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
由安德鲁亨廷顿，博士;George M. Williams，Jr.，Al雷竞技竞猜下载legro 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
光致抗噪声等效功率（NEP）可以是信息性的公制，但是使用NEP评估LIDAR接收器性能，提出了APD接收器的NEP不完全描述其接收器操作特征（ROC）。LIDAR接收器的ROC是接收器脉冲检测概率的参数曲线图（PD.）对于指定的信号电平与其假阳跳率相比，可以从接收器的假警报速率（远）确定;这两种都随着LIDAR脉冲检测电路的检测阈值而变化。NEP独特地表征了远程的趋势与非APD接收器的阈值，但是具有相同NEP的两个APD接收器可能具有显着不同的远方特征。
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的激光雷达光射向的框图如图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：
等式1：
等式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，nS.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, ΩTIA.是放大器的AMPS到伏特的ω，而gTIA.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，ωTIA.和G.TIA.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：
等式6：
其中BW是接收器的模拟信号链的带宽进入其Hz的比较器;S.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）;一世D.是安培中乘以直流暗电流;一世B.是在安培中的背景光电流;噪音TIA.是放大器以电子为单位的输入引用噪声，表示为：
等式8：
和τ.eff.在几秒钟内是有效的一体化时间。
在大多数LIDAR接收器用例中，调整脉冲检测阈值以熄灭误报，直到实现允许的远程（例如60Hz）;然后，在脉冲检测概率的信号水平远远表达LIDAR敏感性（PD.实现了一些所需的值（例如pD.= 95％）。远远要求确定脉冲检测阈值，脉冲检测阈值确定脉冲检测概率。分析远的脉冲检测概率需要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。
表征暗条件下输出分布的平均值和标准偏差是vD.和V.N并且，当信号存在时，vS.和Σv.S.。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：
等式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（vS.）是v的总和D.和电压步（ΔVS.通过等式1和等式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：
等式11：
其中五TH.是脉冲检测阈值，它相对于V测量D.，允许V.S.用ΔV替换S.。
高斯分布不是足够的近似，用于计算从特征的APDS组装的光接收器，其特征在于电离率比（K）的较大值。APD光receiver通常使用足够高的检测阈值，以便将误报熄灭为一百万的尺寸，使得远远敏感于假警报幅度分布的详细形状，许多标准偏差高于平均幅度。v的真正分布出去在黑暗条件下是代表APD乘以暗电流的泊松加权McIntyre分布的卷积（PAPD.）和高斯分布代表放大器的输入引用噪声（PTIA.）：
等式12：
哪里p.RX.（N.出去）是测量v的概率出去= G.TIA.×N.出去，和n出去是实现v所需的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（gTIA.）用于表达vN和V.TH.作为等效输入电子计数，nN和nTH.。
NEP和远的两者都取决于输出电压噪声，但是单独的NEP不确定远。远远对v的分布的依赖出去，在公式12中表示RX.（N.出去），对K和M敏感，使得导致同一NEP的K和M的组合可能导致远程的不同值。
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远程特性在图3中绘制了与检测阈值。LIDAR敏感性，定义为实现指定脉冲检测概率和远程的平均信号电平，在图4中比较为1至150Hz的范围，脉冲检测概率为95％。尽管所有三个接收器配置的特征在于相同的NEP，但它们的灵敏度不同。因此，单独的NEP不是LIDAR接收器敏感性的良好衡量标准。
表1：具有相同NEP的三个示例LIDAR系统的特征
| 范围 | 接收器1 | 接收器2 | 接收器3. |
| TIA带宽（BW） | 100 MHz. | ||
| TIA输入噪音（噪音TIA.） | 400 e.- | ||
| TIA输入噪声谱强度 | 1.64 x 10.-24一种2/赫兹 | ||
| TIA集成时间（τeff.） | 5 ns. | ||
| TIA转换增益（gTIA.） | 32μV/ e- | ||
| TIA跨阻抗（ωTIA.） | 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=1.55μm） | 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：所有具有相同NEP的表1的三个接收器的灵敏度与FAR。灵敏度被定义为光子中的信号电平，脉冲检测概率为95％。
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。