NEP作为LIDAR APD Photoreceiver性能度量的限制
NEP作为LIDAR APD Photoreceiver性能度量的限制
安德鲁·亨廷顿博士;乔治·m·威廉姆斯(George M. Willi雷竞技竞猜下载ams, Jr.)， Allegro MicroSystems
介绍
噪声等效功率（NEP）通常用于在等效光信号电平方面表达光致放大器的输出处的电压噪声。然而，同一NEP的雪崩光电二极管（APD）接收器可以在噪声的幅度分布方面基本上不同，导致熄灭错误警报所需的检测阈值的显着变化。因此，单独的NEP不是采用APD的LIDAR接收器的灵敏度的良好衡量标准。实现实现指定假警报速率的检测阈值所需的光学信号被示出为LIDAR应用的APD光致表现更可靠地表征。雷竞技最新网址
噪声等效功率和噪声等效输入
光接收机噪声等效功率(NEP)是一种有用的指标，但使用NEP来评估激光雷达接收机性能有一个局限性，即APD接收机的NEP不能完全描述其接收机工作特性(ROC)。激光雷达接收机的ROC是接收机脉冲探测概率(Pd)的特定信号电平与其假阳性率的比较，假阳性率可由接收机的假警报率(FAR)确定;两者随激光雷达脉冲探测电路的探测阈值的函数而变化。NEP唯一表征了非APD接收机的FAR随阈值变化趋势，但两个具有相同NEP的APD接收机的FAR特征可能存在显著差异。
NEP和噪声等效输入（NEI）通常用于表达光致放大器的输出处的电压噪声在等效光信号电平的方面，如果在检测器输入处存在，则会导致输出电压摆动与噪声相同。尽管可以以定量信噪比为单位的信号电平来定义NEP（W）和NEI（光子），但是这些度量更通常用于量化在黑暗条件下存在的噪声，没有信号射击噪音。
基于apd的激光雷达光接收机的框图如图1所示，其中输出电压噪声(Vn）是跨阻抗放大器输出电位的标准偏差（V出去）在黑暗条件下。
图1：基于APD的LIDAR光射框图的框图。
v的偏转出去响应于脉冲光学信号写入：
方程1:
方程2:
其中VS是由脉冲光学信号产生的峰值输出电压，PS是瓦特的信号的峰值瞬时光功率，Vd是否存在时输出电压，n年代is the total photon count of the signal pulse, QE is the quantum efficiency of the APD, M is the mean avalanche gain of the APD, λ is the signal wavelength in microns, q is the elementary charge in Coulombs, h is Planck’s constant in J·s, c is the speed of light in m/s, Ω蒂雅在Ω中是放大器的安伏跨阻，G蒂雅是V / E-中放大器的电子到伏转换增益。然后可以写入噪声等效信号：
公式3：
等式4：
通常，ω蒂雅和G.蒂雅取决于信号脉冲形状，所以NEP和NEI特定于引用暗噪声的信号。Just as NEP refers the output-voltage noise to an instantaneous signal power and NEI refers the output-voltage noise to a total photon count, the output-voltage noise itself can be modeled as arising from either the APD’s instantaneous dark current or the cumulative charge delivered by the dark current over an effective integration time:
等式5：
方程6:
其中BW是接收端发送到比较器的模拟信号链的带宽，单位为Hz;年代I_tia是在其带宽上平均的放大器的输入引用噪声的光谱强度，表示为：
等式7：
F是具有电离率碱基的APD的过量噪声系数，表示为F = K m +（1 - k）（2 - 1 / m）;我d为直流暗电流的倍数(安培);我b是在安培中的背景光电流;噪音蒂雅是放大器以电子为单位的输入引用噪声，表示为：
等式8：
和τeff.为有效积分时间，单位为秒。
在大多数激光雷达接收机使用案例中，脉冲检测阈值被调整以消除假警报，直到达到允许的FAR(如60 Hz);然后，在该FAR处，激光雷达灵敏度表示为脉冲探测概率(Pd实现了一些所需的值（例如pd= 95%)。FAR要求决定了脉冲检测阈值，而脉冲检测阈值决定了脉冲检测概率。分析FAR和脉冲检测概率需要V的统计分布出去，NEP或NEI没有充分汇总。
近似接收器度量的限制 - 高斯分布不足
通常是近似Vout作为归一化高斯分布的概率分布（图2）。
图2：V的统计分布出去对于（虚线曲线）和没有（实体曲线）的条件，存在光学信号返回。
表征黑暗条件下输出分布的均值和标准差分别为Vd和V.n并且，当信号存在时，v年代和σV年代．等式5和等式6给出接收器的暗噪声（Vn）;v的标准偏差出去当存在信号时，可以写入：
等式9：
方程10:
信号拍摄噪声在等式9中处理，好像峰值光电流是DC的，这对于持续时间长度的矩形信号脉冲的良好近似值比APD响应时间长。平均光响应（v年代）是v的总和d和电压步（ΔV年代)由式1和式2给出。
高斯近似通常足以使用在某种检测阈值电压下评估其互补累积分布函数（CCDF）来计算脉冲检测概率：
方程11:
其中五th是脉冲检测阈值，它相对于V测量d，允许V.年代用ΔV替换年代．
高斯分布不是一个足够的近似计算,光接收器由美国以更大的电离率值比率(k)。adp光接收器通常操作与检测阈值集高到足以扑灭假警报到一百万年的一个因素,这样FAR对虚警幅值分布的详细形状很敏感，比平均幅值高出许多标准差。V的真实分布出去为表示APD乘暗电流(P .)的泊松加权McIntyre分布的卷积APD.）和高斯分布代表放大器的输入引用噪声（P蒂雅）：
等式12：
哪里p.处方（N.出去）是测量v的概率出去= G.蒂雅×N.出去，和n出去达到V是否需要等效信号电子计数出去．
APD Photoreceiver远的概率密度v出去具有正斜率的脉冲检测阈值：
等式13：
转换增益的地方（g蒂雅）用于表达vn和V.th作为等效输入电子计数，nn和nth．
NEP和FAR都依赖于输出电压噪声，但NEP本身并不决定FAR。FAR与V分布的关系出去，在公式12中表示处方（N.出去)，使FAR对k和M敏感，因此，导致相同NEP的k和M组合可能导致不同的FAR值。
了解FAR及其与其他指标的关系
例如，最佳地证明了k，m和nep的关系。例如，表1中描述了具有相同NEP的三个光感光者，其中接收器1具有比接收器2和接收器3更大的电离速率比（k = 0.2与k = 0.02）。结果，接收器1具有较大的过度噪声系数（在M = 20处F = 5.6 Vs.f = 2.3）。为了匹配接收器1的NEP，尽管K，接收器2在较低的雪崩增益中操作，并且接收器3被分配更高的初级（不升级）的暗电流。
表1中描述的每个接收器的FAR特征在图3中与检测阈值对应。激光雷达灵敏度定义为达到指定的脉冲探测概率和FAR的平均信号电平，图4比较了1到150赫兹范围内的FAR和脉冲探测概率为95%的FAR。尽管所有三种接收器配置具有相同的NEP特征，但它们的灵敏度不同。因此，NEP本身并不能很好地衡量激光雷达接收机的灵敏度。
表1：具有相同NEP的三个示例LIDAR系统的特征
| 参数 | 接收器1 | 接收器2 | 接收器3. |
| TIA带宽（BW） | 100 MHz. | ||
| 输入噪声蒂雅） | 400 e- | ||
| TIA输入噪声谱强度 | 1.64 x 10.-24一个2/赫兹 | ||
| TIA集成时间（τeff.） | 5 ns. | ||
| 转换增益(G蒂雅） | 32μV / e- | ||
| TIA跨阻抗（ω蒂雅） | 1MΩ. | ||
| APD电离率比（k） | 0.2 | ０．０２ | ０．０２ |
| APD增益（m） | 20. | 13 | 20. |
| APD过量噪声系数（F） | 5.6 | 2.1 | 2.3 |
| 主APD暗电流（id/ m） | 5 NA. | 5 NA. | 12 Na. |
| APD量子效率（QE） | ８０％ | ８０％ | ８０％ |
| nn | 712 E.- | 465 E.- | 712 E.- |
| 诺伊 | 44.5 光子 |
44.7 光子 |
44.5 光子 |
| NEP (λ =1.55 μm) | 1.1 NW. | 1.1 NW. | 1.1 NW. |
图3：表1的三个接收器的远程检测阈值，所有这些都具有相同的NEP。
图4:表1中具有相同NEP的三个接收器的灵敏度与FAR。灵敏度定义为脉冲探测概率为95%的光子信号电平。
结论
如本文所示，同一NEP的接收器可以基本上在其噪声的幅度分布方面差异，因此可靠地超过必须设置为熄灭错误警报的检测阈值所需的输入信号电平。而不是优化暗电流，增益和过度噪声系数，以最小化NEP，更好地做出优化适合应用的远程和检测效率的灵敏度。