光电探测器的散粒噪声(光电探测器的散粒噪声与频率)

海潮机械 2023-01-21 09:51 编辑:admin 141阅读

1. 光电探测器的散粒噪声与频率

激光器噪声

激光器的噪声包括:相对强度噪声和相位噪声。

相对强度噪声(RIN),是指归一化为平均功率的功率噪声。

相位噪声导致激光器输出具有有限的线宽。

低噪声单频激光器在超高分辨率成像、超高速率通信、超高精度传感等领域具有广泛的应用前景,对其噪声特性的表征与测试具有不可忽视的基础性和重要性。

为此,中国科学院上海光学精密机械研究所下属的聚科光电研发了一种新的低噪声单频激光器相频噪声特性的测试设备,该设备基于自研专利技术,使低噪声单频激光器的测试简化为:只需要一台激光器,不需要先验的噪声模型,不再需要额外的主动控制手段保持正交性,不需要很长的光纤,就能完整测试所有相位频率噪声参量。

2. 光接收机的散粒噪声

主要来源:(1)光电检测器引入的噪声;(2)光接收机的电路噪声;(3)模分配噪声

光接收机噪声有:

 (1) 光检测器的噪声,包括量子噪声、暗电流噪声及由APD的雪崩效应产生的附加噪声。 这是一种散粒噪声,由光子产生光生电流过程的随机性所引起,即使输入信号光功率恒定时也存在。

 (2) 热噪声级前置放大器的噪声。热噪声是在特定温度下由电子的热运动产生,任何工作于绝对零度以上的器件都是存在的;前置放大器的噪声,严格来说也是一种散粒噪声,由电域的载流子的随机运动引起的。

3. 光电探测器信噪比

光电探测器正常工作所能探测到入射光信号的调制频率是有限的,调制频率高于光电探测器频率响应的入射光信号将不能被正确探测出。

频率响应是光电探测器对加在光载波上的电调制信号的响应能力的反应,表征了光电探测器的频率特性。

光电二极管的响应速度是由探测信号的上升时间或下降时间来衡量的,通常取两者之间较大的值。

在光纤通信中,要求接收端的光电探测器能够对光纤中的高速调制光脉冲信号快速响应,从而提高信噪比,降低系统的误码率。

4. 光电探测器的散粒噪声与频率有关吗

雷达工作原理核心是雷达发射一定频率的电磁波,并接收目标反射回来的回波,根据回波判定目标的某些状态。雷达发射的电磁波的频率就是它的工作频率。

工作频率对雷达起着倏关重要的作用,直接影响雷达的探测距离、角分辨率、多普勒测速性能和雷达的尺寸、重量和造价等。

前用的雷达工作频率范围为500-40,000兆赫,一些特殊用途的雷达的工作频率则超出了上述范围,如超视距雷达的工作频率低到2-5兆赫,而毫米波雷达的工作频率达到94,000光赫。

对于一种特定的雷达,它的最佳工作频率由它所要完成的任务决定。 同时,工作频率的选择又是对雷达的尺寸、发射功率、天线波束宽度等的综合考虑。

雷达尺寸 频率越低,电磁波的波长越长,产生产发射电磁波的发射管的尺寸就越大,同时重量越重;反之,频率越高,发射管的尺寸越小,重量也随之减少,这样,就可以在一些空间受限的场合使用(如机载雷达)。

波束宽度 深人的理论分析表明,雷达的波束宽度与波长成正比,而与天线尺寸成反比。所以,为了达到相同的角分辨力,频率越高,波长越短,所需天线尺寸也越小。

大气衰减 电磁波在大气中传播时,由于大气的吸收和散射而发生衰减,频率越高,衰减越多。

频率低于100兆赫时,这种衰减可以忽略,因而能够传播得很远,例如,工作频率很低的超视距雷达可以有几千公里的探测范围;频率高于10,00O兆赫时,衰减就很严重了,例如,毫米波雷达难以达到很远的距离。 多普勒效应 我们在第二节中介绍了多普勒效应,多普勒频移不仅与目标和雷达的接近速度成正比,而且与波的频率成正比,频率越高,多普勒频移越显著。

但是,过人的多普勒频移有时也会造成麻烦,所以在某些场合需要限制雷达的工作频率,但在另一些场合,又需要选择相当高的频率,以提高多普勒测速的灵敏度。 背景噪声 雷达的回波信号受到噪声的干扰,这些噪声一方面来源于雷达接收机内部,另一方面来源于宇宙空间存在的电磁辐射和大气变化带来的噪声,即背景噪声。

背景噪声主要包括宇宙电磁辐射和大气噪声。

宇宙噪声在低频段较高,而大气噪声在高频段较高。

很多雷达的噪声主要来源于内部,但当雷达需要很远的探测范围而使用低噪声的接收机时,背景噪声就占据主导地位。 从以上分析可以知道,不同场合,不同用途的雷达,工作频率差别很大。

地面雷达几乎涵盖了所有的频率范围,如功率达到几兆瓦的大探测范围的警戒雷达,由于没有雷达尺寸的限制,在工作频率很低的同时,可以做得很大以得到相当高的角分辨力。

空中警戒雷达和预警雷达工作在UHF和VHF频段,这一频段的背景噪声最小,大气衰减也可以忽略,但由于大量的通信信号使用这一频段,所以雷达只能在特定的情况和地理区域中使用。

舰载雷达受到有限的使用空间的限制,频率不能很低,同时,复杂多变的天气环境又限定了频率的上限。

机载雷达对雷达尺寸的要求更加苛刻,为了在有限的空间和负载能力下达到较高的分辨力,机载雷达的工作频率一般都较高。

5. 噪声影响光电器件的探测极限

光电探测器能把光信号转换为电信号。根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同,光电探测器可分为两大类:一类是光子探测器;另一类是热探测器。

光电探测器件的应用选择,实际上是应用时的一些事项或要点。在很多要求不太严格的应用中,可采用任何一种光电探测器件。不过在某些情况下,选用某种器件会更合适些。例如,当需要比较大的光敏面积时,可选用真空光电管,因其光谱响应范围比较宽,故真空光电管普遍应用于分光光度计中。当被测辐射信号微弱、要求响应速度较高时,采用光电倍增管最合适,因为其放大倍数可达10^4~10^8以上,这样高的增益可使其信号超过输出和放大线路内的噪声分量,使得对探测器的限制只剩下光阴极电流中的统计变化。因此,在天文学、光谱学、激光测距和闪烁计数等方面,光电倍增管得到广泛应用。

6. 光电探测器噪声等效功率

噪声等效功率(nep) 若投射到探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压均方根,这个辐射功率就叫做噪声等效功率(noise equivalence power)。噪声等效功率是一个可测量的量。 nep=pmin= un/r=p/us/un p—入射辐射功率 us—输出信号电压 un—输出噪声电压均方根 r—响应率 一般一个良好的探测器的nep约为10-11w。显然,nep越小,噪声越小,器件的性能越好。 探测率(d)探测率就是探测器能探测的最小辐射功率(nep)的倒数。是衡量探测器探测能力的参数。 d=1/nep它表示单位入射辐射功率所产生的信噪比,当然,d值越大,表示器件的探测性能越好。d的单位是[w-1]. 任何探测器都有噪声,比噪声起伏平均值更小的信号实际上检测不出来。产生如噪声那样大的信号所需的辐射功率,称为探测器能探测的最小辐射功率,或称等效噪声功率。有时用探测率描述探测器的灵敏度。