光電檢測方法

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上光電檢測方法2.1直接探測2.1.1基本物理過程直接探測是將待檢測的光信號直接入射到光探測器的光敏面上，由光探測器將光信號直接轉(zhuǎn)化為電流或電壓，根據(jù)不同的要求，再經(jīng)后續(xù)電路處理，最后獲得有用的信號。一般，光探測器前可采用光學(xué)天線，在其前端還可經(jīng)過頻率濾波和空間濾波處理。這是為了進(jìn)一步提高探測效率和減小雜散的背景光。信號光場可表示為，式中，A是信號光電場振幅，是信號光的頻率。則其平均功率P為 （2.1.1）光探測器輸出的光電流為 （2.1.2）若光探測器的負(fù)載電阻為,則光探測器輸出的電功率為 （2.1.3）光探測器輸出的電功率正比于入射光功率的平方。從而可知，光探測器對

2、光的響應(yīng)特性包含兩層含意，其一是光電流正比于光場振幅的平方，即光的強度；其二是電輸出功率正比于入射光功率的平方。如果入射信號光為強度調(diào)制（TM）光，調(diào)制信號為。從而得 （2.1.4）式中第一項為直流項，若光探測器輸出有隔直流電容，則輸出光電流只包含第二項，這就是直接探測的基本物理過程，需強調(diào)指出，探測器響應(yīng)的是光場的包絡(luò)，目前，尚無能直接響應(yīng)光場頻率的探測器。2.1.2信噪比設(shè)入射到光探測器的信號光功率為,噪聲功率為，光探測器輸出的信號電功率為，輸出的噪聲功率為?？傻?（2.1.5）根據(jù)噪聲比的定義，則輸出功率信噪比為 （2.1.6）從上式可以看出I. 若 ，則有 （2.1.7）輸出信噪比等于

3、輸入信噪比的平方。由此可見，直接探測系統(tǒng)不適于輸入信號比小于1或者微弱光信號的探測。II. 若 ，則 （2.1.8）輸出信噪比等于輸入信噪比的一半，即經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后信噪比損失了3dB，在實際應(yīng)用中還是可以接受的。由此可見，直接探測方法不能改善輸入信噪比。如果考慮直接探測系統(tǒng)存在的所以噪聲，則輸出噪聲總功率為 （2.1.9） 式中，分別為信號光，背景光和暗電流引起的散粒噪聲。為負(fù)載電阻的熱噪聲。 （2.1.10）當(dāng)直接探測系統(tǒng)主要為信號光引起的散粒噪聲限制（即量子噪聲限）時 （2.1.11）這就是理想的直接探測系統(tǒng)所能達(dá)到的最大信噪比極限。2.1.3噪聲等效功率(NEP)不同的系統(tǒng)有不同的信噪比要

4、求，因而不可能有歸一化的靈敏度指標(biāo)，為了便于分析和評估探測系統(tǒng)的性能，引入等效噪聲功率（NEP）這一指標(biāo)。它可以反映直接探測系統(tǒng)微弱光輻射的能力。等效噪聲功率為,時所需的信號功率。在直接探測系統(tǒng)中往往同時存在多種噪聲源，但是，在不同情況下，各種噪聲源的噪聲電平是不同的，按不同的起主導(dǎo)作用的噪聲源分析，可得出一下幾種噪聲限下的NEP。一般情況下的NEP表示式 （2.1.12）當(dāng)熱噪聲是直接探測系統(tǒng)的主要噪聲源，而其他噪聲可以忽略時，我們就說直接探測系統(tǒng)受熱噪聲限制，這時的NEP為 （2.1.13）當(dāng)散粒噪聲為主，其它噪聲可以忽略時，則直接探測系統(tǒng)受散粒噪聲限制，這時的NEP為 （2.1.14）當(dāng)

5、背景噪聲是直接探測系統(tǒng)的主要噪聲源，其它噪聲可以忽略時，我們就說直接探測系統(tǒng)受背景噪聲限制，這時的NEP為 （2.1.15） 當(dāng)入射的信號光波所引起的散粒噪聲時直接探測系統(tǒng)的主要噪聲源，而其它噪聲可以忽略時，直接探測系統(tǒng)受信號噪聲限制，這時的NEP為 （2.1.16）在實際的直接探測系統(tǒng)中，很難實現(xiàn)信號噪聲極限探測，因為任何實際的光探測器都不是理想探測器，總會有噪聲存在，在直接探測系統(tǒng)中所用的放大器也不可能沒有噪聲，至多可以做到放大器噪聲比光探測器噪聲低，再者，背景輻射和暗電流往往是客觀存在的，最后，光探測器本身具有的電阻以及負(fù)載電阻等都會產(chǎn)生熱噪聲。所以信號噪聲限制的探測只能理解為直接探測系

6、統(tǒng)的理想工作狀態(tài)。從以上分析可知，要想達(dá)到良好的直接探測效果，在接收光功率受到一定限制的情況下，必須合理的選擇光探測器件，盡可能的降低各種噪聲，以改善系統(tǒng)的特性。2.1.4接收光學(xué)系統(tǒng)為了改善直接探測系統(tǒng)的性能，非常直觀的分析是應(yīng)盡可能多的收集信號光功率，為達(dá)到此目的，除了在可能條件下選擇大的探測器件，往往也采用各種光學(xué)系統(tǒng)。接收光學(xué)系統(tǒng)是為了收集盡可能多信號光能量，并使光束直徑小于光探測器的直徑，入射到光探測器光敏面上,對不同的系統(tǒng)，單位波長單位立體角所接收到的光功率具有不同的表達(dá)形式在一定距離上進(jìn)行直接探測時，光探測器所能接收到的光功率與下述因素有關(guān)：i. 接收系統(tǒng)所能接收到的光功率與距離

7、平方成反比，接收到的光能量隨距離增加而衰減很快ii. 目標(biāo)反射的光功率愈大，則在同一距離上接收到光功率也愈大，或在同樣的接收靈敏度下，系統(tǒng)的作用距離也愈大，用合作目標(biāo)就是增大接收光功率的方法之一。iii. 光源發(fā)散角愈小，接收系統(tǒng)能接收到的光功率愈大，所以，在發(fā)射端往往采用準(zhǔn)直或會聚透鏡系統(tǒng)來準(zhǔn)直光束。iv. 接收到的光功率與接收光學(xué)系統(tǒng)的口徑直接有關(guān)，在結(jié)構(gòu)尺寸允許的條件下，增大接收光學(xué)系統(tǒng)的口徑是有效的辦法。但必須使出，由于大氣傳輸，會引入隨機閃爍，在一定程度上，過大的口徑，反而會增大噪聲。v. 各種光源發(fā)射的能量有確定的光譜，除選用與之匹配的光探測器外，光學(xué)系統(tǒng)的材料也應(yīng)與之匹配。若工作

8、距離較長，還應(yīng)選用處于大氣窗口以內(nèi)的波長。光學(xué)系統(tǒng)盡可能選擇鏡片少的透鏡組，如用反射或折反射式系統(tǒng)，以減少鏡片對光能的吸收損耗。2.1.5直接探測方法應(yīng)用a) 光功率測量利用光探測器的光電轉(zhuǎn)換特性，可以很容易實現(xiàn)光功率的測定，這也是直接探測技術(shù)的最簡單，最直接的應(yīng)用之一，一個好的光功率計除要求有一定的精度外，還應(yīng)盡可能做到：1. 能響應(yīng)寬的光譜范圍，以適應(yīng)對不同光輻射源的測量2. 具有大的動態(tài)范圍。光探測器受待測光照射后，將光信號變成電流或電壓信號，由于這個電流或電壓信號一般都比較微弱，所以，再用一個穩(wěn)定的線性放大器予以放大，輸出至指示儀表，經(jīng)過校準(zhǔn)，即可直接讀出光功率的絕對值。在測量微弱光功

9、率的場合，由于光探測器存在一定的暗電流和漏電流，信號光電流可能被淹沒，為此，可在光功率計的探頭中，采用斬波的方法，將恒定光變成交變光，經(jīng)過隔直電容將交流信號與直流的暗電流和漏電流分離出來，再用鎖相放大器放大到顯示儀表所需電平。b) 條形碼閱讀器條形碼是印刷在標(biāo)簽上的一系列寬窄不同，距離不等的黑色線寬，這些線條的組合代表著各種信息。對條形碼進(jìn)行讀取的裝置，實際上就是一種光輻射探測裝置，這種裝置通常稱為閱讀器。其核心是光探測器對條紋反射光強變化的直接探測。條形碼閱讀器原理框圖如下所示： 圖2.1.1條形碼閱讀器通常由兩部分組成：一部分為輸入裝置，通常稱作掃描器；另一部分是譯碼器。評價條形碼掃描器好

10、壞由以下幾個指標(biāo)1. 條紋分辨率高2. 掃描角度適應(yīng)性強。3. 黑白條紋反光強弱適應(yīng)性強。4. 光信號抗干擾能力強而評價譯碼器，則有：1. 識別編碼種類多2. 配接掃描器能力強3. 與微機接口多4. 拒識率與誤碼率低由條形碼返回的光信號在掃描器中轉(zhuǎn)換成電信號，再送至譯碼器變成一串編碼信號，這個信號由計算機確定所代表的信號特征。其指標(biāo)好壞與其光學(xué)系統(tǒng)，光源，光探測器和電路選擇密切相關(guān)。2.2光外差探測方法2.2.1簡介在電磁波譜的射頻和微波波段，作為一種探測技術(shù)，外差接收的優(yōu)點早已為人們所熟知，并在通信，廣播，雷達(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著激光與紅外技術(shù)的發(fā)展，外差探測技術(shù)也廣泛用于光

11、學(xué)和紅外波段。由于光外差探測是基于兩束光在光探測器光敏面上的相干效應(yīng)，因此，光外差探測又稱為光輻射的相干探測，或差拍探測。2.2.2基本原理偏振方向相同，傳播方向平行且重合的兩束光垂直入射到光混頻器上。一束是頻率為（即原來的）的本振光，另一束是頻率為（即原來的）的信號光。光混頻器可在頻率，和頻（）及差頻（-）處產(chǎn)生輸出。但在實際情況下，光頻，及（）極高，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過光外差探測系統(tǒng)的響應(yīng)速度。因此在光混頻器的輸出中只需考慮頻率較低的差頻項，亦即中頻項。這個中頻信號包含了信號光所攜帶的全部信息。中頻信號經(jīng)過中頻放大器放大，解調(diào)器解調(diào)，最后得到所需要的信息。 下圖所示為光差頻探測的原理圖 圖 2.2.

12、12.2.3特點1. 有利于微弱光信號的探測。在光外差探測中，光混頻器輸出的中頻信號功率正比于信號光和本振光平均光功率的乘積。而在直接探測中光探測器輸出的光電流正比于信號光的平均光功率，即光探測器輸出的電功率正比于信號光平均光功率的平方。在一般情況下，入射到光探測器上的信號光功率是非常小的（尤其在遠(yuǎn)距離上的應(yīng)用，例如光雷達(dá)，光通訊等應(yīng)用），因而，在直接探測中光探測器輸出的電信號也是極其微弱的。在光外差探測過程中，盡管信號光功率非常小，但只要本振光功率足夠大，仍能得到可觀的中頻輸出。這就是光外差探測對微弱光信號的探測特別有利的原因。2. 可獲得全部信息。在直接探測中，光探測器輸出的光電流隨信號光

13、的振幅或強度的變化而變化，光探測器對信號光的頻率或相位變化不響應(yīng)，在光外差探測中，光混頻器輸出的中頻光電流的振幅,頻率和相位都隨信號光的振幅，頻率和相位的變化而變化。這使我們能把頻率調(diào)制和相位調(diào)制的信號光像幅度調(diào)制或強度調(diào)制一樣進(jìn)行解調(diào)。3. 具有良好的濾波性能。在直接探測過程中，光探測器除接收信號光以外，雜散背景光也不可避免的同時入射到光探測器上，為了抑制雜散背景光的干擾，提高信號噪聲比，一般都要在光探測器的前面加上窄帶慮光片，在光外差探測過程中，只有與本振光混頻后所產(chǎn)生的輸出仍在中頻帶寬以內(nèi)的雜散背景光才能進(jìn)入探測系統(tǒng)，而其它雜散背景光所引起的噪聲則被中頻濾波器濾除掉。而且，雜散背景光不會

14、在原來信號光和本振光所產(chǎn)生的相干項上產(chǎn)生附加的相干項。因此，對于光外差探測來說，雜散背景光的影響可以略去不計，由此可見，光外差探測方法具有良好的濾波性能。4. 具有高的轉(zhuǎn)換增益。 直接探測過程是一種“包絡(luò)檢測過程”，光外差探測過程是將信號光的頻率轉(zhuǎn)換成的轉(zhuǎn)換過程。在直接探測中，光探測器輸出的信號功率。在光外差探測中，光混頻器輸出的中頻功率由此可求出光外差探測所提供的中頻功率轉(zhuǎn)換增益為 （2.2.1）在實際應(yīng)用中，本振光功率 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號光功率，故光外差的轉(zhuǎn)換增益是很高的。2.2.4應(yīng)用DOAS各類燃燒器、工業(yè)及商用鍋爐的煙氣排放造成了嚴(yán)重的空氣污染, 對煙氣中的有毒有害氣體進(jìn)行監(jiān)測是環(huán)境保護(hù)工

15、作的一個重要方面, 是控制污染、治理污染的必要前提。 目前, 煙氣成分檢測手段主要分為電化學(xué)方法和光學(xué)方法, 一般便攜式儀器采用的是電化學(xué)方法, 操作方便, 但不能提供完全的在線測量; 能在線測量的儀器大多采用光學(xué)方法, 有非分散紅外線法、紫外熒光法、分光光度法等, 但儀器造價均很昂貴。差分吸收光譜方法(Differential Optical Absorption Spetroscopy) 最早由德國Heidelberg大學(xué)環(huán)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見波段的特征吸收來研究大氣層(平流層, 對流層) 的痕量氣體成分(等) , 通過長光程吸收可

16、以測量到濃度很低的氣體成分, 近來也出現(xiàn)了商用的DOA S 系統(tǒng), 專門用于城市、地下通道、工業(yè)礦區(qū)的SO 2、NO x、O 3、CH4 等有害氣體的監(jiān)測.將DOA S 技術(shù)具體應(yīng)用到煙氣的分析測量中, 利用差分光譜計算方法對在300nm 附近的吸收光譜進(jìn)行濃度反演, 這種分析方法克服了煙氣中其它氣體成分、煙塵帶來的影響，也去除去了光源起伏、光學(xué)元件透過率、探測器光譜響應(yīng)等測量系統(tǒng)帶來的影響。DOAS原理：DOA S 方法廣泛用于大氣研究, 它基于L am bert2Beer 定律3 (2.2.2)式中 為光源發(fā)出的光強度, 為經(jīng)過光程L 的透過強度, C 表示吸收成分的濃度,是相應(yīng)的吸收截面

17、, 代表了由于大氣分子散射, 光學(xué)系統(tǒng)透過率等引起的強度下降,是沒有特征的寬帶結(jié)構(gòu),表示波長.2.3微弱信號檢測技術(shù)2.3.1序論 在許多新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域中，都涉及到微弱信號的精密測量。然而，由于任何一個系統(tǒng)都必然存在噪聲，而所測量的信號本身又相當(dāng)微弱，因此，如何把淹沒于噪聲中的有用信號提取出來的問題越來越引起人們的關(guān)注。通常從兩條不同的途徑來解決：1. 降低系統(tǒng)的噪聲，使被測信號功率大于噪聲功率，以達(dá)到信躁比大于12. 采用相關(guān)接收技術(shù)，可以保證在的情況下，仍能檢測出信號。 在光電探測系統(tǒng)中，噪聲來自信號光，背景光，光電探測器及電子電路。系統(tǒng)的干擾主要來自背景光干擾和系統(tǒng)以外的市電，電火花

18、，空間高頻電磁場干擾等。通常抑制這些噪聲和干擾的方法是：合理壓縮系統(tǒng)視場，在光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上抑制背景光，加適當(dāng)光譜濾波器，空間濾波器等以抑制背景光干擾。合理選擇光信號的調(diào)制頻率，使信號頻率遠(yuǎn)離市電頻率和空間高頻電磁波頻率，偏離1/f噪聲為主的區(qū)域，以使光電探測系統(tǒng)在工作的波段范圍內(nèi)達(dá)到較高的信噪比。此外，在電子學(xué)信號處理系統(tǒng)中采用低噪聲放大技術(shù)，選取適當(dāng)?shù)碾娮訛V波器限制系統(tǒng)帶寬，以抑制內(nèi)部噪聲及外部干擾。保證系統(tǒng)的信噪比大大改善，即使信號交微弱時，也能得到S/N>1的結(jié)果。但當(dāng)信號非常微弱，甚至比噪聲小幾個數(shù)量級或者說信號完全被噪聲深深淹沒時，再采用上述的方法，就不會有效，必須利用信號和噪

19、聲再時間特性方面的差別，也即利用信號和噪聲在統(tǒng)計特性上的差別去區(qū)別它們，來提取被噪聲淹沒的極微弱的信號，即采用相關(guān)檢測原理來提取信號。2.3.2相關(guān)檢測原理利用信號在時間上相關(guān)這一特性，可以把深埋于噪聲中的周期信號提取出來，這種提取方法稱為相關(guān)檢測或相干接收，是微弱信號檢測的基礎(chǔ)。從原則上講，用通頻帶很窄的濾波器也可以從噪聲中提取信號，但濾波器大的中心頻率必須調(diào)在信號頻率上。對于周期不固定或者頻率不能做到絕對恒定的信號，濾波器的通頻帶不能過窄，因此信躁比的改善不可能太大。相關(guān)檢測相當(dāng)于一個跟蹤濾波器，因而沒有這方面的限制。信號的相關(guān)性用相關(guān)函數(shù)來描述，它代表線性相關(guān)的度量，是隨機過程在兩個不同

20、時間相關(guān)性的一個重要統(tǒng)計參量。在討論微弱信號檢測技術(shù)之前，有必要對信號的相關(guān)性及相關(guān)檢測原理作一簡單介紹。a) 相關(guān)函數(shù) 相關(guān)函數(shù)分為自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)。1) 自相關(guān)函數(shù)自相關(guān)函數(shù)是度量一個變化或隨機過程在和兩個時刻線性相關(guān)的統(tǒng)計參量，它是t和兩點間的時間間隔的函數(shù)，定義為 （2.3.1）式中，為延遲時間，T為觀察時間，x(t)表示隨機過程的一個樣本函數(shù)。根據(jù)維納肯欣定理，x(t)的功率譜密度與之間滿足傅立葉變換關(guān)系，即 （2.3.2）分析表明，自相關(guān)函數(shù)具有下列性質(zhì)：I. 即為的偶函數(shù)。II. 在原點處最大，并且代表x(t)變化量的平均功率。III. 若變化量x(t)不包含周期性分量，則

21、將隨的增加從最大值逐漸下降,衰減的越快，表示變化量x(t)相關(guān)性越小，由于白噪聲在不同時期是不相關(guān)的，或其相關(guān)性很小，所以它的，隨著的增加衰減的非常迅速。IV. 若變化量x(t)為規(guī)則函數(shù)，即包含有周期信號分量，則自相關(guān)函數(shù)也將包含有周期性分量。若x(t)為一純周期信號，則自相關(guān)函數(shù)將包含原信號的基波與所有諧波。2) 互相關(guān)函數(shù)互相關(guān)函數(shù)是度量兩個隨機過程x(t),y(t)間的相關(guān)性函數(shù)，定義為 （2.3.3）式中為所考慮時間軸上兩點間的時間間隔。 如果兩個隨機過程互相完全沒有關(guān)系，則其互相關(guān)函數(shù)將為一個常數(shù)，并等于兩個變化量平均值的乘積，若其中一個變化量平均值為零，則兩個變化量互相關(guān)函數(shù)將處

22、處為零，即完全獨立不相關(guān)。 如果兩個變化量是具有相同基波頻率的周期函數(shù)，則它們的互相關(guān)函數(shù)將保存它們的基波頻率以及兩者所共有的諧波?；ハ嚓P(guān)函數(shù)中基波及諧波的相位為兩個原函數(shù)的相位差。b) 相關(guān)檢測簡單來說相關(guān)檢測就是利用信號具有良好的時間相關(guān)和不相關(guān)，使信號進(jìn)行積累而噪聲不積累的原理，從而把被噪聲淹沒的信號提取出來。相關(guān)檢測分為自相關(guān)和互相關(guān)檢測。 1) 自相關(guān)檢測如下所示為自相關(guān)檢測的原理圖 圖 2.3.1圖中x(t)代表被測信號，它由被測信號和噪聲信號組成，即 (2.3.4)將經(jīng)過自相關(guān)處理，即把x(t)分成兩路信號，其中一路經(jīng)過延時器D延遲一段時間，表示為，將未經(jīng)延遲的x(t)與同時送入

23、乘法器，再將其輸出經(jīng)過積分運算處理，最后便得到的自相關(guān)信號 。在實際測量中，只能對作有限時間的測量，設(shè)測量時間從0開始，到T結(jié)束，則短時間相關(guān)函數(shù)為 （2.3.5）將代入上式，則 （2.3.6）式中，分別為信號和噪聲的自相關(guān)函數(shù)，,為信號與噪聲的互相關(guān)函數(shù)，由于信號與噪聲互不相關(guān)，并假設(shè)噪聲的平均值為零，則根據(jù)相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)有，則 （2.3.7） 由于噪聲在時間上的不相關(guān)性，隨時間的增加很快衰減至零，相反，周期信號是相關(guān)的，將隨時間的增加遠(yuǎn)大于。這樣，被測信號x(t)作自相關(guān)處理后，其輸出信號的自相關(guān)函數(shù)近似為 （2.3.8）上式表明，經(jīng)過自相關(guān)處理后，保留了信號，抑制了噪聲，這就是相關(guān)檢測要達(dá)到的目的。自相關(guān)檢測輸出波形： 圖2.3.2 2) 互相關(guān)檢測與自相關(guān)檢測類似，互相關(guān)檢測是利用一個與待測信號同頻率的信號y(t)，對被噪聲干擾的信號作互相關(guān)處理 （2.3.8）上式表明，最后輸出的信號只保留與參考信號相關(guān)的信號部分，噪聲卻被完全抑制掉零了，但在實際測量中，由于測量時間有限，對短時間的互相關(guān)函數(shù) （2