光電探測與信號處理

前言

　　材料、能源和信息是21世紀(jì)的三大支柱產(chǎn)業(yè)，電子科學(xué)與技術(shù)是電子工程和電子信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)學(xué)科。目前，許多發(fā)達(dá)國家，如美國、德國、日本、英國、法國等，都競相將電子科學(xué)與技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域納入了國家發(fā)展計(jì)劃。我國對微電子技術(shù)和光電子技術(shù)等方向的研究也給予了高度重視，在多項(xiàng)國家級戰(zhàn)略性科技計(jì)劃中，如“863計(jì)劃”、“973計(jì)劃”、國家科技攻關(guān)計(jì)劃、國家重大科技專項(xiàng)等，都有大量立項(xiàng)。在近幾年發(fā)布的國務(wù)院《2006-2020年國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略》、《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中，對我國的集成電路（特別是中央處理器芯片）、新一代信息功能材料及器件、高清晰度大屏幕平板顯示、激光技術(shù)等關(guān)鍵領(lǐng)域都提出了明確目標(biāo)。　　電子科學(xué)與技術(shù)主要研究制造電子、光電子的各種材料及元器件，以及集成電路、集成電子系統(tǒng)和光電子系統(tǒng)，并研究開發(fā)相應(yīng)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。它涵蓋的學(xué)科范圍很廣，是多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科。現(xiàn)在，教育部本科專業(yè)目錄中，電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)涵蓋了微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、物理電子技術(shù)、電子材料與元器件及電磁場與微波等專業(yè)方向。隨著學(xué)科的交叉發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的整合，各專業(yè)方向已彼此滲透交融。如何拓寬專業(yè)方向？如何體現(xiàn)專業(yè)特色？是當(dāng)前我國高校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在辦學(xué)方面所迫切需要探討的問題。教育部電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會起草的《普通高等學(xué)校電子科學(xué)與技術(shù)本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》，對本專業(yè)的核心知識領(lǐng)域和知識單元的覆蓋范圍作了規(guī)定，旨在引導(dǎo)高等學(xué)校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在辦學(xué)方向與人才培養(yǎng)方面探索新的模式，不斷提高教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)高校教學(xué)的創(chuàng)新能力，更好地培養(yǎng)知識、能力、素質(zhì)全面協(xié)調(diào)發(fā)展的，適合我國電子科學(xué)與技術(shù)各領(lǐng)域不同層次發(fā)展需求的有用人才。　　教育部為了推進(jìn)“質(zhì)量工程”，自2007年10月開始，先后三批遴選了國家級特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。目前，有三十余個院系被批準(zhǔn)為電子科學(xué)與技術(shù)國家級特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。在教材建設(shè)方面，2008年10月，教育部高教司在《關(guān)于加強(qiáng)“質(zhì)量工程”本科特色專業(yè)建設(shè)的指導(dǎo)性意見》中指示：“教材建設(shè)要反映教學(xué)內(nèi)容改革的成果，積極推進(jìn)教材、教學(xué)參考資料和教學(xué)課件三位一體的立體化教材建設(shè)，選用高質(zhì)量教材，編寫新教材。”為了適應(yīng)新形勢下對電子科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域人才培養(yǎng)的需求，本屆電子科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)分委員會經(jīng)過廣泛深入調(diào)研，依托電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)國家級、省級特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，與科學(xué)出版社共同組織出版本套《普通高等教育電子科學(xué)與技術(shù)類特色專業(yè)系列規(guī)劃教材》，旨在貫徹專業(yè)規(guī)范和教學(xué)基本要求，總結(jié)和推廣各特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)成果，以提高我國電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教學(xué)的整體水平。

內(nèi)容概要

在光電子信息系統(tǒng)中，光電探測器對光信號的解調(diào)過程是功率響應(yīng)。本書從這一特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合探測器性能和信噪比的概念，系統(tǒng)地介紹了光電探測系統(tǒng)和信息處理的基本內(nèi)容和基本技術(shù)。第1章介紹光電探測基礎(chǔ)，為后面章節(jié)提供必需的基礎(chǔ)知識；第2章介紹光子、光熱兩大類點(diǎn)探測器的工作原理與負(fù)載電路的設(shè)計(jì)方法；第3章介紹直接探測和外差探測兩種體制的系統(tǒng)性能及最佳信號處理方法；第4章介紹光電成像的特點(diǎn)和CCD等像探測器的功能；第5章介紹光接收機(jī)信號檢測理論，包括最佳接收機(jī)和理想接收機(jī)的概念?！　”緯勺鳛殡娮涌茖W(xué)與技術(shù)、光信息科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)“光電檢測技術(shù)”課程的本科生教材，也可供應(yīng)用物理、通信工程、電子工程等相關(guān)專業(yè)的研究生和科技人員使用。

書籍目錄

叢書序 前言 第1章　光電探測基礎(chǔ) 　1.1　光電系統(tǒng)描述 　　1.1.1　光電系統(tǒng)的基本模型 　　1.1.2　光源發(fā)射增益 　　1.1.3　接收光功率 　1.2　光接收機(jī)視場 　　1.2.1　透鏡變換 　　1.2.2　探測功率和視場 　　　1.3　光電探測器的物理效應(yīng) 　　1.3.1　光子效應(yīng)和光熱效應(yīng) 　　1.3.2　光電發(fā)射效應(yīng) 　　1.3.3　光電導(dǎo)效應(yīng) 　　1.3.4　光伏效應(yīng) 　　1.3.5　溫差電效應(yīng) 　　1.3.6　熱釋電效應(yīng) 　1.4　光電轉(zhuǎn)換定律和光電子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì) 　　1.4.1　光電轉(zhuǎn)換定律 　　1.4.2　光電子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì) 　1.5　光電探測器性能參數(shù) 　1.6　光電探測器的噪聲 　　1.6.1　噪聲的概念 　　1.6.2　噪聲的描述 　　1.6.3　光電探測器的噪聲源 　1.7　輻度學(xué)與光度學(xué) 　　1.7.1　輻射量 　　1.7.2　光度量 　1.8　背景輻射 　1.9　探測器主要性能參數(shù)測試 　　1.9.1　探測器光譜響應(yīng)率函數(shù)的測試方法 　　1.9.2　光譜響應(yīng)率函數(shù)的測試 　習(xí)題與思考題1 第2章　點(diǎn)探測器 　2.1　光電管 　　2.1.1　光陰極材料及其光譜響應(yīng) 　　2.1.2　光電特性和伏安特性 　　2.1.3　頻率特性及其他特性 　　2.1.4　強(qiáng)流管 　2.2　光電倍增管 　　2.2.1　倍增極的特性 　　2.2.2　工作電壓 　　2.2.3　光電特性和伏安特性 　　2.2.4　噪聲特性 　　2.2.5　微通道板光電倍增管 　2.3　光電導(dǎo)探測器 　　2.3.1　光電轉(zhuǎn)換原理 　　2.3.2　工作特性 　　2.3.3　幾種典型的光敏電阻及派生器件 　　2.3.4　使用注意事項(xiàng) 　　2.3.5　光電導(dǎo)探測器的偏置方式 　2.4　PN結(jié)光伏探測器的工作模式 　　2.4.1　光電轉(zhuǎn)換原理 　　2.4.2　光伏探測器的工作模式 　2.5　光電池 　　2.5.1　短路電流和開路電壓 　　2.5.2　輸出功率和最佳負(fù)載電阻 　　2.5.3　光譜、頻率響應(yīng)及溫度特性 　　2.5.4　慢變化光信號探測 　　2.5.5　脈動光信號探測 　2.6　光電二極管 　　2.6.1　Si光電二極管 　　2.6.2　PIN硅光電二極管 　　2.6.3　雪崩光電二極管 　　2.6.4　紫外光電二極管 　　2.6.5　半導(dǎo)體色敏器件 　　2.6.6　光電三極管 　　2.6.7　HgCdTe光電二極管 　　2.6.8　光子牽引探測器 　2.7　光電象限探測器和位敏探測器 　　2.7.1　象限探測器 　　2.7.2　光電位敏傳感器(PSD) 　2.8　光熱探測器 　　2.8.1　光熱探測器的熱過程分析 　　2.8.2　熱敏電阻 　　2.8.3　熱釋電探測器 　習(xí)題與思考題2 第3章　直接探測和外差探測 第4章　像探測器 第5章　光接收機(jī)信號檢測理論概述 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第一部分是光接收前端（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(jìn)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(fù)所需要的信息?！　」饨邮諜C(jī)可以分為兩種基本類型，即功率探測接收機(jī)和外差接收機(jī)。功率探測接收機(jī)也稱為直接探測或非相干接收機(jī)，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(dá)光接收機(jī)的光場瞬間光功率。這種光接收機(jī)的工作方式是最簡單的，只要傳輸?shù)男畔Ⅲw現(xiàn)在接收光場的功率變化之中，就可以采用這種接收機(jī)。外差接收機(jī)的前端系統(tǒng)如圖1.1-4（b）所示。本地產(chǎn)生的光波場與接收到的光場經(jīng)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(jī)可接收以幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制方式傳輸?shù)男畔?。外差接收機(jī)實(shí)現(xiàn)起來比較困難，它對兩個待合成的光場在空間相干性方面有嚴(yán)格的要求。因此，外差式接收機(jī)通常也稱為空間相干接收機(jī)。不論是哪一種接收機(jī)，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。

編輯推薦

　　強(qiáng)調(diào)電子信息系統(tǒng)中電信號解調(diào)和光電子信息系統(tǒng)中光信號解調(diào)的區(qū)別，前者是幅度響應(yīng)，后者是功率響應(yīng)?！　【o密結(jié)合光電探測器的性能來分析光電子信息系統(tǒng)的性能，注重培養(yǎng)選擇與使用探測器的能力。　　以光電子信息系統(tǒng)中的信噪比為最重要指標(biāo)，分析直接探測系統(tǒng)和外差探測系統(tǒng)的性能特點(diǎn)。　　以最佳接收機(jī)和理想接收機(jī)的概念來總結(jié)前四章的內(nèi)容，幫助讀者建立完整的光電子信息系統(tǒng)的概念?！　∏逦髁说奈锢砀拍钆c循序漸進(jìn)的內(nèi)容安排，有助于教師組織教學(xué)和學(xué)生自學(xué)。

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