光电探测与信号处理

第1章 光电探测基础 1.1 光电系统描述 光电系统是指以光波作为信息和能量载体而实现传感、传输、探测等功能的测量系统。它在各个领域特别是军用领域获得了很大成功，呈现出迅速发展的态势。与电子系统相比，光电系统*大的不同在于信息和能量载体的工作波段发生了变化。可以认为，光电系统是工作于电磁波波谱图上*后一个波段--光频段的电子系统。电磁波波谱图如图1.1-1所示。 图1.1-1 电磁波谱图 从图1.1-1可见，电磁波波谱的光频段包括红外光、可见光、紫外线和X射线部分的电磁辐射，频率范围为3×1011～3×1016 Hz，或波长1mm～10nm。从光量子的观点看，单光子的能量为，称为普朗克常数。频率v越高，单光子能量越大。由于1J=0.624×1019eV，故单光子能量可用eV（电子伏特）表示为于是，光波波段的单光子能量变化就如表1.1-1所示。以后会知道，单光子能量hv的大小在光电转换过程中将起作用。 表1.1-1 光波段单光子能量表 1.1.1 光电系统的基本模型 与电子系统载波相比，光电系统载波的频率提高了几个量级。这种频率量值上的变化使光电系统在实现方法上发生了质变，在功能上也发生了质的飞跃。主要表现在载波容量、角分辨率、距离分辨率和光谱分辨率大为提高，在通信、雷达、精导、导航、观瞄、测量等领域获得广泛应用。应用于这些场合的光电系统的具体构成形式尽管各不相同，但有一个共同的特征，即都具有光发射机、光学信道和光接收机这一基本构型，称为光电系统的基本模型，如图1.1-2所示。 图1.1-2 光电系绕基本模型 光电系统通常分为主动式和被动式两类。在理解模型时应注意到：主动式光电系统中，光发射机主要由光源（如激光器）和调制器构成；被动式光电系统中，光发射机则理解为被探测物体的热辐射发射。光学信道和光接收机对两者是完全相同的。光学信道主要是指大气、空间、水下和光纤。 本课程主要涉及光接收机部分。光接收机用于收集入射的光场并处理、恢复光载波的信息，其基本模型如图1.1-3所示，包括三个基本模块。 图1.1-3 光接收机 **部分是光接收前端（通常包括一些透镜或聚光部件），第二部分是光电探测器，第三部分为后续检测处理器。透镜系统把接收的光场进行滤波和聚焦，使其入射到光电探测器上。光电探测器把光信号变换为电信号。后续处理器完成必要的信号放大、信号处理及过滤处理，以从探测器的输出中恢复所需要的信息。 光接收机可以分为两种基本类型，即功率探测接收机和外差接收机。功率探测接收机也称为直接探测或非相干接收机，它的前端系统如图1.1-4（a）所示。透镜系统和光电探测器用于检测所收集到的到达光接收机的光场瞬问光功率。这种光接收机的工作方式是*简单的，只要传输的信息体现在接收光场的功率变化之中，就可以采用这种接收机。外差接收机的前端系统如图1.1-4（b）所示。本地产生的光波场与接收到的光场经前端镜面加以合成，然后由光电探测器检测这一合成的光波。外差式接收机可接收以幅度调制、频率调制、相位调制方式传输的信息。外差接收机实现起来比较闲难，它对两个待合成酌光场在空间相干性方面有严格的要求。因此，外差式接收机通常也称为空问相十接收机。不论是哪一种接收机，前端透镜系统都能把接收光场或合成后的光场聚焦到光电探测器的表面，这就使得光电探测器的面积可以比接收透镜的面积小很多。 （a）功率探测接收机 （b）外差接收机 图1.1-4 光接收机的两种基本类型 1.1.2 光源发射增益 虽然本书不涉及光发射机问题，但在计算光接收机收到的光功率时，与光发射机发射的光功率相关，这也是光波段的基本问题之一。本节介绍一下关于光源发射增益的问题。 光源的辐射特性可用图1.1-5来说明。光的辐射特性可用一个光源的亮度函数加以描述。亮度函数L（θ）的单位是W/（sr m2）（瓦特每球面度平方米），该函数描述了在一个给定的方向角时，光源辐射的归一化功率。这一功率通常归一化为单位发光面积在单位立体角的辐射功率。因此，光源亮度函数描述了光源的辐射光功率分布。一个均匀辐射型光源在它的辐射角内具有相同的亮度分布，如图1.1-5所示。因此，当均匀光源发光面积为A，辐射角为时，所辐射的总功率为（1.1-1） 对于辐射对称型光源，立体角与平面辐射角的关系为（1.1-2） 图1.1-5 光反射角 一个朗伯光源就是在之间均匀辐射的光源。因此，对朗伯光源。假设发光面为均匀辐射，对于大部分光源都是适用的。 由光源辐射的光场可以采用光束生成光学系统进行收集和重新聚焦。实现重新聚焦通常是在光源或者调制器的输出端放置一些透镜的组合，把输出光束集中到一个特定的方向。这里给出一种在长距离空间通信中常用到的简单方式，如图1.1- 6所示。在光源后面配置一个聚束和扩束透镜组合是为了产生准直光束。理想情况下，聚束透镜可以把光源场聚焦为一个点，然后扩束透镜把它扩展为一个完好的平行光束。实际情况是光源场并不能被聚焦为一个点，而扩束准直后的光束在传播过程中会扩展，其平面光束的直径可表示为（1.1-3）式中，为波长，d为输出透镜直径，z为透镜的距离。在近场时（），准直后的光束直径与透镜直径相同，从透镜m来的光束均匀地分布在整个透镜上。在远场时（），光束的直径将随距离的增加而扩大，就好像光束是从一个点光源发出，其扩散的平面角约为 （1.1-4）式中，，角度为衍射极限发送机光束角。此时远离光源的扩散光场分布在一个两维的立体角之内，即（1.1-5） 图1.1-6 光束形成和光汇聚 图1.1-7给出了根据式（1.1-4）在不同波长时扩散角随透镜直径d的变化关系。例如，光波长为0.5 ）um，透镜直径为15cm，此时的光束角为3×10-6 rad。这个数量级与微波发射相比具有巨大的优越性。因为微波天线发射的电磁束角是在度的量级，所以采用很小尺寸的光学器件就可以把光束汇聚集中在一个很小角度之内进行传输，这就是光波段的特性之一。显然，这在长距离空间传输中是很有用的。 图1.1-7 天线增益和光束角随天线直径的变化关系 在微波天线发射中，天线的作用就是汇聚波束，其会聚度用有效天线增益表征。这个概念同样适用于光波段。根据天线理论，发射的电磁波束如果满足式（1.1-11），则有效天线增益为（1.1-6） 图1.1-7也给出了这个增益曲线。由图1.1-7可见，15cm的透镜具有的天线增益为122dB（对0.5 um光）和95dB（对10.6um光），与微波天线相比这是一个巨大的改善。 1.1.3 接收光功率 为了简单起见，假定距光源很远的R处有一个小接收面，则发射光场在接收面处表现为一平面光场。接收面上的光场强度为（1.1 7）式中，Ps（t）为点光源的功率变化函数， 为从光源到R处的传输时延，Gt为Ar所在方向的发射光增益。 令点光源发射恒定功率为P，的光场，由光束整形系统将光场集中在立体角之内，如图1.1 8所示。在R处，光束之内的光强度将是（1.1 8）接收面A，收到的光功率是R处光强度在A，面上的积分（1.1 9）式中，为接收面Ar的法线与光功率流传输方向间的夹角。如果（法线方向入射），则Ar上所接收的光功率为（1.1-10） 需要指出的是，式（1.1-10）为一个具有发射增益为G．的光源所产生的电磁场的标准功率流方程。同样，相对于接收面积可以定义一个接收增益，即（1.1-11），则式（1.1-10）变换为（1.1-12）式中