Справочник по радиолокации (ред. Сколник М. И.) т. 4 - 1978 г. (1151803), страница 85
Текст из файла (страница 85)
За исключением входной части, оптические приемники в основном идентичны радиочастотным, детальная структура приемника зависит от его применения. Оптические детекторы подразделяются на приборы, использующие фотонные эффекты, и на приборы, использующие тепловые эффекты. Приборы, построенные на тепловых эффектах, обладают слишком малым быстродействием для того, чтобы их можно было применять длн детектирования локационных сигналов, и они здесь рассматриваться не будут.
Подкласс приборов, основанных на фотонвых эффектах и наиболее часто применяемых в лазерных локаторах, состоит из: 1) фотоэмнссионных, 2) фото- гальванических или фотоднодов, 3) основанных на фотопроводимости (фоторезисторов) Другие приборы, такие как фотозлектромагнитиые, фотопарамагнитные и квантовые усилители, или обладают недостаточной полосой пропускания, ияи требуют чрезмерного усложнения системы для получения незначительного улучшения характеристик оптического локатора. Непосредственное детектирование. Если все источники шума, дающие вклад в шумовую мощность оптического приемника с непосредственным фотодетектироваиием, считать независимыми и их мощности аддитивными, то (бо) 323 Гл.
У. Оптические локаторы где Кг — сопротивление выходной нагрузки, а средние квадраты токов: гз-дробового шума, генерируемого сигналом (у — теплового . шума е еы3 ходной нагрузке; (о — аробового шума за счет темпового тона; (вэ — дробо.. ного шума за счет фонового тока.
Предполагается, что детектор имеет нижнюю граничную частоту полосы пропускания в несколько сатен герц. Мощность сигнала в нагрузочном сопротивлении, требуемая для получения отношения сигнал/шум 6, равна '.о му=р((ч+'р+'Ь+'л) Вгг (61) где (ю — выходной ток. Если соответствующие выражения для теплового и дробового шумов подставить в уравнение (61) вместо соответствующих им тонов и все токи пересчитать ко входу детектора, а ие к выходной нагрузке, то О(э=р 2е(,ВО+ " — +2е(о ВС+2егдВО, 162) 4ЛТд В (Р» 1+ге) пг Р, з)е (в йч (63) где т) — квантовый выход; й — постоянная Планка; ч — оптическая частота. Если уравнение (62) решено относительно 6 и затем 6 заменено соответствующей мощностью Рг, получаем следующий результат: йчрВ ( ( 4ИТэ(Р» — 1+Г ) 2('О+'В) ерВ Формула (64) учитывает большинство факторов, влияющих на характеристики непосредственного фотодетектирования.
Если детектор, такой как фотоумножитель илн лазииный фотодиод, имеет высокое электронное усиление до усилителя низких частот, если используется умеренная полоса пропускания (( 10з Гц) и не требуется высокое отношение сигнал/шум, то (64) сводится к следующей формуле: йч Рг= !2рз((П+(В) В)1/З т(з (66) Если (э>|э, то из (65) получаем 2рйчбыб»А» В Рг —— з) (66) где Π— коэффициент передачи детектора по мощности; е — заряд электрона;  — полоса прапускання системы по низкой частоте; й — постоянная Больцмана, Тд — стандартная температура, Р» — коэффициент шума усилителя низкой частоты; Π— нормированная эквивалентная шумозая температура выходного резистивного сопротивления детектора; (о — средний темновой ток, (з — средний ток, генерируемый фоновым излучением; ы — так, вызываемый продетектированным сигналом.
Ток, вызванный сигналом 1» связан с принятой мощностью соотношением 9.8. Оптические приемники где фоновый ток заменен в соответствии с выражением т)е ( = — (Ьея(ХА ); в — й„ Ю (67) Ь вЂ” фоновое излучение (яркость), Вт/(мз ср мкм); ы — поле зрения оптического приемника, ср; Д)г — оптическая полоса пропускания, мкм; А, — плошадь апертуры оптического приемника, м'. Если детектор имеет усиление, равное единице (например, фотодиод), умеренную полосу и умеренное отношение сигнал/шум, то формула (64) сводится к Дч ( 4И'е В (Р« — 1+ге) р +2а (! о+'в) Вр! т)а ~т (68) Вес входящих в выражение (68) членов зависит от полосы, рабочей частоты, темпового тока, фонового тока, температуры, а также внутреннего сопротивления детектора и сопротивления его нагрузки.
В литературе шумовые характеристики оптического детектора определяются различными Способами. В одном из ннх, наиболее часто используемом, измеряется чувствительность в эквивалентной мощности шума Р« детектора, которая определяется как мощность (в ваттах). необходимая для создания на выходе тока 1., равного шумовому току детектора 1 . Таким образом, Є« 1, где Ва — чувстиительность детектора, определенная как отношение сигнального тока к падающей на детентор мощности, т.
е. Ва=й/Р,. При подстановке Л из соотношения (63) получаем Яа це/Ье Учитывая это и под. ставляя в (68) значения р ! и /а О, имеем 1 4йрэ В (Рл !+Г«) Рг««Р« ~ +2а (1о) В ° (69) ~а пт Обнаруживаемость 0 для оптического детектора определиется как 0=1/Р„(Вт-') ° (70) 0 и Р зависят от волосы приемника и апертуры детектора. Было бы удобнее, если бы величина, определяющая шумовые характеристики, ие зависела от полосы и апертуры детектора. Лжонс (44) предложил использовать величину 0*, которая определяется выражением О* 0 )/Ап В= Вн )ггАп В (см Гц!Г~ Вт"'), (71) )Г(4ЬТо В (Р« — 1+1«)/Вг)+2Е/гт В где Аэ — апертура детектора. Из выражения, стоящего в знаменателе (71) видно, что шум темпового тока и тепловой шум содержат множитель (/В. Когда к тому же требуется относительно узкая полоса (от б до 15 кГц) и /2 может быть велико, тепловой шум достаточно мал по сравнению с дробовым шумом темпового тока и им можно пренебречь.
При этом условии, а также поскольку 1вжАэ, величина О* лействительно ве зависит от полосы и апертуры детектора. Для случая большой полосы, когда /гь мало, основной вклад дает член, описывающий тепловой шум в знаменателе (71). Лаже в этом случае ве. 327 Гл. 9. Оптические локаторы ф гр ьм ь грг Дул /Р" йуа где /йл /Р /РЗ /АР /77, Рлг Рас. 14. зааисамость пе от йт лла аренааеаого сеотокаоаа на алисе эолам эаа ам. Для фотоумножителей или лавинных фотодиодов член, определяемый тепловым шумом.
в знаменателе (71) должен быть разделен на коэффипиеат усиления по мощности. Получаемой при этом величиной можно пренебречь по сравнению с членом, определяемым дробовым шумом. даже для случая наибольшей полосы пропускания. При увеличении полосы пропуснания оптического приемника В формула (64) показывает, что 2йчрВ рйч рл йч Р = Ч В.с с (72) которая соответствует шуму на квантовом пороге, где т 1/2 — мера интервала наблюдения, а р — отношение сигнал/шум становится равным числу фотоэлектронов р„.
На практике к этому пределу часто приближаются детекторы с большим усилением (электронным умножением), работающие в усло- 326 личина О' все еще почти постоянна, так как полное сопротивлеяие Вт, аа которое нагружен фотодиодиый детентор, состоит из внутреннего последователыю включенного сопротивления Лл, которое больше, чем нвешнее сопротивление /7ь, причем /(а~ //Ал. При средних полосах дробовой и тепловой шумы дают вклад в знаменатель формулы (71) и 0' больше не определяется лишь свойствами материала детектора.
На рис. !4 показаны зависимости О* от Вт для типичного фотодиода [45). 9.8. Оптические приемники (ря)» ехр ( — р„) Рр Х »=! у (73) где р„ — среднее ожидаемое значение числа фотоэлектронов. Вероятность того, что ии одного фотоэлектрона не будет обнаружено, равна Рмр Рр (у — 0) — ехр( р ) (74) Таким образом, вероятность обнаружения на квантовом пороге, когда можно пренебречь всеми шумами, за исключением флуктуаций времени прихода фотонов, равна Рр=1 — Рхр-— 1 — ехр( — рп), (76) Формула (72), выраженная через вероятность обнаружения, имеет вид яя Р„= — )п (1 — Р р)-х„ (76) тз! В случае, когда флуктуации времени прихода сигнальных фотоэлектронов не являются доминирующими, должен быть введен порог обнаружения н могут иметь место ошибки двух типов: ложное обнаружение и пропуск скгнала.
Вероятность ложного оознаружения (ложной тревоги) определяется выраже- нием пт охр ( — л,) ! яр= -2' у М у (77) где п, — среднее число несигнальных фотоэлектроназ эа интервал измерения н М! — пороговое число фотоэлектронов. Вероятность обнаружения равна жч (ря+ и„)» ех р ( — (р+ и,)! Рр маг у »е М (78) где в распределении Пуассона фигурирует сумма сигнальных фотоэлектронов и среднего значения шумовых фотоэлектроиов [40). Вероятность пропуска сигнала определяшся соотношением Рно=! — Рп, так как полная вероятность правильного и ложного обнаружения должна равняться 1.
Имеются таблицы, в которых приведены значения указанных выше сумм для широкого диапазона значений их составляющих (40). 329 виях слабого фонового излучения При минимальном уровне обнаруживаемых сигналов в течение интервала измерения будет принято только небольшое число фотонов и получено еще меньшее число фотоэлектроиов, что обусловлено величиной квантового выхода. Процессы, в которых события имеют случайное время появления, описываются распреедлеиием Пуассона, а процессы, в которых в единицу времени происходит несколько событий, описываются биномннальным распределением.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
