光電檢測(cè)電路與信號(hào)處理

1、光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院課程主要內(nèi)容四大部分：課程主要內(nèi)容四大部分：理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)光電信號(hào)光電信號(hào)變換與處理變換與處理光輻射源光輻射源光電探測(cè)器光電探測(cè)器光電系統(tǒng)光電系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)分析設(shè)計(jì)光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院測(cè)距測(cè)距計(jì)時(shí)計(jì)時(shí)器器放大、濾波、放大、濾波、比較比較主波主波回波回波光學(xué)信號(hào)變換光學(xué)信號(hào)變換光電信號(hào)變換光電信號(hào)變換激光脈沖測(cè)距原理示意圖激光脈沖測(cè)距原理示意圖電學(xué)信號(hào)變換電學(xué)信號(hào)變換光電信號(hào)變換與處理光電信號(hào)變換與處理光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院光學(xué)信號(hào)變換光學(xué)信號(hào)變換 光電信號(hào)光電信號(hào)變換與處理變換與處理光電信號(hào)變換光電信號(hào)變換電學(xué)信號(hào)變換電學(xué)信號(hào)變

2、換教材第八章教材第八章教材第九章教材第九章教材第十章教材第十章光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院第第1010章章 光電檢測(cè)電路與信號(hào)處理光電檢測(cè)電路與信號(hào)處理10.1 檢測(cè)電路的帶寬和頻率特性檢測(cè)電路的帶寬和頻率特性10.2 光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)10.3 微弱光電信號(hào)的處理方法微弱光電信號(hào)的處理方法*有特殊要求的有特殊要求的電學(xué)信號(hào)處理方法電學(xué)信號(hào)處理方法 10.1 檢測(cè)電路的帶寬和頻率特性檢測(cè)電路的帶寬和頻率特性10.1.1 檢測(cè)電路的基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求檢測(cè)電路的基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求基本任務(wù)基本任務(wù)光電檢測(cè)電路光電檢測(cè)電路u偏置電路設(shè)計(jì)（靜態(tài)設(shè)計(jì)）偏置電路設(shè)計(jì)（靜

3、態(tài)設(shè)計(jì)）u頻率響應(yīng)設(shè)計(jì)（動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)）頻率響應(yīng)設(shè)計(jì)（動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)）u噪聲特性設(shè)計(jì)噪聲特性設(shè)計(jì) 1. 1. 帶寬的帶寬的含義含義K ( f )ffLCfHC70.7%100%Df = fHC fLC fHC10.1 檢測(cè)電路的帶寬和頻率特性檢測(cè)電路的帶寬和頻率特性10.1.2 檢測(cè)電路的帶寬檢測(cè)電路的帶寬帶寬帶寬ff 太小，頻率失真太小，頻率失真 （波形失真）（波形失真）f 太大，噪聲大太大，噪聲大 （例：熱噪聲）（例：熱噪聲）電路帶寬電路帶寬f 根據(jù)根據(jù)信號(hào)的頻譜特性信號(hào)的頻譜特性來(lái)確定來(lái)確定 2. 2. 帶寬帶寬對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響10.1.2 檢測(cè)電路的帶寬檢測(cè)電路的帶寬3.3.如何如

4、何確定確定檢測(cè)電路檢測(cè)電路帶寬帶寬？正弦調(diào)制信號(hào)正弦調(diào)制信號(hào): : 2fBF振幅調(diào)制振幅調(diào)制：21ffBmF頻率調(diào)制頻率調(diào)制：10.1.2 檢測(cè)電路的帶寬檢測(cè)電路的帶寬3.3.如何如何確定確定檢測(cè)電路檢測(cè)電路帶寬帶寬？例例1 1：確定調(diào)幅波檢測(cè)電路的帶寬確定調(diào)幅波檢測(cè)電路的帶寬載波頻率為載波頻率為f05KHz調(diào)制頻率為調(diào)制頻率為F100Hz電路帶寬電路帶寬 f 2F 0.2 kHz10.1.2 檢測(cè)電路的帶寬檢測(cè)電路的帶寬3.3.如何如何確定確定檢測(cè)電路檢測(cè)電路帶寬帶寬？正弦調(diào)制信號(hào)正弦調(diào)制信號(hào): : 2fBF脈沖波信號(hào)：脈沖波信號(hào)： 振幅調(diào)制振幅調(diào)制：21ffBmF頻率調(diào)制頻率調(diào)制：10.1

5、.2 檢測(cè)電路的帶寬檢測(cè)電路的帶寬3.3.如何如何確定確定檢測(cè)電路檢測(cè)電路帶寬帶寬？脈沖波信號(hào)脈沖波信號(hào)的帶寬分析的帶寬分析 T Ttdtd脈沖寬度脈沖寬度dmd2( )022tAtS ttTt，0n01( )cos 2nS tbbnf td0 dnm0 d2sin tn f tbATn f t3.3.如何如何確定確定檢測(cè)電路檢測(cè)電路帶寬帶寬？脈沖波信號(hào)脈沖波信號(hào)的帶寬分析的帶寬分析 T Ttdtd脈沖寬度脈沖寬度脈沖重復(fù)頻率f0 = 200kHz，脈寬td=0.5s 脈沖波頻譜分析脈沖波頻譜分析脈沖波頻譜分析脈沖波頻譜分析啟動(dòng)虛擬儀器啟動(dòng)虛擬儀器仿真信號(hào)仿真信號(hào)3.3.如何如何確定確定檢測(cè)電

6、路檢測(cè)電路帶寬帶寬？脈沖波信號(hào)脈沖波信號(hào)的帶寬分析的帶寬分析 T Ttdtd脈沖寬度脈沖寬度脈沖重復(fù)頻率f0 = 200kHz，脈寬td=0.5s 脈沖波頻譜動(dòng)態(tài)分析脈沖波頻譜動(dòng)態(tài)分析啟動(dòng)虛擬儀器仿真信號(hào)啟動(dòng)虛擬儀器仿真信號(hào)需要安裝需要安裝3.3.如何如何確定確定檢測(cè)電路檢測(cè)電路帶寬帶寬？脈沖波信號(hào)脈沖波信號(hào)的帶寬分析的帶寬分析 0n01( )cos 2nS tbbnf td0 dnm0 d2sin tn f tbATn f t主要頻譜能主要頻譜能量范圍量范圍0d1 /nf t 0d1/Bn ft3.3.如何如何確定確定檢測(cè)電路檢測(cè)電路帶寬帶寬？電路帶寬增大，信號(hào)電路帶寬增大，信號(hào)峰值功率增加

7、峰值功率增加常數(shù)常數(shù)電路帶寬增大，噪聲電路帶寬增大，噪聲功率增加功率增加最佳帶寬最佳帶寬最佳帶寬最佳帶寬10.1.2 檢測(cè)電路的帶寬檢測(cè)電路的帶寬3.3.如何如何確定確定檢測(cè)電路檢測(cè)電路帶寬帶寬？正弦調(diào)制信號(hào)正弦調(diào)制信號(hào): : Ff2脈沖波信號(hào)：脈沖波信號(hào)： d1(0.25 0.75)fttd為脈沖寬度為脈沖寬度 振幅調(diào)制振幅調(diào)制：Fmff12頻率調(diào)制頻率調(diào)制：要求信噪比高：要求信噪比高：要求脈沖形狀好：要求脈沖形狀好：d14ft（ 1 ）10.1.2 檢測(cè)電路的帶寬檢測(cè)電路的帶寬3.3.如何如何確定確定檢測(cè)電路檢測(cè)電路帶寬帶寬？例例2 2：確定確定激光脈沖信號(hào)激光脈沖信號(hào)檢測(cè)電路檢測(cè)電路帶寬

8、帶寬d14ft（ 1 ）電路帶寬電路帶寬（準(zhǔn)確保持脈沖形狀）（準(zhǔn)確保持脈沖形狀）脈沖重復(fù)頻率脈沖重復(fù)頻率f = 200kHz脈寬脈寬td10.1.2 檢測(cè)電路的帶寬檢測(cè)電路的帶寬10.1.3 檢測(cè)電路的頻率特性分析與設(shè)計(jì)檢測(cè)電路的頻率特性分析與設(shè)計(jì)激光脈沖重復(fù)頻率激光脈沖重復(fù)頻率f0 = 200kHz，脈寬，脈寬td=0.5s 電路帶寬電路帶寬f =3MHz信號(hào)帶寬信號(hào)帶寬 B=1/td=2MHz輸入級(jí)電路輸入級(jí)電路 前置放大器前置放大器后續(xù)放大器后續(xù)放大器6MHz6MHz6MHz10.1.3 檢測(cè)電路的頻率特性分析與設(shè)計(jì)檢測(cè)電路的頻率特性分析與設(shè)計(jì)輸入級(jí)電路輸入級(jí)電路 光電導(dǎo)探測(cè)器電路光電導(dǎo)

9、探測(cè)器電路兩個(gè)過(guò)程兩個(gè)時(shí)間常數(shù)：兩個(gè)過(guò)程兩個(gè)時(shí)間常數(shù)：光光電（載流子）電（載流子）電（載流子）電（載流子）電（壓）電（壓）固有時(shí)間常數(shù)固有時(shí)間常數(shù)電路時(shí)間常數(shù)電路時(shí)間常數(shù)10.1.3 檢測(cè)電路的頻率特性分析與設(shè)計(jì)檢測(cè)電路的頻率特性分析與設(shè)計(jì)輸入級(jí)電路輸入級(jí)電路 光電導(dǎo)探測(cè)器電路光電導(dǎo)探測(cè)器電路固有時(shí)間常數(shù)固有時(shí)間常數(shù)電路時(shí)間常數(shù)電路時(shí)間常數(shù)p0L0m22222222cece(1)(1)(1)(1)IRUU10.1.3 檢測(cè)電路的頻率特性分析與設(shè)計(jì)檢測(cè)電路的頻率特性分析與設(shè)計(jì)激光脈沖重復(fù)頻率激光脈沖重復(fù)頻率f0 = 200kHz，脈寬，脈寬td=0.5s 電路帶寬電路帶寬f =3MHz信號(hào)帶寬信

10、號(hào)帶寬 B=1/td=2MHz輸入級(jí)電路輸入級(jí)電路 前置放大器前置放大器后續(xù)放大器后續(xù)放大器6MHz6MHz6MHz光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院第第1010章章 光電檢測(cè)電路與信號(hào)處理光電檢測(cè)電路與信號(hào)處理10.1 檢測(cè)電路的帶寬和頻率特性檢測(cè)電路的帶寬和頻率特性10.2 光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)10.3 微弱光電信號(hào)的處理方法微弱光電信號(hào)的處理方法*有特殊要求的有特殊要求的電學(xué)信號(hào)處理方法電學(xué)信號(hào)處理方法 10.2 光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出 提高系統(tǒng)信噪比途徑：提高系統(tǒng)信噪比途徑：光學(xué)方法光學(xué)方法 電學(xué)方法電學(xué)方法

11、熱力學(xué)方法熱力學(xué)方法 10.2 光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)直接探測(cè)系統(tǒng)的直接探測(cè)系統(tǒng)的信噪比信噪比 22sdsd2222ndnsnbndnr(/)PehvSNRPiiii問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出 信號(hào)光很弱信號(hào)光很弱時(shí)，探測(cè)器的輸出時(shí)，探測(cè)器的輸出信噪比很低信噪比很低探測(cè)器探測(cè)器噪聲噪聲電路電路噪聲噪聲“雪上加雪上加霜霜”10.2 光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì) 前置前置放大器噪聲放大器噪聲電路電路噪聲噪聲1. 放大器放大器EnIn噪聲模型：噪聲模型： 純電阻純電阻信號(hào)源信號(hào)源例如：例如：低噪聲放大器低噪聲放大器OP27Hz1/2 Hz1/2 前置放大器的噪

12、聲前置放大器的噪聲僅有僅有熱噪聲熱噪聲-選擇低噪聲放大器選擇低噪聲放大器就行了就行了？1. 放大器放大器EnIn噪聲模型：噪聲模型： 純電阻純電阻信號(hào)源信號(hào)源等效等效輸入噪聲電壓輸入噪聲電壓2s2n2n2ns2niRIEEE信號(hào)源信號(hào)源與與放大器放大器相互作用相互作用噪聲系數(shù)噪聲系數(shù) 前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲F=1， 理想的理想的無(wú)噪聲無(wú)噪聲放大器放大器F 1，實(shí)際的，實(shí)際的有噪聲有噪聲放大器放大器噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)F反映了放大器的噪聲使系統(tǒng)信噪比變壞反映了放大器的噪聲使系統(tǒng)信噪比變壞的程度，是衡量放大器噪聲性能好壞的重要指標(biāo)。的程度，是衡量放大器噪聲性能好壞的重要指標(biāo)。 2. 噪聲系數(shù)

13、噪聲系數(shù) P0P0PiPi0i/NSNSNSNSF）放大器輸出信噪比（）放大器輸入信噪比（NF=10lgF （dB）用分貝表示：用分貝表示： 前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲1nP2P1Pn2P1P31P21111KKKFKKFKFFF n級(jí)級(jí)聯(lián)放大電路級(jí)級(jí)聯(lián)放大電路噪聲系數(shù)：噪聲系數(shù)： KP1很大時(shí)，很大時(shí)，F(xiàn) F1前置放大器的噪聲貢獻(xiàn)前置放大器的噪聲貢獻(xiàn)例例1：光電倍增管和雪崩光電二極管：光電倍增管和雪崩光電二極管 高內(nèi)增益高內(nèi)增益 例例2：光電二極管：光電二極管 無(wú)內(nèi)增益無(wú)內(nèi)增益 2. 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù) 最佳源電阻最佳源電阻 噪聲系數(shù)最小噪聲系數(shù)最小前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲3.

14、最佳源電阻最佳源電阻率輸入端源電阻熱噪聲功聲功率放大器總的等效輸入噪PiPP0/NKNF P0P0PiPi0i/NSNSNSNSF）放大器輸出信噪比（）放大器輸入信噪比（fkTRIfkTREERIEEERIEEEEF 4411s2ns2n2ns2s2n2ns2n2ns2s2n2n2ns2ns2ni前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲3. 最佳源電阻最佳源電阻fkTRIfkTREF441s2ns2n0sRFnnsoptsIERRfkTIEF 21nnmin前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲nnsoptIERfkTIEF21nnmin例如：例如：OP27Hz1/2 Hz1/2 Rsopt？3. 最佳源電

15、阻最佳源電阻前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲nnsoptIERfkTIEF21nnmin3. 最佳源電阻最佳源電阻當(dāng)當(dāng)信號(hào)源的內(nèi)阻信號(hào)源的內(nèi)阻等于等于放大器的最佳源電阻值放大器的最佳源電阻值時(shí)，放時(shí)，放大器對(duì)檢測(cè)電路附加的大器對(duì)檢測(cè)電路附加的噪聲最小噪聲最小，稱為信號(hào)源與放，稱為信號(hào)源與放大器之間達(dá)到了大器之間達(dá)到了噪聲匹配。噪聲匹配。 前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲noptnERI噪聲匹配舉例：噪聲匹配舉例：例：例： 熱電偶；熱電偶； 熱釋電探測(cè)器；反偏光電二級(jí)管熱釋電探測(cè)器；反偏光電二級(jí)管-常用器件最佳源電阻分布示意圖 前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院

16、光電檢測(cè)電路的噪聲匹配光電檢測(cè)電路的噪聲匹配 -兩個(gè)兩個(gè)值得討論的問(wèn)題值得討論的問(wèn)題1. 探測(cè)器信號(hào)源探測(cè)器信號(hào)源2. 偏置電路噪聲偏置電路噪聲 純電阻純電阻 信號(hào)源信號(hào)源探測(cè)器探測(cè)器信號(hào)源信號(hào)源僅有僅有熱噪聲熱噪聲熱噪聲熱噪聲其他噪聲其他噪聲1. 探測(cè)器信號(hào)源探測(cè)器信號(hào)源2. 偏置電路噪聲偏置電路噪聲檢測(cè)電路：檢測(cè)電路：-探測(cè)器噪聲探測(cè)器噪聲-前置放大器前置放大器噪聲噪聲-偏置電路噪聲偏置電路噪聲光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院10.2 光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲光電檢測(cè)電路的噪聲光電檢測(cè)電路的噪聲光電檢測(cè)電路的噪聲估算光電檢測(cè)電路的

17、噪聲估算光電檢測(cè)電路的噪聲光電檢測(cè)電路的噪聲 純電阻純電阻 信號(hào)源信號(hào)源探測(cè)器探測(cè)器信號(hào)源信號(hào)源僅有僅有熱噪聲熱噪聲熱噪聲熱噪聲其他噪聲其他噪聲探測(cè)器探測(cè)器信號(hào)源信號(hào)源熱噪聲熱噪聲其他噪聲其他噪聲N2222Nnnnsoptsoptn()(4)4I EIEkTfIRRkTfInnoptoptIERRnnoptoptIERR工程允許工程允許表達(dá)式推導(dǎo)：表達(dá)式推導(dǎo)：光電檢測(cè)電路的噪聲光電檢測(cè)電路的噪聲nnoptoptIERR噪聲匹配舉例噪聲匹配舉例例：例： 熱電偶；熱電偶； 熱釋電探測(cè)器；反偏光電二級(jí)管熱釋電探測(cè)器；反偏光電二級(jí)管光電檢測(cè)電路的噪聲光電檢測(cè)電路的噪聲光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)

18、院10.2 光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)10.2.1 前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲10.2.2 光電檢測(cè)電路的噪聲光電檢測(cè)電路的噪聲10.2.3 光電檢測(cè)電路的噪聲估算光電檢測(cè)電路的噪聲估算10.2.3 光電檢測(cè)電路的噪聲估算光電檢測(cè)電路的噪聲估算例：強(qiáng)度調(diào)制直接探測(cè)光纖通信系統(tǒng)例：強(qiáng)度調(diào)制直接探測(cè)光纖通信系統(tǒng) 光纖尾端光纖尾端 5W 5W電流信噪比大于電流信噪比大于1212噪聲估算噪聲估算光電檢測(cè)電路的噪聲估算光電檢測(cè)電路的噪聲估算等效噪聲帶寬 eP0P1dfAffA白噪聲RCf41e 并聯(lián)并聯(lián)RC電路：電路： s3d12BffRC等效噪聲帶寬 信號(hào)帶寬 噪聲估算舉例

19、：噪聲估算舉例：噪聲等效電路圖噪聲等效電路圖 光電檢測(cè)電路的噪聲估算光電檢測(cè)電路的噪聲估算噪聲估算舉例：噪聲估算舉例：根據(jù)噪聲等效電路圖根據(jù)噪聲等效電路圖 2222n3n2n1IIIIRCf41e 等效噪聲帶寬等效噪聲帶寬 光電檢測(cè)電路的噪聲估算光電檢測(cè)電路的噪聲估算光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院第第1010章章 光電檢測(cè)電路與信號(hào)處理光電檢測(cè)電路與信號(hào)處理10.1 檢測(cè)電路的帶寬和頻率特性檢測(cè)電路的帶寬和頻率特性10.2 光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)10.3 微弱光電信號(hào)的處理方法微弱光電信號(hào)的處理方法*有特殊要求的有特殊要求的電學(xué)信號(hào)處理方法電學(xué)信號(hào)處理方法 10

20、.3 微弱光電信號(hào)的檢測(cè)與處理微弱光電信號(hào)的檢測(cè)與處理 S/N 1 微弱信號(hào)微弱信號(hào)（微弱光電信號(hào)）（微弱光電信號(hào)）生物生物超微弱超微弱發(fā)光發(fā)光 101000個(gè)光子個(gè)光子/ scm2 高反射片的高反射片的散射光（反射率）散射光（反射率）導(dǎo)彈等飛行體輻射（導(dǎo)彈等飛行體輻射（信號(hào)強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)） 強(qiáng)烈背景輻射強(qiáng)烈背景輻射 問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出 10.3 微弱光電信號(hào)的檢測(cè)與處理微弱光電信號(hào)的檢測(cè)與處理問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出 提高系統(tǒng)信噪比途徑：提高系統(tǒng)信噪比途徑：光學(xué)方法光學(xué)方法 電學(xué)方法電學(xué)方法 熱力學(xué)方法熱力學(xué)方法 10.3 微弱光電信號(hào)的檢測(cè)與處理微弱光電信號(hào)的檢測(cè)與處理弱信號(hào)形式：被測(cè)弱信號(hào)形式：

21、被測(cè)信號(hào)信號(hào) + + 背景噪聲背景噪聲 + + 電路噪聲電路噪聲 電子電子濾波器濾波器微弱光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)相關(guān)檢測(cè)技術(shù)：相關(guān)檢測(cè)技術(shù)： 自相關(guān)自相關(guān)；互相關(guān)互相關(guān)10.3 微弱光電信號(hào)的檢測(cè)與處理微弱光電信號(hào)的檢測(cè)與處理相關(guān)檢測(cè)技術(shù)相關(guān)檢測(cè)技術(shù)自相關(guān)函數(shù)自相關(guān)函數(shù)互相關(guān)函數(shù)互相關(guān)函數(shù) iitx tSNt被測(cè)信號(hào)：被測(cè)信號(hào)： xy1limyd2TTTRx tttT xx1limd2TTTRx t x ttT相關(guān)檢測(cè)相關(guān)檢測(cè)是利用是利用信號(hào)具有良好的時(shí)間相關(guān)性信號(hào)具有良好的時(shí)間相關(guān)性和和噪聲的噪聲的不相關(guān)性不相關(guān)性，使，使信號(hào)進(jìn)行積累信號(hào)進(jìn)行積累而而噪聲不積累噪聲不積累的原理，從的

22、原理，從而把被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)提取出來(lái)。而把被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)提取出來(lái)。10.3 微弱光電信號(hào)的檢測(cè)與處理微弱光電信號(hào)的檢測(cè)與處理弱信號(hào)形式：被測(cè)弱信號(hào)形式：被測(cè)信號(hào)信號(hào) + + 背景噪聲背景噪聲 + + 電路噪聲電路噪聲 電子電子濾波器濾波器微弱光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)相關(guān)檢測(cè)技術(shù)：相關(guān)檢測(cè)技術(shù)： 自相關(guān)自相關(guān)；互相關(guān)互相關(guān)光子計(jì)數(shù)技術(shù)光子計(jì)數(shù)技術(shù) （量子限）（量子限）鎖定放大器鎖定放大器取樣積分器取樣積分器光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院10.3.2 鎖定放大器鎖定放大器Lock-in Amplifieres，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱LIA 鎖定放大器由鎖定放大器由信號(hào)通

23、道信號(hào)通道、參考通道參考通道和和相敏檢波相敏檢波等三等三個(gè)主要部分組成個(gè)主要部分組成 ?；窘Y(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 信號(hào)通道信號(hào)通道 放大器，窄帶濾波（預(yù)處理）放大器，窄帶濾波（預(yù)處理）參考通道參考通道 倍頻電路，移相，方波驅(qū)動(dòng)倍頻電路，移相，方波驅(qū)動(dòng)相敏檢波相敏檢波 乘法器，積分器（濾波器）乘法器，積分器（濾波器）鎖定放大器鎖定放大器基本原理基本原理ssm0rrm0coscosUUtUUt（）osrsmrm01coscos 22UU UU Ut（）osmrm1cos2UU U 鎖定放大器鎖定放大器討論討論輸入信號(hào)輸入信號(hào)背景噪聲內(nèi)部噪聲參考信號(hào)參考信號(hào) 同頻、同相同頻、同相極 少極 少全部檢測(cè)全部檢測(cè)

24、大大抑制大大抑制os mrm1c o s2UUU LIA典型的典型的“互相關(guān)互相關(guān)”檢測(cè)檢測(cè)鎖定放大器鎖定放大器討論討論osmrm1c os2UUU 40.7100,2.55 10ssfKHzffHz 83.910ssfQf例：例：LIA極極高高Q值值的的跟蹤跟蹤濾波器濾波器鎖定放大器鎖定放大器應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例1 1補(bǔ)償法雙通道測(cè)光裝置的鎖定放大器補(bǔ)償法雙通道測(cè)光裝置的鎖定放大器 思考：思考：輸入信號(hào)與參考信號(hào)同頻輸入信號(hào)與參考信號(hào)同頻鎖定放大器鎖定放大器理論和實(shí)驗(yàn)表明：理論和實(shí)驗(yàn)表明：入射光功率恒定，入射光功率恒定，粗粗糙度糙度與與反向散射光反向散射光總總光功率之間的關(guān)系為光功率之間的關(guān)系為

25、2高反片高反片入射光入射光反射光反射光 （）（）透射光透射光反向散射光反向散射光-激光陀螺高反片激光陀螺高反片表面粗糙度表面粗糙度檢測(cè)檢測(cè)應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例2 2鎖定放大器鎖定放大器應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例2 2積分球散射儀積分球散射儀散射光散射光輻通量輻通量測(cè)量測(cè)量相關(guān)檢測(cè)相關(guān)檢測(cè) 光源光源波動(dòng)補(bǔ)償波動(dòng)補(bǔ)償鎖定放大器鎖定放大器應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例3 3反狙擊主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)反狙擊主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng) 激光光源激光光源光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)狙擊系統(tǒng)狙擊系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換相敏檢波相敏檢波調(diào)制電路調(diào)制電路激光測(cè)距激光測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)弱信號(hào)形式：被測(cè)弱信號(hào)形式：被測(cè)信號(hào)信號(hào) + + 背景噪聲背景噪聲 + + 電路噪聲電路噪聲

26、 鎖定放大器鎖定放大器光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院取樣積分器取樣積分器又稱為又稱為Boxcar平均器平均器 例例1 1：信號(hào)：信號(hào)“樣品樣品”抽血抽血 信號(hào)信號(hào)“積分積分”樣品多，反映區(qū)域病樣品多，反映區(qū)域病情情例例2 2：火車站，噪聲中有人喊：火車站，噪聲中有人喊：“xxxx”xxxx”多次多次 耳朵耳朵“積分積分”識(shí)別識(shí)別對(duì)周期重復(fù)信號(hào)，對(duì)周期重復(fù)信號(hào)， N N次取樣平均次取樣平均 信號(hào)： 線性疊加噪聲： 矢量相加（+，-相消）NiSNRNSNR光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院1. 定點(diǎn)式取樣積分器定點(diǎn)式取樣積分器測(cè)量測(cè)量周期信號(hào)周期信號(hào)的的某一瞬態(tài)平均值某一瞬態(tài)平均值取樣積分

27、器取樣積分器2.掃描式取樣積分器掃描式取樣積分器可以可以恢復(fù)恢復(fù)和和記錄記錄 被測(cè)周期性被測(cè)周期性信號(hào)波形信號(hào)波形取樣積分器取樣積分器取樣積分器取樣積分器又稱為又稱為Boxcar平均器平均器 定點(diǎn)式取樣積分器定點(diǎn)式取樣積分器掃描式取樣積分器掃描式取樣積分器測(cè)量定點(diǎn)測(cè)量定點(diǎn)信號(hào)信號(hào)平均值平均值恢復(fù)和記錄恢復(fù)和記錄信號(hào)波形信號(hào)波形LIA功能功能目前技術(shù)發(fā)展：目前技術(shù)發(fā)展：多點(diǎn)數(shù)字取樣積分器多點(diǎn)數(shù)字取樣積分器用用軟件積分軟件積分代替代替硬件積分硬件積分：快速、信息量大：快速、信息量大 光電科學(xué)與工程學(xué)院光電科學(xué)與工程學(xué)院10.3.4 光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)鎖定放大器和取樣積分器：鎖定放大器和取樣積

28、分器：適應(yīng)于適應(yīng)于周期性周期性的信號(hào)檢測(cè)的信號(hào)檢測(cè) 更微弱光信號(hào)量子特征：更微弱光信號(hào)量子特征：u離散信號(hào)脈沖離散信號(hào)脈沖u不具有周期性重復(fù)特征不具有周期性重復(fù)特征1610W量子極限：量子極限：22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvPSNRPiiiid2hv fNEP用光電二極管難于實(shí)現(xiàn)單個(gè)用光電二極管難于實(shí)現(xiàn)單個(gè)光子的探測(cè)，原因？光子的探測(cè)，原因？ 2 2個(gè)光子的極限個(gè)光子的極限用光電倍增管易于實(shí)現(xiàn)單個(gè)用光電倍增管易于實(shí)現(xiàn)單個(gè)光子的探測(cè)，原因？光子的探測(cè)，原因？ 光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvPSNRPiiiid2hv fNEP2 2個(gè)光子的極限個(gè)光子的極限光電倍增管的內(nèi)增益光電倍增管的內(nèi)增益（M）、屏蔽、制）、屏蔽、制冷冷 探測(cè)單個(gè)光子成為可能探測(cè)單個(gè)光子成為可能M2()M2量子極限：量子極限：光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：鑒別器鑒別器 閾值閾值 光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)探測(cè)量級(jí)：探測(cè)量級(jí)：8161010W,n個(gè)秒1 31 0W沒(méi)有清晰的脈沖沒(méi)有清晰的脈沖 不適應(yīng)不適應(yīng)1610W可分辨的可分辨的“負(fù)脈沖負(fù)脈沖” ” 適應(yīng)適應(yīng)光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)