论文题目：基于微波谐振法的弱光信号探测技术研究
摘要：光信号探测技术作为光载无线通信、微波/光复合制导、星空探测等领域的重要核心技术,其对弱光信号的检测性能是反映相关领域发展的关键指标。现阶段,光信号探测技术的研究重点主要集中在对探测器敏化材料的响应特性、材料成分和结构形式的改进,而其后端检测方式大多仍是基于各种检测电路将探测器的光响应转变为电响应进行检测,较少有关于采用其它类型检测方式以提高探测器工作性能的探索研究。因此,开展新型弱光信号高灵敏探测技术研究对光信号探测技术的创新发展有重要的意义和价值。本文以光与微波互作用机理为基础,结合微波谐振法检测技术准确度高、响应速度快、响应灵敏度高等特点,创新性开展了基于微波谐振法的弱光信号探测技术研究。在已有测试方法及系统的基础上,提出光信号作用下敏化材料介电性能演变规律测试方法和评价手段,验证了敏化材料的微波响应机制和响应机理。此后,针对光信号探测技术的主要影响因素,提出将微波谐振器作为光信号测试传感器的技术方法,实现将探测器的光响应转变为微波响应进行检测,提高了测试系统的弱光信号检测能力。此外,测试传感器自身作为探测器的微波偏置源,减小了传统检测电路中器件内部噪声和外部偏置源对弱光信号测试结果的影响。最终实现了对辐照功率P≤2×10-10W,响应度R≥0.48 dB/nW,响应时间τ≤1.36ms,噪声等效功率 NEP≤7.797×10-14W/（?）,比探测率D*≥2.751×1012 cm·（?）的弱光信号检测。结果表明,当使用相同硫化镉（CdS）探测器时,基于微波谐振法的弱光信号探测技术在NEP和D*等性能指标方面提高了至少1个数量级。本文的主要研究内容和贡献归纳如下:1.详细分析了光、微波和敏化材料之间的互作用机理。其次,针对国内外弱光信号探测技术研究现状,以半导体敏化材料的微波响应特性为桥梁,提出了基于微波谐振法的弱光信号检测新方法,降低了测试系统噪声含量,提高了弱光信号检测能力。2.研究分析了重入式同轴腔和准光学谐振腔测试传感器的场分布和能量分布,并进行了理论推导和模型仿真验证。建立了辐照光功率与敏化材料介电性能之间的关系方程,为光照下敏化材料介电性能演变规律研究提供理论依据。此后,分析了谐振腔等效电路理论和法向模螺旋谐振天线理论,建立了辐照光功率与微波传感器谐振参数之间的关系方程,为基于微波谐振法的弱光信号检测提供了理论支撑。3.基于微波谐振法测试理论和半导体材料敏化理论,分别构建了重入式同轴腔法和准光学谐振腔法敏化材料介电性能测试模型,并完成测试系统组建,获得了典型半导体材料介电性能随辐照光强的演变规律。此外,分别采用时域扫描法和频域扫描法对光辐照下测试传感器的微波谐振性能变化规律进行研究,分析了短时和长时辐照中热效应对测试结果的影响,进一步明确了半导体敏化材料的微波响应特性及响应机理,测试结果验证了基于微波谐振法的弱光信号探测技术的可行性。4.基于敏化材料介电性能演变规律,将光敏电阻探测器加载于微波谐振传感器上,实现将敏化材料的光敏特性与测试传感器的微波谐振特性相结合,从而将探测器的光响应转变为微波响应进行检测。分别构建了开放式同轴腔法和法向模螺旋天线法弱光信号测试模型,并完成测试系统组建。分别采用频域扫描法和时域扫描法对微弱连续光信号和调制脉冲光信号进行深入实验研究,并从噪声和技术指标两方面对基于微波谐振法的弱光信号探测技术进行了理论分析、实验验证和性能指标对比。实验结果表明,本文设计的微波谐振法弱光信号测试系统具有响应灵敏度高、响应速度快、噪声等效功率低等优点。
关键词：弱光信号;微波测试;微波谐振腔;螺旋天线;介电性能
学科专业：电路与系统
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究工作的背景及意义
1.1.1 课题来源
1.1.2 课题研究背景及意义
1.2 光信号探测技术研究现状及动态
1.2.1 热探测技术研究现状及动态
1.2.1.1 热释电探测器
1.2.1.2 热电偶和热电堆
1.2.1.3 其它热探测器
1.2.2 光子探测技术研究现状及动态
1.2.2.1 光电导探测器
1.2.2.2 光伏探测器
1.2.2.3 其它光子探测器
1.2.3 光信号检测电路介绍
1.3 光信号探测技术影响因素介绍
1.3.1 探测器噪声
1.3.1.1 热噪声
1.3.1.2 电流噪声
1.3.1.3 产生-复合噪声
1.3.2 检测电路噪声
1.3.2.1 电路热噪声
1.3.2.2 放大器噪声
1.3.2.3 偏置源引入噪声
1.4 微波谐振法检测技术介绍
1.5 本文的主要贡献与创新
1.6 本文的结构安排
第二章 基于敏化材料的光和微波互作用机理分析
2.1 光与敏化材料互作用机理分析
2.1.1 光及其特性
2.1.2 半导体材料的光敏机理分析
2.1.2.1 本征吸收和杂质吸收
2.1.2.2 光生载流子产生与复合
2.1.2.3 光生电导率
2.1.2.4 光电导增益
2.1.3 光信号探测器主要性能参数
2.2 微波与敏化材料互作用机理分析
2.2.1 微波及其特性
2.2.2 半导体敏化材料复介电常数
2.2.3 介质材料中电磁波传播特性
2.2.3.1 介质材料本构方程
2.2.3.2 介质材料边界条件
2.3 光与微波互作用机理分析
2.4 微波谐振法光信号测试理论研究
2.5 本章小结
第三章 微波谐振法测试理论分析
3.1 微波谐振法介电性能测试理论
3.1.1 谐振微扰法测试理论
3.1.2 模式匹配法测试理论
3.2 谐振腔等效电路理论
3.2.1 RLC串联等效电路理论
3.2.2 RLC并联等效电路理论
3.3 螺旋谐振天线理论
3.3.1 螺旋天线结构
3.3.2 法向模螺旋天线工作特性
3.4 本章小结
第四章 微波谐振法光信号测试模型
4.1 敏化材料介电性能演变规律测试模型
4.1.1 重入式同轴腔法测试模型
4.1.2 准光学谐振腔法测试模型
4.2 弱光信号微波谐振法测试模型
4.2.1 光敏电阻结构模型
4.2.2 开放式同轴腔法测试模型
4.2.3 法向模螺旋天线法测试模型
4.2.4 噪声及性能指标计算模型
4.2.4.1 噪声计算模型
4.2.4.2 性能指标计算模型
4.3 本章小结
第五章 微波谐振法光信号测试系统
5.1 微波谐振法测试传感器设计
5.1.1 微波谐振器耦合装置
5.1.2 重入式同轴腔测试传感器
5.1.2.1 重入式同轴腔模型设计与仿真
5.1.2.2 重入式同轴腔实物加工与测试
5.1.3 准光学谐振腔测试传感器
5.1.3.1 准光学谐振腔模型设计与仿真
5.1.3.2 准光学谐振腔实物加工与测试
5.1.4 开放式同轴腔测试传感器
5.1.4.1 开放式同轴腔模型设计与仿真
5.1.4.2 开放式同轴腔实物加工与测试
5.1.5 法向模螺旋天线测试传感器
5.2 关键光学器件性能简介
5.2.1 光学衰减片
5.2.2 光学滤波片
5.2.3 抛物面聚焦镜
5.2.4 参考光功率计
5.2.5 CdS光敏电阻
5.3 敏化材料介电性能演变规律测试系统集成
5.3.1 重入式同轴腔法测试系统集成
5.3.2 准光学谐振腔法测试系统集成
5.4 弱光信号微波谐振法测试系统集成
5.4.1 开放式同轴腔法测试系统集成
5.4.2 法向模螺旋天线法测试系统集成
5.5 程控自动化测试软件集成
5.6 测试系统误差和测试灵敏度分析
5.7 本章小结
第六章 微波谐振法光信号测试结果与分析
6.1 微波谐振法光信号测试结果与分析
6.1.1 敏化材料介电性能演变规律测试结果与分析
6.1.1.1 重入式同轴腔法测试结果与分析
6.1.1.2 准光学谐振腔法测试结果与分析
6.1.2 微波谐振法弱光信号测试结果与分析
6.1.2.1 开放式同轴腔法测试结果与分析
6.1.2.2 法向模螺旋天线法测试结果与分析
6.2 微波谐振法光信号测试性能指标分析
6.2.1 响应度R
6.2.2 响应时间τ
6.2.3 迹线噪声
6.2.4 噪声等效功率NEP
6.2.5 比探测率D~*
6.3 微波谐振法光信号探测技术的优势与不足
6.3.1 微波谐振法优势分析
6.3.1.1 噪声优势分析
6.3.1.2 技术指标优势分析
6.3.2 微波谐振法不足分析
6.4 本章小结
第七章 全文总结及展望
7.1 全文总结
7.2 后续工作展望
致谢
参考文献