若 si /ni >>1, 则
so 1 si no 2 ni
输出信噪比近似等于输入信噪比的一半，即经光电转 换后信噪比损失了3dB，适于实际应用； 直接探测方式不能改善输入信噪比，但适宜于较强光 信号的探测，且探测方法简单、易于实现、可靠性高， 成本较低，因此应用广泛。
检测时需要用光波相干原理。 调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制
测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。
6.1 光电直接检测系统的基本工作原理
光源
强度 调制器 光学天线 光学通道 接收天线及光 电检测器 光电信号 处理器 电路噪声 接收机
信号
发射机
回收的 信息
背景噪声场
强度调制直接检测模型 光电直接检测系统是将待光信号直接入射到光检测器光敏 面上，光检测器响应光辐射强度（幅度）并输出相应的电流和 电压。 检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信号，前端还 可经过频率滤波和空间滤波等处理。
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直接探测系统
将正弦变化的入射信号光场 es(t)=Escosωst 代入，则：
1 2 is Es Ps 2
式中Ps是入射信号光的平均功率。若探测器的负载电 阻是RL，那么，光电探测器的电输出功率：
P0 i RL P RL
2 s 2 2 s
该式说明，探测器的电输出功率正比于入射光功率的平 方。所以，我们应该建立这样的观念：光电探测器的平 方律特性包含着两层含义：
B P sinq
莫尔条纹演示
莫尔条纹有如下特征：
1）平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的， 对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光 栅刻线不均匀引起的误差。 2）对应关系：当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动 时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互 垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图中， 当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。
3）放大作用：莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随 着指示光栅与主光栅刻线夹角θ而改变。θ越小，B越大，相 当于把微小的栅距P扩大了 1/ sinq 倍。由此可见，计量光栅起 到光学放大器的作用。
例，对25线/mm的长光栅而言，P＝0.04mm，若 θ=0.016rad，则B=2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的间隔， 但无法分辨0.04mm的间隔。 计量光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光栅的 安装间隙无关。莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸， 否则光敏元件无法分辨光强的变化。 4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。例 如，采用100线/mm光栅时，若光栅移动了x mm（也就是移过 了100×x条光栅刻线），则从光电元件面前掠过的莫尔条纹也 是100×x条。由于莫尔条纹比栅距宽得多，所以能够被光敏元 件所识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道 移动的实际距离了。
黑白光栅
莫尔条纹光栅原理
构成： 主光栅---标尺光栅，定光栅； 指示光栅---动光栅
计量光栅由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成，标尺 光栅和指示光栅的刻线宽度和间距完全一样。将指示光栅与 标尺光栅叠合在一起，两者之间保持很小的间隙（0.05mm或 0.1mm）。在长光栅中标尺光栅固定不动，而指示光栅安装 在运动部件上，所以两者之间可以形成相对运动。 在透射式直线光栅中， 把主光栅与指示光栅的刻线面 相对叠和在一起，中间留有很 小的间隙，并使两者的栅线保 持很小的夹角θ，光栅节距为 P。在两光栅的刻线重合处， 光从缝隙透过，形成亮带；在 两光栅刻线的错开处，由于相 互挡光作用而形成暗带。莫尔 条纹是周期性函数。
若光探测器输出有隔直流电容，则输出光电流只包含第 二项，即直接探测的基本物理过程。 注意：探测器响应的是光场的包络，目前尚无直接响应 光频率的探测器。
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直接探测系统
信噪比性能分析
设输入光电探测器的信号光功率为 si ，噪声功率为ni ， 光电探测器的输出电功率为 so ， 输出噪声功率为no，则 总的输入功率为(si+ni)，总的输出功率为(so+no)。由光电 探测器的平方律特性
其一是光电流正比于光电场振幅的平方； 其二是电输出功率正比于入射光功率的平方。
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直接探测系统
如果入射光场是调幅波:
es (t ) Es [1 KV (t )]cos st
1 is (t ) Es2 Es2 KV (t ) 2
直流项
交流成份中 包含调制信 号信息
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直接检测系统的举例
莫尔条纹测长仪
在检测技术中常用的是计量光栅。计量光栅主要是利用光 的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分辨力，可优 于0.1m。 计量光栅可分为透射式光栅 和反射式光栅两大类，均由光源、 光栅副、光敏元件三大部分组成。 光敏元件可以是光敏二极管，也 可以是光电池。透射式光栅一般 是用光学玻璃或不锈钢做基体， 在其上均匀地刻划出间距、宽度 相等的条纹，形成连续的透光区 和不透光区。
so+no=k(si+ni)2 =k(s2i+2sini+n2i)
考虑到信号和噪声的独立性， 应用
so ksi2
no k (2si ni n )
2 i
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直接探测系统
输出功率信噪比为：
so si2 ( si / ni ) 2 ( SNR)o 2 si 2 si ni ni 1 2( si / ni )
光电直接检测系统
非相干检测，
光 电 检 测 系 统
直 接 检 测
光源：非相干或相干光源
原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为 电信号，解调电路检出信息。 调制方法：光强度调制、偏振调制。
直接检测是一种简单实用的方法。
相干检测， 光源：相干光源
光 外 差 检 测
原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息，
q
主光栅
计量光栅
指示光栅
这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹，条纹 方向与刻线方向近似垂直(?)。通常在光栅的适当位置安装 光敏元件，即可检测到亮暗变化。 当指示光栅沿x轴（例如水平方 向）自左向右移动时，莫尔条 纹的亮带和暗带将顺序自下而 上不断地掠过光敏元件（在演 示中就是我们的眼睛）。光敏 元件“观察”到莫尔条纹的光 强变化近似于正弦波变化。光 栅移动一个栅距P，光强变化一 个周期。 由于光栅的刻线非常细微，很难分辨到底移动了多少个栅 距，而利用莫尔条纹具有放大作用，当光栅移动了一个节距 时P，莫尔条纹移动了一个宽度B。且满足关系式：
从上式可以得出如下结论： 若 si/ni<<1, 则
so si no ni
2
输出信噪比近似等于输入信噪比的平方。
这说明直接探测方式不适宜于输入信噪比小于1或者微弱 信号的探测。实际上，要想对弱光信号实施直接探测，还 必须在探测体制上进行改革。
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直接探测系统
直接探测系统
光电探测器的平方律特性
假定入射信号光的电场 es(t)=Escosωst 是等幅正弦变化， 这里ωs是光频率。 因为光功率 Ps(t)∝e2(t)， 所以由光 电探测器的光电转换定律：
பைடு நூலகம்时间平均
is (t ) es2 (t )
e hv
对e2s(t)的时间平均是因为光电探测器的响应时间远远 大于光频变化周期， 所以光电转换过程实际上是对光 场变化的时间积分响应。