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，用于量化各個領域的檢測器靈敏度和噪音源的影響，如光學、電機、熱力學等。它代表產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生信噪比（SNR）為1的等效輸入噪聲功率。

然而，多年來在各領域的廣泛應用導致文獻中對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部階段的起源和傳播，提供對NEP物理意義和數學推導的統一觀點。

NEP的正式定義

基本上，噪聲源于探測器測量的數量中的隨機波動。因此，基于統計信號處理的隨機框架是必要的，用于表征這種隨機過程。

對于具有達到達標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 值連結到系統中實際耗散功率的功能，被稱為系統對測量屬性的敏感度（或功率響應）。

NEP被定義為：

其中，功率響應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的量子力學處理。光子檢測通過考慮雙重波粒性 - 光子數統計和電磁模式分析進行建模。納入的關鍵因素包括：

• 探測器面積、光子波長分布

• 光學波的空間和時間相干性

• 特定偏振的損耗和效率

• 光學傳輸/吸收效率

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

等效噪聲指標

對于通信接收系統和光學/無線電天文儀器，關鍵系統靈敏度以等效輸入噪聲指標來表征：

• 噪聲等效通量密度（NEFD）

• 噪聲等效溫度（NET）

通過適當轉換通量、功率和溫度的單位，可以將這些指標與NEP指標進行數學關聯。

總結

總之，本文通過有系統地追蹤信號和噪聲在探測器不同階段的傳播，提供了對NEP各種解釋的統一觀點。在這個過程中，建立了許多特定領域NEP變體之間的數學關系，同時闡明了微妙的假設。這澄清了靈敏度定義并為比較光學、電學和熱學系統提供了一個基準。