信號與噪聲PPT演示文稿

1、1第一章第一章 核電子學(xué)系統(tǒng)中的信號與噪聲核電子學(xué)系統(tǒng)中的信號與噪聲1.核輻射探測器及其輸出信號核輻射探測器及其輸出信號2.核電子學(xué)中的噪聲核電子學(xué)中的噪聲3 核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)4 核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述21. 核輻射探測器及其輸出信號核輻射探測器及其輸出信號一一.核輻射探測器的要求和特點(diǎn)核輻射探測器的要求和特點(diǎn) 探測器輸出信號為隨機(jī)脈沖（時間特性、幅度分布探測器輸出信號為隨機(jī)脈沖（時間特性、幅度分布的非周期性或非等值性）。的非周期性或非等值性）。 由于信號的統(tǒng)計性，要求核電子學(xué)用獨(dú)特方法處理由于信號的統(tǒng)計性，要求核電子學(xué)用獨(dú)特方法處

2、理和研究。和研究。 脈沖參數(shù)：電荷量、出現(xiàn)時刻、單位時間脈沖數(shù)、脈沖參數(shù)：電荷量、出現(xiàn)時刻、單位時間脈沖數(shù)、脈沖形狀（上升時間）脈沖形狀（上升時間） 核信息：能量（能損），粒子入射時間、強(qiáng)度、粒核信息：能量（能損），粒子入射時間、強(qiáng)度、粒子類型（子類型（ .n.p.d）對信號脈沖的幅度、時間、波形和數(shù)目等參數(shù)量的獲取、處理和分析，可對信號脈沖的幅度、時間、波形和數(shù)目等參數(shù)量的獲取、處理和分析，可以獲得粒子的動量、能量、電荷量、質(zhì)量、時間和空間關(guān)系等各種性質(zhì)。以獲得粒子的動量、能量、電荷量、質(zhì)量、時間和空間關(guān)系等各種性質(zhì)。31. 核輻射探測器及其輸出信號核輻射探測器及其輸出信號二探測器類別和輸出

3、信號二探測器類別和輸出信號1.電離室電離室nf a e w( )( )i tq ttqn e( )1( )toov tq cci t dtk e輸出信號：圖輸出信號：圖1.1.242.半導(dǎo)體探測器半導(dǎo)體探測器金硅面壘探測器、金硅面壘探測器、ge(li) 和和si(li)探測器、探測器、hpge探測器等。探測器等。( )1( )toov tq cci t dtk e1. 核輻射探測器及其輸出信號核輻射探測器及其輸出信號固體電離室，與氣體情況類似。平均電離能約固體電離室，與氣體情況類似。平均電離能約3ev，電子空穴收集時間約為，電子空穴收集時間約為10-7s。51. 核輻射探測器及其輸出信號核輻射

4、探測器及其輸出信號3.閃爍探測器閃爍探測器0/0( )/ti tqe電子經(jīng)過光電倍增管的打拿極需要一定時間，所以電流信號i(t)和電壓信號vc(t)比入射粒子產(chǎn)生的光脈沖要有延遲時間t1，光子在光陰極上轉(zhuǎn)化成光電子的位置不同，t1有漲落，電流和電壓信號有一時間分布。61. 核輻射探測器及其輸出信號核輻射探測器及其輸出信號三核輻射探測器的基本性能（指標(biāo)）三核輻射探測器的基本性能（指標(biāo)）探測效率、輸出幅度、分辨率、線性響應(yīng)、穩(wěn)定性探測效率、輸出幅度、分辨率、線性響應(yīng)、穩(wěn)定性表表1.1 表表1.2 表表1.3 表表1.471. 核輻射探測器及其輸出信號核輻射探測器及其輸出信號四核輻射探測器的輸出電路

5、四核輻射探測器的輸出電路1. 脈沖電離室脈沖電離室 圖圖1.1.6 (a)、(b)、 ( c)、( d)、(e) r=rl / ri c= co+ cs + ci rc t+ vm=ne/c 81. 核輻射探測器及其輸出信號核輻射探測器及其輸出信號2半導(dǎo)體探測器半導(dǎo)體探測器 圖圖1.1 .7 (a)、(b)、(c) rd偏置電阻偏置電阻 rd靈敏區(qū)電阻靈敏區(qū)電阻 r、c非靈敏區(qū)電阻電容非靈敏區(qū)電阻電容 ri、ci放大器輸入電阻和電容、放大器輸入電阻和電容、cs 分布電容、分布電容、cc隔直電容隔直電容 rc t輸出即可達(dá)輸出即可達(dá)ne/crd/ri cd/cs/ci91. 核輻射探測器及其輸出

6、信號核輻射探測器及其輸出信號3.閃爍探測器閃爍探測器圖圖1.1.8 (a)、(b)、(c)、(d)、(e)r=ra/ri c=co+cs+ci 10五輸出信號的數(shù)學(xué)模擬五輸出信號的數(shù)學(xué)模擬單位沖擊函數(shù)單位沖擊函數(shù)0tt01lim 00ttt 00tttt0電流沖擊脈沖電流沖擊脈沖 00limi tqqtt 沖擊序列沖擊序列 iiiiii ti tqtt112. 核電子學(xué)中的噪聲核電子學(xué)中的噪聲一一.噪聲噪聲干擾和噪聲干擾和噪聲均方值均方值信噪比信噪比 =vo/vno等效噪聲電壓等效噪聲電壓(env )等效噪聲電荷等效噪聲電荷(enc)等效噪聲電荷數(shù)等效噪聲電荷數(shù)(enn)等效噪聲射線能量等效噪

7、聲射線能量(ene)分辨展寬分辨展寬 噪聲半高全寬噪聲半高全寬(fwhm)ne=2.36（ene） 探測器固有能量分辨半高全寬探測器固有能量分辨半高全寬(fwhm)de一、噪聲對核測量的影響一、噪聲對核測量的影響 tntndtvtv0221lim22)()()(deneefwhmfwhmfwhm (1.2.2)122. 核電子學(xué)中的噪聲核電子學(xué)中的噪聲二、噪聲的分類和噪聲源二、噪聲的分類和噪聲源1.散粒噪聲散粒噪聲產(chǎn)生原因：載流子產(chǎn)生和消失的隨機(jī)漲落產(chǎn)生原因：載流子產(chǎn)生和消失的隨機(jī)漲落表現(xiàn)形式：電流的瞬時波動（輸出電壓的波動）表現(xiàn)形式：電流的瞬時波動（輸出電壓的波動）22diie df 22d

8、ddiie df 22ggdiie df 132. 核電子學(xué)中的噪聲核電子學(xué)中的噪聲2.熱噪聲熱噪聲導(dǎo)體或電阻中載流子的熱運(yùn)動，與外加電壓和平均導(dǎo)體或電阻中載流子的熱運(yùn)動，與外加電壓和平均電流無關(guān)，主要與溫度有關(guān)。電流無關(guān)，主要與溫度有關(guān)。df4kt/r 2 di圖圖1.2.3場效應(yīng)管多子在溝道中場效應(yīng)管多子在溝道中作熱運(yùn)動產(chǎn)生的溝道熱作熱運(yùn)動產(chǎn)生的溝道熱噪聲電壓如噪聲電壓如1.2.12式式3.低頻噪聲低頻噪聲一種隨頻率降低而增大的噪聲一種隨頻率降低而增大的噪聲df/faf2 fdv場效應(yīng)管的低頻噪聲（閃場效應(yīng)管的低頻噪聲（閃爍噪聲）電壓如爍噪聲）電壓如1.2.14式式除上述三類噪聲外，由于系

9、統(tǒng)安裝位置的機(jī)械振動或沖擊，也會造成顫除上述三類噪聲外，由于系統(tǒng)安裝位置的機(jī)械振動或沖擊，也會造成顫噪聲，故需盡量減少測量現(xiàn)場的振動和沖擊。噪聲，故需盡量減少測量現(xiàn)場的振動和沖擊。143. 核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)一、時域和頻域分析一、時域和頻域分析網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)(電路或系統(tǒng)電路或系統(tǒng))分分 線性網(wǎng)絡(luò)（描述線性網(wǎng)絡(luò)（描述方程為線性微分方方程為線性微分方程程)、非線性網(wǎng)絡(luò)、非線性網(wǎng)絡(luò)（數(shù)學(xué)分析方法處（數(shù)學(xué)分析方法處理）。理）。圖圖1.3.1核脈沖通核脈沖通過線性網(wǎng)絡(luò)過線性網(wǎng)絡(luò)153. 核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ) g sf sh sg

10、 tf th t傅氏變換與拉氏變換的應(yīng)用過程傅氏變換與拉氏變換的應(yīng)用過程163. 核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)173. 核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)二、核電子學(xué)中常見的基本電路分析二、核電子學(xué)中常見的基本電路分析1.探測器的輸出電路探測器的輸出電路沖擊響應(yīng)沖擊響應(yīng) (t)=h(t)= 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) h()=r/(1+jrc) 振幅頻譜振幅頻譜 h() =r/ 相位角相位角 () =-arctg(rc) =-tg-1(rc)11( )trcetc2221cr 高頻半功率點(diǎn)高頻半功率點(diǎn)183. 核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)核電子

11、學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)2.rc積分電路（低通濾波器）積分電路（低通濾波器）沖擊響應(yīng)沖擊響應(yīng)頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 11( )trch tetrch()=1/(1+jrc) 222111hr ctgrc 振幅頻譜和相位角振幅頻譜和相位角19)( 1 .1-(t)(tercthrct 3. 核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)3.cr微分電路（高通濾波器）微分電路（高通濾波器）h()= jrc /(1+jrc)|h()|=()=tg-1 1/(rc)2)(1rcrc 203. 核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)h(t)=1/2 (t)-1/2(t-d)

12、|h()| =| sin |4.短路延遲線短路延遲線h()=)1(21dje 2d 213. 核電子學(xué)中的信號與噪核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)聲分析基礎(chǔ)三、核隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò)三、核隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò)1.核電子學(xué)中的隨機(jī)信號及其表現(xiàn)形式核電子學(xué)中的隨機(jī)信號及其表現(xiàn)形式（1）噪聲（隨機(jī)信號）噪聲（隨機(jī)信號）22() /21( )2v vp ve 221limtttvv t dtt 22221limtttvvt dtt概率密度概率密度函數(shù)函數(shù)-高斯高斯分布分布223. 核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)平均功率平均功率自相關(guān)函數(shù)、功率譜密度自相關(guān)函數(shù)、功率譜密度噪聲

13、的隨機(jī)過程是平穩(wěn)隨機(jī)過程，自相關(guān)函數(shù)是時間差的函數(shù)與時間無關(guān)。噪聲的隨機(jī)過程是平穩(wěn)隨機(jī)過程，自相關(guān)函數(shù)是時間差的函數(shù)與時間無關(guān)。 20,0,1rvp噪聲電壓在電阻上產(chǎn)生的平均功率 2psdfsf df 20pvsdfsds /s000 ,sr組成傅氏變換對。233. 核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)白噪聲白噪聲白譜白譜 sr 圖圖1.3.11有限寬的白噪聲譜密度與自相關(guān)函數(shù)有限寬的白噪聲譜密度與自相關(guān)函數(shù)噪聲頻帶比欲噪聲頻帶比欲測電路的頻帶測電路的頻帶大得多時，即大得多時，即可近似認(rèn)為是可近似認(rèn)為是白噪聲。白噪聲。243. 核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)核電子學(xué)中的

14、信號與噪聲分析基礎(chǔ)（2）核輻射隨機(jī)信號）核輻射隨機(jī)信號( )( ). ()iiiiii ti ttt 222( ). ( )rnnt 222( )2( )nsn 220,rnns 時253. 核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ) dshdffsfhvii)(.| )(|21)2(.| )2(|2220v0()=h()vi()s0()=|h()|2si()r0()=rh()* ri()2.核隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò)核隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò)圖圖1.3.133. 隨機(jī)信號通過常見線性電路的實(shí)例隨機(jī)信號通過常見線性電路的實(shí)例圖圖1.3.14白噪聲通過白噪聲通過rc低通濾波器低通濾波器

15、白噪聲通過白噪聲通過cr高通濾波器高通濾波器圖圖1.3.15264. 核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述一、基本組成一、基本組成274. 核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述284. 核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述二二 核電子學(xué)常用的信號處理系統(tǒng)核電子學(xué)常用的信號處理系統(tǒng) 前置放大器前置放大器初步放大（以降低輸出信號在傳遞過程中受噪初步放大（以降低輸出信號在傳遞過程中受噪聲和干擾影響）聲和干擾影響） 主放大器主放大器放大（便于測量，信號成形），有其他功能放大（便于測量，信號成形），有其他功能（濾波形式，基線恢復(fù)，堆積拒絕等）（濾波形式，基線恢復(fù)，堆積拒絕等） 甄別（幅度，時間）甄別（幅度，時間） 模數(shù)變換模數(shù)變換模數(shù)變換模數(shù)變換(幅度數(shù)字變換，時間數(shù)字變換幅度數(shù)字變換，時間數(shù)字變換) 數(shù)據(jù)獲取分析，處理數(shù)據(jù)獲取分析，處理計數(shù)分類統(tǒng)計，譜數(shù)據(jù)得到（計算機(jī)應(yīng)用）計數(shù)分類統(tǒng)計，譜數(shù)據(jù)得到（計算機(jī)應(yīng)用）294. 核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述三三處理單元插件標(biāo)準(zhǔn)化處理單元插件標(biāo)準(zhǔn)化nim標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn): 1英寸寬英寸寬 ;12單位寬度單位寬度(34.4mm);42芯插件芯插件;電源標(biāo)