光電技術(shù)第8章非相干光變換2課件

1、 一個實際系統(tǒng)部必然存在噪聲，如果所測的信號本身又相當(dāng)微弱，如何把淹沒于噪聲中的有用信號提取出來是十分重要的。 在光電探測系統(tǒng)中，噪聲來自光信號、背景光、光電控測器及電子電路。系統(tǒng)的干擾主要來自背景光干擾私系統(tǒng)以外的市電、電火花、空間高頻電磁場干擾等。通常抑制這些噪聲和干擾的方法是： 第八章 微弱光信號檢測技術(shù)合理壓縮系統(tǒng)視場，在光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上抑制背景光;加適當(dāng)光譜濾波器、空間濾波器等以抑制背景干擾;合理選擇光信號的調(diào)制頻率，使信號頻率遠離市電(50Hz）頻率和空間高頻電磁波頻率;偏離1/f噪聲為主的區(qū)域，以使光電探測系統(tǒng)在工作波段范圍內(nèi)達到較高的信噪比。在電子學(xué)信號處理系統(tǒng)中采用低噪聲放大技

2、術(shù)。選取適當(dāng)?shù)碾娮訛V波器限制系統(tǒng)的帶寬以抑制內(nèi)部噪聲及外部干擾。 但當(dāng)信號非常微弱，甚至比噪聲小幾個數(shù)量級或者說信號被噪聲深深淹沒時，再采用上述的辦法就不會有效，必須利用信號和噪聲在時間特性方面的差別，也即利用信號和噪聲在統(tǒng)計特性上的差別去區(qū)分它們，來提取被噪聲淹沒的信號。這便是微弱光信號檢測所要涉及的內(nèi)容。 即使是對較強的光信號，為提高信號的抗干擾能力，實現(xiàn)精確的檢測，也都需要有從噪聲中提取、恢復(fù)和增強被測信號的技術(shù)措施。 理想的微弱光信號檢測后置處理器的構(gòu)成要根據(jù)信號最佳檢測的某一判據(jù)進行原理設(shè)計，根據(jù)最佳檢測理論派生出的信號相關(guān)檢測和積累接收技術(shù)以及光子計數(shù)檢測技術(shù)。第1節(jié) 相關(guān)檢測原理

3、 利用信號在時間上相關(guān)這一特性可把深埋于噪聲中的周期信號提取出來，這種提取方法稱為相關(guān)檢測或相關(guān)接收，是微弱信號檢測的基礎(chǔ)。 從原則上講，用通頻帶很窄的濾波器也可從噪聲中提取信號。但濾波器的中心頻率必須調(diào)在信號頻率上。對于周期不固定或者頻率不能作到絕對恒定的信號，濾波器的頻帶不能過窄，因此信噪比的改善不可能很大。相關(guān)檢測器相當(dāng)于一個跟蹤濾波器，因而沒有這方面的限制。 信號的相關(guān)性用相關(guān)函數(shù)來描述，它代表線性相關(guān)的度量，是隨機過程在兩個不同時間相關(guān)性的一個重要統(tǒng)計參量。一、 相關(guān)函數(shù) 1、自相關(guān)函數(shù) 自相關(guān)函數(shù)Rxx()是度量一個變化量或隨機過程在t和t-兩個時刻線性相關(guān)的統(tǒng)計參量。 為延遲時間

4、，T為觀測時間，x(t)為隨機過程的樣本函數(shù)。 為x(t)的功率譜密度維納肯欣(Wiener-Khintchine)定理。 幾種變化量的自相關(guān)函數(shù) 1、正弦波：2、白噪聲3、帶通白噪聲自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)Rxx( ) =Rxx(- ) Rxx( ) 在0處最大；若x(t)包括周期性分量，則Rxx( )將隨 的增加逐漸下降。 Rxx( ) 衰減得越快，表示變化量x(t)相關(guān)性越小。由于白噪聲在不同時刻是不相關(guān)的，或其相關(guān)性很小，因此它的Rxx( ) 是函數(shù).若變化量x(t)為規(guī)則函數(shù)，即包含有周期信號分量，則自相關(guān)函數(shù)Rxx( ) 也將包含有周期分量。若x(t)為一純周期信號，則自相關(guān)函數(shù)將包含原信

5、號的基波與所有諧波。2、互相關(guān)函數(shù)互相關(guān)函數(shù)Rxy( )是度量兩個隨機過程x(t),y(t) 間相關(guān)性的函數(shù)自相關(guān)函數(shù)實際上是互相關(guān)函數(shù)的一個特例。如果兩個隨機過程完全沒有關(guān)系（例如信號與噪聲），則其互相關(guān)函數(shù)將為一個常數(shù)，并等于兩個變化量平均值的乘積；若其中一個變化量平均值為零（例如噪聲），則兩個變化量的互相關(guān)函數(shù)Rxy( )將處處為零，即完全獨立不相關(guān)。如果兩個變化量是具有相同基波頻率的周期函數(shù)，則它們的互相關(guān)函數(shù)將保存它們的基波頻率以及兩者所共有的諧波。互相關(guān)函數(shù)中基波及諧波的相位為兩個原函數(shù)的相位差。二、相關(guān)檢測 相關(guān)檢測的實質(zhì)就是利用信號有良好的時間相關(guān)性和噪聲的不相關(guān)性（或在短時間

6、內(nèi)部分相關(guān)），使信號進行積累而噪聲不積累的原理，從而把被噪聲淹沒的信號提取出來。相關(guān)檢測分為自相關(guān)檢測和互相關(guān)檢測。設(shè)混有隨機噪聲的信號 待測信號； 噪聲信號。1、自相關(guān)檢測原理隨著的增大， 將趨于零。2、互相關(guān)檢測原理 互相關(guān)檢測是利用一個與待測信號si(t)同頻率的信號y(t)，對被噪聲干擾信號作互相關(guān)處理。圖中y(t)為參考信號。y(t)為參考信號，經(jīng)過延遲電路后變?yōu)閥(t-)，將y(t-)與待測信號x(t)同時輸入到乘法器進行乘法運算，再經(jīng)過積分運算，由于噪聲與參考信號y(t-) 是不相關(guān)的，因此在輸出端得到x(t)與y(t)的互相關(guān)函數(shù)最后輸出的信號只保留與參考信號y(t-)相關(guān)的信

7、號部分，嗓聲卻被完全抑制掉了。但在實際測量中，由于測量時間有限，對短時間的互相關(guān)函數(shù)噪聲與參考信號的互相關(guān)遂數(shù)Rny()不一定為零，從而使相關(guān)檢測產(chǎn)生誤差。在有限時間測量中產(chǎn)生的干擾，互相關(guān)測量比自相關(guān)測量要少兩項。故互相關(guān)檢測抑制噪聲的能力比自相關(guān)檢測強，這是互相關(guān)檢測的優(yōu)點。相關(guān)檢測要求用與被檢測信號同頻率的參考信號y(t),當(dāng)被檢測信號x(t)未知時，要取得與si(t)同頻信號是困難的，這時一般不能采用互相關(guān)檢測。第2節(jié) 鎖定放大器 鎖定放大器（LIA，Lock-in Amplifier）是同步相關(guān)檢測技術(shù)的一種，是從強噪聲中提取弱信號的重要手段。 鎖定放大器是一種通用的對交變信號進行相

8、敏檢波的放大器。它利用和被測信號有相同頻率和鎖相關(guān)系的參考信號作為比較基準(zhǔn)，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻（或倍頻）、同相的噪聲分量有響應(yīng)。因此能大幅度抑制無用噪聲，提高檢測靈敏度和信噪比，它是弱信號檢測的一種有效儀器。鎖定放大器 一般的LIA都由三個部分組成：信號通道、參考通道和相關(guān)器。相關(guān)檢測采用了一個相敏檢波器（PSD, Phase Sensitive Detector）及積分器來抑制噪聲（或壓縮等效帶寬），并檢測出周期信號的幅值和相位，故鎖定放大器通常又稱相敏檢波交流電壓表。1、鎖定放大器的工作原理LIA的工作原理方框圖 將待測信號與一個與待測信號同步的參考信號同時送入相敏檢波器

9、PSD。信號通道將伴有噪聲的待測信號VA進行放大，并經(jīng)選頻放大器對所包含的噪聲進行抑制，以滿足PSD的要求；參考通道將與待測信號VA同頻的參考信號進行整形、選頻、放大和移相。輸出與待測信號同相的方波，并送入PSD作為控制信號。PSD是鎖定的放大器的核心，由一個乘法器和一個低通濾波器組成，它直接檢測出淹沒在噪聲中的待測信號，輸出一個與待測信號成正比的直流電壓，其極性和相位與參考信號的相位有關(guān)。相敏檢波原理方框圖設(shè)待測信號和參考信號分別為通過模擬乘法器輸出電壓及相位的一級近似表達式：式中R0和C0為低通濾波器參數(shù)。相關(guān)器PSD可以通過奇次諧波而抑制偶次諧波。當(dāng)信號頻率0 R時，并設(shè)基波初始相位0，

10、相關(guān)器的輸出電壓V0為式中V0為直流電壓，其大小正比于輸入信號幅值VA0和待測信號與參考信號之間的相位差的余弦。改變相位差則可求得待測信號的幅值和相位。相關(guān)檢測利用了長時間對信號的積累原理，所以最終輸出的信號不再是周期變化的信號，而是被PSD平滑了的直流信號。 由于鎖相放大器的同步檢相作用，只允許和參考信號同頻同相的信號通過，所以它本身就是一個帶通濾波器。它的Q值可達108，通頻帶寬可達0.01Hz，因此，鎖相放大器有良好的改善信噪比的能力。由于噪聲電壓正比于噪聲帶寬的平方根，所以信噪比的改善可表示為式中，SNRo和SNRi是鎖相放大器的輸出、輸入信噪比，fo、fi是對應(yīng)的噪聲帶寬。當(dāng)fi10

11、kHz和fo0.25Hz時，信噪比為原來的200倍。先進的鎖相放大器的可測頻率從十分之幾到1MHz，電壓靈敏度達10-9V，信噪比可改善1000倍以上。2、利用鎖相放大器測量弱光電信號包括下列幾個基本步驟：1）通過調(diào)制或斬光，將被測光信號由零頻范圍轉(zhuǎn)移到設(shè)定的高頻范圍內(nèi)，使檢測系統(tǒng)變?yōu)榻涣飨到y(tǒng)。2）用低噪聲光電檢測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，用鎖相放大器在調(diào)制頻率上對有用電信號進行選頻放大。3）在相敏檢波器中對信號解調(diào)，同步解調(diào)作用截斷了非同步噪聲信號，使輸出信號的帶寬限制在極窄的范圍內(nèi)。4）通過低通濾波器對檢波信號進行低通濾波，獲得被放大的光電信號。應(yīng)用例子：雙通道測量透過率的裝置采用鎖定放大器

12、檢測處理光電信號具有下列特點：要求對入射光束進行斬光或光源調(diào)制，適用于調(diào)幅光信號的檢測。鎖定放大器是極窄帶高增益放大器，增益可高達1011（220dB），濾波器帶寬可窄到0.0004Hz，品質(zhì)因數(shù)Q值達108或更大。鎖定放大器是交流信號/直流信號變換器。相敏輸出正比于輸入信號的幅度及其與參考電壓的相位差?？梢匝a償背景輻射噪聲和前置放大器的固有噪聲，信噪比改善可達1000倍。第3節(jié) 取樣積分器 取樣積分器又稱Boxcar平均器。它是一種利用取樣和平均化技術(shù)測定深埋在噪聲中的周期性信號的測量裝置。對于穩(wěn)定的周期性電信號，若在每個周期的同一相位處多次采集波形上某點的數(shù)值，其算術(shù)平均的結(jié)果與該點處的瞬

13、時值成正比例，而隨機噪聲的長時間平均值將收斂為零。這是取樣積分器能改善信噪比的原因。 若信號值為si，噪聲值為ni，則其信噪比 如果對這一值經(jīng)Ns次取樣，并加以積累平均（假設(shè)是線性的），則信號的值將增加Ns倍，即但噪聲是隨機的，其平均后輸出值即經(jīng)過Ns次取樣平均后信噪比改善取樣點數(shù)Ns越多，信號恢復(fù)越精確，但需要的平均積累時間也越長。取樣積分器檢測微弱信號是以犧牲時間為代價的，實際上微弱信號檢測技術(shù)多是基于這一原理。 一個取樣積分器的核心組件是取樣門和積分器，通常采用取樣脈沖控制RC積分器來實現(xiàn)。它使在取樣時間內(nèi)被取樣的波形作同步積累，并將所積累的結(jié)果（輸出）保持到下一次取樣。應(yīng)用：主要用在脈

14、沖光信號的光電系統(tǒng)中。脈沖光信號在諸如熒光衰減的測量，動態(tài)反射率和高分辨光譜測量等光度測量中得到了廣泛的應(yīng)用。在這些場合中，被測信息常常包含在光信號的波形持續(xù)時間或者是在占空系數(shù)很低的重復(fù)窄脈沖的幅值上。對這些光脈沖的測量，取樣積分器比鎖相放大器能更好的改善信噪比。1、定點式取樣積分器定點式取樣積分器原理方框圖定點式取樣積分器工作波形圖定點式取樣積分器中，取樣脈沖在連續(xù)周期性信號的同一位置采集信號，積分器工作于穩(wěn)態(tài)方式或稱定點方式，適用于調(diào)幅信號或特定點的測量。2、掃描式取樣積分器若門延遲的時間借助慢掃描電壓緩慢而連續(xù)地改變，使取樣脈沖和相應(yīng)觸發(fā)脈沖之間的延時依次增加，于是對每一個新的觸發(fā)脈沖

15、，取樣脈沖緩慢移動，逐次掃描整個輸入信號。這種情況下積分器的輸出變成了信號波形的展開復(fù)制，這時積分器稱作掃描測量取樣積分器。掃描式取樣積分器利用取樣脈沖在信號波形上延時取樣?？梢曰謴?fù)待測信號波形。它主要包括可變時延的取樣脈沖和在取樣脈沖控制下做同步積累這兩個過程。（1）掃描式取樣脈沖的形成參考信號經(jīng)整形電路變成觸發(fā)脈沖。（見圖(a)）。用此脈沖去觸發(fā)時基電路產(chǎn)生如圖(b)所示的時基電壓，時基電壓寬TB小于、等于或大于待測信號周期Ts。觸發(fā)信號在觸發(fā)時基電路的同時，也觸發(fā)慢掃描電壓發(fā)生器，產(chǎn)生慢掃描電壓（圖(b)），其寬度為TSR。時基電壓與慢掃描電壓同時輸入到此比較器進行幅度比較，在圖中兩者的

16、交點即是比較器的輸出。如圖（c）所示的矩形脈沖，該矩形脈沖的寬度將隨慢掃描電壓的增加而增加。因此矩形脈沖的后沿形成的負尖脈沖（見圖（d）去觸發(fā)整形電路，從而得到如圖e所示的可變時延的取樣脈沖。（2）掃描式取樣積分器取樣積累過程3、應(yīng)用 用取樣積分器測量弱光電信號常按下列步驟進行。1）將弱光信號調(diào)制，形成周期性的光信號或脈沖，用低噪聲光電檢測器進行光電變換。2）利用產(chǎn)生光脈沖的激勵源取得和輸入光脈沖同步的觸發(fā)電信號。3）取樣積分器設(shè)置門延時和門脈沖寬度控制單元，以便形成與觸發(fā)脈沖具有恒定延時或延時與時間成線性關(guān)系的可調(diào)脈寬取樣脈沖串。4）取樣脈沖控制取樣開關(guān)，對連續(xù)的周期性變化信號進行定點取樣或

17、掃描取樣。5）積分器對取樣信號進行多次線性累加或重復(fù)采集，經(jīng)濾波后獲得輸出信號。應(yīng)用例子：使用雙通道積分器的激光分析計用取樣積分器測量弱光電信號的特點：適用于由脈沖光源產(chǎn)生的連續(xù)周期性變化的信號波形測量或單個光脈沖的幅度測量。需要有與光脈沖同步而與噪聲不同步的激勵信號。取樣積分器在每個信號脈沖周期內(nèi)只取一個輸入信號值?？梢詫斎氩ㄐ蔚拇_定位置作重復(fù)測量，也可以通過自動掃描再現(xiàn)出整個波形。在多次取樣過程中，門積分器對被測信號的多次取樣值進行線性疊加，而對隨機噪聲是矢量相加，所以，對信號有恢復(fù)和提取的作用。在測量占空比小于50%的窄脈沖（例如10ns）光強度情況下，要比鎖相放大器有更好的信噪比。用

18、掃描方式測量信號波形時能得到100ns的時間分辨力。雙通道系統(tǒng)能提供自動背景和輻射源補償。第3節(jié) 光子計數(shù)技術(shù) 光子計數(shù)系統(tǒng)是一種利用光電倍增管的檢測單個光子能量的能力，通過光電子計數(shù)的方法測量極微弱光脈沖信號的裝置。 單個光子被光電倍增管陰極吸收后激發(fā)出光電子，經(jīng)過倍增系統(tǒng)的倍增，在陽極可收集到105108個電子，由于光電倍增管渡越時間的離散性和輸出端的時間常數(shù)，通過負載電阻和放大器將輸出一個脈沖半寬度為幾到幾十納秒的電流或電壓信號。這個信號再經(jīng)甄別器后就可被計數(shù)器計數(shù)。當(dāng)可見光的輻射功率低于10-1210-14W時，光電倍增管光電陰極發(fā)射出的光電流就不再是連續(xù)的，此時，在倍增管的輸出端會產(chǎn)

19、生由光電子形成的離散的信號脈沖?？山柚娮佑嫈?shù)的方法檢測到入射光子數(shù)，實現(xiàn)極弱光強或光通量的測量。一、光子技術(shù)器工作原理1、弱光下光電倍增管中的光電流光功率/W信號特點信號波形10-13在直流電平上疊加有散彈噪聲10-14直流電平降低，脈沖重疊減少，仍有起伏10-16基線趨于穩(wěn)定，脈沖重疊極少10-18形線趨于零，脈沖無重疊2、光子計數(shù)器的組成 入射到光電倍增管陰極上的光子產(chǎn)生的輸出信號脈沖，經(jīng)放大器輸送到一個脈沖高度鑒別器上。由放大器輸出的信號除有用的光子脈沖之外尚包括器件噪聲和多光子脈沖。后者是因時間上不能分辨的連續(xù)光子集合而形成的大幅度脈沖。峰值鑒別器的作用是從中分離出單光子脈沖，再用計

20、數(shù)器對光子脈沖進行計數(shù)，計算出在一定時間間隔內(nèi)的計數(shù)值，最終以數(shù)字或模擬形式輸出。除了單光子激勵產(chǎn)生的信號脈沖外，光電倍增管還輸出熱發(fā)射、倍增極電子熱發(fā)射和多光子發(fā)射以及宇宙線和熒光發(fā)射引起的噪聲脈沖，其中，多光子脈沖幅值最大，其它脈沖的高度相對要小些。因此為了鑒別出各種不同性質(zhì)的脈沖，可采用脈沖峰值鑒別器。簡單的單電平鑒別器具有一個閾值電平Us1，調(diào)整閾值位置可以除掉各種非光子脈沖而只對光子信號形成計數(shù)脈沖。對于多光子大脈沖，可以采用有兩個閾值電平的雙電平鑒別器（又稱窗鑒別器）。它僅僅使落在兩電平間的光子脈沖產(chǎn)生輸出信號，而對高于第一閾值Us1的熱噪聲和低于第二閾值Us2的多光子脈沖沒有反應(yīng)。脈沖幅度的鑒別作用抑制了大部分的噪聲脈沖，減少了光電倍增管由于增益