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光電探測與信號處理 版權信息
- ISBN：9787030272621
- 條形碼：9787030272621 ; 978-7-03-027262-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
光電探測與信號處理 本書特色
電子科學與技術、光信息科學與技術等專業(yè)“光電檢測技術”課程的本科生，應用物理、通信工程、電子工程等相關專業(yè)的研究生和科技人員
光電探測與信號處理 內容簡介
主要內容為光電探測基礎、點探測器工作特性、直接探測和外差探測、像探測器、光接收機信號檢測理論基礎等。本教材突出光電轉換定律及其應用—點探測器和像探測器，以及與電子學解調的不同，強調了光信號的解調特點；接著為了提高系統(tǒng)性能，講述了運用相關檢測等改善信噪比性能的方法；*后落實到很好接收機和理想接收機的概念，使全書收放自如、環(huán)環(huán)相扣，形成一個完整的光接受概念。本書針對電子科學與技術等學科人員的知識結構，著重講解基本物理概念，簡化了繁雜的數學推導，便于學生系統(tǒng)掌握光電探測與信號處理方面的基本知識，并擴大了知識面，為從事光電探測與信號處理的科技工作奠定基礎。本書撰寫系統(tǒng)、嚴密，邏輯性強，物理概念闡述清晰、準確，語言流暢，文字、符號、圖表規(guī)范，并在每章末備有習題與思考題，便于讀者自學和進一步研究。
光電探測與信號處理 目錄
目錄
叢書序
前言
第1章 光電探測基礎 1
1.1 光電系統(tǒng)描述 1
1.1.1 光電系統(tǒng)的基本模型 2
1.1.2 光源發(fā)射增益 3
1.1.3 接收光功率 6
1.2 光接收機視場 7
1.2.1 透鏡變換 7
1.2.2 探測功率和視場 11
1.3 光電探測器的物理效應 13
1.3.1 光子效應和光熱效應 14
1.3.2 光電發(fā)射效應 15
1.3.3 光電導效應 16
1.3.4 光伏效應 18
1.3.5 溫差電效應 20
1.3.6 熱釋電效應 20
1.4 光電轉換定律和光電子計數統(tǒng)計 21
1.4.1 光電轉換定律 21
1.4.2 光電子計數統(tǒng)計 22
1.5 光電探測器性能參數 28
1.6 光電探測器的噪聲 33
1.6.1 噪聲的概念 33
1.6.2 噪聲的描述 34
1.6.3 光電探測器的噪聲源 36
1.7 輻度學與光度學 41
1.7.1 輻射量 42
1.7.2 光度量 44
1.8 背景輻射 46
1.9 探測器主要性能參數測試 50
1.9.1 探測器光譜響應率函數的測試方法 50
1.9.2 光譜響應率函數的測試 53
習題與思考題1 55
第2章 點探測器 57
2.1 光電管 57
2.1.1 光陰極材料及其光譜響應 57
2.1.2 光電特性和伏安特性 64
2.1.3 頻率特性及其他特性 70
2.1.4 強流管 71
2.2 光電倍增管 72
2.2.1 倍增極的特性 73
2.2.2 工作電壓 74
2.2.3 光電特性和伏安特性 77
2.2.4 噪聲特性 79
2.2.5 微通道板光電倍增管 81
2.3 光電導探測器 82
2.3.1 光電轉換原理 82
2.3.2 工作特性 84
2.3.3 幾種典型的光敏電阻及派生器件 89
2.3.4 使用注意事項 92
2.3.5 光電導探測器的偏置方式 92
2.4 PN結光伏探測器的工作模式 95
2.4.1 光電轉換原理 95
2.4.2 光伏探測器的工作模式 97
2.5 光電池 98
2.5.1 短路電流和開路電壓 99
2.5.2 輸出功率和*佳負載電阻 100
2.5.3 光譜、頻率響應及溫度特性 102
2.5.4 慢變化光信號探測 103
2.5.5 脈動光信號探測 106
2.6 光電二極管 108
2.6.1 Si光電二極管 108
2.6.2 PIN硅光電二極管 115
2.6.3 雪崩光電二極管 116
2.6.4 紫外光電二極管 119
2.6.5 半導體色敏器件 121
2.6.6 光電三極管 123
2.6.7 HgCdTe光電二極管 125
2.6.8 光子牽引探測器 125
2.7 光電象限探測器和位敏探測器 126
2.7.1 象限探測器 126
2.7.2 光電位敏傳感器(PSD) 128
2.8 光熱探測器 135
2.8.1 光熱探測器的熱過程分析 135
2.8.2 熱敏電阻 137
2.8.3 熱釋電探測器 137
習題與思考題2 140
第3章 直接探測和外差探測 113
3.1 直接探測系統(tǒng)的性能分析 144
3.1.1 包絡探測 111
3.1.2 信噪比特性 145
3.1.3 等效噪聲功率特性 115
3.2 提高輸入信噪比的光學方法 147
3.2.1 濾波法 118
3.2.2 場鏡法 149
3.3 前置放大器的噪聲匹配 150
3.3.1 前放噪聲等效電路 151
3.3.2 噪聲系數 152
3.3.3 匹配方法 153
3.4 閾值探測的光電探測統(tǒng)計 157
3.5 相關檢測 160
3.5.1 相關原理 160
3.5.2 鎖定放大器 165
3.5.3 信噪比改善 168
3.6 維納濾波器 168
3.7 匹配濾波器 170
3.8 BOXCAR 172
3.8.1 取樣積分器的工作原理 173
3.8.2 取樣積分器的主要參數 176
3.9 光子計數 180
3.9.1 光子計數的原理 181
3.9.2 光子計數系統(tǒng)的測量誤差 185
3.10 光頻外差探測的基本原理 187
3.10.1 光頻外差光路結構 187
3.10.2 雙光束干涉 188
3.10.3 外差信號的特點 189
3.11 光頻外差探測的信噪比分析 191
3.11.1 不計本振噪聲 191
3.11.2 計入本振噪聲 192
3.11.3 光電探測器的外差探測極限靈敏度 193
3.12 光頻外差探測的空間相位條件 191
3.12.1 兩光束不平行 195
3.12.2 兩光束平行但不垂直光敏面 196
3.13 光頻外差探測系統(tǒng) 197
3.13.1 降低空間相干條件——艾里斑原理法 197
3.13.2 自適應光外差技術 200
習題與思考題3 203
第4章 像探測器 205
4.1 光電成像概論 205
4.2 真空攝像管 207
4.2.1 真空攝像管結構 208
4.2.2 攝像原理 209
4.2.3 其他真空攝像管 210
4.3 自掃描光電二極管陣列 212
4.3.1 SSPD線陣列 213
4.3.2 SSPD面陣列 220
4.4 CCD攝像器件 223
4.4.1 CCD結構和存儲電荷原理 223
4.4.2 電荷轉移工作原理與電極結構 226
4.4.3 電荷注入和讀出 233
4.4.4 CCD圖像傳感器 235
4.5 電荷注入器件CID 237
4.6 CMOS圖像傳感器 239
4.6.1 CMOS圖像傳感器的成像原理及結構 240
4.6.2 CMOS圖像傳感器的優(yōu)勢 242
4.6.3 CMOS圖像傳感器的發(fā)展 213
4.7 固體圖像傳感器主要特性參數 244
4.7.1 光譜響應特性 244
4.7.2 靈敏度 244
4.7.3 暗信號及動態(tài)范圍 215
4.7.4 分辨率 246
4.7.5 工作頻率 218
4.7.6 CCD的特性參數 248
習題與思考題4 250
第5章 光接收機信號檢測理論概述 251
5.1 信號檢測的基本問題 251
5.1.1 接收機的任務 25l
5.1.2 統(tǒng)計判決和假設檢驗 252
5.1.3 代價函數與風險 254
5.2 *佳接收機的概念 251
5.2.1 *大信噪比準則 254
5.2.2 實現*佳接收機的方法 255
5.3 信號參量估值理論簡介 256
5.3.1 信號參量估值模型 256
5.3.2 貝葉斯估值 258
5.3.3 *大后驗概率估值準則 258
5.3.4 *大似然估值 259
5.4 理想接收機 259
5.4.1 后驗概率與信息量 259
5.4.2 通信和雷達的不同 261
習題與思考題5 262
參考文獻 263
叢書序
前言
第1章 光電探測基礎 1
1.1 光電系統(tǒng)描述 1
1.1.1 光電系統(tǒng)的基本模型 2
1.1.2 光源發(fā)射增益 3
1.1.3 接收光功率 6
1.2 光接收機視場 7
1.2.1 透鏡變換 7
1.2.2 探測功率和視場 11
1.3 光電探測器的物理效應 13
1.3.1 光子效應和光熱效應 14
1.3.2 光電發(fā)射效應 15
1.3.3 光電導效應 16
1.3.4 光伏效應 18
1.3.5 溫差電效應 20
1.3.6 熱釋電效應 20
1.4 光電轉換定律和光電子計數統(tǒng)計 21
1.4.1 光電轉換定律 21
1.4.2 光電子計數統(tǒng)計 22
1.5 光電探測器性能參數 28
1.6 光電探測器的噪聲 33
1.6.1 噪聲的概念 33
1.6.2 噪聲的描述 34
1.6.3 光電探測器的噪聲源 36
1.7 輻度學與光度學 41
1.7.1 輻射量 42
1.7.2 光度量 44
1.8 背景輻射 46
1.9 探測器主要性能參數測試 50
1.9.1 探測器光譜響應率函數的測試方法 50
1.9.2 光譜響應率函數的測試 53
習題與思考題1 55
第2章 點探測器 57
2.1 光電管 57
2.1.1 光陰極材料及其光譜響應 57
2.1.2 光電特性和伏安特性 64
2.1.3 頻率特性及其他特性 70
2.1.4 強流管 71
2.2 光電倍增管 72
2.2.1 倍增極的特性 73
2.2.2 工作電壓 74
2.2.3 光電特性和伏安特性 77
2.2.4 噪聲特性 79
2.2.5 微通道板光電倍增管 81
2.3 光電導探測器 82
2.3.1 光電轉換原理 82
2.3.2 工作特性 84
2.3.3 幾種典型的光敏電阻及派生器件 89
2.3.4 使用注意事項 92
2.3.5 光電導探測器的偏置方式 92
2.4 PN結光伏探測器的工作模式 95
2.4.1 光電轉換原理 95
2.4.2 光伏探測器的工作模式 97
2.5 光電池 98
2.5.1 短路電流和開路電壓 99
2.5.2 輸出功率和*佳負載電阻 100
2.5.3 光譜、頻率響應及溫度特性 102
2.5.4 慢變化光信號探測 103
2.5.5 脈動光信號探測 106
2.6 光電二極管 108
2.6.1 Si光電二極管 108
2.6.2 PIN硅光電二極管 115
2.6.3 雪崩光電二極管 116
2.6.4 紫外光電二極管 119
2.6.5 半導體色敏器件 121
2.6.6 光電三極管 123
2.6.7 HgCdTe光電二極管 125
2.6.8 光子牽引探測器 125
2.7 光電象限探測器和位敏探測器 126
2.7.1 象限探測器 126
2.7.2 光電位敏傳感器(PSD) 128
2.8 光熱探測器 135
2.8.1 光熱探測器的熱過程分析 135
2.8.2 熱敏電阻 137
2.8.3 熱釋電探測器 137
習題與思考題2 140
第3章 直接探測和外差探測 113
3.1 直接探測系統(tǒng)的性能分析 144
3.1.1 包絡探測 111
3.1.2 信噪比特性 145
3.1.3 等效噪聲功率特性 115
3.2 提高輸入信噪比的光學方法 147
3.2.1 濾波法 118
3.2.2 場鏡法 149
3.3 前置放大器的噪聲匹配 150
3.3.1 前放噪聲等效電路 151
3.3.2 噪聲系數 152
3.3.3 匹配方法 153
3.4 閾值探測的光電探測統(tǒng)計 157
3.5 相關檢測 160
3.5.1 相關原理 160
3.5.2 鎖定放大器 165
3.5.3 信噪比改善 168
3.6 維納濾波器 168
3.7 匹配濾波器 170
3.8 BOXCAR 172
3.8.1 取樣積分器的工作原理 173
3.8.2 取樣積分器的主要參數 176
3.9 光子計數 180
3.9.1 光子計數的原理 181
3.9.2 光子計數系統(tǒng)的測量誤差 185
3.10 光頻外差探測的基本原理 187
3.10.1 光頻外差光路結構 187
3.10.2 雙光束干涉 188
3.10.3 外差信號的特點 189
3.11 光頻外差探測的信噪比分析 191
3.11.1 不計本振噪聲 191
3.11.2 計入本振噪聲 192
3.11.3 光電探測器的外差探測極限靈敏度 193
3.12 光頻外差探測的空間相位條件 191
3.12.1 兩光束不平行 195
3.12.2 兩光束平行但不垂直光敏面 196
3.13 光頻外差探測系統(tǒng) 197
3.13.1 降低空間相干條件——艾里斑原理法 197
3.13.2 自適應光外差技術 200
習題與思考題3 203
第4章 像探測器 205
4.1 光電成像概論 205
4.2 真空攝像管 207
4.2.1 真空攝像管結構 208
4.2.2 攝像原理 209
4.2.3 其他真空攝像管 210
4.3 自掃描光電二極管陣列 212
4.3.1 SSPD線陣列 213
4.3.2 SSPD面陣列 220
4.4 CCD攝像器件 223
4.4.1 CCD結構和存儲電荷原理 223
4.4.2 電荷轉移工作原理與電極結構 226
4.4.3 電荷注入和讀出 233
4.4.4 CCD圖像傳感器 235
4.5 電荷注入器件CID 237
4.6 CMOS圖像傳感器 239
4.6.1 CMOS圖像傳感器的成像原理及結構 240
4.6.2 CMOS圖像傳感器的優(yōu)勢 242
4.6.3 CMOS圖像傳感器的發(fā)展 213
4.7 固體圖像傳感器主要特性參數 244
4.7.1 光譜響應特性 244
4.7.2 靈敏度 244
4.7.3 暗信號及動態(tài)范圍 215
4.7.4 分辨率 246
4.7.5 工作頻率 218
4.7.6 CCD的特性參數 248
習題與思考題4 250
第5章 光接收機信號檢測理論概述 251
5.1 信號檢測的基本問題 251
5.1.1 接收機的任務 25l
5.1.2 統(tǒng)計判決和假設檢驗 252
5.1.3 代價函數與風險 254
5.2 *佳接收機的概念 251
5.2.1 *大信噪比準則 254
5.2.2 實現*佳接收機的方法 255
5.3 信號參量估值理論簡介 256
5.3.1 信號參量估值模型 256
5.3.2 貝葉斯估值 258
5.3.3 *大后驗概率估值準則 258
5.3.4 *大似然估值 259
5.4 理想接收機 259
5.4.1 后驗概率與信息量 259
5.4.2 通信和雷達的不同 261
習題與思考題5 262
參考文獻 263
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光電探測與信號處理 節(jié)選
第1章 光電探測基礎 1.1 光電系統(tǒng)描述 光電系統(tǒng)是指以光波作為信息和能量載體而實現傳感、傳輸、探測等功能的測量系統(tǒng)。它在各個領域特別是軍用領域獲得了很大成功，呈現出迅速發(fā)展的態(tài)勢。與電子系統(tǒng)相比，光電系統(tǒng)*大的不同在于信息和能量載體的工作波段發(fā)生了變化。可以認為，光電系統(tǒng)是工作于電磁波波譜圖上*后一個波段--光頻段的電子系統(tǒng)。電磁波波譜圖如圖1.1-1所示。 圖1.1-1 電磁波譜圖 從圖1.1-1可見，電磁波波譜的光頻段包括紅外光、可見光、紫外線和X射線部分的電磁輻射，頻率范圍為3×1011～3×1016 Hz，或波長1mm～10nm。從光量子的觀點看，單光子的能量為，稱為普朗克常數。頻率v越高，單光子能量越大。由于1J=0.624×1019eV，故單光子能量可用eV（電子伏特）表示為于是，光波波段的單光子能量變化就如表1.1-1所示。以后會知道，單光子能量hv的大小在光電轉換過程中將起作用。 表1.1-1 光波段單光子能量表 1.1.1 光電系統(tǒng)的基本模型 與電子系統(tǒng)載波相比，光電系統(tǒng)載波的頻率提高了幾個量級。這種頻率量值上的變化使光電系統(tǒng)在實現方法上發(fā)生了質變，在功能上也發(fā)生了質的飛躍。主要表現在載波容量、角分辨率、距離分辨率和光譜分辨率大為提高，在通信、雷達、精導、導航、觀瞄、測量等領域獲得廣泛應用。應用于這些場合的光電系統(tǒng)的具體構成形式盡管各不相同，但有一個共同的特征，即都具有光發(fā)射機、光學信道和光接收機這一基本構型，稱為光電系統(tǒng)的基本模型，如圖1.1-2所示。 圖1.1-2 光電系繞基本模型 光電系統(tǒng)通常分為主動式和被動式兩類。在理解模型時應注意到：主動式光電系統(tǒng)中，光發(fā)射機主要由光源（如激光器）和調制器構成；被動式光電系統(tǒng)中，光發(fā)射機則理解為被探測物體的熱輻射發(fā)射。光學信道和光接收機對兩者是完全相同的。光學信道主要是指大氣、空間、水下和光纖。 本課程主要涉及光接收機部分。光接收機用于收集入射的光場并處理、恢復光載波的信息，其基本模型如圖1.1-3所示，包括三個基本模塊。 圖1.1-3 光接收機 **部分是光接收前端（通常包括一些透鏡或聚光部件），第二部分是光電探測器，第三部分為后續(xù)檢測處理器。透鏡系統(tǒng)把接收的光場進行濾波和聚焦，使其入射到光電探測器上。光電探測器把光信號變換為電信號。后續(xù)處理器完成必要的信號放大、信號處理及過濾處理，以從探測器的輸出中恢復所需要的信息。 光接收機可以分為兩種基本類型，即功率探測接收機和外差接收機。功率探測接收機也稱為直接探測或非相干接收機，它的前端系統(tǒng)如圖1.1-4（a）所示。透鏡系統(tǒng)和光電探測器用于檢測所收集到的到達光接收機的光場瞬問光功率。這種光接收機的工作方式是*簡單的，只要傳輸的信息體現在接收光場的功率變化之中，就可以采用這種接收機。外差接收機的前端系統(tǒng)如圖1.1-4（b）所示。本地產生的光波場與接收到的光場經前端鏡面加以合成，然后由光電探測器檢測這一合成的光波。外差式接收機可接收以幅度調制、頻率調制、相位調制方式傳輸的信息。外差接收機實現起來比較閑難，它對兩個待合成酌光場在空間相干性方面有嚴格的要求。因此，外差式接收機通常也稱為空問相十接收機。不論是哪一種接收機，前端透鏡系統(tǒng)都能把接收光場或合成后的光場聚焦到光電探測器的表面，這就使得光電探測器的面積可以比接收透鏡的面積小很多。 （a）功率探測接收機 （b）外差接收機 圖1.1-4 光接收機的兩種基本類型 1.1.2 光源發(fā)射增益 雖然本書不涉及光發(fā)射機問題，但在計算光接收機收到的光功率時，與光發(fā)射機發(fā)射的光功率相關，這也是光波段的基本問題之一。本節(jié)介紹一下關于光源發(fā)射增益的問題。 光源的輻射特性可用圖1.1-5來說明。光的輻射特性可用一個光源的亮度函數加以描述。亮度函數L（θ）的單位是W/（sr m2）（瓦特每球面度平方米），該函數描述了在一個給定的方向角時，光源輻射的歸一化功率。這一功率通常歸一化為單位發(fā)光面積在單位立體角的輻射功率。因此，光源亮度函數描述了光源的輻射光功率分布。一個均勻輻射型光源在它的輻射角內具有相同的亮度分布，如圖1.1-5所示。因此，當均勻光源發(fā)光面積為A，輻射角為時，所輻射的總功率為（1.1-1） 對于輻射對稱型光源，立體角與平面輻射角的關系為（1.1-2） 圖1.1-5 光反射角 一個朗伯光源就是在之間均勻輻射的光源。因此，對朗伯光源。假設發(fā)光面為均勻輻射，對于大部分光源都是適用的。 由光源輻射的光場可以采用光束生成光學系統(tǒng)進行收集和重新聚焦。實現重新聚焦通常是在光源或者調制器的輸出端放置一些透鏡的組合，把輸出光束集中到一個特定的方向。這里給出一種在長距離空間通信中常用到的簡單方式，如圖1.1- 6所示。在光源后面配置一個聚束和擴束透鏡組合是為了產生準直光束。理想情況下，聚束透鏡可以把光源場聚焦為一個點，然后擴束透鏡把它擴展為一個完好的平行光束。實際情況是光源場并不能被聚焦為一個點，而擴束準直后的光束在傳播過程中會擴展，其平面光束的直徑可表示為（1.1-3）式中，為波長，d為輸出透鏡直徑，z為透鏡的距離。在近場時（），準直后的光束直徑與透鏡直徑相同，從透鏡m來的光束均勻地分布在整個透鏡上。在遠場時（），光束的直徑將隨距離的增加而擴大，就好像光束是從一個點光源發(fā)出，其擴散的平面角約為 （1.1-4）式中，，角度為衍射極限發(fā)送機光束角。此時遠離光源的擴散光場分布在一個兩維的立體角之內，即（1.1-5） 圖1.1-6 光束形成和光匯聚 圖1.1-7給出了根據式（1.1-4）在不同波長時擴散角隨透鏡直徑d的變化關系。例如，光波長為0.5 ）um，透鏡直徑為15cm，此時的光束角為3×10-6 rad。這個數量級與微波發(fā)射相比具有巨大的優(yōu)越性。因為微波天線發(fā)射的電磁束角是在度的量級，所以采用很小尺寸的光學器件就可以把光束匯聚集中在一個很小角度之內進行傳輸，這就是光波段的特性之一。顯然，這在長距離空間傳輸中是很有用的。 圖1.1-7 天線增益和光束角隨天線直徑的變化關系 在微波天線發(fā)射中，天線的作用就是匯聚波束，其會聚度用有效天線增益表征。這個概念同樣適用于光波段。根據天線理論，發(fā)射的電磁波束如果滿足式（1.1-11），則有效天線增益為（1.1-6） 圖1.1-7也給出了這個增益曲線。由圖1.1-7可見，15cm的透鏡具有的天線增益為122dB（對0.5 um光）和95dB（對10.6um光），與微波天線相比這是一個巨大的改善。 1.1.3 接收光功率 為了簡單起見，假定距光源很遠的R處有一個小接收面，則發(fā)射光場在接收面處表現為一平面光場。接收面上的光場強度為（1.1 7）式中，Ps（t）為點光源的功率變化函數， 為從光源到R處的傳輸時延，Gt為Ar所在方向的發(fā)射光增益。 令點光源發(fā)射恒定功率為P，的光場，由光束整形系統(tǒng)將光場集中在立體角之內，如圖1.1 8所示。在R處，光束之內的光強度將是（1.1 8）接收面A，收到的光功率是R處光強度在A，面上的積分（1.1 9）式中，為接收面Ar的法線與光功率流傳輸方向間的夾角。如果（法線方向入射），則Ar上所接收的光功率為（1.1-10） 需要指出的是，式（1.1-10）為一個具有發(fā)射增益為G．的光源所產生的電磁場的標準功率流方程。同樣，相對于接收面積可以定義一個接收增益，即（1.1-11），則式（1.1-10）變換為（1.1-12）式中
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