光功率足够大，仍能得到可观的中频输出。这就是光外差探测对微弱光信号的探测特别有利的原因。2. 可获得全部信息。在直接探测中，光探测器输出的光电流随信号光

13、的振幅或强度的变化而变化，光探测器对信号光的频率或相位变化不响应，在光外差探测中，光混频器输出的中频光电流的振幅,频率和相位都随信号光的振幅，频率和相位的变化而变化。这使我们能把频率调制和相位调制的信号光像幅度调制或强度调制一样进行解调。3. 具有良好的滤波性能。在直接探测过程中，光探测器除接收信号光以外，杂散背景光也不可避免的同时入射到光探测器上，为了抑制杂散背景光的干扰，提高信号噪声比，一般都要在光探测器的前面加上窄带虑光片，在光外差探测过程中，只有与本振光混频后所产生的输出仍在中频带宽以内的杂散背景光才能进入探测系统，而其它杂散背景光所引起的噪声则被中频滤波器滤除掉。而且，杂散背景光不会

14、在原来信号光和本振光所产生的相干项上产生附加的相干项。因此，对于光外差探测来说，杂散背景光的影响可以略去不计，由此可见，光外差探测方法具有良好的滤波性能。4. 具有高的转换增益。 直接探测过程是一种“包络检测过程”，光外差探测过程是将信号光的频率转换成的转换过程。在直接探测中，光探测器输出的信号功率。在光外差探测中，光混频器输出的中频功率由此可求出光外差探测所提供的中频功率转换增益为 （2.2.1）在实际应用中，本振光功率 远远大于信号光功率，故光外差的转换增益是很高的。2.2.4应用DOAS各类燃烧器、工业及商用锅炉的烟气排放造成了严重的空气污染, 对烟气中的有毒有害气体进行监测是环境保护工

15、作的一个重要方面, 是控制污染、治理污染的必要前提。 目前, 烟气成分检测手段主要分为电化学方法和光学方法, 一般便携式仪器采用的是电化学方法, 操作方便, 但不能提供完全的在线测量; 能在线测量的仪器大多采用光学方法, 有非分散红外线法、紫外荧光法、分光光度法等, 但仪器造价均很昂贵。差分吸收光谱方法(Differential Optical Absorption Spetroscopy) 最早由德国Heidelberg大学环境物理研究所的Ulrich Platt 提出, 主要是利用吸收分子在紫外到可见波段的特征吸收来研究大气层(平流层, 对流层) 的痕量气体成分(等) , 通过长光程吸收可

16、以测量到浓度很低的气体成分, 近来也出现了商用的DOA S 系统, 专门用于城市、地下通道、工业矿区的SO 2、NO x、O 3、CH4 等有害气体的监测.将DOA S 技术具体应用到烟气的分析测量中, 利用差分光谱计算方法对在300nm 附近的吸收光谱进行浓度反演, 这种分析方法克服了烟气中其它气体成分、烟尘带来的影响，也去除去了光源起伏、光学元件透过率、探测器光谱响应等测量系统带来的影响。DOAS原理：DOA S 方法广泛用于大气研究, 它基于L am bert2Beer 定律3 (2.2.2)式中 为光源发出的光强度, 为经过光程L 的透过强度, C 表示吸收成分的浓度,是相应的吸收截面

17、, 代表了由于大气分子散射, 光学系统透过率等引起的强度下降,是没有特征的宽带结构,表示波长.2.3微弱信号检测技术2.3.1序论 在许多新的研究和应用领域中，都涉及到微弱信号的精密测量。然而，由于任何一个系统都必然存在噪声，而所测量的信号本身又相当微弱，因此，如何把淹没于噪声中的有用信号提取出来的问题越来越引起人们的关注。通常从两条不同的途径来解决：1. 降低系统的噪声，使被测信号功率大于噪声功率，以达到信躁比大于12. 采用相关接收技术，可以保证在的情况下，仍能检测出信号。 在光电探测系统中，噪声来自信号光，背景光，光电探测器及电子电路。系统的干扰主要来自背景光干扰和系统以外的市电，电火花

18、，空间高频电磁场干扰等。通常抑制这些噪声和干扰的方法是：合理压缩系统视场，在光学系统结构上抑制背景光，加适当光谱滤波器，空间滤波器等以抑制背景光干扰。合理选择光信号的调制频率，使信号频率远离市电频率和空间高频电磁波频率，偏离1/f噪声为主的区域，以使光电探测系统在工作的波段范围内达到较高的信噪比。此外，在电子学信号处理系统中采用低噪声放大技术，选取适当的电子滤波器限制系统带宽，以抑制内部噪声及外部干扰。保证系统的信噪比大大改善，即使信号交微弱时，也能得到S/N>1的结果。但当信号非常微弱，甚至比噪声小几个数量级或者说信号完全被噪声深深淹没时，再采用上述的方法，就不会有效，必须利用信号和噪

19、声再时间特性方面的差别，也即利用信号和噪声在统计特性上的差别去区别它们，来提取被噪声淹没的极微弱的信号，即采用相关检测原理来提取信号。2.3.2相关检测原理利用信号在时间上相关这一特性，可以把深埋于噪声中的周期信号提取出来，这种提取方法称为相关检测或相干接收，是微弱信号检测的基础。从原则上讲，用通频带很窄的滤波器也可以从噪声中提取信号，但滤波器大的中心频率必须调在信号频率上。对于周期不固定或者频率不能做到绝对恒定的信号，滤波器的通频带不能过窄，因此信躁比的改善不可能太大。相关检测相当于一个跟踪滤波器，因而没有这方面的限制。信号的相关性用相关函数来描述，它代表线性相关的度量，是随机过程在两个不同

20、时间相关性的一个重要统计参量。在讨论微弱信号检测技术之前，有必要对信号的相关性及相关检测原理作一简单介绍。a) 相关函数 相关函数分为自相关函数和互相关函数。1) 自相关函数自相关函数是度量一个变化或随机过程在和两个时刻线性相关的统计参量，它是t和两点间的时间间隔的函数，定义为 （2.3.1）式中，为延迟时间，T为观察时间，x(t)表示随机过程的一个样本函数。根据维纳肯欣定理，x(t)的功率谱密度与之间满足傅立叶变换关系，即 （2.3.2）分析表明，自相关函数具有下列性质：I. 即为的偶函数。II. 在原点处最大，并且代表x(t)变化量的平均功率。III. 若变化量x(t)不包含周期性分量，则

21、将随的增加从最大值逐渐下降,衰减的越快，表示变化量x(t)相关性越小，由于白噪声在不同时期是不相关的，或其相关性很小，所以它的，随着的增加衰减的非常迅速。IV. 若变化量x(t)为规则函数，即包含有周期信号分量，则自相关函数也将包含有周期性分量。若x(t)为一纯周期信号，则自相关函数将包含原信号的基波与所有谐波。2) 互相关函数互相关函数是度量两个随机过程x(t),y(t)间的相关性函数，定义为 （2.3.3）式中为所考虑时间轴上两点间的时间间隔。 如果两个随机过程互相完全没有关系，则其互相关函数将为一个常数，并等于两个变化量平均值的乘积，若其中一个变化量平均值为零，则两个变化量互相关函数将处

22、处为零，即完全独立不相关。 如果两个变化量是具有相同基波频率的周期函数，则它们的互相关函数将保存它们的基波频率以及两者所共有的谐波。互相关函数中基波及谐波的相位为两个原函数的相位差。b) 相关检测简单来说相关检测就是利用信号具有良好的时间相关和不相关，使信号进行积累而噪声不积累的原理，从而把被噪声淹没的信号提取出来。相关检测分为自相关和互相关检测。 1) 自相关检测如下所示为自相关检测的原理图 图 2.3.1图中x(t)代表被测信号，它由被测信号和噪声信号组成，即 (2.3.4)将经过自相关处理，即把x(t)分成两路信号，其中一路经过延时器D延迟一段时间，表示为，将未经延迟的x(t)与同时送入

23、乘法器，再将其输出经过积分运算处理，最后便得到的自相关信号 。在实际测量中，只能对作有限时间的测量，设测量时间从0开始，到T结束，则短时间相关函数为 （2.3.5）将代入上式，则 （2.3.6）式中，分别为信号和噪声的自相关函数，,为信号与噪声的互相关函数，由于信号与噪声互不相关，并假设噪声的平均值为零，则根据相关函数的性质有，则 （2.3.7） 由于噪声在时间上的不相关性，随时间的增加很快衰减至零，相反，周期信号是相关的，将随时间的增加远大于。这样，被测信号x(t)作自相关处理后，其输出信号的自相关函数近似为 （2.3.8）上式表明，经过自相关处理后，保留了信号，抑制了噪声，这就是相关检测要达到的目的。自相关检测输出波形： 图2.3.2 2) 互相关检测与自相关检测类似，互相关检测是利用一个与待测信号同频率的信号y(t)，对被噪声干扰的信号作互相关处理 （2.3.8）上式表明，最后输出的信号只保留与参考信号相关的信号部分，噪声却被完全抑制掉零了，但在实际测量中，由于测量时间有限，对短时间的互相关函数 （2