直接探测和外差探测.ppt

1、,1,第3章 直接探测与外差探测,光电信号变换,光电 探测器,光信号,电信号,响应平均光功率,直接探测,响应光的频率 ,相干探测,2,(1) 基本物理过程：,若探测器的负载电阻是RL，则光电探测器的输出功率为,光波：,光功率：,1. 直接探测的基本原理,平方定律：,3,(2) 信噪比,设输入的信号功率和噪声功率分别为si和ni，输出的分别为so和no。由平方律有,考虑到信号和噪声的独立性，可得输出信噪比为,讨论：,（1）si/ni1，则有 ，说明直接探测不适合微弱信号的探测；,（2）si/ni1，则有 ，转换后信噪比损失不大；,4,(3) 等效噪声功率,具有内增益的光电探测器的电输出功率为,输

2、出的噪声功率为,信号光电流：,背景光电流：,暗电流：,电阻温度噪 声电流：,对于光电二极管，M=1，对于光电导探 测器前面的2改为4.,输出信噪比为,探测器的噪声等效功率为,5,讨论：,（1）热噪声优势,（2）散粒噪声优势,（3）散粒噪声和热噪声相当,（4）信号噪声极限，只考虑光信号噪声。,例：为1，f为1Hz，NEP2h，已很接近单个光子的能量h。,光电二极管,光电倍增管,雪崩光电二极管,6,提高系统信噪比的基本途径：,光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜 应用光学,电学方法，如滤波、低噪声放大、弱信 号检测,热力学方法，制冷降低探测器噪声,信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标,7,2

3、.直接探测的应用举例,激光制导、飞行物自动跟踪 激光稳频、机器人视觉 ,几何量（长度、位移） 表面形状参量（工件粗糙度、伤痕） 光学参量（吸收、反射） 电磁量（电流、电场、磁场） ,应用于测量：,应用于控制：,特点：信息加载辐通量（光强）,8,3.3 前置放大器的噪声匹配,9,当光信号功率较小时，光电探测器的电信号输出也相应地减小。为了信号处理、显示的需要，往往需要跟随前置放大器。放大器的引入对探测系统的输出信噪比将产生影响。,光探测电路示意图,10,Vs信号源，RS信号源内阻， EnsRS的热噪声 En放大器噪声电压源，In放大器噪声电流源，Av放大器电压增益，Zi放大器的输入阻抗，Eni放

4、大器输入端的噪声电压，Eso放大器的输出端电压，Eno放大器输出端的总噪声电压,Eso,Eno,3.3.1 前放噪声等效电路,根据电路叠加原理，各噪声源在输出端的贡献分别为： Ens的贡献为： En的贡献为： In的贡献为：,Ens的贡献,En的贡献,In的贡献,将上述各项均方相加便得总的输出噪声为：,11,因此等效输入噪声为：,放大器的电压传递函数 （考虑源在内的系统增益，注意和Av的区别！）,放大器的功率传递函数,可以看出，放大器的输入阻抗不出现在等效输入噪声的表达式中。放大器便视为是无噪声的。,12,这个模型中所采用的各个参数容易测量。首先，源电阻Rs的热噪声Ens，可以由电阻的热噪声公

5、式求出；其次计算放大器前的电路的开路输出噪声电压(或短路输出噪声电流)；然后折合到源端位置就得到等效输入噪声电压Eni的大小。,放大器的输入信噪比为：,放大器的输出信噪比为：,放大器噪声的存在，使放大器的输出信噪比受到损失。,13,2. 噪声系数（Noise Factor）：,输出端总噪声功率 源电阻产生的输出噪声功率,F=,即,Kp为放大器系统的功率增益,（1）基本定义,从输出端角度出发,14,（2）推导式一,总的等效输入噪声功率 输入端源电阻噪声功率,F=,上下同除以Kp，即,放大器噪声总是存在，F大于1的原因,从输入端角度出发,从输入端角度出发,15,（3）推导式二,放大器输入噪声功率

6、输入端源电阻噪声功率,F=,1+,16,（4）推导式三,输入端信噪比 输出端信噪比,F=,不为Eni，此时输入端噪声功率仅为源电阻产生的热噪声功率,用分贝表示则写成：,17,放大器的噪声系数的定义表示信号通过放大器后，信噪比变坏的程度： 如果放大器是理想的无噪声的线性网络，那么其输入端的信号与噪声得到同样的放大，即输出端的信噪比与输入端的信噪比相同，于是F=1或NF=0dB； 如果放大器本身有噪声，又无滤波功能(如前放一般不采取带限措施)，信号通过放大器后，则信号和噪声都同样放大，则输出噪声功率等于放大后的输入噪声功率和放大器本身的噪声功率之和。对这样的放大器，信号经放大后，信噪比不可能变好，

7、输出端的信噪比就比输入端的信噪比低，则F1。,噪声系数意义：,求偏导 ： 得： 因此，当信号源的内阻等于放大器的源电阻时噪声系数NF取得最小值,18,与功率匹配区别！,当信号源的内阻等于放大器的最佳源电阻值时，放大器对检测电路附加的噪声最小，称为信号源与放大器之间达到了噪声匹配。这是低噪声设计的一个重要原则。,称此时的源电阻为放大器的最佳源电阻，记为Ropt 当Rs=Ropt时，可使放大器的噪声系数为最小，这时源电阻和放大器的配置称为“噪声匹配”，这是低噪声设计的一个重要原则。,3.3.3 匹配方法,1.最佳源电阻,19,20,2. 放大器最佳源电阻与实际源阻抗的匹配方法,1、用输入变压器实现

8、噪声匹配 （1）应用对象：信号源电阻小于最佳源电阻情形下。 （2）原理：,选用适当变压比,源电阻的阻抗升高n2倍。,21,2、利用并联放大器的方法实现噪声匹配 N个完全相同的放大器并联，如下图所示，该方法等效于减小,并联以后的等效噪声电压和电流,并联后的噪声系数,结论，多管并联可减小最佳源电阻，但不会影响并联后的噪声系数。,各种典型探测器的内阻和响应时间,22,习 题,（1）最佳源电阻是信号源的参数，还是前放的参数。它的表达式是什么？式中各项代表什么？什么是噪声匹配。 （2）已知集成运算OP07E的噪声参数En10.3nV，In0.32pA，试计算应用于Rs100k，f1Hz及T300k时，其

9、NF及Eni值 （3）根据下列条件判断那一种器件产生的等效输入噪声最小： a在Rs10k时，测出其NF20dB。 b在Rs1M时，测出其NF20dB。,23,24,二. 多级放大器噪声系数NF,总的输出噪声功率Pno为,总的输出噪声系数F为,25,考虑第一级放大器单独和源相连接时，得到噪声功率和噪声系数为：,考虑每个放大器单独和源相连接时，得到：,代入,对于n级放大器，可以得出其噪声系数为： 这就是多级放大器的噪声系数理论的Friis公式,26,从这个公式可以看出： 如果第一级的功率增益Kp1很大，则多级放大器噪声系数的大小，主要取决于第一级放大器的噪声系数F1。设计中，为了使多级放大器的噪声

10、系数减小，应尽量提高第一级的功率放大倍数Kp1；尽量减小第一级的噪声系数，这就是指导我们设计低噪声前放的又一个重要原则。 如果第一级的功率增益不是很大 ，减小噪声系数的关键在于使本级具有高增益和低噪声。,总 结,放大器的噪声模型： 等效输入噪声： 噪声系数： 噪声匹配最佳源电阻 Friis公式 与探测器直接相连接的放大器必须是低噪声的。,27,3.5相关检测,28,利用信号在时间上相关这一特性，可能把深埋于噪声信号中的周期信号提取出来，这种提取方法称为相关检测或相关接收。 信号的相关性用相关函数来描述，它代表线性相关的度量，是随机过程在两个不同时间相关性的一个重要统计参量。,29,1. 相关函

11、数,3.5.1 相关原理,相关函数分为自相关函数和互相关函数。,1）自相关函数,为延迟时间，T为观察时间，x(t)是随机过程的一个样本函数。,根据Wiener-khintchine(维纳欣钦 )定理： 傅里叶变换,式中Sx()是x(t)的功率谱密度函数。,（1） 正弦波： 根据定义式,可得: 由此可见，周期信号的自相关函数仍为周期信号，且周期不变，但相位信息损失。,30,（2）白噪声 其功率谱密度与频率无关，为一常数 根据Wiener-khinthine定理，白噪声的自相关函数 这就说明白噪声的自相关函数只在=0时存在，随着的增大，衰减很快。,31,（3）带通白噪声 实际的白噪声是在一定带宽之

12、内的白噪声，其功率谱密度为： 这种带通白噪声的带宽决定于系统中的通频带。,32,33,Rxx() Rxx() ，即Rxx() 为的偶函数。 Rxx(0) Rxx()， Rxx(0) 是最大值，并且代表x(t)变化量的平均功率。 如果x(t)是周期函数，则Rxx()也是周期函数，且周期相等，但失去原函数全部相位信息。 如果x(t)是非周期函数，则Rxx()从Rxx(0)最大值迅速随 增大单调递减。,34,（4） 自相关函数特点,2）互相关函数,互相关函数特点,Rxy() Ryx() ，即Rxy() 与Ryx()互为镜像对称。 如果两个信号或随机过程互相完全没有关系，（例如信号与噪声）则其互相关函

13、数将为一个常数，并且等于两个信号平均值的乘积；若其中一个（如噪声）的平均值为零，则它们的互相关函数 Rxy()将处处为零，即完全不相关。 如果两个信号是具有相同基波频率的周期函数，则它们的互相关函数将保存它们基波频率以及两者所共有的谐波成分，而相位则为两个原信号相应频率成份的相位差。,自相关函数是互相关函数的一个特例。,35,原理：信号在时间上相关，噪声在时间上不相关。 这两种不同的相关特性，可以把深埋于噪声中的周期信号提取出来，这是微弱信号检测的一种有效方法。 根据相关函数的性质，可以利用乘法器，延时器及积分器进行相关运算，从而将周期信号从噪声中检测出来，这就是所谓的“相关检测”。 相关检测

14、可分为自相关检测与互相关检测。,36,2. 相关检测,si(t): 信号 ni(t): 噪声; x(t)= Si(t)+ ni(t),37,1） 自相关检测 自相关检测的原理框图,通过积分器输出得到 :,38,Rsn()、Rns()分别表示信号和噪声的互相关函数，由于信号与噪声不相关，故几乎为零； 而Rnn()代表噪声的自相关函数，随着积分时间的适当延长，Rnn()也很快趋于零； 因此，经过不太长的时间积分，积分器之输出中只会有一项Rss()，故: 这样，便可顺利地将淹没在噪声中的信号检测出来。,例如，被检测信号为一余弦信号时， 设 则:,39,Rss()为信号的自相关函数，它与信号同频的余弦

15、函数， Rnn()为噪声的自相关函数，随的增加，衰减得很快， Rxx()为输出端最初的波形，仍混有噪声的干扰。,相应的自相关检测输出波形如图所示:,2) 互相关检测 互相关检测的原理框图如图所示 :,40,输入乘法器的是被含有噪声ni(t)的信号x(t)=ni(t)+Si(t)和被延时的与被检测信号Si(t)同频率的参考信号y(t)，最后积分器的输出为 :,Rny()是噪声与参考信号的互相关函数，参考信号和噪声是不相关的，Rny() 随积分时间延长而趋于零;,41,互相关检测特点 比自相关输出的噪声有关项要少2项，故互相关检测比自相关检测抑制噪声的能力强。 互相关检测要求用与被测信号同频率的参

16、考信号y(t)，当被测信号Si(t)未知时，要取得与Si(t)同频率的信号在某些情况下是困难的。这时一般不采用互相关检测。,3.5.2锁定放大器（LIA，Lockin Amplifier）,42,锁定放大器是根据互相关检测原理使输入待测的周期信号与参考信号实现互相关来抑制噪声、检测微弱信号。它采用了一个相敏检波器(PSD)，故锁定放大器通常又称为相敏检波交流电压表。,1. 锁定放大器的原理框图,43,典型的锁定放大器主要由三大部分组成： 信号通道、参考通道、相关器,1.信号通道 从探测器输出的信号或源发出的信号经过被测物体后十分微弱，其信噪比甚至低于1/103。信号 首先经过低噪声前置放大器进

17、行放大； 然后再通过各类滤波器和陷波器（如同步积分器或旋转电容滤波器）将信号进行初步的预处理，将带外噪声和干扰尽量排除； 然后再作进一步的放大，以便送到相关器进行检测。,44,2. 参考通道 参考通道信号和被检测信号频率相同，这是进行锁定放大的一个必要条件。若被检测信号的频率不稳定，频率改变或漂移了，参考信号的频率也必须跟着改变，总是保持着两种信号的频率相等。因此锁定放大器所进行的工作又称为频域相干检测。 参考信号送入参考通道后，首先进入触发电路，产生和被检信号同频的方波，再经过移相电路进行移相，然后经过驱动电路功率放大后，再送达相关器去控制相关器的乘法器。,45,3.相关器（PSD）,46,

18、相关器是锁定放大器的核心部件，锁定放大器之所以有很强的抑噪能力，主要是靠相关器消除噪声和干扰。相关器又称之为相敏检波器（PSDPhase Sensitive Detector）或相关解调器，主要是由一个乘法器（经常使用的是开关乘法器）和一个低通滤波器组成。,47,输入信号为正弦波,参考信号VB是如图所示的对称周期矩形方波：,48,那么乘法器的输出（积分器的输入电压） ：,若积分器的输出电压为V0，则V1、 V0满足微分方程：,即可求出V0：,一级近似,49,输入信号与参考信号的基波(n=0)频率相等时,为积分器的时间常数。,且,包含待测信号的幅度VA0； R0/R1是近似积分器（或低通滤波器）

19、的直流放大倍数（或直流增益）； V0与输入信号与参考信号之间相位差的余弦成正比：0，V0最大； /2，V00。,稳态输出电压。,50,（1）锁定放大器在工作时需要注意选择参考信号的相位，以保证信号输出最大。 （2）锁定放大器把输入的交流信号变为直流信号。也就是说它不能恢复原有信号的波形。,1). 等效噪声带宽fN ：表示系统（电路）对噪声的通过能力或抑制能力.,51,2. 锁定放大器的主要性能参数,RC低通滤波器等效噪声带宽,2). 等效信号带宽fs ：,信噪比改善是指系统输出端信噪比与输入信噪比 的比值，即,52,例：设系统输入噪声带宽为100kHz，输出等效噪声带宽为10-3Hz， 则信噪

20、比（电压）改善为：104,3.5.3 信噪比改善,锁定放大器的信噪比改善常用输入信号的噪声带宽与PSD的输出噪声带宽之比的平方根表示：,表明锁定放大器具有很强的抑制噪声的能力。,53,思考题,画出锁定放大器的工作原理框图，并简述其工作原理。 强噪声背景下的带宽周期信号可以采用锁相放大器吗？为什么？,3.8取样积分器,54,一. 概述,1. LIA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）LIA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。,55,2. 解决途径： 取样积分器（信号平均器、Boxcar积分

21、器）将待测的周期信号逐点多次取样并进行同步积累。这种方法是利用信号在时间上的相关性，经多次重复能够有效地积累，而噪声前后不相关，积累效果就差。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。,56,3.8.1 取样积分器的工作原理,57,一. 工作原理,一个取样积分器的核心组件是取样门和积分器。通常采用取样脉冲控制RC积分器来实现，使在取样时间内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果(输出)保持到下一次取样。,Tg:取样脉冲门宽； TR:取样周期；,58,取样门及积分器,3 取样积分器信噪比改善,输入端信噪比： 输出端经过n次取样并积分后，得到的信号是Vso=nVsi

22、。而噪声是随机的，且其均值为零，经过n次取样并积分后，得到的是n次功率相加，即： 因此，输出端信噪比是： 由上式可得：噪声的幅值比SNIR是：,59,二. 分类,60,三. 取样积分器的工作方式,61,1. 定点式取样积分器,VR与VA保持同步产生触发信号，经延迟电路（可调，以确定要取样的时刻）作td 延迟，经过取样脉冲（Tg）控制取样门的开断时间，经过累加平均，经n次取样平均后，,只能恢复周期性信号某一点的幅值,PMT：光电倍增管,62,2. 扫描式取样积分器,如果要恢复周期信号的波形，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

23、须采取扫描工作方式。,它主要包括可变时延的取样脉冲和在取 样脉冲控制下作同步积累两个过程。,63,取样脉冲的形成过程,可变时延的取样脉冲,64,在定点取样积分的基础上，顺序改变取样点的位置，就得到以扫描方式工作的取样积分器。如图所示：,当取样脉冲对准t1位置取样积分m次后，将取样脉冲在时间轴上延时t（一般来说tTg）对准t2位置再取样m次，然后又向右移动t，对准t3取样积分m次直到取样脉冲移动扫过信号的一个完整的周期。,信号取样积累过程,65,设被恢复的弱信号之周期为T，取样脉冲步进时间为t，要对弱信号一个周期取样完毕，而每个周期又只取样一次，故所需时间为： 因此在积分器输出端得到的输出波形是

24、将原被测信号拉长了n倍的波形;因此这种取样方式又称之为变换取样，波形如图:,66,思考题,简述Boxcar积分器的定点和扫描工作方式的工作过程。,3.9 光子计数,67,利用弱光照射下光电探测器输出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其弱的信号识别并提取出来。也称为单光子计数技术。 单光子计数探测技术是一种极微弱光探测法。 它所探测的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平（10-14W）还要低，通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。,光子计数器原理单光子计数技术,68,光子计数技术只适用于测量大约每秒发射108个以内分立光子的弱信号，其特点是：

25、 系统稳定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； 系统探测灵敏度高，抗噪声能力强； 输出数字信号，适合与计算机接口。,69,3.9.1 光子计数器的原理,单光子计数器由光电倍增管(PMT)，前置放大器，幅度鉴别器和计数器构成。,1. 光子计数器的组成,高压电源是PMT正常工作的前提；PMT必须配备制冷器以减少阴极的热电子发射。,70,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。,光子计数器的工作原理,71,用光子计数器

26、对波长为560nm的弱光进行探测时，在示波器上显示的光电倍增管输出波形如图所示。 光功率为10-13瓦时，已看不到清晰的脉冲说明光电管倍增管已来不及分辨单个光子了。,（a） 光强10-13瓦光电速率脉冲及噪声,（b） 光强10-14瓦光电速率脉冲及噪声,（c） 光强10-15瓦光电速率脉冲及噪声,（c） 光强10-16瓦光电速率脉冲及噪声,72,光子计数器是测量弱光的仪器，如果被检测光束光子速率过大，则光电倍增管不能分辨，无法计数。,2 光子计数器测量弱光的极限,这个速率由光电倍增管的渡越时间离散决定。 光电倍增管的渡越时间离散为1020ns，因此输出电流脉冲的半宽度tw亦为1020ns。 假

27、定光电倍增管后续的放大器有足够的带宽，鉴别器和脉冲计数器都有足够高的速率的理想情况下，为了分辨每个光电脉冲，光子速率最大值为： 个光子/秒,73,光子速率R（光子数/秒）和光束功率P之间的对应数值关系及适应的检测方法如下表:,光子计数器只能测量微弱光和超微弱光的功率，不能测量功率大于10-10W的光功率，即不能测量含有多光子的光脉冲功率。,锁定放大,74,鉴别器的任务： 弃除低幅度和高幅度噪声脉冲，降低光阴极的热电子 发射产生的暗计数脉冲，提高检测结果的信噪比。,3 光子计数器中的鉴别器,鉴别器有二个阈值电平，可设有三种工作方式。,（1）单电平工作方式（2）窗口工作方式 （3）校正工作方式,7

28、5,76,3.10 光频外差探测的基本原理,直接探测：（非相干探测）,相干探测：（光频外差探测）,装置简单，光源为相干光源或非相干光源，只能探测光功率。,装置复杂，光源必须为相干光源，间接探测光波的振幅、频率和相位等参数。,77,原理框图,信号光s 参考光r,双频光波：,波前匹配条件：,空间条件 频率条件 偏振条件,3.10.1 光频外差光路结构,78,3.10.2 双光束干涉,信号光,参考光,平方律探测器光混频输出Ihs为：,频率搬移,79,80,频谱分析,信号光,1010Hz,前两项是两个直流分量，另外由于s和r都是极高的光频， 所以s+r太高，探测器来不及响应，也就是说，这部分光波成分与

29、探测器不发生相互作用。而差频相对于和频来说是个慢变化，只要其小于光电探测器的截止频率，那么探测器就有相应的光电流输出。,81,探测器、放大器滤波器（中频输出，直流项被滤出）,特例：单频双光束干涉（频差为0）零差探测,光电系统相干探测,光外差探测,82,3.10.3 外差信号的特点,相干探测优点：（与直接探测对比）,探测能力强,转换增益高,信噪比高,滤波性好,稳定性和可靠性高,83,1. 高的转换增益,PrPs G107108,外差探测,直接探测,增益是以直接探测为基准来加以描述的，其定义式为,84,2.探测能力强,直接探测光的强度：as2,光波的,85,3.良好的滤波性能,在直接探测中，为了抑制杂散背景光的干扰，都是在探测器前加置窄带滤波片。例如其带宽为10，即=10。它所对应的频带宽度为(令=10.6m):,仍然较宽,在外差探测中，有,例如，10.6 m外差测速装置，当运动目标沿光束方向的速度为 10m/s时，信号回