光電技術(shù) 第七周周四 已授課

1、基于材料吸收光輻射能量后溫度升高的光熱效應(yīng)現(xiàn)象。光熱效應(yīng)的特點(diǎn)是入射光輻射與物質(zhì)中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振動(dòng)能量，這又引起物質(zhì)的溫度上升，從而導(dǎo)致與溫度有關(guān)的材料的某些物理性質(zhì)(例如電動(dòng)勢(shì)、電阻）的變化。這與光電效應(yīng)（光子將能量直接轉(zhuǎn)移給電子）有本質(zhì)的不同。光熱效應(yīng)與入射輻射的光子的性質(zhì)例如波長(zhǎng)沒(méi)有關(guān)系。對(duì)光輻射的響應(yīng)無(wú)波長(zhǎng)選擇性。光熱效應(yīng)可以產(chǎn)生溫差電效應(yīng)、電阻率變化效應(yīng)、自發(fā)極化強(qiáng)度的變化效應(yīng)、氣體體積和壓強(qiáng)的變化效應(yīng) 2熱探測(cè)器1當(dāng)由兩種不同材料制成的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)溫差時(shí)，在該兩點(diǎn)間就有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為溫差電效應(yīng)。測(cè)輻射溫差熱電偶和熱電堆當(dāng)閉合回路的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)置于不同溫

2、度，兩點(diǎn)之間就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)溫差電動(dòng)勢(shì)，其大小反應(yīng)所吸收的光輻射的能量或功率。為了增加信號(hào)電壓，常常在襯底上蒸上一層金屬膜，然后再蒸上第二種材料與第一層膜部分重疊，從而形成若干接觸點(diǎn)。輻射熱電偶和熱電堆的光電信號(hào)要比光子探測(cè)器弱，但不需要電偏置和致冷，廣泛應(yīng)用。2當(dāng)吸收光輻射而溫度升高時(shí)，金屬的電阻會(huì)增加，而半導(dǎo)體材料的電阻會(huì)降低。通過(guò)電阻變化可測(cè)定被吸收的光輻射功率。 電阻測(cè)輻射熱器 3熱釋電探測(cè)器由熱釋電晶體制成，它們具有自發(fā)電極化的特性，其自發(fā)電極化強(qiáng)度隨溫度升高而下降。 熱釋電探測(cè)器 當(dāng)光輻射投射到熱釋電晶體上時(shí)，引起自發(fā)電極化強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，結(jié)果在垂直于極化方向的晶體兩個(gè)外表面之間出現(xiàn)

3、微小變化的信號(hào)電壓，由此可測(cè)定所吸收的光輻射功率。422光電探測(cè)器的性能參數(shù)光電探測(cè)器的工作條件有關(guān)響應(yīng)方面的性能參數(shù)有關(guān)噪聲方面的參數(shù)其它參數(shù)5輻射源的光譜分布 光子探測(cè)器，其響應(yīng)是輻射波長(zhǎng)的函數(shù)，僅在特定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射有信號(hào)輸出； -應(yīng)明確輻射源光譜分布。電路的通頻帶和帶寬 因噪聲限制了探測(cè)器的極限性能，噪聲電壓或電流均正比于帶寬的平方根 -應(yīng)明確通頻帶和帶寬。工作溫度 半導(dǎo)體材料制作的探測(cè)器，信號(hào)還是噪聲，都和工作溫度有密切關(guān)系。 -應(yīng)明確工作溫度。4、光敏面尺寸 探測(cè)器的信號(hào)和噪聲都和光敏面積有關(guān)，一般信噪比與光敏面積的平方根成比例。 -參考面積一般為1cm2。5、偏置情況 光電導(dǎo)

4、探測(cè)器和電阻測(cè)輻射熱器需要直流偏置電源，光電磁探測(cè)器的偏置是磁場(chǎng)。光電探測(cè)器的工作條件6響應(yīng)率(或稱(chēng)響應(yīng)度) 500K黑體測(cè)試 可見(jiàn)光波段：靈敏度 響應(yīng)率描述探測(cè)器靈敏度。探測(cè)器輸出與入射輻射之比。2. 單色靈敏度 又叫光譜響應(yīng)度，是電探測(cè)器輸出與入射的單色輻射通量之比。3積分響應(yīng)度 探測(cè)器各波長(zhǎng)輸出和與各波長(zhǎng)輻射通量和之比二、有關(guān)響應(yīng)方面的參數(shù)7 4響應(yīng)時(shí)間 描述探測(cè)器對(duì)入射輻射響應(yīng)快慢。即當(dāng)入射或入射遮斷后，探測(cè)器輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時(shí)間，稱(chēng)為響應(yīng)時(shí)間。常用時(shí)間常數(shù)的大小來(lái)表示。一輻射脈沖照射光電探測(cè)，如方波（脈沖的上升和下降時(shí)間很短），則光電探測(cè)器的輸出有延遲，從10上

5、升到如90峰值處所需的時(shí)間稱(chēng)為探測(cè)器的上升時(shí)間，而把從如90下降到10處所需的時(shí)間稱(chēng)為下降時(shí)間。tr tf 8 5頻率響應(yīng) 由于光電探測(cè)器信號(hào)存在滯后，光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化,稱(chēng)為頻率響應(yīng)。利用時(shí)間常數(shù)可得到光電探測(cè)器響應(yīng)度與入射輻射調(diào)制頻率的關(guān)系，其表達(dá)式為9三、有關(guān)噪聲方面的參數(shù)信噪比等效噪聲輸入(NEI)噪聲等效功率(NEP)探測(cè)率D與比探測(cè)率D*當(dāng)入射功率很低時(shí)，輸出只是些雜亂無(wú)章的變化信號(hào)，而無(wú)法確定是否有輻射入射在探測(cè)器上。這是探測(cè)器固有的“噪聲”引起的。如果對(duì)這些隨時(shí)間而起伏的電壓(流)按時(shí)間取平均值，則平均值等于零。但這些值的均方根不等于零，這個(gè)均方根電壓(

6、流)稱(chēng)為探測(cè)器的噪聲電壓(流)。10111213探測(cè)器的D*=10E11，探測(cè)器的光敏 面積的直徑 Diameter=5E-3， 用于f=5E3的光電儀器，求它能檢測(cè)的最小輻射功率？作業(yè)提示：14噪 聲光電系統(tǒng)包含光電探測(cè)器和電子學(xué)部分（例如前置放大器）。光電系統(tǒng)在工作時(shí)，總會(huì)受到一些無(wú)用信號(hào)的干擾，如光電變換中光電子隨機(jī)起伏的干擾，光輻射場(chǎng)在傳輸過(guò)程中受到通道的影響及背景光的干擾；放大器引入的干擾等等?；驹肼暿莵?lái)自微觀粒子引起的物理量自然漲落。既不能預(yù)見(jiàn)它某瞬間大小，又不能排除其存在。光電檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)能力受到“無(wú)規(guī)起伏”的限制，當(dāng)輻射引起的信號(hào)弱到“無(wú)規(guī)起伏”程度，就無(wú)法識(shí)別出信號(hào)。光電

7、檢測(cè)系統(tǒng)中噪聲主要來(lái)源是：背景噪聲和光電探測(cè)器及其電子線路的固有噪聲。光電探測(cè)器都是利用半導(dǎo)體各種效應(yīng)將光輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，半導(dǎo)體中載流子的濃度起伏和運(yùn)動(dòng)起伏都會(huì)產(chǎn)生噪聲，放大器中的電子器件也多為半導(dǎo)體，也會(huì)產(chǎn)生噪聲152-3噪聲的統(tǒng)計(jì)特性本節(jié)將介紹噪聲的一些主要的統(tǒng)計(jì)特征，其中噪聲的概率分布密度、功率譜密度及相關(guān)函數(shù)就是一些主要的統(tǒng)計(jì)特征量。了解和掌握這些統(tǒng)計(jì)特征量，就可以采取有效措施對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行各種處理，從而實(shí)現(xiàn)把淹沒(méi)于噪聲中的光信號(hào)提取出來(lái)。16一、噪聲的概率分布17光電系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，噪聲的方差和數(shù)學(xué)期望不隨時(shí)間變化，這時(shí)噪聲稱(chēng)為廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。若噪聲的概率分布密度不隨時(shí)間變化

8、，則稱(chēng)為狹義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程(或嚴(yán)格平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程)。狹義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程一定為廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，反之則不然。光電系統(tǒng)中的噪聲還具有各態(tài)經(jīng)歷性質(zhì)，就是其統(tǒng)計(jì)平均可用時(shí)間平均來(lái)計(jì)算可見(jiàn)一個(gè)隨機(jī)過(guò)程具有各態(tài)經(jīng)歷，噪聲計(jì)算及測(cè)量變得容易。光電系統(tǒng)噪聲一般看成是各態(tài)經(jīng)歷過(guò)程，也是一種廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。18光電系統(tǒng)中熱噪聲電壓的概率分布密度一般符合高斯正態(tài)分布此式說(shuō)明，噪聲可以取很大的值，但是取值越大，出現(xiàn)概率越小19二、噪聲的功率譜密度一般光電系統(tǒng)輸出中的噪聲受放大器帶寬限制，積分上下限應(yīng)改為（f1,f2)放大器的帶寬應(yīng)限制在能使信號(hào)的特征頻譜分量通過(guò)即可，過(guò)寬的帶寬不會(huì)增加有用的信息量，反而降低信噪比20典型

9、噪聲的功率譜密度 白噪聲：具有平坦功率譜密度 低頻噪聲（1/f噪聲）：低頻處具有很強(qiáng)功率譜密度 高頻噪聲（SN(f)-f2 ): 高頻處有很強(qiáng)功率譜密度21三、噪聲的相關(guān)函數(shù)自相關(guān)函數(shù)指一個(gè)隨機(jī)過(guò)程在不同時(shí)刻取值的相關(guān)性對(duì)于具有各態(tài)經(jīng)歷的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，則統(tǒng)計(jì)(或稱(chēng)集平均)又可用時(shí)間平均表示，統(tǒng)計(jì)特征量與時(shí)間起點(diǎn)無(wú)關(guān)22噪聲的自相關(guān)函數(shù)具有下列重要特征：23噪聲的自相關(guān)函數(shù)與噪聲功率密度之間關(guān)系24與自相關(guān)函數(shù)類(lèi)似，當(dāng)光電系統(tǒng)存在多個(gè)噪聲源時(shí)，必須考慮噪聲源之間的互相關(guān)性，可用互相關(guān)函數(shù)來(lái)描述其互相關(guān)性。 2噪聲的互相關(guān)函數(shù) 對(duì)于具有各態(tài)經(jīng)歷的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，互相關(guān)函數(shù)可表示為25互相關(guān)函數(shù)具有下

10、列重要特性定義兩個(gè)隨機(jī)過(guò)程的互功率譜密度立與互相關(guān)函數(shù)之間的付里葉變換，即26y(t)如果為參考信號(hào)，要求與被檢測(cè)信號(hào)相關(guān)（同頻且相位差恒定的正弦信號(hào)）。經(jīng)互相關(guān)器輸出的信號(hào)即為互相關(guān)函數(shù)互相關(guān)函數(shù)用于從噪聲中檢測(cè)微弱信號(hào)信號(hào)+噪聲參考 信號(hào)27在無(wú)線通信等數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，序列之間的互相關(guān)運(yùn)算被用來(lái)測(cè)量未知數(shù)字信息與已知數(shù)字信息的相關(guān)程度?；ハ嚓P(guān)器常用于通信系統(tǒng)的同步，它決定了同步質(zhì)量。例如，OFDM通信系統(tǒng)的同步中可通過(guò)算接收- 與本地PN序列副本的相關(guān)來(lái)確定整數(shù)頻偏。在直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，在接收端的相關(guān)器中，接收序列與本地參考擴(kuò)頻序列計(jì)算互相關(guān)，從而確定用戶(hù)，并去掉擴(kuò)頻碼，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。相關(guān)器還是GPS系統(tǒng)接收機(jī)中的重要組成。一種高效數(shù)字相關(guān)器，接收一個(gè)數(shù)據(jù)就得出相關(guān)值。