《光电探测与信号处理》课程教学大纲 一、课程基本信息 开课单位 电气与电子工程学院 课程类别 专业核心 课程名称 光电探测与信号处理 课程编码 ZH29506 (Photoelectric detection and signal processing) 开课对象 光电信息科学与工程专业本科生 开课学期 第6学期 总学时：54、理论课学时：42（其中MOOC:2学时，企业行业专家授课： 学时/学分 2学时)、实验课学时：12（其中行业企业专家授课：3学时）/学分：3 先修课程 几何光学、信息光学、光电子技术、模拟电路、数字电路、信号与系统等 课程简介： 《光电探测与信号处理》课程是光电类专业核心课程之一，该课程将电子技术与光学技 术结合、从电子技术上的电子学频段扩展至光频段，利用电子技术对光学信息进行探测或检 测，并进一步传递、存储、控制、计算和显示光信息。主要内容包括光电探测的基本理论、 各类光电探测器的工作原理及其负载电路的设计、光直接与光外差探测的处理策略、光电成 像的特征、光接收机信号探测的基本理论、光电探测与信号处理的最新研究进展及趋势等。 通过该核心课程的系统学习，要求掌握光电探测的基本原理、基本方法及光学信号的处 理思路，了解光电探测与信号处理领域的发展前景与发展趋势。以此培养学生综合运用相关 知识和理论对实际问题进行分析处理的能力和创新能力、理论联系实际的学风和严谨的科学 态度，为以后从事相关专业的工作夯实坚实的专业基础。 二、课程教学目标 学生通过对该门课程的系统学习后，须系统掌握光电探测与信号处理的物理内涵、系统 性能表征及功能选择、最佳光信号处理策略等内容，了解光电探测领域的最新研究进展及发 展趋势具备以光电系统为载体对实际问题进行独立处理的应用能力、分析能力和创新能力； 造就理论联系实际的的严谨科学素养和专业素养。 学时通过本课程的学习，在能力方面应该达到以下几个目标： 1、知识目标：熟练利用电子技术对光学信息进行探测或检测，并把握进一步传递、存 储、控制、计算和显示光信息的思路与策略； 2、能力目标：能独立运用相关理论和策略独立设计基本的光电探测与信号处理系统， 并具备以此为平台对相关原理、思想和方法进行较为深入的运用、分析和拓展的实 践能力和创新能力；
3、素质目标：具备较强的专业素养和严谨的科学态度。 三、教学学时分配 《光电探测与信号处理》课程理论教学学时分配表 章次 主要内容 学时分配 教学方法或手段 第一章 光电探测基础 10 讲授法、讨论法、启发法、翻转课堂等 第二音 点探额测器 10 讲授法、启发法、演示法、多媒体等 第三章 直接探测和外差探测 10 讲授法、启发法、多媒体、翻转课堂等 第四章 像深靓测黑 讲授法、宴例法、多谋体、转果堂等 第五章光接收机信号检测理论 讲授法、多媒体、移动课堂、MOOC等 合计 42 备注：其中M00C课2学时、企业行业专家授课2学时，授课内容主要包括光接收机信号检 测理论等内容 《光电探测与信号处理》课程实验内容设置与教学要求一览表 注：以下实验项目4部分在条件允许的情况下由企业行业专家授课 实验项目名称 实验内容 教学要求 实验类 实验类型 每组人数 光敏电阻、PD.PT、 掌握相应光电探 常见光电探测 硅光电池、PNPD 测器件工作原理 1 本性生及月队 器性能测试 APD-PD、色敢传感 器特性测试选取 试的方法，了解相 做 证性 1-2个器件视测试 关应用 ,幅度 调制原 光调制原理 理电路 光学调制实验 数 调到 响应时 测 生方法.的应 选取部分内容) 的测试方法，了解 综合性 通信系统本 结构
掌据语音信写光 上店用用 语音调制超调图 度调制与解调原 信传输相 光学解调实验 环解调、转速测量 理，了解光信号通 信百理其木结 2 设计 做 合性 (选取部分内容) 构，了解锁相环后 理和光通信应用 设计 堂据面阵CCD实 动、数据采集 验的其本操作 彩色面阵CD 换、信息点运算、 部件的功能百 3 性能设计试验 边缘检测、尺寸测 做 2 史切方式B甘生 (选取部分内容) 类图像处理方示 四、教学内容和教学要求 第一章光电探测基础(10学时) (一)教学要求 通过本章内容的学习，掌握光电系统的模型结构，了解光源发射增益的影响因素，理解 透镜变换的物理本质、探测功率和接收机视场的定义，理解各类物理效应的产生原理，掌握 相关特征和适用条件掌握光电转换的相关规律理解光电探测器的各类性能参数的具体衡量 内容，掌握噪声的来源和定量描述。掌握辐射量与光度量的具体表示方法及二者区别，理解 光谱响应率函数的测试方法， (二)教学重点与难点 教学重点：光电探测器的物理效应和性能参数及噪声、光电转换定律和计数统计。 教学难点：光接收机视场、光电转换定律和计数统计、探测器性能参数测试、噪声源。 (三)教学内容 第一节光电系统描述 1.光电系统的基本模型 2·光源发射增益 3,接收光功率 第二节光接收机视场 1.诱培变换 2.探测功率和视场 第三节光电探测器的物理效应 1.光子效应和光热效应 2,光电发射效应 3.光电导效应
4.光代效应 5.温差电效应 6.热电偶效应 第四节光电转换定律和光电子计数统计 1.光电转换定律 2.光电子计数统计 第五节光电探测器性能参数 第六节光电探测器的噪声 1.噪声的概念 2,品吉的描术 3.光电探测器的噪声源 第七节辐度学与光度学 1.辐度量 2.光度量 第八节背景辐射 第九节探测主要性能参数测试 1.光谱响应率函数的测试方法 2.光谱响应率函数的测试 本章习题要点：1-1、1-2、1-4、1-5、1-6.1-7、1-8、1-10、1-11 第二章点探测器(10学时) (一)教学要求 掌握光电导探测器、光伏探测器的光电转换原理及光伏探测器的工作模式，理解光电二 极管、三极管的工作原理及其二者区别。掌握对光电池、光电二极管和三极管的应用电路进 行定量分析。了解PMT、象限探测器及光热探测器的工作过程。 (二)教学重点与难点 教学重点：光伏探测器的工作模式。 教学难点：各类光电探测器应用电路的定量分析。 (三)数学内容 第一节光电管 1.光电阴极材料及其光谱响应 2.光电特性和伏安特性 3.频率特性及其他特性 4.强流管 第二节光电倍增管 1,倍增极的特性 2,T作电压 3.光电特性和伏安特性
4.噪声特性 5,微通道板光电倍增管 第三节光电导探测器 1.光电转换原理 2.工作特性 3.集中典型的光敏电阻及其派生器件 4.使用注意事项 5.光电导探测器的偏执方式 第四节PN结光伏探测的工作模式 1,光电转换 2.光伏探测器的工作模式 第五节光电池 1.短路电流和开路电压 2,输出功率和最佳负载电阻 3,光谱、频率响应及温度特性 4.慢变化光信号探测 5.脉动光信号探测 第六节光电二极管 1,Si光电二极管 2.PIN硅光电二极管 3,雪崩光电二极管 4.紫外光电二极管 5,半导体色敏器件 6.光电三极管 7.HgCdTe光电二极管 8,光子牵探拟测器 第七节光电象限探测器和位敏探测器 1.象限探测器 2.光电位敏传感器 第八节光热探测器 1.光热探测器的热过程分析 2.热敏电阻 3,热释电探测器 本章习题要点：2-1、2-2.、2-3.2-4、2-5、2-7、2-8、2-9、2-10、2-11 第三章直接探测和外差探测(10学时 (一)教学要求 理解直接探测系统的性能分析方法提高输入信噪比的方法尤其前置是放大器的噪声匹
配思路和定量计算。掌握相关检测的原理及其信噪比改善思路，掌握各类相关探测器尤其是 取样积分器的工作原理及其主要性能参数的物理意义。理解光频外差探测器的基本原理，了 解其信噪比分析思路、极限灵敏度等】 (二)教学重点与难点 教学重点：前置放大器的噪声匹配思路和定量计算，掌握相关检测的原理，光频外差探 器的基本原理。 教学难点：取样积分器的工作原理及其主要性能参数。 (三)教学内容 第一节直接探测系统的性能分析 1,包络探侧 2.信噪比特性 3.信噪比特性 第二节提高输入信比的光学方法 1.滤波法 2.场镜法 第三节前置放大器的噪声匹配 1,前置噪声等效申路 2.噪声系数 3,匹配方 第四节P阈值探测的光电探测统计 第五节相关检测 1.相关原理 2.锁定放大器 3.信噪比改善 第六节维纳滤波器 第七节匹配滤波器 第八节BOXCAR 1.取样积分器的工作原理 2,取样积分器的主要参数 第九节光子计数 1,光子计数的原理 2.光子计数系统的讽量误差 第十节光频外差探测的基本原理 1,光频外差光路结构 2,双光束干洗 3,外差信号的特点 第十 一节光频外差探测的信比分析 1.不计本振噪声
2.计入本振噪声 3,光电探测器的外差探测极限灵敏度 第十二节光频外差探测的空间相位条件 1,两光束不平行 2.两光束平行但不垂直于光敏面 第十三节光频外差探测系统 1.降低空间湘干条件一艾里斑原理法 2.自适应光外差技术 本章习题要点：3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6、3-7、3-8 第四章直接探测和外差探测(8学时) (一)教学要求 理解真空摄像管的结构、原理。掌握CCD的结构、电荷存储与读出原理。了解自扫描 LED阵列的原理与结构理解CID的工作过程。掌握CMOS图像传感器的成像原理与结构， 理解固体图像传感器的主要特性参数。 (二)教学重点与难点 教学重点：CCD的结构.申荷存诸与诗出原理 教学难点：CM○S图像传感器的成像原理固体图像传感器的主要特性参数。 (三)教学内容 第一节光电成像理论 第二节真空摄像管 1.真空摄像管结构 2.摄像原理 3,其它真空摄像首 第三节自扫描光电二极管阵列 1.SSPD线阵列 第四节CCD摄像器件 1.CCD结构和存储电荷原理 2,电荷转移工作原理与电极结构 3.电荷注入和读出 4.CCD图像传感器 第五节电荷注入器件CID 第六节CMOS图像传感器 1.CMOS图像传感器的成像原理与结构 2.CMOS图像传感器的优势 3.CMOS图像传感器的发展 第七节固体图像传感器主要特性参数
1.光谱呵应特性 2,灵致度 3.暗信号与动态范国 4.分辨率 5.工作频率 6.CCD的特性参数 本章习题要点：4-1、4-2、4-3 第五章直接探测和外差探 (4学时：其中企业行业专家授课2学时，M00C课2学时) (一)教学要求 理解信号检测甚本问题的解决方法。掌握最最大信噪比准则、佳接收机的实现方法。了 解信号参量估值理论及理想接收机模型 (二)教学重点与难点 教学重点：信号检测基本问题的解决方法及最佳接收机的实现方法 教学难点：最大信比准则。 (三)教学内容 第一节光信号检测的基本问题 1,接收机的任务 2.统计判决和假设检验 3,代价函数与风险 第二节最佳接收机的概念 1.最大信噪比准侧 2.实现最佳接收机的方法 第三节信号参量估值理论简介 1.信号参量估值模型 2.贝叶斯估值 3,最大后验概率估值准则 4,最大似以然估值 第四节理想接收机 1,后验概率与信息量 2,通信和雷达的不同 本章习题要点：5-1、5-2、5-3、5-4、5-5、5-6
五、教学方法或手段 方法讲授法启发法讨论法演示法案例法手段多媒体翻转课堂MO0C课 约占 50%6 20% 10% 10% 10% 约占 70% 15% 15% 比 六、考核方式及评价要求 考核方式 考核内容 考核分值 衡量标准 《光电探视与信号处 试卷卷面分值分配比例（与各章课 期未考试 理》课程大纲中的所有 50% 时总数基本成对应比例) 理论内容 平时实验完成效果 10% 实践环节考 优秀(90-100) 良好(80-90)】 核与测试 各类基础、综合、设计 性实验的现场抽考 20% 般(70-80) 作业 平时作业完成情况 10% 及格(60-70) 出勤率 上课出勒率 10% 不及格(<60) 七、教材及教学主要参考书 推荐教材： 《光电探测与信号处理》，安毓英等主编，科学出版社，2010年5月第一版。 参考书目： 《光电传感器应用技术》，王庆有主编，机械工业出版社，2014年4月第版。 《图像传感应用技术》，王庆有主编，电子工业出版社，2013年2月第二版。 《光电检测技术与应用》，郭培源等著，北京航空航天大学出版社，2011年8月第二 版。 《光电信号检测原理与技术》，赵远等主编，机械工业出版社，2011年1月第一版。 《光电探测技术与应用》，郝晓剑等主编，国防工业出版社，2009年8月第一版. 《光电检测技术》，雷玉堂等主编，中国计量出版社，1997年5月第二版。 《光电系统与信号处理》，叶嘉雄等主编，科学出版社，1997年1月第一版 国家精品资源课程网站参考资源： http:/course.jingpinke.com/details?uuid-8a833999-2031cl3b-0120-31cl3ba7-0081 http:/course jingpinke.com/details?uuid=8a833999-2031c13b-0120-31e13b9e-003b http://coursejingpinke.com/details7uuid-390dea83-12ce-1000-8b43-e2301bbe8a30
何恩节、 大纲制定人： 吴军红 (西安卓立汉光有限公司)、 闭毅 (件坤国显科技有限公可) 官邦贵 大纲审定人： 秦炎福 制定时间： 2016.07.12