噪聲等效功率介紹

噪聲等效功率(NEP)是一個 instrumental(工具性的)指標(biāo)，用于量化各個領(lǐng)域的檢測器靈敏度和噪音源的影響，如光學(xué)、電機(jī)、熱力學(xué)等。它代表產(chǎn)生單位信噪比的等效輸入雜訊功率。它代表在探測器輸出產(chǎn)生信噪比（SNR）為1的等效輸入噪聲功率。

然而，多年來在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用導(dǎo)致文獻(xiàn)中對NEP存在多種模糊的解釋。 本文旨在通過追蹤噪聲信號在探測器不同內(nèi)部階段的起源和傳播，提供對NEP物理意義和數(shù)學(xué)推導(dǎo)的統(tǒng)一觀點(diǎn)。

NEP的正式定義

基本上，噪聲源于探測器測量的數(shù)量中的隨機(jī)波動。因此，基于統(tǒng)計信號處理的隨機(jī)框架是必要的，用于表征這種隨機(jī)過程。

對于具有達(dá)到達(dá)標(biāo)功率變化的靜止過程，功率譜密度（Sxx(f)）代表了隨著頻率變化的均方波動。將 x 值連結(jié)到系統(tǒng)中實際耗散功率的功能，被稱為系統(tǒng)對測量屬性的敏感度（或功率響應(yīng)）。

NEP被定義為：

其中，功率響應(yīng)指的是探測器靈敏度，即單位輸入過程波動幅度的功率耗散。這個通用定義導(dǎo)致了兩個不同的物理解釋：

1. 電NEP：實際測量到的探測器輸出端的噪聲功率

2. 光NEP：探測器輸入端的等效噪聲功率

光子噪聲NEP分析

本文特別聚焦于光探測器中光子雜訊NEP的量子力學(xué)處理。光子檢測通過考慮雙重波粒性 - 光子數(shù)統(tǒng)計和電磁模式分析進(jìn)行建模。納入的關(guān)鍵因素包括：

• 探測器面積、光子波長分布

• 光學(xué)波的空間和時間相干性

• 特定偏振的損耗和效率

• 光學(xué)傳輸/吸收效率

通過跟蹤光子數(shù)波動通過多次光束分裂和衰減階段，本文推導(dǎo)了一個以可測物理參數(shù)為基礎(chǔ)的光子NEP的廣義公式。在假設(shè)探測器大小、繞射極限、相干光束因子等條件下，可以得到現(xiàn)有文獻(xiàn)中引用的簡化表達(dá)式作為特殊情況。

等效噪聲指標(biāo)

對于通信接收系統(tǒng)和光學(xué)/無線電天文儀器，關(guān)鍵系統(tǒng)靈敏度以等效輸入噪聲指標(biāo)來表征：

• 噪聲等效通量密度（NEFD）

• 噪聲等效溫度（NET）

通過適當(dāng)轉(zhuǎn)換通量、功率和溫度的單位，可以將這些指標(biāo)與NEP指標(biāo)進(jìn)行數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)。

總結(jié)

總之，本文通過有系統(tǒng)地追蹤信號和噪聲在探測器不同階段的傳播，提供了對NEP各種解釋的統(tǒng)一觀點(diǎn)。在這個過程中，建立了許多特定領(lǐng)域NEP變體之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，同時闡明了微妙的假設(shè)。這澄清了靈敏度定義并為比較光學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)系統(tǒng)提供了一個基準(zhǔn)。