第三章輻射度量與光度量3.1常用輻射量的名稱、定義和單位輻射度量學就是對光學輻射進行定量評價的一門實驗科學，是指波長為1納米到1毫米范圍的電磁輻射,它包括真空紫外輻射、紫外輻射、可見輻射和紅外輻射等部分

。

光度量學就是根據(jù)人類視覺器官的生理特性和某些約定的規(guī)范來評價輻射所產(chǎn)生的視覺效應(yīng)

，是指可見輻射。

一、基本輻射量

1．輻射功率輻射功率就是發(fā)射、傳輸或接收輻射能Q的時間速率。單位為W，又叫做輻射通量。其定義式為（1）因為輻射能還是波長、面積、立體角答許多因素的函數(shù)，所以P和Q(輻射能)的關(guān)系用Q對t的偏微商來定義。同理，下面討論的其它輻射量，也將用偏微商來定義。2．輻射出射度簡稱輻出度，又叫輻射通量密度。它是描述源表面輻射功率分布情況的量。其定義式如下（2）

輻出度是指單位面積內(nèi)所輻射的功率。其單位是W／m2。對于發(fā)射不均勻的源表面，輻出度應(yīng)是源上位置的函數(shù)。輻出度對源發(fā)射面積積分，就得到源發(fā)射的總功率（3）

3．輻射強度輻射強度和輻射亮度是描述源的輻射功率在空間不同方向上的分布情況。輻射強度用于點輻射源(簡稱點源)，輻射亮度用于擴展源(或稱面源）。若一個點源在圍繞某指定方向的小立體角ΔΩ內(nèi)發(fā)射的輻射功率為ΔP，則ΔP與ΔΩ之比的極限就定義為輻射源在該方向上的輻射強度（4）輻射強度就是點源在單位立體角內(nèi)發(fā)射的輻射功率。因此，它是源所發(fā)射的輻射功率在空間分布特性的描述。按定義，它的單位應(yīng)該是W／sr。輻射強度對整個發(fā)射立體角積分，結(jié)果就是源所發(fā)射的總輻射功率（5）當I為常量時，即輻射功率在空間的分布足各向均勻時，則式(5)得P=4πI。對于輻射功率在空間分布不均勻的輻射源，輻射強度應(yīng)該與方向有關(guān)。

4．輻射亮度輻射強度I只能描述點源在空間不同方向的輻射，這個量不能適用于擴展源。為了描述擴展源的輻射功率在空間和源表面上的分布特性，引入輻射亮度的概念，輻射亮度又叫輻射率或面輻射強度。如圖所示，若在擴展源表面上某點x附近取一小的面元ΔA，該面積元向半球空間發(fā)射的輻射功率為Δ

P。如果進一步考慮．在與面元Δ

A法線夾角為θ的方向取一小立體角元ΔΩ，那么，從ΔA向ΔΩ內(nèi)發(fā)射的輻射功率是二級小量Δ(ΔP)＝Δ

2P。由于從Δ

A向θ方向發(fā)射的輻射，就是在θ方向觀測到的來自Δ

A的輻射，而在θ方向上看到的源面積是Δ

A的表現(xiàn)面積(即投影面積Δ

A

θ

＝Δ

Acos

θ

)如圖所示。所以在θ方向的立體角元ΔΩ內(nèi)出的輻射，就相當于從源的表觀面積Δ

Aθ上發(fā)出的輻射。因此，在θ方向觀測到的源面上x點的輻射亮度就定義Δ2P與ΔAθ及ΔΩ比值的極限（6）這個定義表明：在某方向的輻射亮度，就是擴展源在該方向上的單位表觀面積向單位立體角發(fā)射的輻射功率。或者說，輻射亮度是輻射源每單位面積上的輻射強度，輻射亮度的單位應(yīng)該是W／m2·sr。輻射亮度L和輻出度M都是表征輻射功率在表面上的分布特性，而M是單位面積向半球空間發(fā)射的輻射功率，L是單位面積向特定方向上單位立體角發(fā)射的輻射功率，由式(6)推出:源面上的小面元dA，在θ方向的小立體角dΩ內(nèi)發(fā)射的輻射功率為輻射亮度L和輻出度M之間的相互關(guān)系?????所以，dA向半球空間發(fā)射的輻射功率，可以通過對立體角積分得到，即得到L與M的關(guān)系式:（7）根據(jù)M的定義式(2)

以上討論的備輻射量都是用來描述輻射源發(fā)射特性的量。為了描述被照表面單位面積所接收的輻射功率的分布，引入輻照度這個物理量。輻射源投射到被照面x點附近的小面積ΔA上的輻射功率為Δ

P，則ΔP與ΔA之比的極限，就是表面上x點處的輻照度：

5．輻照度（8）從上式可以看出，輻照度是投射到表面單位面積上的輻射功率。它的單位應(yīng)該是W/m2。這與輻出應(yīng)的單位相同，但兩者的物理意義完今不同。例如，有兩個輻射強度I相同的點源S1和S2，如圖所示，其中S1，在被照面的法線方向，S2位于與法線夾角為θ的方向輻照度的大小與在被照面上的位置有關(guān)，而且還與輻射源的特性及被照面與源的相對位置有關(guān)。輻照度的大小？？？？？？如不考慮輻射傳輸過程中大氣的影響，在離開源距離為l處的輻照度分別為（9）（10）以上兩式表明：點源在被照面上產(chǎn)生的輻照度與其輻射強度成正比，與源到被照面的距離平方成反比，并與源相對于被照面法線的方向夾角有關(guān)。3．2朗伯余弦定律和小面源的輻射特性一、朗伯余弦定律輻射源單位表面積向空間某方向單位立體角發(fā)射(或反射)的輻射功率，和該方向與表面法線夾角的余弦成正比，即（15）這個規(guī)律就稱為朗伯余弦定律。式中B是一個與方向無關(guān)的常數(shù)。凡遵守朗伯余弦定律的輻射表面稱為朗伯面，相應(yīng)的輻射源稱為朗伯源或漫輻射源。雖然朗伯定律是一個理想化的概念，但是在實際中遇到的許多輻射源，在一定的范圍內(nèi)都十分接近于朗伯余弦定律的輻射規(guī)律。例如，黑體輻射就精確遵守朗伯余弦定律。大多數(shù)絕緣材料，在相對于表面法線方向的觀察角不超過60°時，都遵守朗伯余核定律。導電材料雖然有較大的差異，但在工程計算中，觀察角不超過50°時，也還能運用朗伯余弦定律，運用朗伯余弦定律對這類輻射源的輻射量的計算，就變得十分簡單。二、朗伯輻射源的輻射特性1．朗伯輻射源的輻射亮度由輻射亮度的定義式(6)，利用朗伯余弦定律的表示式(15)，我們可以得出朗伯輻射源輻射亮度的表示式（16）此式表明：朗伯輻射源的輻射亮度是一個與方向無關(guān)的常量。這是因為輻射源的表觀面積隨表面法線與觀測方向夾角的余弦變化，而朗伯源的輻射功率的角分布又遵守余弦定律，所以觀測到輻射功率大的方向，所看到的輻射源的表現(xiàn)面積也大。兩者之比，即輻射亮度，應(yīng)與觀測方向無關(guān)。2．朗伯輻射源的L輻射亮度與M輻出度的關(guān)系L與M關(guān)系的普遍表示式由式(7)給出在一般情況下，如果不知道L與方向角θ的明顯函數(shù)關(guān)系，就無法由L計算出M。但是，對于朗伯輻射源而言，L與θ無關(guān)，于是式(7)可寫為：因為球坐標的立體角元利用這個關(guān)系，可使輻射量的計算大為簡化（7）四、例題求圓盤和球狀小面源的輻射強度和輻射功率。

1．圓盤設(shè)圓盤的輻射亮度為L，面積為A，如圖所示。圓盤在與其法線成θ方向上的輻射強度為式中I0＝LA，為圓盤在其法線方向上的輻射強度。(20)圓盤向半球空間發(fā)射的輻射功率為P，按輻射亮度的定義有因為球坐標的(21)或按朗伯源的輻射規(guī)律M＝πL，同樣可得(22)也可按輻射強度的定義，求得

2．球面設(shè)球面的輻射亮度為L，球半徑為R，球面積為A，如圖所示。則（23）若球面在θ＝0方向上的輻射強度為I0，則在球面上所取的在θ=0方向上的輻射強度為同樣的計算可求得球面在θ方向的輻射強度球面向整個空間發(fā)射的輻射功率為（24)可見球面在各方向上的輻射強度相等。由上面的計算可以看到，任一方向上的輻射強度等于輻射亮度乘以輻射面的投影面積(或表觀面積)，即為式(18）。對圓盤Iθ=LAcosθ;對球面，因任意方向上的輻射面的投影面積均為πR2則有:以上的計算都是輻射亮度為常數(shù)的朗伯源的情況。對于非朗伯源，輻射寬度不為常數(shù)，而與方向有關(guān)。若給出源的輻射亮度與方向的關(guān)系為：這說明源面上各點的輻射亮度與角度關(guān)系均相同，則可利用式(7)將L代入，求得此情況下的輻出度。第四章光電檢測器件熱電檢測器件目前常用的有：熱釋電探測器、熱敏電阻、熱電偶熱電堆熱電檢測器件4.1熱點探測器基本原理熱電探測器的特點是：②響應(yīng)慢。即吸收輻射產(chǎn)生信號需要的時間長．一般在幾毫秒以上。①響應(yīng)波長無選擇性。即它對從可見光到遠紅外的各種波長的輻射同樣敏感；一、熱電檢測器件的共性熱電檢測器件是將輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，然后再把熱能轉(zhuǎn)換為電能的器件．輸出信號的形成有二個階段：第一階段是將輻射能轉(zhuǎn)換為熱能(即入射輻射所引起的溫升，這是每個熱電探測器件都要經(jīng)過的階段，所以是共性。第二階段是將熱能轉(zhuǎn)換為電能，這是個性，隨具體器件而異。本節(jié)先討論第一步的內(nèi)容，第二步內(nèi)容留到其余各節(jié)介紹設(shè)：入射輻射的功率為We=W0ejt則：探測器吸收輻射后每秒產(chǎn)生的熱量為αW0ejt，其中α為吸收率。設(shè)：探測器吸收輻射后的溫度變?yōu)椋簞t：由熱傳導輻射引起的單位時間減少的熱量為-GQΔT(即外界熱變換的損失率)，其中G為熱導。求由于熱輻射引起的熱探測器的溫度增加量ΔT？？？因此：熱探測器的溫度升量ΔT可由下式表示：（1）利用初始條件：t=0時ΔT=0,得出上面微分方程的解為：（2）τT=CQ/GQ.為熱敏材料的時間常數(shù).其意義為t=τT時，探測器的溫升ΔT衰減為初始值的1/e。此式表示：探測器吸收的輻射功率等于每秒中探測器溫升所需的能量和傳導損失的能量；

當輻射時間足夠長，即t>>τT時，2式的第二項可忽略不計。取第一項的實部為（3）式中．初相θ=tg-11/(τT)。取式(3)的幅值得熱探測器的溫度增加量為（4）結(jié)論：1、溫升正比于入射的功率。2、頻率越小，ΔT越大。對于熱探測器來說希望ΔT盡量大3、隨吸收率增大（4）輻射的角度熱探測器的角度4、ΔT隨CQ與GQ的減小而增大二、熱電檢測器件的最小可探測功率在熱電探測器中，主要存在著溫度噪聲。因為入射輻射能量的起伏將引起溫度的起伏。這對探測弱輻射信號影響很大。一般在帶寬Δf內(nèi)的溫度噪聲為溫度噪聲：是器件溫度起伏引起的噪聲。（5）當?shù)皖l時，即

2τT2<<1,則式（5）可簡化為（6）這種噪聲會使器件的比探測率降低。探測率D：是最小可探測功率NEP的倒數(shù)，表征的是探測器的靈敏度，D越大靈敏度越高比探測率D*:歸一化的探測率D,可以對不同帶寬和光敏面積的探測器進行比較，可定義為（7）A為光敏面積，Δｆ為探測帶寬因此，最小可探測功率為：K為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度。比探測率為：4.2節(jié)熱電偶與熱電堆一、熱電偶的構(gòu)造及工作原理一、熱電偶的構(gòu)造及工作原理熱電偶是一種熱敏元件，在接收入射輻射以后引起溫度升高，隨之產(chǎn)生溫差電勢。使用時不加外電源。當兩種不同的金屬A和B組成一個回路時。如果兩種金屬的連接點一端溫度較高(稱為熱端)，另一端溫度較低(稱為冷端)。在輻射熱作用下，在回路兩端產(chǎn)生溫度差ΔT

，由于溫度差便產(chǎn)生電位差ΔE，則在回路中就有電流流過。而I=ΔE/R。其中R稱回路電阻.這一現(xiàn)象稱為溫差效應(yīng)(塞貝克熱電效應(yīng)）測量輻射能的熱電偶成為輻射熱電偶，原理與測溫熱電偶相同(塞貝克熱電效應(yīng))輻射熱電偶的熱端是用來接收入射輻射的，所以在熱端裝有一塊涂黑的金箔。當入射的輻射通量Φe被涂黑的金箔吸收后，金箔溫度升高，形成熱端，在回路中就有電流流過，它的結(jié)構(gòu)如圖，圖中A．B組成一對輻射熱電偶。J1為熱端，J2為冷端4.3節(jié)熱敏電阻凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻改變,導致負載電阻兩端電壓的變化，并給出電信號的器件。什么是熱敏電阻？？？一、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理直接產(chǎn)生光生載流子的本征吸收和雜質(zhì)吸收；不直接產(chǎn)生載流子的晶格吸收和自由電子吸收熱敏電阻工作機理？熱敏電阻的原理：晶格吸收和自由電子吸收會不同程度地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，引起晶格振動加劇，器件溫度上升，即器件的電阻值發(fā)生變化。半導體材料對光的吸收包括兩種形式：由金屬材料組成的熱敏電阻具有正溫度系數(shù)，而由半導體材料組成的熱敏電阻具有負溫度特性。白金的電阻溫度系數(shù)為正值．大約為0.37%；而半導體材料，常常用金屬氧化物如銅的氧化物，錳-鎳-鈷的氧化物，它們是粉末狀的，用粘合劑粘合后．涂敷在瓷管或玻璃上烘干即成半導體材料．電阻溫度系數(shù)為負值，大約為-3~-6%．約為白金的10倍以上。所以熱敏電阻探測器常用半導體材料而很少用金屬。半導體材料和金屬白金的溫度特性曲線，熱敏電阻的材料？？？熱敏電阻探測器的主要參數(shù)有5．響應(yīng)率(靈敏度)6.最小可探測功率二、熱敏電阻的參數(shù)5．響應(yīng)率(靈敏度)單位入射輻射功率下的輸出信號電壓稱為響應(yīng)率。直流響應(yīng)率：交流響應(yīng)率：（26）（27）可見，要增加熱敏電阻的響應(yīng)率，需采取以下措施：增加偏壓Vb，但受熱敏電阻的噪聲以及不損壞元件的限制把熱敏電阻的接收面沬黑，增加吸收率α；增加熱阻Ｒφ，其辦法是減少元件的接收面積及元件與外界對流所造成的熱量損失，常將元件裝入真空殼內(nèi)，但隨著熱阻Ｒφ的增大，響應(yīng)時間τφ也增大。為減小響應(yīng)時間，通常把熱敏電阻貼在具有高熱導的襯底上；選用αT大的材料，也即選取B值大的材料，當然還可使元件冷卻工作，以提高αT值，響應(yīng)率6.最小可探測功率熱敏電阻的最小可探測功率受其噪聲的影響。熱敏電阻的噪聲主要有(1)熱噪聲：(2)溫度噪聲：因環(huán)境溫度起伏而造成元件溫度起伏變化。將元件裝入真空殼內(nèi)可降低這種噪聲。(3)電流噪聲:當工作額率f<10Hz時，應(yīng)該考慮此噪聲。若f>10Hz，此噪聲可忽略根據(jù)這些噪聲情況，熱敏電阻可探測的最小功率約為10-8-10-9W4.4節(jié)熱釋電探測器件四、熱釋電探測器的工作原理首先復(fù)習幾個概念：1、什么是電介質(zhì)物體按導電性能的不同，可分為三類：導體、絕緣體（電介質(zhì)）、半導體?！娮杪蚀笥?014歐.厘米為電介質(zhì)——電介質(zhì)的內(nèi)部沒有載流子，所以沒有導電能力。但是它也是由帶電的粒子-電子、原子核等組成的．——在外加電場的情況下，帶電的粒子也要受到電場力的作用，它們的運動也會發(fā)生一些變化加上一電壓后，電介質(zhì)中正電荷趨向陰極，而負電荷趨向陽極．雖然其移動距離是很小的，其結(jié)果使電介質(zhì)的一個表面帶正電，相反的表面帶負電。如圖3-7所示，通常我們稱這種觀象為“電極化”。2、什么是電極化從電壓加上去的瞬間到電極化狀態(tài)建立起來為止的這一段時間內(nèi)，電介質(zhì)內(nèi)部的電荷適應(yīng)電壓的運動就相當電荷順電場力方同的運動，也是一種電流，稱為“位移電流”。但是，一旦極化建成后，電流就停止了。3、什么叫位移電流？4、什么是自發(fā)極化？對于大多數(shù)電介質(zhì)來說，在電壓除去后，極化狀態(tài)隨即消失．帶電粒子的運動又回復(fù)到原來狀態(tài)有一類被稱為”鐵電體”的電介質(zhì)，如圖3-8b所示，在外加電壓除去后仍保持著極化狀態(tài)。這就是所謂“自發(fā)極化”。圖3-8電介質(zhì)的極化矢量與所加電場的關(guān)系5、什么是居里點（居里溫度）一般鐵電體的極化強度Ps(單位面積上的電荷)與溫度有關(guān)，溫度升高，極化強度減低，升高到一定溫度，自發(fā)極化就突然消失，這個溫度稱為”居里溫度”或居里點”。第二、介紹熱釋電效應(yīng)——熱釋電效應(yīng)某些物質(zhì)吸收光輻射后將其轉(zhuǎn)換成熱能，這個熱能使晶體的溫度升高，溫度的變化又改變了晶體內(nèi)晶格的間距，這就引起在居里溫度以下存在的自發(fā)極化強度的變化，從而在晶體的特定方向上引起表面電荷的變化，這就是熱釋電效應(yīng)。概括：極化隨溫度改變的現(xiàn)象就是熱釋電現(xiàn)象第三、熱釋電探測器的工作原理熱釋電晶體吸收頻率為

的輻射以后；晶體溫度會發(fā)生變化；進而晶體的自發(fā)極化強度也按頗率

變化；從而導致晶體的面電荷密度也按頻率

變化。熱釋電效應(yīng)的定義知道:由于熱釋電晶體具有自發(fā)極化Ps。晶體的表面應(yīng)該出現(xiàn)面束縛電荷。通常這些面束縛電荷會被晶體內(nèi)部的自由電荷所中和，因此覺察不出來。晶體內(nèi)部自由電荷起中和作用的平均時間可表示為：

其中ε為晶體的介電常數(shù)；σ

為晶體的電導率。多數(shù)的熱釋電晶體的τ

值在1s-1000s之間。τ=ε/σ，如果輻射頻率較低，f<1/τ面束縛電荷將始終被體內(nèi)自由電荷所中和，因此顯示不出變化來。但若f>1/τ,體內(nèi)自由電荷就來不及中和面束縛電荷的變化，結(jié)果就使晶體在垂直于Ps的兩端面間出現(xiàn)開路交流電壓，如果在晶體的相對兩端面附以電極，并接上負載RL，就會有電流流過負載。總之，當有f>1/τ的調(diào)制輻射照射到晶體時，負載RL的兩端就會產(chǎn)生交流信號電壓．這就是熱釋電探測器的工作原理。如圖如果有調(diào)制頻率為f的輻射照射熱釋電晶體，就全使得晶體的溫度、晶體的自發(fā)極化以及由此而引起的面束縛電荷均隨頻率f發(fā)生變化。τ=ε/σ，當頻率為ω（=2πf）的輻射入射到熱釋電晶體表面時晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電流表示為:（1）P為熱釋電晶體的極化矢量，

=dP/dT為熱釋電材料的熱釋電系數(shù)，其單位為C/cm2.K，（C庫侖的單位）dT/dt為熱釋電晶體的溫度隨時間的變化率，Ad為熱釋電探測器電極面積熱釋電探測器產(chǎn)生的熱釋電電流id在負載電阻RL上引起的電壓為：（2）

從此式看出：熱釋電探測器的電壓響應(yīng)正比于熱釋電系數(shù)

和溫度變化速率dT/dt，而與晶體和入射輻射達到平衡的時間無關(guān)；熱釋電系數(shù)γ值取決于材料本身的持性；溫度變化速率與材抖的吸收率和熱容有關(guān)，吸收率愈大，熱容愈小，則溫度變化速率就愈大。5.熱釋電探測器的阻抗特性由于其電容量很小，所以熱釋電探測器的阻抗非常高，這就要求必須配以高阻抗負載(熱釋電探測器的阻抗一般在109Ω以上)，由于空氣潮濕、表面臟物等原因，普通電阻不易達到這樣高的阻值，因此通常采用真空密封電阻。由于結(jié)型場效應(yīng)器件（JFET）的輸入阻抗高，噪聲又小，所以常用JFET器件作熱釋電探測器的前置放大器。阻抗公式：圖6-9示出了一種常用的電路。JFET構(gòu)成一源極跟隨器，以進行阻抗交換。源極跟隨器的作用：信號輸入阻抗大，輸出阻抗小第五章光電信號檢測電路設(shè)計緒論：1、光電檢測電路的基本結(jié)構(gòu)2、光電檢測電路需滿足的基本要求3、設(shè)計光電檢測電路需要的步驟1、光電檢測電路的基本結(jié)構(gòu)1、光電器件2、輸入電路3、前置放大器把被測光信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號為光電器件提供正常的工作條件，進行電參量的變換(如將電流或電阻變換為電壓)，同時完成和前置放大器的電路匹配。光電器件輸出的微弱電信號由前置放大器進行放大匹配后置處理電路與檢測器件之間的阻抗

2、光電檢測電路需滿足的基本要求(1)靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力：使給定的輸入光信號在允許的非線性失真條件下有最佳的信號傳輸系數(shù)．得到最大的功率、電壓或電流輸出。(2)快速的動態(tài)響應(yīng)能力：滿足信號通道所要求的頻率選擇性或?qū)λ沧冃盘柕目焖夙憫?yīng)。

(3)最佳的信號檢測能力：具有保證可靠檢測所必需的信噪比或最小可檢測信號功率。(4)長期工作的穩(wěn)定性和可靠性。3、設(shè)計光電檢測電路需要的步驟1、電路靜態(tài)計算2、電路動態(tài)計算3、噪聲估算4、放大電路的選擇與設(shè)計這一章將分四節(jié)介紹它們的具體內(nèi)容

第一節(jié)緩變光信號檢測電路的設(shè)計第二節(jié)交變光信號檢測電路的設(shè)計第三節(jié)光電信號檢測電路的噪聲估算第四節(jié)光電信號的放大電路本章內(nèi)容這節(jié)課內(nèi)容第一節(jié)緩變光信號檢測電路的設(shè)計緩慢變化的光信號通常采用直流電路進行檢測，直流電路的設(shè)計重點在于確定電路的靜態(tài)工作狀態(tài)即進行靜態(tài)計算。由于光電檢測器件伏安特性的非線性，一般采用非線性電路的圖解法和分段線性化的解析法來計算。對于種類繁多的光電器件，我們根據(jù)這些器件伏安特性的性質(zhì)分作恒流源型、光伏型和可變電阻型三種基本類型，并且以光電二極管或光電池為線索介紹它們在各種工作狀態(tài)下的電路計算方法。第一節(jié)緩變光信號檢測電路的設(shè)計一、恒流源型光電檢測電路的靜態(tài)計算二、光伏型光電檢測電路的靜態(tài)計算三、可變電阻型光電檢測電路的靜態(tài)計算√一、恒流源型光電檢測電路的靜態(tài)計算圖為在不同輸入光照度E或光通量φ下的伏安曲線圖。在工作電壓較小的范圍內(nèi)曲線呈彎曲的趨勢，并且有一轉(zhuǎn)折點M。隨著工作電壓的升高，曲線逐漸平直。對于不同的輸入光通量，各曲線間近似平行且間距隨光返量增大趨于相等。這種輸出電流隨器件端電壓增大而變化不大的性質(zhì)稱為恒流源特性。具有這種伏安特性的光電檢測器件有光電管、光電倍增管(見圖6—1(a))、光電二極管(工作在反向偏置電壓狀態(tài)下，曲線見圖6—1(b))和光電三極管(見圖6—1(c))等。圖6—1所示伏安特性和晶體三極管集電極特性曲線形狀類似，區(qū)別是光電器件的光電流是由輸入光功率控制而晶體三極管是由基極電流控制。這表明，可以采用與晶體管放大器相類似的方法對恒流源型光電器件進行分析和計算。晶體三極管的伏安特性因此，分析恒流源型光電器件的方法有兩種：（一）、圖解計算法（二）、解析計算法（一）、圖解計算法下面以光電二極管為例分析：光電二極管的工作原理是基于PN結(jié)光生伏特效應(yīng)。PN結(jié)在受光照時，其中電子被激發(fā)，產(chǎn)生光生載流子，在結(jié)電場作用下，電子被拉向N區(qū)，空穴被拉向P區(qū)，形成與入射光功率成正比的光電流。光電二極管必須在反向偏壓下工作。圖6-2（a）光電二極管的基本電路圖6—2(a)給出了在反向偏置電壓作用下光電二極管的基本輸入電路。圖中Ub是反向偏置電壓，RL是負載電阻．與輸入光通量φ成正比的電壓信號U0就是從RL的兩端輸出的。Ub、RL和光電二極管串聯(lián)連接。這個電路的回路方程為：（1）

式中，U(I)是非線性函數(shù).下面利用圖解法進行計算式（1），得出回路中的電流電壓變化量。1、畫出伏安特性曲線2、在伏安特性曲線上畫出負載線。所謂負載線指的就是斜率為-1/RL，與橫坐標的焦點為Ub，與縱坐標的焦點為Ub/RL的直線。3、確定靜態(tài)工作點Q靜態(tài)工作點指的是在伏安特性曲線上，又滿足負載線方程的點。4、輸入光通量由φ0改變±Δφ時，在負載電阻RL上會產(chǎn)生±ΔU的電壓信號輸出和±ΔI的電流信號輸出。圖6-2（b）圖解法計算光電二極管的輸入特性上述圖解法特別適用于大信號狀態(tài)下的電路分析。例如在大信號檢測情況下可以定性地看到輸出信號的波形畸變；在用作光電開關(guān)的情況下可以借助圖解法合理地選擇電路參數(shù)使之能可靠地動作，同時保證不使器件超過其最大工作電流、最大工作電壓和最大耗散功率，圖6—3給出了輸入電路參數(shù)RL和Ub對輸出信號的影向。圖6-3（a）負載電阻對輸出特性的影響在圖(a)中，當偏置電壓Ub不變時，對于同樣的輸入光通量φ0±Δφ，負載電阻RL的減小會增大輸出信號電流而使輸出電壓減小。但RL的減小會受到最大工作電流和功耗的限制。為了提高輸出信號電壓應(yīng)增大RL，但過大的RL會使負載線越過特性曲線的轉(zhuǎn)折點M進入非線性區(qū)，而在非線性區(qū)光電靈敏度S=ΔI/Δφ,不再是常數(shù)，這會使輸出信號的波形發(fā)生畸變圖6-3（

b）偏置電壓對輸出信號的影響在圖(b)中，對應(yīng)于相同的RL值，當偏置電壓Ub增大時輸出信號電壓的幅度也隨之增大，并且線性度得到改善。但電路的功耗隨之加大，并且過大的偏置電壓會引起光電二極管的反向擊穿。利用圖解法確定輸入電路的負載電阻RL和反向偏壓Ub值時，應(yīng)根據(jù)輸入光通量的變化范圍和輸出信號的幅度要求使負載線稍高于轉(zhuǎn)折點M，以便得到不失真的最大電壓輸出，同時保證Ub不大于器件的最大工作電壓Umax。（二）、解析計算法輸入電路的計算也可以采用解析法。如果對實際非線性伏安特性按照一定的畫法進行分段折線化可以得到如圖6—4所示的所謂折線化伏安特性，具體畫法視伏安特性的形狀而異。通常是在轉(zhuǎn)折點M處將曲線分作兩個區(qū)域。(a)所示的情況是作直線與原曲線相切；(b)所示的情況是經(jīng)過轉(zhuǎn)折點M和原點o連線，得到折線化特性的非線性部分，再用一組平行的直線分別和實際曲線的恒流部分迫近，得到折線化特性曲線性工作部分。折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：(1)轉(zhuǎn)折電壓U0——對應(yīng)于曲線轉(zhuǎn)折點M處的電壓值。(2)初始電導G0——非線性區(qū)近似直線的初始斜率。(3)結(jié)間漏電導G——線性區(qū)內(nèi)各平行直線的平均斜率。(4)光電靈敏度S——單位輸入光功率所引起的光電流值。設(shè)輸入光功率為P，對應(yīng)的光電流為Ip，則有：式中的光功率P可以是光通量Φ也可以是光照度E。光通量和照度之間的關(guān)系為：（2）式中，A為器件光敏面受光面積。光電靈敏度S——單位輸入光功率所引起的光電流值。利用折線化的伏安特性，可將線性區(qū)內(nèi)任意點Q處的電流值I表示為兩個電流分量的組合。這兩個電流分量分別是與二極管端電壓U成正比由結(jié)間漏電導形成的無光照電流(暗電流)Id和與端電壓無關(guān)僅取決于輸入光功率的光電流Ip，因此，在線性區(qū)內(nèi)的伏安特性可以解析地表示為:（3）

IdIP當輸入光通量在確定的工作點附近作微小變化時，只需對式(3)作全微分即可得到微變等效方程為（4）

式中，是微變等效漏電導，

是微變光電靈敏度，它們是伏安特性的微變參數(shù)。

圖6—4(c)所示的是伏安特性滿足式(3)的理想的光電二極管等效電路，它是由等效恒流源IP和結(jié)間漏電阻Rg＝1／G并聯(lián)組成的。圖6-4（c）微變等效電路滿足在輸入光通量變化范圍Φmin-Φmax為巳知的條件下，用解析法計算輸入電路的工作狀態(tài)可按下列步驟進行:1.確定線性工作區(qū)域2.計算負載電阻和偏置電壓3.計算輸出電壓幅度4.計算輸出電流幅度5.計算輸出電功率1.確定線性工作區(qū)域由對應(yīng)最大輸入光通量Φmax的伏安曲線彎曲處即可確定轉(zhuǎn)折點M。相應(yīng)的轉(zhuǎn)折電壓U0或初始電導值G0可由圖(a)中圖示關(guān)系決定。在線段

上有關(guān)系

(5)

由此可解得(6)上式給出了折線化伏安特性四個基本參數(shù)U0、G0、G和S之間的關(guān)系2.計算負載電阻和偏置電壓為保證最大線性輸出條件，負載線和與Φmin對應(yīng)的伏安曲線的交點不能低于轉(zhuǎn)折點M設(shè)負載線通過M點，此時由圖(a)中的圖示關(guān)系可得當Ub已知時，可計算出負載電導GL或電阻RL為(7)當RL＝1/GL已知時，可計算偏置電源電壓Ub為(8)3.計算輸出電壓幅度由圖(b)，當輸入光通量由Φmin變化到Φmax時，輸出電壓幅度為ΔU=Umax-U0，其中Umax和U0可由圖中M和H點的電流值計算得到解上二式得所以(9)上式表明輸出電壓幅度與輸入光通量的增量和光電靈敏度成正比，與結(jié)間漏電導和負載電導成反比。4.計算輸出電流幅度由圖

(b)，輸出電流幅度為將式(9)代入，可得(10)通常GL>>G，上式可簡化為(11)5.計算輸出電功率由功率關(guān)系P＝ΔIΔU可得（12）

第五章光電信號檢測電路設(shè)計設(shè)計光電檢測電路需要的步驟1、電路靜態(tài)計算2、電路動態(tài)計算3、噪聲估算4、放大電路的選擇與設(shè)計第一節(jié)緩變光信號檢測電路的設(shè)計第二節(jié)交變光信號檢測電路的設(shè)計第三節(jié)光電信號檢測電路的噪聲估算第四節(jié)光電信號的放大電路本章內(nèi)容這節(jié)課內(nèi)容第一節(jié)緩變光信號檢測電路的設(shè)計根據(jù)光電器件的伏安特性的不同，光電器件可分為恒流源型、光伏型和可變電阻型三種基本類型。本節(jié)已光電二極管或光電池為線索介紹它們在各種工作狀態(tài)下的電路計算方法

緩慢變化的光信號（即光信號不隨時間發(fā)生變化），通常采用直流電路進行檢測，直流電路的設(shè)計重點在于確定電路的靜態(tài)工作狀態(tài)即進行靜態(tài)計算。也就是在伏安特性曲線上確定他的靜態(tài)工作點。具體方法：圖解法或分段解析法一、恒流源型光電檢測電路的靜態(tài)計算，已光電二極管為例二、光伏型光電檢測電路的靜態(tài)計算，已光電池為例三、可變電阻型光電檢測電路的靜態(tài)計算，已光、熱敏電阻為例第一節(jié)緩變光信號檢測電路的設(shè)計根據(jù)光電器件的伏安特性對光電器件歸類，器件分為：恒流源型、光伏型與可變電阻型三類。本節(jié)的主要內(nèi)容為：√二、光伏型光電檢測電路的靜態(tài)計算，已光電池為例如圖6—5(a)所示的是光伏型光電器件的伏安特性，它是一組以入射光功率為參量的曲線簇，分布在伏安坐標系的第四象限，這是由于器件的端電壓U和電流I的方向相反，圖6-6光伏型光電器件的伏安特性根據(jù)等效電路可建立如下電路方程:（13）式中，UT=kT/q≈26mV(T=300K)，。k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電荷電量，U為光電池輸出電壓，Ip

（IP=Sφ）為光電池等效電路中的恒流源，I0為光電池等效二極管反向飽和電流。（14）以光電池為例說明光伏型器件的輸出特性：光電池等效電路如果使伏安特性倒轉(zhuǎn)到第一象限即對電流的正方向作相反地規(guī)定，那么伏安特性可表示為：由伏安特性得到如圖的等效電路。由圖可知光電池對外電路形成電勢，所以可對負載供電。下面進行光電池輸入電路的靜態(tài)計算圖為光電池輸入電路的等效電路圖根據(jù)這個等效電路，我們可以建立如下的電路方程：（14）下面利用圖解法計算光電池輸入電路的電壓電流變化量：(1)首先，畫出光電池的伏安特性曲線；(2)然后，在伏安特性曲線上畫出負載線，負載線為過原點O，斜率為1/RL的直線；(3)假定我們所研究的是輸入光通量為Φ0的伏安曲線的電流、電壓變化量,則Φ0對應(yīng)的這條伏安曲線與負載線的交點Q，就是我們所求的靜態(tài)工作點，Q點對應(yīng)的電壓，就是此時的光電池的電壓輸出，Q點對應(yīng)的電流就是此時的光電池的電流輸出；(4)相對Φ0的光通量增量±ΔΦ將形成對應(yīng)的電流變化±ΔI和電壓變化±ΔU.第二節(jié)交變光信號檢測電路設(shè)計第五章光電信號檢測電路設(shè)計

設(shè)計光電檢測電路需要的步驟1、電路靜態(tài)計算2、電路動態(tài)計算3、噪聲估算4、放大電路的選擇與設(shè)計第一節(jié)緩變光信號檢測電路的設(shè)計第二節(jié)交變光信號檢測電路的設(shè)計第三節(jié)光電信號檢測電路的噪聲估算第四節(jié)光電信號的放大電路這節(jié)課內(nèi)容本章內(nèi)容第二節(jié)交變光信號檢測電路的設(shè)計什么是交變光信號？隨時間變化的光信號，稱為交變光信號。例如，瞬變光信號或各種類型的調(diào)制光信號。交變光信號的特點？信號中包含著豐富的頻率分量，當信號微弱時，還需要多級放大。設(shè)計交變光信號檢測電路時需考慮的問題？第二節(jié)交變光信號檢測電路的設(shè)計(1)確定檢測電路的動態(tài)工作狀態(tài)，目的：在負載上獲得最大線性不失真輸出信號(2)使檢測電路具有足夠?qū)挼念l率響應(yīng)，目的：獲得最大頻率不失真輸出信號第二節(jié)交變光信號檢測電路的設(shè)計本節(jié)內(nèi)容：一、光電信號輸入電路動態(tài)工作狀態(tài)的計算二、光電檢測電路的頻率特性下面以反偏光電二極管為例介紹交流檢測電路的動態(tài)計算方法：一、光電信號輸入電路動態(tài)工作狀態(tài)的計算（一）、提供交流檢測電路（二）、在交變光信號輸入電路中建立直流工作點（圖解法）（三）、確定在交變信號作用下電路的最佳工作狀態(tài)（解析法）（四）、求最大功率輸出條件的直流偏置電阻偏置電壓。Ub-反向偏置電壓；D-光電二極管；Rb-直流偏置電阻；RL-負載電阻；Cc-耦合電容輸入光照度：e=E0+Emsinωt，光照度的變化范圍E0±Em之間;在信號通頻帶范圍內(nèi)Cc可認為短路，即Cc=0;等效交流負載電阻：Rb與RL并聯(lián)電阻（不同于上節(jié)靜態(tài)計算舉例）（一）、提供交流檢測電路圖1反向偏置光電二極管交流檢測電路DD等效為（二）、在交變光信號輸入電路中建立直流工作點（圖解法）1、作出反偏工作光電二極管交流檢測電路伏安特性曲線（電壓-電流關(guān)系曲線）2、在伏安曲線上畫出交流負載線3、在伏安曲線上得到靜態(tài)工作點1、作出反偏工作光電二極管交流檢測電路伏安特性曲線（電壓-電流關(guān)系曲線）圖中的三條曲線分別對應(yīng)，輸入光照度為E0,E0+Em,E0-Em三條不同的伏安曲線；M為伏安曲線的折點，對應(yīng)于輸入光通量為最大時的曲線的轉(zhuǎn)折點輸入光照度：e=E0+Emsinωt圖2反偏光電二極管交流檢測電路伏安特性曲線2、在伏安曲線上畫出交流負載線為了充分利用器件的線性區(qū)間，交流負載線需通過轉(zhuǎn)折點M。它的斜率由Rb與RL的并聯(lián)電阻決定。即圖中的MN.由于存在：R=1/G,(R電阻，G電導)以下為表示方便，用Gb,GL代替Rb,RL，即交流負載線的斜率為-（Gb+GL）3、在伏安曲線上得到靜態(tài)工作點交流負載線MN與光照度E=E0對應(yīng)的伏安特性曲線相交于Q點，該點對應(yīng)交變輸入光照度的直流分量，是輸入直流偏置電路的靜態(tài)工作點。對應(yīng)的電壓為UQ，對應(yīng)的電流為IQ。最大輸入光照度E=E0+Em對應(yīng)的伏安曲線與MN的交點為M，對應(yīng)的輸出特性為（UM=UQ-Um,IM=IQ+Im）,Um,Im分別對應(yīng)于負載電阻上的輸出電壓峰值與電流總峰值。最小輸入光照度E=E0-Em對應(yīng)的伏安曲線與MN的交點為N，對應(yīng)的輸出特性為（UN=UQ+Um,IN=IQ-Im）結(jié)論：在輸入光照度為e=E0+Emsinωt光照下，光電二極管的輸出電流特性如圖中正弦曲線所示，在±Im之間變化。同理，可得到輸出電壓變化特性（三）、確定在交變信號作用下電路的最佳工作狀態(tài)（解析法）1、計算負載RL上的輸出電壓和輸出功率值2、確定最佳工作狀態(tài)1、計算負載RL上的輸出電壓和輸出功率值計算方法:負載電阻輸出電壓峰值Um可利用圖中的幾何關(guān)系計算。交流負載線的斜率是GL+Gb,設(shè)交流負載總電流峰值為Im,則有（1）在圖中的線段MH上有電流關(guān)系SE-器件靈敏度，g-器件結(jié)間漏電導板上推導（2）把（2）代入（1）得到：（3）負載電阻RL上的輸出功率PL為式中，IL＝Um／RL＝GLUm是負載RL上的電流峰值（4）把（3）式代入（4）式得出：（5）2、確定最佳工作狀態(tài)（5）式對負載電阻RL（1/GL）求偏微分，可得到最佳工作狀態(tài)下（最大功率即阻抗匹配下）的負載電阻為：其中，可得阻抗匹配條件下負載的輸出電壓峰值Um0、最大輸出功率有效值PLm和輸出電流峰值Im0為：最佳線性工作點。（四）、求最大功率輸出條件的直流偏置電阻偏置電壓。在伏安曲線上，過靜態(tài)工作點Q，以-Gb

為斜率作直流負載線。靜態(tài)工作點Q的電流值由伏安特性有由直流負載線有（即三角形QUQUb）：求解以上二式有：另一方面，在電壓軸上工作點Q處的電壓UQ為:比較前二式可計算出Gb0或Rb0為對于如圖反偏二極管交流檢測輸入電路來說：輸入信號：光照度為E的交變光信號系統(tǒng)：交流檢測輸入電路輸出信號：RL兩端的電壓所以：系統(tǒng)頻率特性：g(t)系統(tǒng)W(t)f(t)輸入輸出g(t)=w(t)*f(t)傅立葉變換G(jω)=W(jω)F(jω)W(ω)稱為系統(tǒng)的頻率特性（二）設(shè)計檢測電路檢測電路頻率持性的設(shè)計大體包括下列三個基本內(nèi)容：(1)對輸入光信號進行傅里葉頻譜分析，確定信號的頻譜分布。(2)確定多級光電檢測電路的允許通頻帶寬和上限截止按率。(3)根據(jù)級聯(lián)系統(tǒng)的帶寬計算方法，確定單級檢測電路的阻容參數(shù)，第三節(jié)光電信號檢測電路的噪聲估算第五章光電信號檢測電路設(shè)計

設(shè)計光電檢測電路需要的步驟1、電路靜態(tài)計算2、電路動態(tài)計算3、噪聲估算4、放大電路的選擇與設(shè)計第一節(jié)緩變光信號檢測電路的設(shè)計第二節(jié)交變光信號檢測電路的設(shè)計第三節(jié)光電信號檢測電路的噪聲估算第四節(jié)光電信號的放大電路這節(jié)課內(nèi)容一、檢測電路的噪聲等效處理

光輻射探測器中存在的內(nèi)部噪聲:熱噪聲、散粒噪聲、半導體中的產(chǎn)生-復(fù)合噪聲、溫度噪聲和閃爍(或1／f)噪聲。一般，光電檢測器件中的主要噪聲來源是熱噪聲和散粒噪聲。一個探測系統(tǒng)中，探測器產(chǎn)生的噪聲對系統(tǒng)的影響遠大于其它信號處理部件噪聲的影響1、熱噪聲：熱噪聲產(chǎn)生的原因：在任何導電體中，由于電子不停地無規(guī)則熱運動，形成與此相應(yīng)的瞬時無規(guī)則電流，雖然該電流在長時間內(nèi)平均值為零，但在短時間間隔或?qū)w局部卻可產(chǎn)生電流的無規(guī)則起伏而形成噪聲。什么是熱噪聲?由于電子無規(guī)則熱運動的均方速率與絕對溫度成正比，所以稱這樣產(chǎn)生的噪聲為熱噪聲，它是電阻性電路器件的共性噪聲。散粒噪聲產(chǎn)生的原因：（1）、光輻射隨機起伏導致的光電流的隨機起伏所造成的。（2）、在光電管中光電子從材料表面逸出的隨機性和P-N結(jié)中載流子過結(jié)數(shù)目的隨機性。（3）、光輻射中光子到達率的起伏在某些探測器光電轉(zhuǎn)換后也表現(xiàn)為散粒噪聲。2、散粒噪聲：噪聲等效方法：簡單電阻R的噪聲等效電路如圖，由熱噪聲電流源IT和電阻并聯(lián)對于由兩個電阻R1和R2串(并)聯(lián)組成的合成電路，可以證明，綜合噪聲電流等于合成電阻提供的噪聲電流，并表示為，在串聯(lián)情況下只R∑＝R1+R2，在并聯(lián)情況下R∑

＝R1R2/(R1+R2)。在更為復(fù)雜的情況下，應(yīng)先將所有電阻合成，畫出簡化電路，然后根據(jù)式(3)確定噪聲等效電流源。(3)（1）畫出噪聲等效電路圖，（2）列出等效后電流電壓均方值已簡單電阻為例：已復(fù)雜電路為例：在電阻和電容C并聯(lián)的情況下，電容C的頻率特性使合成阻抗隨頻率的增加而減少，合成電阻可表示為將上式代入式（1）中，沿f＝0-∞對R(f)積分得變換積分變量使tgθ=2πfRC，代入上式得已電阻電容并聯(lián)情況為例：在分子分母上同乘以因子4R，則有比較式(4)和(2)可以發(fā)現(xiàn)1/4RC和Δf是對應(yīng)的噪聲等效帶寬：1/4RC,并用Δfe表示。(4)(5)結(jié)論：并聯(lián)RC電路對噪聲的影響相當于使電阻熱噪聲的頻譜分布由白噪聲變窄為等效噪聲帶寬Δfe

這樣，式(4)可改寫為小結(jié)：這就是阻容電路熱噪聲的一般表示式。附帶指出，等效帶寬的概念同樣適用于散粒噪聲的計算。第四節(jié)光電信號的放大電路第五章光電信號檢測電路設(shè)計

設(shè)計光電檢測電路需要的步驟1、電路靜態(tài)計算2、電路動態(tài)計算3、噪聲估算4、放大電路的選擇與設(shè)計第一節(jié)緩變光信號檢測電路的設(shè)計第二節(jié)交變光信號檢測電路的設(shè)計第三節(jié)光電信號檢測電路的噪聲估算第四節(jié)光電信號的放大電路這節(jié)課內(nèi)容對光電信號放大的具體方法：光電器件的輸出端都緊密連接一個低噪聲前置放大器低噪聲前置放大器的任務(wù)是：1、放大光電檢測器件所輸出的微弱電信號；2、匹配后置處理電路與檢測器件之間的阻抗。簡化放大器噪聲的分析方法：就是把放大器內(nèi)的所有噪聲源都折算到輸入端，而把放大器看作無噪聲理想放大電路。具體為：1、用一個阻抗為零的噪聲電壓發(fā)生器En串聯(lián)在輸入端;2、用一個阻抗為無限大的噪聲電流發(fā)生器In并聯(lián)在輸入端；3、放大器本身被假設(shè)為一個無噪聲的理想放大電路。這個模型稱為放大器的En-In噪聲模型，如圖所示。Vs為信號源電壓，Rs為信號源內(nèi)阻(或光電器件、傳感器內(nèi)阻)，Ens為信號源內(nèi)阻上的熱噪聲電壓，Zi為放大器輸入阻抗，Av為放大器電壓增益，Vso、Eno分別為放大器總輸出信號和輸出噪聲。(一)放大器的噪聲電壓電流模型為了使分析和計算更進一步簡化，常希望用一個等效輸入噪聲Eni來表示放大器的三個輸入噪聲源En、In、Ens。具體說來就是將放大器內(nèi)外全部噪聲源用一個等效到信號源處的噪聲源Eni來代表。由圖可用簡單的分流和分壓原理求得：At為從信號源到放大器輸出端的傳遞函數(shù)，又稱系統(tǒng)的增益，它與放大器增益不相同，At不僅與放大器有關(guān)，還與信號源內(nèi)阻Rs有關(guān)。即(1)(2)(3)將（1）式代入（3）式定義等效輸入噪聲電壓為將式(2)代入式(4)中，得到(4)(5)上式表明:（1）在Rs＝0（輸入端短路）的情況下可得到En。如果使Rs=0(即放大器輸入端短路)

，則Ens=0、InRS=0，這樣得到的等效輸入噪聲就是電壓發(fā)生器En。因此，在Rs＝0(即放大器輸入端短路)條件下測量的總輸出噪聲，即為Av、En,然后除以放大器增益Av，就得到En。（2）在Rs較大（輸入端開路）的情況下可得到In要測量In必須使InRs占優(yōu)勢，常采用大的信號源電阻(或輸入端開路)條件下，測得放大器輸出噪聲電壓，除以系統(tǒng)增益At、Rs，就得到In，用這種測量方法估量放大器噪聲性能是很實用和方便的。(6)第七章直接探測方法1、直接探測的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)化為相應(yīng)的電流或電壓，根據(jù)不同的要求再經(jīng)后續(xù)電路處理(如放大、濾波或各種信號變換等電路)，最后獲得有用的信號。圖示出了光輻射直接探測系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)。接受光學系統(tǒng)：透鏡組、濾光片、光闌，目的：是為了收集信號光功率與減小雜散背景光信號光場可表示為式中，A是信號光電場振幅，ω是信號光頻率。則其平均光功率P為光探測器輸出的光電流為（1）若光探測器的負載電阻為RL，則光探測器輸出的電功率為上式說明，光探測器輸出的電功率正比于入射光功率的平方。（2）結(jié)論：光探測器對光的響應(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)制光，調(diào)制信號為d(t),則（1）可表示為：（3）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)：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、直接探測系統(tǒng)的信噪比眾所周知，任何系統(tǒng)都需一個重要指標—信噪比來衡量其質(zhì)量的好壞，其靈敏度的高低與此密切相關(guān)。了解直接探測系統(tǒng)的倍噪比及其與諸參數(shù)的關(guān)系，是系統(tǒng)設(shè)計者要求掌握的依據(jù)和出發(fā)點。設(shè)入射到光探測器的信號光功率為Ps，噪聲功率為Pn，光探測器輸出的信號電功率為SP。輸出的噪聲功率為Np，(4)由（2）式得出：考慮到信號和噪聲的獨立性，則有根據(jù)信噪比的定義則輸出功率倍噪比為(5)(6)(7)從上式可以看出(1)若Ps/Pn<<1，則有結(jié)論：輸出倍噪比等于輸入信噪比的平方。由此可見直接探測系統(tǒng)不適于輸入信嗓比小于1或者微弱光信號的探測。(8)(2)若Ps/Pn>>1，則有這時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。

從以上討論可知：直接探測方法不能改善輸入信噪比，與后面即將討論的光外差探測方法相比，這是它的弱點。但它對不是十分微弱光信號的探測則是很適宜的探測方法。由于這種探測方法比較簡單、易于實現(xiàn)，可靠性高、成本較低，所以得到廣泛的應(yīng)用。(9)如果考慮直接探測系統(tǒng)存在的所有噪聲，則輸出噪聲總功率為(10)根據(jù)（5）和（7）式，可得(11)當直接探測系統(tǒng)主要為信號光引起的散粒噪聲限制(即量子噪聲限)時，(11)式變?yōu)?12)這是理想的直接探測系統(tǒng)所能達到的最大信噪比極限。其中，第七章直接探測方法7.1直接探測的基本工作原理7.2接收光學系統(tǒng)及背景輻射7.3光探測器的內(nèi)增益對直接探測系統(tǒng)性能的影響7.4信號處理方法對直接探測系統(tǒng)性能的影響7.5直接探測方法應(yīng)用舉例。7.6直接探測系統(tǒng)的信噪比計算7.3光探測器的內(nèi)增益對直接探測系統(tǒng)性能的影響從前面的分析可以知道，直接探測系統(tǒng)的噪聲包括：1、信號光散粒噪聲---2、背景光散粒噪聲---3、暗電流散粒噪聲---4、負載電阻的熱噪聲---而信噪比的公式為：從這個公式：可以得出：直接探測系統(tǒng)得到最大信噪比的條件為上式中分母中的第一項起主導地位，其他噪聲都可忽略（即系統(tǒng)工作于信號噪聲限）實現(xiàn)信號噪聲限探測的條件：接受的光功率的平均信號必須足夠大。然而，這一點不是總能保證。結(jié)論：通過這種方法改善信噪比不可行?？尚械姆椒ǎ涸诠廨椛涮綔y的過程中利用光探測器的內(nèi)增益獲得光電倍增具有內(nèi)增益的光探測器工作原理：平均內(nèi)增益為的光探測器在探測過程中將初始光電流放大倍。對于前級放大器，在相同的輸入信號電壓下，相當于所需光功率減小為原來的1／。什么探測器具有內(nèi)增益？？？光探測器的內(nèi)增益在放大初始光電流的同時也增加了系統(tǒng)的噪聲。主要原因：將信號光電流放大的同時，信號電流的起伏(散粒噪聲)也得到放大；同時，由于內(nèi)增益的隨機性，還要產(chǎn)生自身的起伏噪聲；隨著倍增因子G的增大，噪聲也相應(yīng)增大，可達到與電路噪聲相比擬甚至超過的程度（電路噪聲包括熱噪聲和放大電路噪聲）。結(jié)論：可見倍增因子存在一個最佳值。當超過這個最佳值時，噪聲將比信號增加的更多，信噪比惡化，這對探測系統(tǒng)的工作不利。第七章直接探測方法7.1直接探測的基本工作原理7.2接收光學系統(tǒng)及背景輻射7.3光探測器的內(nèi)增益對直接探測系統(tǒng)性能的影響7.4信號處理方法對直接探測系統(tǒng)性能的影響7.5直接探測方法應(yīng)用舉例。7.6直接探測系統(tǒng)信噪比的計算本章小結(jié):

1．光信號的探測過程就是從光輻射中提取信號的過程