光电检测技术-第七章

第七章 微弱信号检测技术,锁相放大器取样积分器光子计数器,7-1 引言,在自然现象和规律的科学研究和工程实践中, 经常会遇到需要检测微弱信号的问题, 比如: 测定地震的波形和波速； 材料分析时测量荧光光强； 卫星信号的接收； 红外探测； 生物电信号测量 ,信号的微弱时相对的,一个人有1米7高,喜欢到小朋友中间，鹤立鸡群，容易被看到,来到NBA球队，太渺小，被淹没了,一微弱，问题很严重,7-1 引言,微弱信号检测是一门新兴的技术学科，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的微弱信号。,弱信号的含义：绝对意义：信号本身非常弱，幅度值极小放大。相对意义：相对于噪声而言，信号极其微弱，被噪声淹没，也就是说信噪比极低提高信噪比；,单纯的幅度小而信噪比不是很低的信号称之为小信号弱信号检测的任务：在有效抑制信噪比的条件下放大弱信号的幅度，其中抑制噪声，提高信噪比极为关键。,7-1 引言,噪声与干扰的定义,噪声：通常把由于材料或器件（内部电路器件）的物理原因产生的扰动称为噪声，频谱分布一般比较宽；干扰：把来自外部（人为或者自然）的扰动称为干扰，往往有一定的规律性和途径，可以减少或消除。 广义噪声：就是扰乱或者干扰有用信号的某种不期望有的扰动。,噪声虽然无用，虽然讨厌，但是它时刻不在，既然躲不过，那么回避不如勇敢面对,7-1 引言,微弱检测信号的原理,压缩检测通道带宽：噪声在时间和幅度变化上都是随机发生的，分布在很宽的频谱范围，信号所占的频带比较集中，信号的频谱分布和噪声的频谱分布大部分不重叠，不同步。噪声是随机白噪声时，检测通道输出的噪声正比于频带宽的平方根，只要压缩的带宽不影响信号输出就能大幅度降低噪声。取样平均处理：信号的增加取决于取样总数，随机噪声的增加却仅由取样数的平方根决定。可以改善信噪比。,常用的微弱光信号检测方式：锁相放大器、取样积分器、光子计数器。,7-1 引言,测量技术的分类,非相关测量普通的电压表，示波器，频率计等优点：使用方便，用途广泛相关测量锁相放大器，取样积分器，光子计数器,数字滤波器等优点：抗干扰能力强，工作稳定，灵敏度高,7-1 引言,锁相放大器概述,锁相放大器解决如何在很强的外部干扰环境中检测弱信号。 具有十分窄小信号和噪声带宽，信噪比可低至1010-5。BW=0.0004 Hz，这是常规滤波器所无法达到的。 在弱信号探测仪器中锁相放大器是一个非常重要的品种。 锁相放大器属于利用互相关原理设计的一种同步相干检测仪，是对被测信号和参考信号进行相关运算的电子设备。利用参考信号与被测信号的互相关特性，提取出与参考信号同频率和同相位的被测信号。,7-2 锁相放大器,用调制器将直流或渐变信号调制，进行交流放大，可以避免噪声的不利影响；利用相敏检测器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声与信号同频又同相的概率很小；利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大地提高。,锁相放大器有三个特点,7-2 锁相放大器,锁相放大器的工作原理,1962年第一台仪器问世。据统计，已在几百种场合中得到应用。在弱信号探测仪器中锁相放大器是一个非常重要的品种。信噪比可低达10-5。BW=0.0004Hz,7-2 锁相放大器,典型锁相放大器原理,锁相放大器的组成方框图,主要包括三个部分：信号通道，参考通道和相敏检波信号通道对混有噪声的初始信号进行选频放大，对噪声作初步的窄带滤波参考通道通过锁相和移相提供一个与被测信号同频，同相的参考电压。相敏检波由混频乘法器和低通滤波器组成,7-2 锁相放大器,典型锁相放大器原理,设乘法器的输入信号为Vs和Vr：,则输出信号为：,通过输入信号和参考信号的相关运算，输出信号的频谱由0变换到差频与和频20的频段上。,7-2 锁相放大器,和频信号分量被低通滤波器滤除，可以利用低通滤波器得到窄带的差频信号。,那些与参考信号电压同频率的分量使差频信号为零，此时输出信号为直流信号，它的幅值取决于输入信号幅值并与参考信号和输入信号相位差有关，即：,当0时， ，/2时， V0 0,7-2 锁相放大器,也就是说，在输入信号中，只有被测信号本身和参考信号有同频锁相关系而得到最大直流输出，其他噪声信号或者由于频率不同，造成0的交流分量，被后接的低通滤波器滤除，或者由于相位不同而被相敏检波器截止。那些与参考分量同频同相的噪声分量也能够输出直流分量，但它们只占白噪声的极小部分。所以锁相放大器能以极高的信噪比由噪声中提取出有用信号。,7-2 锁相放大器,锁相放大技术的四个基本环节：通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的高频范围内。检测系统变成交流系统；在调制频率上对有用信号进行选频放大；在相敏检波中对信号解调。同步解调作用截断了非同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范围内；通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。,7-2 锁相放大器,3、特点：要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅光信号的检测；极窄带高增益放大器，增益可达1011，带宽窄到0.0004Hz；交流直流信号变换器；可以补偿光检测中的背景辐射噪声前置放大器的固有噪声。信噪比改善可达1000倍。,7-2 锁相放大器,7-3 取样积分器,1. 锁相放大器的局限性（1）只能用正弦波、方波，对于宽带任意波形的信号无能为力。（2）锁相放大器实质是滤波器，靠降低等效噪声带宽来抑噪。但在强干扰噪声背景下，宽带信号的检测用压缩带宽的办法效果不明显。,一.概述,首先，微弱周期信号的周期是已知的， 这种信号一般是在主动测量中，源发出的周期性信号与被测物体作用后产生的， 被检测的微弱信号的周期和源发出的周期性信号的周期存在一定的关系，或者相等，或者存在某种函数关系。,2. 解决途径 取样积分器（Boxcar积分器）将待测的周期信号逐点多次取样并进行同步积累。将时间变化的模拟量转变为对时间变化的离散量的集合，这种集合即为信号的低频复制。利用它可以解决在强噪声背景下任意形状的宽带周期信号的检测和波形再现问题。,取样积分法工作的前提:,7-3 取样积分器,如果我们能够很准确地对准周期信号的某一点（如图），在每个周期的这一时刻，都对信号进行取样，并把取样值保存在积分器中；,7-3 取样积分器,经过次取样后，信号得到了增强，而噪声由于随机性，相互抵消了一部分所以信号在噪声中显现出来。 如果对周期信号的每一点都这样处理，那就有可能将被噪声淹没的信号恢复波形。,1、取样积分器的工作原理取样点的值，应是信号和噪声的和，我们以信号和噪声功率平均值来看积分前后信噪比的变化。若输入信号为Vsi，经过积分器M次积累后所得到的输出电压为,输出信号品均功率为：,二. 取样积分器的工作原理和分类,7-3 取样积分器,噪声电压是随机量Vni ，经过m次积累以后，相加所得值Vn仍为随机变量,当噪声的分布是正态分布时，数学期望值为0，方差等于噪声平均功率Pni ，所以输出电压Vn也是正态分布的随机变量，其数学期望：,功率信噪比：,7-3 取样积分器,通过累积以后功率信噪比为：,信号噪声幅值比（ (SNIR) ）为：,结论：1）、经过m次积累以后，功率信噪比可以提高m倍，信号噪声幅值比提高了 倍。,2）、取样点数越多，测量次数越多，信噪比改善越明显，信号恢复越精确，但需要品均积累的时间也越长。,3）、微弱信号检测的灵敏度是以牺牲时间为代价的。,7-3 取样积分器,Boxcar工作原理,上面讲的这种取样积分法，只能恢复周期性信号某一点的幅值，故称为定点取样工作模式。,7-3 取样积分器,周期信号波形的恢复必须在定点取样积分器的基础上，对周期信号的一周期内的各点进行扫描，把周期信号每一点的幅值都恢复出来，这就必须采取扫描工作方式。,取样积分器分类：,7-3 取样积分器,扫描取样积分器,7-3 取样积分器,7-3 取样积分器,7-3 取样积分器,7-3 取样积分器,3. 多点信号平均器,前面已经说明，扫描取样积分器在信号重复出现的一个周期内只对信号取样一次。因此要取出信号一个周期内的完整波形需要nT的时间。因此，取样积分器在时间上的利用率是很低的。为了缩短恢复波形所需要的时间，可以使用多个取样积分器，在每个信号重复周期内对信号逐次多点取样。在有效的观察时间内，信号每重复一次，各取样积分器上存储的信号电压就进行一次累加，多次累加的结果，使信噪比得到改善;多点信号平均器就是这样一种实时取样系统，它等效于大量单点取样积分器在不同延时的情况下并联使用。,7-3 取样积分器,多点信号平均器对于恢复被噪声淹没的重复信号是一个强有力的工具，由于Boxcar是单点步进多次取样平均，因此需要测量时间很长。而多点信号平均器则是在信号的一个周期内对信号多点取样，在获得同样SNIR的情况下多点信号平均器所需时间只是单点平均器测一点的平均时间。所以可节省测量时间。多点信号平均器是实时取样，不会使被恢复的弱信号变形（拉长），这是Boxcar所不能比拟的。,7-3 取样积分器,多点信号平均器有模拟式和数字式两种:模拟式多点平均器的存贮器是电容，数字式多点平均器的存贮器是半导体存贮器，模拟式多点信号平均器原理框图如图所示：,7-3 取样积分器,多点信号平均器对于恢复被噪声淹没的重复信号是一个强有力的工具。Boxcar是单点步进多次取样平均，需要测量时间很长。多点信号平均器则是在信号的一个周期内对信号多点取样，在获得同样SNIR的情况下多点信号平均器所需时间只是单点平均器测一点的平均时间。可以节省大量时间。多点信号平均器是实时取样，不会使被恢复的弱信号变形（拉长），这是Boxcar所不能比拟的。,7-3 取样积分器,EG&G Princeton Applied Research Model 162 Boxcar Averager,7-3 取样积分器,EG&G Princeton Applied Research Model 4100 Boxcar Averager,SRS Boxcar,7-4 光子计数,利用光电倍增管能检测单个光子能量的功能，通过光电子计数的方法测量极微弱光脉冲信号的装置。 当可见光的辐射功率低于1012W，即光子速率限制在109/s以下时，光电倍增管光电阴极发射出的光电子就不再是连续的，因此在倍增管的输出端会产生有光电子形式的离散的信号脉冲。可借助电子技术的方法检测到入射光子数，实现极弱光强或通量的测量。,单光子探测技术应用： 高分辨率的光谱测量、 非破坏性物质分析、高速现象检测、 精密分析、大气测污、生物发光、 放射探测、高能物理、天文测光、 量子密钥分发系统等领域。单光子探测器在高技术领域具有重要地位，成为各国光电子学界重点研究的课题之一 。,7-4 光子计数器,单光子检测技术和模拟检测技术相比有如下优点： 测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它不稳定因素的影响较小； 消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量结果的信噪比； 有比较宽的线性动态区； 输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字数据处理。,7-4 光子计数器,二、单光子计数的光电器件,可用来作为单光子计数的光电器件有许多种：光电倍增管（PMT） 雪崩光电二极管（APD） 增强型光电二极管（IPD） 微通道板（MCP） 微球板（MSP）真空光电二极管（VAPD）,7-4 光子计数器,三、单光子探测器的现状及其发展,对于可见光探测，光电倍增管有很好的响应度，暗电流也非常小，很早就用于单光子计数，现在技术已经比较成熟，市场上也有了不少类似的产品。随着人们对红外光研究的不断深入，特别是近年来量子通信技术、量子密码术的研究不断引起各国的重视，对红外通信波段（850nm、1310nm和1550nm）单光子探测器的研究尤为迫切。光电倍增管却显得无能为力，即使是最好的红外光阴极-Si阴极，光谱响应到1050nm就已经截止了，仅这一点就排除了光电倍增管在红外通信波段的应用。,7-4 光子计数器,目前对单光子探测器将主要从两个方面去研究一方面，研制和开发有高灵敏度新型结构的光探测器；另一方面，研究和改进探测器的外围控制驱动技术，利用现有的探测器进行单光子探测。,7-4 光子计数器,四、PMT单光子计数器的组成,基本的光子计数系统,入射到光电倍增管阴极上的光子引起输出信号脉冲，经过放大器输送到一个脉冲高度鉴别器上，从中分离出单光子脉冲，再用计数器计数光子脉冲数。计算出一定时间间隔内的计数值，以数字模拟形式输出。,7-4 光子计数器,光子计数系统工作基本过程,PMT接受光辐射；阳极产生电流脉冲并经过阳极负载输出；经过放大器信号放大后送到鉴别器；鉴别器通过设置第一鉴别电平和第二鉴别电平来减少暗电流和干扰；计数器计得信号脉冲的个数并显示出来。,7-4 光子计数器,PMT输出包括信号脉冲，光电倍增管还输出热发射，倍增及电子热发射和多光子发射以及宇宙射线和荧光发射引起的噪声脉冲。多数光子计数器的脉冲峰值鉴别器采用有两个阈值电平的双电平鉴别器。它仅对落在两电平之间的光子脉冲产生输出信号,7-4 光子计数器,计数器由计数器A和定时器B组成利用手动或自动启动脉冲，使计数器A开始累加从鉴别器来的信号脉冲，计数器C同时开始计由时钟脉冲源来的计时脉冲。计数器C是一个可预置的减法计数器，事先由预置开关置入计数值N设时钟脉冲频率为Rc，而计时器预置的计数时间为：,于是在预置的测量时间t内，计数器A的累加计数值为：,7-4 光子计数器,特点：只适合于极弱光测量不能测量包含许多光子的短脉冲强度；良好的信噪比；必需选择带有制冷器的光电倍增管；不用数模转换即可提供数字输出。,7-4 光子计数器,辐射源补偿的