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第九章直接探测系统第九章直接探测系统

§9 1光电系统的类型和指标§9-1光电系统的类型和指标

一、系统的类型

１是否带有光源：１.是否带有光源：

被动系统：只有接收系统(图9-1)——相机、人眼等

主动系统：发射+接收——激光测距仪等


２响应光谱范围：２.响应光谱范围：可见光：民用，探测器量子效率高，系统设计、调试方便

（可见-短波红外/反射太阳光谱区）（热）红外：军事目标，特点：隐蔽性好，不易发现；大气

（热）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

光谱分辨率：全色→多色（多光谱）→高光谱→超光谱

光谱分辨率：全色→多色（多光谱）→高光谱→超光谱

第九章直接探测系统第九章直接探测系统3.成像与否：

点探测系统：只接收目标总的辐射功率，一般只用单元探测点探测系统：只接收目标总的辐射功率，一般只用单元探测

器。(如：红外防入侵系统)

当用多元探测器时，用于确定目标方位。当用多元探测器时，用于确定目标方位。

（如：四象限探测器）

面探测系统：测量目标的光强分布（图像）；

面探测系统：测量目标的光强分布（图像）；

①用摄像器件或多元探测器阵列完成（如：

数码相机）

数码相机）

②单元探测+扫描（如：ETM+多光谱成像仪）

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：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

（NASA，Landsat 7 Science Data Users Handbook）

‘a monolithic silicon focal plane made up of five detector arrays’

Band 5 and Band 7-‘photovoltaic i di ti id hindium antimonide arrays show very little change in responsivity from 90° K to 105° K’

Band 6 – ‘… fabricated from mercury cadmium telluride. This photoconductive array shows asignificant decrease in responsivity from 90° K to 105° K.’


二、光电探测系统的指标：输出信噪比二、光电探测系统的指标：输出信噪比

(电)信号功率信噪比

1.对模拟系统：输出波形是否畸变

信噪比噪声功率（方差）

1.对模拟系统：输出波形是否畸变

主要因素是噪声：（光源、背景、光电探测器、电路）

其它原因：线性度、外界干扰、……其它原因：线性度、外界干扰、……

２.对数字系统：误码２.对数字系统：误码

若用0.1两个状态来传递信息，当有噪声存在时，会有误码。

信噪比高，误码率（ 0.1码出现错误的概率/频率）低。信噪比高，误码率（ 0.1码出现错误的概率/频率）低。


（a）558nm波段图像（a）558nm波段图像

（b）593879 7110E 4672033 1570N像元光谱（b）593879 7110E 4672033 1570N像元光谱（b）593879.7110E，4672033.1570N像元光谱

信噪比100/50模拟数据

（b）593879.7110E，4672033.1570N像元光谱

信噪比300/250模拟数据


§9-2 直接探测系统的工作原理§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

光电探测器响应时间: ~ms光波时间周期：500nm / 3e8m/s=1.67μs→光电响应过程是对光场变化的时间积分

目前，没有可以直接响应光场频率的探测器。

直接探测系统——检测光强, 输出电流或电压


设光场：E ( ) A设光场：

①平均光功率：

②光电探测器的输出电流：

SE (t)=Acos t2 2

SP=E (t)=A /22e eI P A

②光电探测器的输出电流：

③输出电功率：

2

2PI P Ah h

2 2 2( )P L L

eS I R P Rh

说明：①光电探测器输出的光电流正比于光场振幅的平方，即光强/光功率（光场的包络）。

h

即光强/光功率（光场的包络）。

②光电探测器输出电功率正比于入射光功率的平方。

④如果入射信号光为强度调制光,设调制信号为d(t)则光电探测器输出的光电流：则光电探测器输出的光电流：

[1 ( )]PeI P d th


二、直接探测系统的信噪比二、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

2 2 2 2 2( ) ( ) ( ) ( 2 )e eS N R P P R P P P P

噪声与信号相互独立

( ) ( ) ( ) ( 2 )P P L S N L S S N NS N R P P R P P P Ph h

2 2 2 2( ) ( ) (2 )P L S P L S N Ne eS R P N R P P Ph h

h h


输出功率信噪比为：

2 2( / )( ) S S NP P P PSS输出功率信噪比为：

讨论：

⑴如果，则上式为：

2

( )( )2 1 2( / )

S S NPP

P S N N S NN N P P P P P

2S⑴如果，则上式为：

∴不适合于微弱光信号（信噪比小于1）的探测。

2( ) ( / )P S NS P PN

1)/( NS PP

⑵如果 1)/( NS PP1( )2

SP

N

PSN P

可以实用N

优点：易于实现、可靠性高、成本低。

缺点：不能改善输入信噪比

适用于探测较强光信号


三、直接探测系统的探测极限及趋近方法三、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：2 2( / )e h PS

讨论：2 2 2 2

( / )( ) SP

NS NB ND NT

e h PSN i i i i

情况1：当热噪声是主要噪声源（热噪声限）时：2 2( / )( ) S

Pe h PS

热

情况2：当散粒噪声主要噪声源（散粒噪声限）时：

( )4 /PN kT f R热

信号

引起散粒噪声背景

2 2

2 2 2

( / )( )i i i

SP

e h PSN

散

引起散粒噪声背景

暗电流NS NB NDi i iN


1.当背景噪声为主要散粒噪声（背景噪声限）时1.当背景噪声为主要散粒噪声（背景噪声限）时2 2 2( / )( )

2S S

Pe h P PS

eN h f P

背

注：扫描热探测系统的理论极限即由背景噪声极限决定。

22 [( ) ] BB

eN h f Pe f Ph

IB

2.当信号光所引起的散粒噪声是主要散粒噪声（信号噪声限）时：

2 2( / )( )22 [( ) ]

SSP

e h PS PeN h fe f P

信号

S2 [( ) ] fe f Ph

△ 直接探测系统在理论上的极限信噪比，即直接探测系统△ 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：△ 直接探测系统在理论上可测量的最小功率为：

2( ) h fNEP 1 1 ( ) 2 ( )f NEP h 当时理想值

△实际探测系统不可能是理想状态：

( )NEP

量 1 1 ( ) 2 ( )f NEP h 量当，时，理想值

①实际系统的背景噪声不可能为零；

②实际的光电探测器总有噪声——电阻热噪声、放大器噪声等。等。

△ 使系统趋近量子极限的办法

光电倍增管光电倍增管

雪崩管

具有内部高增益的光电探测器

但要避免增益系数起伏但要避免增益系数起伏


§9-3直接探测系统的作用距离§9-3直接探测系统的作用距离

定义：对于点目标（目标的张角小于系统的瞬时视场），

光电系统接收到最小可用能量的距离叫做系统的作用距离。

一、发射系统

设点光源辐射功率为P(t),向四周发射球面波，则

距光源L处的辐射照度为： P(t)E （距离平方反比定律）

2E4 L


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上的辐射通量为：

s r2

P(t)P (t) EdS= A4 L

讨论：

1.单位立体角的辐射功率：P(t)4

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

a则功率增益：

aP(t) / a 4GP(t) / 4 a

a

∴G和发射光学系统及光源的配合有关。


对点光源来说：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：用倒置望远镜系统压缩发散角（准直）


二、光在大气中的传输二、光在大气中的传输

1.吸收和散射

大气透过率：( ) r( )( ) ( ) k L L 吸散大气透过率：

随和而变化，还与大气组成成分、密度、气象条件等因素有关。

( ) r( )1 ( ) ( ) nk Le e L 吸散

L因素有关。

2.大气窗口：大气透过率较高的波段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（d>s）光束抖动 (d~=s)光束偏转 (d<s)


三、接收光学系统三、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：2

1 2 21( ) ( ) r

SAP t P dL

S(t)P

单位立体角的目标辐射功率（辐强度）。

接收系统孔径对应的立体角。

1 L( ) :P

2/ :rA L

对于被动系统： 22 1( ) hcP 目标热辐射（普朗克公式） 5 /( )

1hc kTPe

第九章直接探测系统第九章直接探测系统对于主动系统：

1.接收系统直接接收光源的辐射能：1.接收系统直接接收光源的辐射能：

0( )( ) :aP t GP

光源发散角

2.来自目标反射：

大目标时，综合兰伯余弦定律

0

大目标时，综合兰伯余弦定律

小目标时：'( ) AP t

( )( ) P tP

小目标时： D

''D

( ) A( )A

P tP


在某距离上进行直接探测时，和以下因素直接相关：在某距离上进行直接探测时，和以下因素直接相关：

1.

2.

s 2

1PL

或小 P大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

0 a s或小,P大

越大；或在同样的接收灵敏度下，系统的作用距离也越大

4.Ps和光学系统口径有关，

但A 大，大气传输引入的噪声大。rA ,r sA P

但Ar大，大气传输引入的噪声大。

5.光谱要匹配。


四、系统的作用距离四、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： 1 1 22

r VS

J A RVL

在弱光下不能忽略探测器的噪声：L

*1 1 2

2 1/ 2r N

SJ AV DV

*

1/21 1 2[ ]rJ A DL

对于主动探测系统：21*

212 DAJ

2 1/ 2( )Sd

VL A f 1/2[ ]

( ) ( / )d S N

LA f V V

接收和发射光轴对准情况：2

2/1

212 ])()(

[

n

sd

r

VVfA

DAJL

1*DAJ 大目标漫反射主动系统：

2

2/1

213 ])()(

[

n

sd

r

VVfA

DAJL

1*DAJ 小目标漫反射主动系统：

2

2/1

214 ])()(

[

n

sd

r

VVfA

DAJL


讨论：讨论：

1. , ,rr d

d

A L A AA

越大也越大

Ar：距光源L处的接收面积(光学系统口径)

Ad：光敏面积。

d

两者之间的关系？

2.*D 高

V

*1/21 1 2

1/2[ ]( ) ( / )

rJ A DLA f V V

3.

跟踪光学系统：

S

N

V LV

小大精度低，可靠性差

S NV /V 3 ~ 5

( ) ( / )d S NA f V V

精度测量系统：

4.

S NV /V 10 ~ 100

f L ，


§9-4直接探测系统的视场§9-4直接探测系统的视场

要有一定的视场，保证被测对象的信号始终可被接收到。

一、点探测器对应的视场及背景辐射

1.如图9-9

探测器和透镜的距离是fr

则系统的视场角：

2d d rA / f

第九章直接探测系统

实际光学系统由于：

第九章直接探测系统

实际光学系统由于：

①像差

②大气扰动引起的跳动等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

③ Ad小，作用距离大


2.背景功率：2

2.背景功率：

经推导：

2

b r d 1 21P (t)= N( )A d

A A

b dd 2 2

r

A AL f

限制背景功率的措施：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。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：

采用多元探测器阵列或摄像器件1.采用多元探测器阵列或摄像器件

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


加场镜：，对场镜互为共轭A

2.加场镜：Ar，Ad对场镜互为共轭r

d

AA


光学系统扫描3.光学系统扫描

§7-４光机扫描探测方式

定义：一个探测器，光学系统做机械扫描，对目标进行瞬时定义：一个探测器，光学系统做机械扫描，对目标进行瞬时采样，获取信息。

特点：大的视场和动态范围特点：大的视场和动态范围

工作波段：0.4-1.1微米

裂痕信号是窄脉冲•裂痕信号是窄脉冲，

•缺陷和斑痕信号是宽脉冲

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