第9章直接探测系统

光电信号检测第九章直接探测系统4/6/20261§9－1光电探测系统的类型与指标一、光电系统分类光电探测系统的类型是很多的，可以从不同角度出发把系统进行分类。分类的目的是可以突出同类系统的特点和共性，以便掌握其规律性的内容。4/6/20262分类1）按携带信息的光源分，可分为主动系统和被动系统2）按光谱范围分，可分为可见光探测系统和红外探测系统3）按接收系统分，可分为点探测系统和面探测系统4）从调制方式和信号处理电路的类型分，也可分为模拟系统和数字系统5）从光波对信息信号(或被测未知量)的携带方式分，可分为直接探测系统和相干探测系统4/6/20263目标大气光学系统调制器光电探测器电子学系统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学系统接收系统接收系统发射系统光源调制器光学系统信息源4/6/20264二、光电系统评价指标光电系统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。对于模拟系统来说，人们所关心的是光所传输的信息经过光电探测系统检出以后其波形是否畸变。在系统中影响波形畸变的因素可能有许多，但是实际上许多因素可以通过精心设计各个环节而得到解决，影响信息信号畸变的最根本的因素是噪声。因此衡量模拟光电系统的一个重要指标是信噪比。对于不同要求的探测系统要求的信噪比不同，有的只要求3～5，在一些精密测量中则要求10～100，甚至更高。4/6/20265一、直接探测的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，由光探测器将光强信号直接转化为相应的电流或电压，根据不同系统的要求，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。信号光场可表示为，式中，A是信号光电场振幅，ω是信号光的频率，则其平均光功率P为由光电转换的基本规律可知，光探测器输出的光电流为若光探测器的负载电阻为RL，则光探测器输出的电功率为光探测器输出的电功率正比于入射光功率的平方。4/6/20268光探测器对光的响应特性包含两层含意，一是光电流正比于光场振幅的平方，即光的强度；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(IM)光，调制信号为d(t)，则光探测器输出的光电流为式中第一项为直流项，若光探测器输出有隔交流电容，则输出光电流只包含第一项，这就是直接探测的基本物理过程；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。4/6/202694/6/202610则输出功率信噪比为：讨论：1）若PS/Pn<<1，SNR＝(Ps/Pn)2 ，直接探测系统不适于微弱光的探测。2）若PS/Pn>>1，SNR＝Ps/2Pn3）直接探测方法不能改善输入信噪比；但方法简单、可靠性高、成本低。4/6/202611三、直接探测系统的探测极限及趋近方法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则输出信号噪声比为：分别为信号光、背景光、暗电流引起的噪声以及负载电阻和放大器热噪声之和。4/6/202612当热噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，则直接探测系统受热噪声限制，这时的信噪比为当散粒噪声远大于热噪声时，热噪声可以忽略，则直接探测系统受散粒噪声限制，这时的信噪比为当背景噪声是直接探测系统的主要噪声源，而其它噪声可以忽略时，则直接探测系统受背景噪声限制，这时的信噪比为4/6/202613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，而其它噪声可以忽略时，则直接探测系统受信号噪声限制，这时的信噪比为：此为直接探测在理论上的极限信噪比，也称为直接探测系统的量子极限。在量子极限下，直接探测系统理论上可测量的最小功率为4/6/202614假定探测器的量子效率为1，测量带宽为1Hz，则最小可探测功率为2hν，此结果己接近单个光子的能量。但在实际直接探测系统中，很难达到量子极限探测：因为实际系统的视场不能是衍射极限对应的小视场，于是背景噪声不可能为零；任何实际的光探测器总会有噪声存在；光探测器本身具有电阻以及负载电阻等都会产生热噪声；放大器也不可能没有噪声。—般地，在直接探测中，光电倍增管、雪崩管的探测能力高于光电导器件。采用有内部高增益的探测器是直接探测系统可能趋近探测极限的唯一途径。但由于增益过程将同时使噪声增加，故存在一个最佳增益系数。4/6/202615作用距离：对于点目标，当目标的张角小于系统的瞬时视场时，光电系统所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系统的作用距离。通常希望作用距离越大越好。提高系统作用距离与提高系统输出信噪比有相同的意义。分析直接探测系统各环节对系统作用距离的影响。（主动、被动）§9－3直接光电探测系统的作用距离4/6/202616一、发射系统对于主动系统来说，所接收到的功率与光源发射功率有关。若光源是一个点光源，其辐射功率为P(t)，并向四周发射球面波。则Ar面接收到的功率为4/6/202617要充分利用发射源的能量必须提高单位立体角辐射功率。所以，一般发射系统都由光源和发射光学系统组成，用光学系统来提高单位立体角发射的能量。最简单的点光源放在球面反射镜的球心，发射光束的立体角变为Ωa，得到功率增益为实际光源不都是向4π立体角辐射的点光源，而是有一确定的发散角Ω0。所以功率增益的一般式为球面、非球面、倒置望远镜4/6/202618二、光在大气中的传输光波自光源发出后到达接收系统以前一般都经过大气层(除光纤传输外)。在远距离探测时，经过大气的距离还相当长，大气对光的传播影响很大。对于光电系统来说，大气这个环节是一个非常复杂的环节。光在大气中传播时，由于受到空气中水蒸气、二氧化碳、臭氧等分子及烟雾、灰尘等微粒的吸收和散射作用，使光在传播过程中遭到衰减。4/6/202619在2.7和6.3μm附近以及21～100μm之间，有水汽的强振转吸收带；在2.7、4.3和14.7μm附近有二氧化碳的强振转吸收带;而在可见光区和8～13μm红外区，吸收不明显，是两个对遥感探测和大气辐射十分重要的大气窗区。若接收辐射的高度由海平面移至高空，如移至11公里高空，则由于水汽等大量减少，大气吸收也大为减少。太阳辐射的紫外部分，波长在0.2μm以下，主要被大气中原子态或分子态的氧和氮所吸收，完全不能到达地面。波长短于0.34μm的太阳紫外辐射，由臭氧的哈特莱(Hartley)吸收带(0.2～0.3μm)和哈根斯(Huggins)吸收带（0.32～0.36μm）的共同作用，在到达地面之前，也绝大部分被吸收。在可见光窗区，大气吸收较少，这里主要有臭氧的夏普伊(Chappuis)吸收带（0.43～0.75μm），氧在0.54μm和0.76μm附近的吸收，以及水汽在0.69μm附近的吸收等。4/6/202620某一波长的光强因大气分子吸收衰减而表现出的透过率与距离的关系可表示为式中，I0(λ)为射入大气的光强度，I(λ)为经距离L后透射的光强度。k(λ)是每个分子的吸收系数，μ为吸收总分子数，n为单位截面、单位距离内的分子数。4/6/202621大气的散射是由大气中不同大小的颗粒反射或者折射所造成的，这些颗粒包括组成大气的气体分子、灰尘和大的水滴。单纯散射没有能量损失，它只是改变了能量的分配方向。散射过程与大气中散射颗粒的尺寸分布、组成和浓度，以及入射波长有很大关系。4/6/202622散射可分成三类情况：

(1)瑞利散射：当粒子的尺寸只有波长的几十分之一时，如空气分子和空气中的含碳气体分子等，就产生瑞利散射。它的散射力与入射光波长的四次方成反比。例如，0.45μm蓝光的散射力为0.7μm红光的六倍，来自太阳的蓝光则全向散射。因此，从侧面看太阳光呈蓝色，而迎着太阳光看则为红色。同理，日出和日落时的太阳看上去呈红色。

(2)米氏散射(散射颗粒与辐射波长相近似，也叫气溶胶散射)：当粒子直径与波长相当如水蒸汽、气溶胶等而能见度恶化时，就会发生以米氏散射为主的散射现象。

(3)无选择性散射(散射颗粒较辐射波长大)当粒子比波长大得多时(如漂浮尘埃、水珠、雨等），散射仅取决于粒子的几何形状，这样就失去了波长的选择性。全部色光均等同地散射。云看上去为白色就是这个道理。4/6/202623大气的散射还存在多次过程，即被一种散射颗粒所散射的辐射还可能再一次被另一散射颗粒所散射。散射的结果是大气本身像一个发光体，有自身的辐亮度。大气朝下散射使地球表面增加了一个漫射照射的分量，降低了地面景物的对比度；大气朝上的散射可以直接进入遥感器。大气散射导致景物的对比度在到达空间遥感器时有显著的降低。入射光线一次散射二次散射三次散射接收器4/6/202624大气散射作用对入射光强的衰减也符合指数衰减规律。散射作用表现出大气的透过率与距离之间的关系也可表示为

r(λ)为散射系数，它是光波长的函数，还与散射粒子的横截面有关。由于大气的散射衰减作用和吸收衰减作用叠加在一起，使实际大气透过率τ12λ为大气透过率是距离的函数，同时还是光波长的函数。严格讲大气透过率是随机值，它和大气的组成、物质微粒密度及气象条件等因素有关。4/6/202625图中给出了大气透过率与波长的关系曲线。在红外波段，大气透过曲线中有几个透明度较高的波段，称为“大气窗口”。几个大气窗口的波段是：0.72～0.94μm；0.95～1.05μm；1.15～1.35μm；1.5～1.8μm；2.1～2.4μm；3.3～4.2μm；4.5～5.1μm；8～14μm。0.720.941.131.381.902.74.36.015.0100806040200波长/μm透过率/%远距离工作的光电探测系统总是首先把光源发射光谱选在大气窗口范围内，以便获得较高的大气透过率。对于被动系统，目标的红外辐射光谱范围虽然很宽，但能被系统接收到的也只是大气透射窗光谱范围的能量。4/6/2026264/6/2026274/6/2026284/6/202629光在大气中传播时，除功率辐度的衰减外，还会产生光束的弯曲、光波相位的变化、偏振态波动等现象。这些现象的发生是由于大气湍流效应造成的。在干燥炎热的夏天，湍流对激光传播的影响尤为突出。主要表现为下述几方面：1．强度闪烁

当激光束直径湍流尺度大很多时，光束截面内可能包容许多湍流涡旋体，每个涡旋体对照射在其上的部分光独立地散射和衍射，从而造成光束截面的强度分布个均匀，在空间上光强此起彼伏，在时间上时隐时现。此种现象称为“闪烁”。强度闪烁造成探测系统的附加噪声，使系统接收灵敏度下降。2．光束抖动

当光束直径与湍流尺寸相当时，在接收平面上形成到达角(波法线与光轴之间的夹角)的随机起伏，使光束波前出现随机偏转，即通常所说的波前畸变。波前畸变使外差接收灵敏度下降。这种现象用望远镜观察行星时，会在像面上看到像点抖动现象。3．光束偏转

当光束直径与湍流尺寸相比很小时，湍流效应使光束作为一体而随机偏转。在接收口径内短时间呈现为光束截面位置发生偏移；在长时间内呈现为光斑中心位置的随机漂移，漂移频率可达数十赫兹。有时也把这种现象称为光束弯曲。由于光束漂移将使定向(瞄准)精度降低。4/6/202630三、接收光学系统接收光学系统首先要考虑的是把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。光电探测器所接收到的功率Ps(t)为式中：P(λ)为单位波长单位立体角所收到的功率；Ar为光学系统接收面积；τ1λ为大气的光谱透过率；τ2λ为光学系统材料的光谱透过率(包括调制器的透过率)；L为辐射源到接收系统的距离(L>>Ar)；Ar/L2为接收口径所对应的立体角。入射光探测器Ar4/6/2026311.被动系统

对于被动系统，P(λ)遵守黑体或灰体光谱辐射率公式，由普朗克公式得所以，接收光学系统所接收的系统功率为4/6/2026322．主动系统(1)如果接收系统直接接收光源辐射的能量，此时P(λ)表示为

式中，P(t)λ为光源发射波长为λ的辐射功率；Ga为发射光学系统的增益。Ωa为光源本身的发散角。接收光学系统所接收的系统功率为4/6/202633（2）对于主动系统，当接收系统的功率是来自被照射目标的反射功率时，对于大目标反射，反射体表面积A’D比照射光面积A’’D大时，反射功率是在π立体角内，于是式中，P(t)λ为光源发射波长为λ并照射到目标上的功率；ρ为反射体表面的反射率。这样，接收光学系统所接收的功率为4/6/202634(3)对于小目标反射时，反射体表面积A’D小于照射光面积A’’D，则式中，Ωa为发射光学系统的发散角。若光电探测器与发射源在同一基地，可认为接收系统距反射体也为L，则接收光学系统所接收的功率为4/6/202635结论：直接探测系统接收器所接收到的功率与下列因素有关(1)接收系统所能接收到的功率与距离平方成反比。接收到的功率随距离的增加面衰减很快。但对于反射目标尺寸小于光源照射面积的系统，这时接收到的功率与距离四次方成反比，这是激光雷达、激光漫反射测距时遇到的情况。(2)光源光束的发散角越小，接收系统能接收到的功率越大。(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也越大，或在同样的接收灵敏度下，系统的作用距离也越大，用合作目标(如角反射镜)就是增大接收光功率的方法之一；(4)接收功率与接收光学系统的口径(接收面积)直接有关。在结构尺寸允许条件下，要增大光学系统口径。(5)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。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。若系统工作距离较长，还应选用处于大气“窗口”之内的光波长。4/6/202636当光学系统所收到的辐射功率全部集中到探测器上，由接收到的辐射功率结合探测器参数以及系统带宽，便可得到系统的距离方程。四、直接光电探测系统的作用距离对于被动光电系统4/6/202637简化处理：(1)取τ1λ为被测距离L内在λ1～λ2区域内的平均透过率τ1。(2)光学系统的透过率τ2λ，也取在λ1～λ2光谱范围内的平均值。(3)把探测器对波长λ1～λ2内的响应度看成是一个矩形带宽，在λ1～λ2的光谱范围内响应度为常数Rv，在λ1～λ2以外的光谱响应度为零。(4)物体在λ1～λ2内的单位立体角辐射功率为J1。则被动系统的距离为：4/6/202638分析从距离公式可以看出，Ar/Ad越大，L也越大。这里除了理解为光学系统口径尽可能要取大值，探测器面积尽可能取小值外，还需要保证光学系统接收到的能量都落在探测器面积Ad以内，所以远距离探测系统通常接收物境采用有大的相对孔径(D／f)的光学系统。从公式还可看出，探测器的D*参数愈高愈好。系统的信噪比Vs/Vn小，L就大。但是Vs/Vn小意味着系统工作可靠性差、精度低。对于跟踪系统一服要求情噪比3～5；对于精度测量系统要求较高，一般为10～100。从公式还可看出，系统通频带Δf愈窄，L就愈大。但是Δf这个值不能任意取很小值，它与信号的性质有关。4/6/202639§9－4直接探测系统的视场系统都需要有一定的视场，以保证被测对象的信号始终在测量过程中被系统接收到。视场越大，探测范围越大。视场越大，成像质量越差，边缘视场的像差难以校正。4/6/202640一、点探测器对应的视场及背景辐射在许多情况下，探测器位于光学系统的后焦面上，探测器光敏面的面积Ad决定了系统的现场。视场角Ω可表示为式中，fr是光学系统的焦距。从理论上讲远处的目标在探测器上所得到的尺寸是夫朗和费衍射所形成的艾里斑。实际上由于光学系统存在像差，在光学系统焦面上得到的是比艾里斑要大得多的弥散斑。考虑到大气扰动引起的像点跳动，某些目标可能是运动目标等因素，实际探测器的面积总的衍射极限决定的艾里斑尺寸要大得多。4/6/202641实际系统的视场尽可能取小值。因为探测器中除了光电管和光电倍增管外，其它各种探测器的面积都是较小的。一方面是工艺上的限制，另—方面是探测器不可避免地在接收到目标功率的同时会接收到背景功率，探测器面积愈大，接收到的背景功率也增大，由背景辐射引入系统的噪声也大。因此，视场和系统的探测能力(作用距离)是矛盾的，需要综合考虑。限制背景功率的办法：一方面是在空间上限制系统视场角，另一方面是加光学滤光片对背景进行光谱滤波。因为背景的辐射是宽光谱范围的，而信号功率所占的光谱范围不会与背景完全一致，尤其是激光器作光源，光谱范围极窄。采用光谱滤光片，可使滤光片透光波段与信号光谱范围吻合。这是直接探测系统中抑制背景噪声最有效的方法之一。4/6/202642二、扩展系统视场的方法1.采用多元探测器阵列或采用摄像器件多元探测器