星间激光测距系统中光电探测器的研究

摘要

星间激光测距技术是空间引力波探测、地球重力场测量以及新一代低低跟踪卫星重力测量等项目的关键核心技术之一，光电探测器，作为激光干涉测距系统前端接收和传递转换激光信号的装置，其特性将对整个测距系统中低噪声探测及相位测量系统等产生重要的影响。
　　针对新一代低低跟踪卫星重力测量计划中对光电探测器的性能需求，完成实现了超低噪声、高增益带宽的电路设计方案。对测距系统而言，前端光电探测器的噪声会引入系统的相位噪声以及位移测量噪声。为尽可能减少噪声的影响，首先我们详细分析光电探测器的放大电路工作原理，讨论了噪声来源及频率响应等。由电路噪声理论的详细介绍，等效建立了电路噪声模型，并介绍了光电探测器中各器件选型的标准。电路仿真显示：光电探测器-3dB带宽约为38 MHz，比理论计算值略低；在30 MHz的频率响应带宽范围内，其等效输入的电流噪声谱密度为1.35 pA/√Hz，低于噪声理论极限值3 pA/√Hz。
　　为进一步探究光电探测器各噪声源对电路的影响，提出了一种通过电阻、电容等效电路来测量电路传递函数和等效输入电流噪声的测试电路设计方案（即，模拟TIA电路板测试系统）。在常用的利用网络分析仪和频谱仪测量电路传递函数方法基础上，提出了两种新的测试方法：ADC采样法和DPLL扫频法。通过对测试电路输出噪声和传递函数的测试，得到测量电路输入端的等效电流噪声谱密度。
　　在实验环节，完成了光电探测器电路光功率的标定、电路噪声本底的性能测试等实验，并验证了所设计的探测器电路满足各项性能指标的要求。通过与TIA电路板测试系统中电路输入端的等效电流噪声实验对比，讨论了在低频和高频不同频率范围，不同噪声源对电路的噪声贡献。

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1 引言

1.1 研究背景

1.2 研究内容

1.3 光电传感器发展历史及研究近况

1.4 论文结构

2 低噪声高带宽光电探测器

2.1 基本原理

2.2 噪声分析

2.3 器件选型

2.4 电路设计

2.5 本章小结

3 TIA电路测试系统

3.1 测试电路模型

3.2 传递函数的测量

3.3 噪声本底的测试

3.4 本章小结

4 光电探测器测试

4.1 光功率标定原理

4.2 光功率标定实验

4.3 噪声本底的测试

4.4 本章小结

5 总结及展望

5.1 文章总结

5.2 课题展望

致谢

参考文献