Boxcar信号平均器和原理

1、Boxcar信号平均器和原理摘要本文主要介绍了Boxcar信号平均器检测微弱信号的工作原理和使用方法，还包括了如何设定各项重要参数及其依据，并在本文最后结合实践给出了详细的操作步骤和注意事项。一、引言一些基础科学的研究领域，如高分辨激光光谱学，非线性光学和光与物质相互作用等，都会遇到微弱光信号检测的问题。有时候，光电流的强度甚至比光电倍增管热燥声的水平（10-14W）还要弱，这时，就需要能从噪声背景中提取有用信号的检测技术。在这种技术中，比较常用的方法有：选频放大器，锁相放大器，取样平均器，光子计数器等。其中取样平均器是指对周期重复信号，或调制信号多次取样平均，靠牺牲时间的办法改善信噪比并恢复

2、信号波形。取样积分器又称Boxcar。二、实验原理1. 取样积分原理设输入信号f (t)由被测信号S (t)和大小由方均根给出的随机噪声N (t)组成，且以周期T重复，则：对其进行m次取样积分后累加得： 输入输出的信噪改善比为：即若取样100次，则改善10倍。而每一次取样积分相当一次互相关检测。2. 两种工作方式取样积分器一般有两种工作模式，其原理框图如下：固定延时器顺序延时器门宽控制器门触发器取样门被测信号参考信号积分器输出信号图 1 Boxcar工作模式框图当使用固定延时器时，仪器处于“静态门测量方式”，取样门在输入信号每个周期T的同一固定点进行取样积分，从而测量该点的瞬时值。此时，若被测

3、信号S (t)不是周期信号，但相对周期T而言是缓变的，则可将其从噪声中提取并记录下来。此种情况相当于，门不动而波形动。但m次取样积分累积的结果抹去了mT间隔内波形的变化。当使用顺序延时器时，仪器处于“波形测量方式”。此时，信号周期T，或其一部分，即时基范围被分为若干相等的间隔，每次取样积分顺延一个间隔，从而可以对重复性好的信号进行波形扫描。此种情况相当于，波形不动而门动。在理想情况下，可以完全复原被测波形。3. 主要参数（1）取样门宽度Tg为了使信号波形得到恢复，要求：Tg0.5T ，门宽越窄信号恢复越精细。（2）时基Td是可取样积分的整个时间范围。为了能完整扫过整个整个信号波形，Td应大于等

4、于信号周期T。当然，如果只想测量信号的一部分，Td也可小于T 。（3）积分常数Tc积分器本身的积分常数RC，故完全积分时间一般约为2RC，但是，取样门的开门时间为门宽Tg，称为有效积分时间。若开门时间与时基相等，即：Tg = Tb ( = T )，也即排满完全积分时间，则取样积分器积分次数为：N = 2RC /Tg，相应的信噪改善比为：，仪器的积分常数为完全积分时间：TcNTbNTg(2RC /Tg)Tg2RC。若开门时间不能排满完全积分时间，即存在无效积分时间，则：TcNTb (2RC /Tg) Tb2RC Tb /Tg。此时，仪器的积分常数为不完全积分时间。可见，提高RC和减少Tg有利于增

5、加积分时间，从而提高信噪比。4. 噪声来源及其特性与有用光电信号相伴随的噪声可按来自测量系统的内部和外部来划分。（1）外部噪声源包括：市电、无线电、电火花、脉冲放电等。（2）内部噪声源是由各种器件，部件产生的，包括： 热燥声，由有功元件中电子无规运动产生的电压起伏引起； 散粒噪声，电子发射的不规则离散性产生的电流起伏引起； 闪烁噪声，器件中局部位垒不均匀引起，正比于1/f，是低频段的主要噪声源，频率上限约500Hz。一般，外部噪声易于克服，抑制内部噪声是弱光电信号检测的主要任务。锁相放大器不但对弱信号进行频率调制和选频放大，还锁定被测信号的频率和相位，使得噪声要同时满足频率既落在通带内，位相又

6、相同才能通过放大器。这种几率非常非常小，从而使噪声受到强烈的抑制。锁相放大器可检测出噪声比信号大104-106倍的微弱电信号。三、实验仪器He-ne激光器，单色仪，Boxcar信号平均器四、实验结果与数据分析1. 参数选择频谱测量范围：550nm-650nm扫描时间：400s扫描精度：0,1nm可测量点：500个 由上面的数据得到开门总时间为800ms，又根据门宽为15 可知每一个点在总开门内要排满完全积分时间需要测量50k次，由于Boxcar仪器的限制只能最多测量10k次，但是又由于电脑的计算极限的制约，最终每点只测量65次。2. 信噪比改善研究本实验中采用静态门工作方式1) He-Ne旁侧

7、光谱图 2 He-Ne旁侧光谱550-600nm范围图2不应该为He-Ne旁侧光谱550-600nm范围没有经过信噪比改善的图像，可能是由于在保存图像过程中出现错误，为错误图像。图 3 He-Ne旁侧光谱550-600nm图3为取样积分次数增加为原来10倍，触发1k次所对应的图像。根据信噪比改善公式得到实验值为2.5，而理论值为3.3。实验值和理论值差别不大，存在的误差应该是由于电脑计算过程由于测量次数没有覆盖完全积分时间造成数据量过少引起的。图 4 He-Ne旁侧光谱550-600nm图4为取样积分次数增加为原来100倍，触发10k次所对应的图像。根据信噪比改善公式得到实验值为5.8，而理论

8、值为10。实验值和理论值差别较大，较大误差的产生可能是因为该实验软件所能允许的最大触发1.1k次，远小于我们实验中所选定值，造成数据大量相互覆盖和丢失。2) 半导体主要对比测量范围为650-700nm图 5 Tm 650-700nm范围图5为Tm 650-700nm范围波形图，由于没有进行信噪比改善，图像的质量非常差，不能得到有效信息。图 6 Tm 650-700nm图6为Tm 650-700nm积分次数为原来10倍的情况，由图中的信息得到实际的信噪比为2.3，而理论值为3。虽然已经很好的将微弱信号提取出来，但是还是有噪声存在。图 7 Tm 650-700nm图7Tm 650-700nm积分次数为原来100倍的情况，由图中的信息得到实际的信噪比为6.25，而理论值为10。通过以上三个图可以看到门积分器对于微弱信号的提取