探测效率（精选3篇）
探测效率 篇1
0 引言
相干光探测具有灵敏度高、转换增益高、滤波性能好、抗干扰能力强和信噪比高等优点, 已经广泛应用于通信、超精密测量、信号分析以及激光雷达等重要领域, 与常规直接探测相比, 其探测灵敏度可提高20dB左右[1,2]。但在实际应用中, 受大气影响, 激光会产生漂移, 经传输到达探测器光敏面时, 信号光与参考光的波形形状、能量匹配、位相差、偏振态、准直性、光学匹配及光敏面半径等因素都会使探测效率受到影响[3,4,5]。声光技术推动了电子侦察测频技术的发展, 基于声光偏转器构建的相干光探测系统可进行全息探测, 且具有高速并行处理、高带宽等优点, 被广泛应用于声光信号处理中[6]。但由于系统中信号光会随着射频信号在一定范围内动态变化, 导致两束光重叠后的混频效果受到一定程度的影响。本文将针对所研究的声光偏转系统的光束特征, 通过仿真构建混频光斑不同结构, 研究高斯光斑与矩形光斑的匹配特性, 分析不同光束准直性对相干光探测效率的影响。
1 理论分析
1.1 声光偏转效应相干光探测原理
基于声光偏转效应的相干光探测系统工作原理如图1所示。分束器将激光器输出的激光分成两束, 两光束按照一定的功率比进行分配, 通常参考光的功率会比信号光大一个数量级。一束光通过声光偏转器时发生衍射作用, 产生0级光和1级光, 1级光作为携带信息的信号光, 通过光阑与另一束经过全反镜和光斑均匀化处理后的参考光在半反半透镜合路, 合路后的光束经过准直和透镜压缩处理后送光电探测器完成光电转换, 进行信号测量与处理。
在声光偏转系统中, 参考光的位置是相对固定的, 但作用于声光偏转器的RF (射频) 信号频率变化导致1级衍射光角度在一定范围内变化, 入射到光电探测器上的信号光准直性也将发生变化, 使得两束光重叠后的混频效果受到一定程度的影响。参考光经过均匀化处理, 把高斯分布光斑转化为矩形光斑, 可使衍射信号光在参考光中移动后重叠效率能保持一致。为了减小衍射光的变化角度, 保证混频光束与探测器光敏面匹配, 需要对这种状态下的衍射信号光进行适当的压缩和准直光学处理。
1.2 重叠光斑的压缩准直处理
针对声光偏转效应相干探测信号光斑随射频信号变化的偏移特性, 设计了光斑压缩准直光路, 如图2所示。采用透镜组对两束光斑进行汇聚, 经压缩处理后可减小衍射偏转角, 其光斑压缩比例为M=f1/f0=D/d, 其中, f0、f1分别为凸透镜和凹透镜的焦距。因此, 通过重叠光斑的压缩准直处理可使混频光斑与光电探测器的光敏面大小尽可能匹配, 以有效保证接收光的利用率, 减小光功率的损失。
2 重叠光斑模型与光束准直性分析
相干光探测是利用两个光斑的重叠部分进行相干, 重叠部分的面积即为相干光探测的有效面积。光斑能量等同于光强分布下的面积, 对于连续光来说, 能量等效为平均光功率。设重叠部分能量与两光斑的总能量之比为k, 即重叠效率为k, 则有
式中, EO为两光斑的重叠部分的能量;E1为光斑1的总能量;E2为光斑2的总能量。
由式 (1) 可知, 重叠效率与重叠光斑能量大小成正比, 探测效率则与重叠光斑入射到光电探测器的有效光敏面成正比。当参考光的能量小于信号光时, 重叠效率将会降低, 相干作用不明显, 此时探测效率主要取决于信号光, 相当于光强探测。一般情况下本振光的能量至少会比信号光大一个数量级, 重叠效率将随着参考光能量的增加而提高, 变化趋势与两混频光能量相等的情况一致。为了分析方便, 这里主要针对两束光能量相等的情况, 数值仿真分析光束的准直性对光斑重叠效率的影响。
设两混频光斑总能量相等, 光电探测器在光斑中心位置, 光敏面的大小等于共轴时两光斑重叠覆盖面, 则在非准直状态下, 可能会有一部分重叠面积不能落到光敏面上, 不同光斑叠加时的非准直情况如图3所示。
为了方便分析信号光存在一个空间角失配时引起的两光斑混频变化, 建立了一个极坐标系, 如图4所示。参考光斑处于uv平面, r轴垂直于参考光平面且过其几何中心。假设参考光斑是一个圆形平面, 且信号光与r轴成θ角的方向入射。由图可知, 空间角完全匹配时, θ=0°, 信号光全部打在参考光平面上;随着空间失配角θ的增大, 信号光打在参考光平面上的能量会减小, 且信号光的光斑尺寸会变为原来的cosθ倍, 光斑重叠部分的能量也会受到影响。
假设只存在空间角的失配, 且参考光与信号光斑能量相等。图5给出了重叠效率k与空间失配角θ的关系。从图中可知, 随着失配角θ的增大, 重叠效率k不断减小;在θ较小时 (<0.5rad) , 曲线变化平稳, 尤其是矩形光斑与高斯光斑的混频更加平坦, 重叠效率下降不到5%。
3 系统测试与分析
为了验证光斑重叠效率模型的有效性, 搭建了声光偏转效应相干光探测系统, 对光束特性进行实验测试。信号光是直径为1.5 mm的高斯光斑, 参考光是经光束均匀化处理输出而获得的直径为3mm的均匀光斑, 通过合路, 压缩为2mm的光斑入射到光电探测器。
3.1 准直角与光电转换效率测试
这里将射频信号频率偏离声光偏转器中心频率的光束偏转角定义为准直角, 则在中心频率时准直角为0rad, 偏离中心频率时准直角将>0rad。射频从F1到中心频率F0的光束偏转角为θ=λin F (1-F0) /vs, 实验用声光偏转器的入射波长λin=532nm, 晶体内传输声速vs=4.2×103 m/s, 衍射角为42 mrad。因此, 射频信号频率每偏离中心频率10MHz, 光束准直角为1.267mrad。
图6为光电探测器的光电转换效率η随信号光准直角θ′变化的实验测试曲线。实验中将声光衍射的1级光与参考光合路后直接送光电探测器, 声光偏转器与光电探测器之间的距离为25mm。由图可知, 由于光束准直角的存在, 重叠光斑能量将随着准直角θ′的增大而减小, θ′<6mrad时, η下降缓慢;随着θ′的增大, η下降速度增大, 当θ′=16mrad时, η降到0.45, 变化趋势与图5一致。实验系统采用能量均匀分布的光斑有利于光束的对准, 通过透镜组可对合路光束进一步压缩准直处理, 使得到达光敏面的重叠光斑偏移量减小, 光学匹配效果更佳, η随θ′变化下降平缓区间加大。
图7所示为不同θ′状态下的光斑重叠图。图7 (a) 中θ′为0mrad, 信号光斑与参考光斑的中心完全重合, 且重叠部分光斑全部打入光敏面;图7 (b) 中θ′为15.2mrad, 信号光斑发生了偏移, 使得重叠部分光斑不能完全注入光敏面, 因此图7 (b) 状态光电转换效率将低于图7 (a) 。
3.2 系统输出中频信号功率测试
在射频中心频率为400 MHz、带宽为250 MHz的系统中进行测试, 用万用表监测光电探测器的直流输出端随准直角变化的电压值, 经转换后得到电功率变化规律;同时采用频谱仪对光电模块系统输出中频信号进行监测, 通过对电压和功率两种输出状态进行比较, 在准直角发生变化时输出信号的变化趋势。图8所示为RF在420 MHz时光电转换效率为75%和40%的两点的频谱。由图可见, 随着光电转换效率的降低, 系统输出的中频信号功率也随之减小, 电功率与中频信号功率输出的变化趋势是一致的。
4 结束语
从高斯光斑和矩形光斑的混频出发, 分析了准直性和参考光能量对相干光探测效率的影响, 为后续相干光通信系统的构建提供了一些有益的参考。理论分析与实验结果表明, 激光光束的准直性、均匀性以及参考光的能量直接影响相干光探测性能, 采用能量分布均匀的光斑有利于光束对准和匹配。在实际应用中, 相干光探测效率还与探测器的特性参数和光敏面尺寸的利用率有关, 在空间相干光探测系统应用中, 应综合考虑各种因素, 根据光电探测器的有效光孔, 设计与之相匹配的光学系统, 提高系统光斑重叠的准直性, 充分利用有效的光斑能量, 使系统性能达到最优。
摘要：针对声光偏转效应相干探测信号光斑随射频信号变化的偏移特性, 利用光斑重叠物理模型, 研究了光斑结构与探测效率的关系, 分析了光束准直、探测器有效光敏面半径以及本振光能量匹配等因素对相干光探测效率的影响。计算机仿真和实验测试验证表明, 以能量分布均匀的光斑作为本振光斑, 对信号光斑在一定范围内漂移的光斑重叠相干探测效率改善十分有利, 空间失配角在±0.5rad内, 重叠效率下降不到5%;采用光斑压缩准直处理能有效保证系统混频光束准直性, 并且重叠光斑能量利用率高, 系统光学匹配好。
关键词：声光偏转,相干探测,光束准直,光斑重叠,探测效率
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溴化镧探测器效率的标定 篇2
1.1 溴化镧探测器概述
溴化镧 (La Br3:Ce3+) 探测器是近几年发展起来的新型卤化物闪烁体探测器, 它是由La Br3掺杂少量激活剂Ce3+ (铈) 元素组成的。与常用的Na I (Tl) 等闪烁体探测器相比, La Br3:Ce3+探测器主要优势在于它拥有很好的能量分辨率和极短的闪烁衰减时间[1]。
本实验所用的探测器为 (准3×3英寸) La Br3380型号的探测器, 采用5%Ce3+掺杂的La Br3晶体, 表1列出了La Br3:Ce3+闪烁体与Na I (Tl) 闪烁体的特性比较。
1.2 探测效率
探测效率可以分为两大类:源探测效率和本征探测效率[3]。其定义是:
两种探测效率之间有以下关系:
其中, Ω是探测器的灵敏体积对源所张的立体角。
如果只考虑全能峰对应的计数, 这时的探测效率称为峰探测效率, 它可以分为源峰探测效率εsp和本征峰探测效率εinp, 他们的定义是:
其中, Ω是探测器的灵敏体积对源所张的立体角。
为了更好地描述探测器本身的性能, 常用本征探测效率, 本实验将通过源峰效率与本征峰效率的关系 最终求得本征峰探测效率。
注:152Eu源发出其余的γ射线的发射概率很低, 射线强度很弱, 所以未予采用。
由于源距足够远和方便得到立体角, 在计算时将直径为2 mm标准源近似为点源。用MCNP4C软件计算了0.611Me V时γ标准源由面源近似为点源的误差。经计算, 误差在2.5%内。
2 实验过程
2.1 γ标准源实验
实验需要在较宽的能量范围内 (100ke V~1.5Me V) 对溴化镧探测器进行探测效率的刻度, 因此, 需要选择多个放射源。实验中用到的标准源及其γ射线的能量如下 (能量单位:ke V) :
刻度时, 刻度源在溴化镧闪烁体探测器 (3×3英寸) 的轴线上, 源到探测器表面的距离为16cm。如图1所示。
分别对137Cs、60Co、152Eu进行测定, 得到如下能谱。如图2-图4其中用137Cs的662ke V的能量点计算了能量分辨率。FWHW=19.126η=ΔE/E=2.89%。
2.2 6.13 Me V能点的实验刻度
6.1 3 Me V能量的γ射线通过19F (p, aγ) 16O*反应产生。
实验在中国原子能科学研究院的高压倍加器上进行, 采用薄的Ca F2靶, 质子能量为342ke V, 实验示意图如图5所示。γ射线强度通过伴随α测量获得, 即用半导体探测器获取α能谱, 利用测得的α粒子计数推算出靶 (γ源) 处γ射线的发射率。La Br3探测器表面距靶100 cm, 探测到的计数比上γ射线的总发射率得到源峰效率。源峰效率通过几何因子可求出在能量点6.13 Me V的本征峰探测效率。经计算此能量点的效率为20.7%。
3实验数据处理
根据得到的能谱, 经过本底、死时间等修正后, 可得出137Cs、60Co、152Eu源的刻度能量点和峰源效率以及本征效率的结果, 如表3所示。其中152Eu为多线源, 在计算各能量点的发射率时给予级联修正。表3采用标准源的刻度结果
4结果分析
图6显示的是在线性坐标中得到的探测效率, 仅包含三个标准源的情况。图7是将6.13 Me V能量点结果放进去后的结果。
从刻度曲线中可以看出, 探测器对相对低能的射线有较好的探测效率;在本实验探测能量范围内晶体的探测效率随γ射线能量增加呈指数递减趋势。刻度曲线方程分别为:
在双对数坐标轴上绘出刻度点和直线如图8所示:
在双对数坐标轴上, 效率在能量大于100ke V时近似为一条向下倾斜的直线。根据最小二乘法, 利用上面三个源各点的能量和效率值, 可以得出该直线的方程为:
摘要：利用三种γ射线标准源 (137Cs、60Co、152Eu) , 标定了一个溴化镧闪烁体探测器 (准3×3英寸) 在100keV～1.5MeV能量区间内的本征探测效率。然后在中国原子能科学研究院的高压倍加器上, 利用19F (p, αγ) 16O*反应法得到6.13MeV高能γ射线, 对该探测器的6.13MeVγ射线的本征探测效率进行了标定。最后用最小二乘法对效率曲线进行拟合, 给出了较宽能量范围内溴化镧探测器的本征效率。
关键词：LaBr3:Ce3+探测器,本征探测效率,最小二乘法
参考文献
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探测效率 篇3
数字X射线成像装置正日益广泛的应用于医疗诊断领域并逐步替代传统的屏片系统与模拟的X射线影像增强电视系统。量子探测效率(DQE)是描述X射线成像装置成像性能的最适合的参数。DQE描述成像装置维持从辐射野到输出数字化影像数据的信噪比的能力。由于在X射线成像中,辐射野中的噪声与空气比释动能水平是密切相关的,DQE值也可以被认作描述给定数字X射线成像装置的剂量效率。IEC于2008年出版了IEC 62220-1-3医用电气设备-数字X射线成像装置特性-第1-3部分:量子探测效率的测定-动态成像探测器[1]。本论文主要讨论该测定方法和测定步骤。
图1为IEC 62220-1-3中的动态探测器DQE测定布局。B1、B2和B3为限束光阑,附加滤过是限制到达探测器表面的X射线半价层,监测探测器R1用于测量到达探测器表面的X射线剂量,试验器件为用于测量调制传递函数的钨板。
动态探测器DQE测定方法主要有如下7个步骤:
1探测器校正
对动态探测器按照标准中的第5章进行校正,所有测量需要的图像都必须是未经过其他图像处理的原始数据。应移去探测器表面的盖板、电离室等装置,以提高测试的准确程度。
2测定布局
测定布局如图1。调整X射线管和探测器,使探测器表面与X射线束的中心轴保持垂直。调整限束器,使X射线野刚好覆盖探测器。通过调节kV和附加滤过选择试验使用的辐射质量,通常选择RQA5(YY/T 0481-2004),半价层大致等于7.1mmAI。
3选择测定DQE值所对应的空气比释动能基准水平
根据数字X射线探测器临床使用目的,选择一个或者多个成像模式相应的基准水平。透视的基准水平为20nGy±10%,心脏成像的基准水平为200nGy±10%,系列曝光的基准水平2000nGy±10%。同时还要至少选择另外两个空气比释动能水平,一个是基准水平的3.2倍,另一个为基准水平的1/3.2倍。在一种成像模式中改变空气比释动能水平的时候,不能改变数字X射线成像装置的设置(如改变信号增益等)。
4建立探测器的转换函数
转换函数是输出的原始数据对输入的单位面积接受的辐射光子数Q的函数。曝光5次,其中剂量最低的一次应不大于基准空气比释动能的1/5,最大的一次为基准空气比释动能的4倍。测量每次照射时探测器表面的辐射剂量。输出数据的计算是取辐照野中心100×100矩阵区域内像素值进行平均。每个像素值应该是原始数据,也就是未处理数据只经过第5章中所允许的校正。实验数据点应按模型函数拟合。以单位面积的量子数目为横坐标,像素值大小为纵坐标,对所有点进行线性拟合,确定转化函数。结果中的R2必须大于等于0.99 (R2是相关系数),并且任何试验数据点与其对应的拟合结果的偏差不超出2%。
5调制传递转换函数的测量[1]
按照图1的测定布局将MTF试验器件置于探测器表面。钨板边缘与探测器的水平或垂直线成1.5～3度夹角,调整水平螺丝,使得钨板外侧边缘与X射线的中轴线平行。采用空气比释动能基准水平对测试模板曝光。取曝光所得图像的50mm×100mm的区域用于计算MTF。
测定MTF需要使用完整长度的边缘扩散函数(ESF)。整数N表示沿着影像边缘而横向覆盖边缘的线数(如行或者列),线的间隔为一个像素。根据模体边缘与像素矩阵的行或列的夹角a来计算N,N=(1/tana),然后取最接近的整数。根据a的范围,N大概在20至40之间。跨越边缘的N条线(行或列)上的线性化后的像素数据用来生成过采样的边缘扩散函数(或ESF)。第一条线的第一个像素值为过采样ESF的第一个数据点,第二条线的第一个像素值为第二个数据点,第N条线的第一个像素值为第N数据点。重复此数据排列过,如第一条线的第二个像素值为第(N+1)个点,第二条线的第二个像素值为第(N+2)个点等等。用其他组覆盖边缘连续排列的N条线重复上述运算可得到平均ESF。MTF可根据平均处理后的过采样ESF来计算。
假设过采样ESF的采样距离是恒定的,可以通过像素间隔Δx除以N得到,即ESF(xn),其中xn=n(Δx/N)。过采样ESF通过使用[-1,0,1]或[-0.5,0,0.5]运算核进行卷积运算展开为线扩展函数LSF。这种有限元差分算法产生的频率平滑效应可以进行校正。对这个线扩展函数进行傅立叶变换,变换后傅立叶函数各频率的模就是MTF。用MTF零频率的幅度对系数进行归一化处理。由于像素距离是沿着行或列的方向计算而不是沿着垂直边缘的方向计算,所以频率轴刻度缩放可以用指数(1/cosa)校正。
6测量探测器的输出噪声功率谱[1,2]
数字X射线成像装置的输出噪声功率谱从图1布局(去掉试验器件)采集的图像中测定。首先需要生成两个噪声功率谱:Wout(u,v)dark(从NIM幅暗图像测定的数字X射线成像装置的输出噪声功率谱),Wout(u,v)exp (从NIM幅曝光图像测定的数字X射线成像装置的输出噪声功率谱)。然后用滞后效应校正系数校正得到用于最后DQE计算的输出噪声功率谱。测定噪声功率谱和滞后效应的图像在每种成像模式下应当在三个空气比释动能水平下采集:基准水平,基准水平×3.2,基准水平×(1/3.2)。位于160mm方形光阑之后中心的约125mm×125mm的方形区域被用于估算噪声功率谱,输入数据集应包括至少NIM幅连续的非曝光图像和曝光图像,每幅图像在该区域内各个空间方向上应至少有256个像素用于估算噪声功率谱,所有曝光图像应在相同的辐射质量和空气比释动能下采集。图像采集顺序如图2所示。这里的NIM定义为图像的数目,它至少取64,而且应该为2的整数次幂。
数字X射线探测器用于噪声功率谱分析的区域应当划分成正方形小区域,称为感兴趣区域(ROI)。每个用于计算单个噪声功率谱的感兴趣区域大小应为256×256像素。感兴趣区域之间在水平和垂直方向上重叠128个像素。整个分析区域的左上角为第一个感兴趣区域,将矩形沿水平方向向右平移128个像素产生第二个感兴趣区域,和第一个区域重叠一半。把第二个矩形向右再平移128个像素产生下一个区域,如此重复一直到第一个水平带的右边。沿垂直方向向下移动128个像素,再从图像的左边开始,产生第二个水平带。沿垂直方向的移动产生更多的水平带,直到约125mm×125mm的整个区域被感兴趣区域所覆盖。
输出噪声功率谱的计算公式如式1。
式中:△x△y为水平和垂直方向像素尺寸的乘积,M为感兴趣区域的数目,I(xi,yj)是线性化数据,S(xi,yj)是可选的拟合二维多项式。
用于计算DQE的输出噪声功率谱受到滞后的影响而需要重新调整,见公式2:
以下是滞后效应校正系数的测定概述:
滞后效应校正系数r应当从测定噪声功率谱所用的相同图像的线性化数据中计算,为了去除图像之间的潜在的波动,比如输入空气比释动能的变化引起的波动,曝光序列图像的每一帧通过减去自身与下一步选择的感兴趣区域的均值进行校正。
在125mm×125mm的面积内选择一个大小至少256×256像素的中心感兴趣区域。这个感兴趣区域组成了长度为NIM的K次信号集gk(n),用于功率谱的估计。增加像素个数K可以降低平均周期图的波动。
对暗序列和曝光序列都进行如下的处理:对感兴趣区域内的每个像素k,利用无零填充的傅立叶变换来估算周期图的功率谱密度(PSD)。对所有周期图进行平均,作为探测器曝光Pg-exp(fT)和非曝光的时域功率谱Pg-dark(f的估计。fT表示时域频率。
曝光图像的功率谱密度(PSD)包括电子噪声和滤波后的量子噪声,然而只有量子噪声受滞后的影响。由于这两个分量不相关,功率谱密度是加性的。量子噪声分量可以通过从曝光图像的平均周期图中减去非曝光图像的平均周期图来获得,见公式3。
得到的谱是由于滞后效应导致的相关量子噪声功率谱密度Pg(fT)的估计。
周期图在时间频率零频的值逼近0(由于减去平均值)因而Pg(0)需要个别测定,见公式4。如果图像帧数NIM足够大,功率谱密度PSD是过采样的,可以从NIM/2个子采样完美地重建出来。在这种方式下未知的零频处的功率谱密度通过奇数位置的子采样的加权和来估计。对于足够大的NIM,这种方法给出了零频功率谱密度的真值。
其中是偶数长度NIM修正(中心)版本的离散矩形窗的傅立叶变换,见公式5。
滤波后的量子噪声和白噪声功率谱密度PSD的积分的比率r代表了量子噪声由于滞后效应而造成的衰减,见计算公式6。
7计算对应剂量值的输入噪声功率谱
输入噪声功率谱(NPSin(u,v))等效于输入的光子流量数量涨落影响,即公式7。
式中Q是光子流量,既单位面积(1/mm2)上的辐照光子数量。Q依赖于X辐射的能谱和空气比释动能的水平,见计算公式8。
式中Ka为空气比释动能,E为X射线能量,Φ(E)/Ka为单位空气比释动能的X射线能谱,是每单位空气比释动能信噪比的平方。对应辐射质量的具体数值可通过查相应标准中的表获得。
8根据公式9计算DQE值并且按照标准的要求完成测量结果的表达
综上讨论的是基于IEC62220-1-3对于动态探测器的DQE测定方法。由于动态探测器成像具有时间依赖性,因此该标准与IEC62220-1和IEC62220-1-2标准的最大不同就是引入了滞后效应校正。该标准给出了动态探测器的DQE测定具体程序和计算方法,使得不同来源的DQE数据具有可比性,对于动态探测器的性能评价具有重要意义。
参考文献
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