关于噪声等效功率及其在光子杂讯计算中的应用讨论

更新时间:2023-12-13      点击次数:226

噪声等效功率介绍

噪声等效功率(NEP)是一个 instrumental(工具性的)指标,用于量化各个领域的检测器灵敏度和噪音源的影响,如光学、电机、热力学等。它代表产生单位信噪比的等效输入杂讯功率。它代表在探测器输出产生信噪比(SNR)为1的等效输入噪声功率。

然而,多年来在各领域的广泛应用导致文献中对NEP存在多种模糊的解释。 本文旨在通过追踪噪声信号在探测器不同内部阶段的起源和传播,提供对NEP物理意义和数学推导的统一观点。

NEP的正式定义

基本上,噪声源于探测器测量的数量中的随机波动。因此,基于统计信号处理的随机框架是必要的,用于表征这种随机过程。

对于具有达到达标功率变化的静止过程,功率谱密度(Sxx(f))代表了随着频率变化的均方波动。将 x 值连结到系统中实际耗散功率的功能,被称为系统对测量属性的敏感度(或功率响应)。

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NEP被定义为:

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其中,功率响应指的是探测器灵敏度,即单位输入过程波动幅度的功率耗散。这个通用定义导致了两个不同的物理解释:

  1. 电NEP:实际测量到的探测器输出端的噪声功率

  2. 光NEP:探测器输入端的等效噪声功率

光子噪声NEP分析

本文特别聚焦于光探测器中光子杂讯NEP的量子力学处理。光子检测通过考虑双重波粒性 - 光子数统计和电磁模式分析进行建模。纳入的关键因素包括:

通过跟踪光子数波动通过多次光束分裂和衰减阶段,本文推导了一个以可测物理参数为基础的光子NEP的广义公式。在假设探测器大小、绕射极限、相干光束因子等条件下,可以得到现有文献中引用的简化表达式作为特殊情况。

等效噪声指标

对于通信接收系统和光学/无线电天文仪器,关键系统灵敏度以等效输入噪声指标来表征:

通过适当转换通量、功率和温度的单位,可以将这些指标与NEP指标进行数学关联。

总结

总之,本文通过有系统地追踪信号和噪声在探测器不同阶段的传播,提供了对NEP各种解释的统一观点。在这个过程中,建立了许多特定领域NEP变体之间的数学关系,同时阐明了微妙的假设。这澄清了灵敏度定义并为比较光学、电学和热学系统提供了一个基准。


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