微弱信号检测

1、微弱信号检测就是将实验中要测量的微弱物理量从强于数千甚至数十万倍的微弱信号检测就是将实验中要测量的微弱物理量从强于数千甚至数十万倍的噪声背景中提取出来。噪声背景中提取出来。第三章第三章 微弱信号检测技术微弱信号检测技术相干检测相干检测是频域信号的窄带化处理方法，它利用信号与外加参考信号的相干特性，而是频域信号的窄带化处理方法，它利用信号与外加参考信号的相干特性，而相干性是随机噪声所不具备的。典型仪器：相干性是随机噪声所不具备的。典型仪器：锁相放大器锁相放大器。重复信号的时域平均重复信号的时域平均适于波形恢复的测量。利用取样技术，在重复信号出现的期间取样，并重复适于波形恢复的测量。利用取样技术，

2、在重复信号出现的期间取样，并重复n次，则测量结果的信噪比可改善次，则测量结果的信噪比可改善 倍。典型仪器：倍。典型仪器：BOXCAR平均器平均器n离散信号的统计处理离散信号的统计处理对极弱光，光子流具有离散信号的特征，使用离散信息处理方法检测极弱光对极弱光，光子流具有离散信号的特征，使用离散信息处理方法检测极弱光信号。分单道和多道检测。前者典型仪器为信号。分单道和多道检测。前者典型仪器为单光子计数器单光子计数器；后者典型仪器为；后者典型仪器为光学多道分析器光学多道分析器。第一节第一节 信号与噪声信号与噪声1 1、信号与噪声概念、信号与噪声概念 信号是携带了某种被测信息的某个物理量。在光谱测量中

3、，可以是电流、电信号是携带了某种被测信息的某个物理量。在光谱测量中，可以是电流、电压或光波的各个参数等。压或光波的各个参数等。 一般来说，一个信号中除了有用的信号以外，总还伴随着噪声。噪声是一一般来说，一个信号中除了有用的信号以外，总还伴随着噪声。噪声是一种无规的随机涨落。除噪声外，还可能由环境造成的干扰。种无规的随机涨落。除噪声外，还可能由环境造成的干扰。 光谱检测的时候，常常是信号淹没于噪声之中。光谱检测的时候，常常是信号淹没于噪声之中。为了评价有用的信号在一个总信号中所占的份额，引进为了评价有用的信号在一个总信号中所占的份额，引进信噪比信噪比SNRSNR： S/NS/N越高，测量误差越小

4、。越高，测量误差越小。 通常使信号通过一个系统（放大器或滤波网络等）来提高信噪比，通常使信号通过一个系统（放大器或滤波网络等）来提高信噪比， 信噪比改善信噪比改善SNIRSNIR（Signal to Noise ImprovememntSignal to Noise Improvememnt）：）： 2 2 噪声的统计特性噪声的统计特性 （1 1）概率分布）概率分布 随机噪声是一种前后独立的平稳随机过程，瞬时幅度的概率分布是正态的，即高随机噪声是一种前后独立的平稳随机过程，瞬时幅度的概率分布是正态的，即高斯分布斯分布 ，222)(21)(xxexP01lim0TTxdtTx20221limTT

5、dtxTx2x称噪声电压的均方根值，衡量系统噪声的基本量。称噪声电压的均方根值，衡量系统噪声的基本量。瞬时噪声的幅度瞬时噪声的幅度基本上在基本上在 范围之内范围之内. . 3噪声功率谱密度噪声功率谱密度S(f) :fffPfSf),(lim)(0),(ffPf为在频率f处，带宽为内的1电阻上的噪声平均功率. 噪声平均功率噪声平均功率 :dSdffSP)(21)(常把在很宽的频率范围内具有恒定的噪声功率谱密度的噪声称为白噪声。常把在很宽的频率范围内具有恒定的噪声功率谱密度的噪声称为白噪声。 (2) (2) 自相关函数自相关函数 随机变量随机变量x(t)x(t)的自相关函数的自相关函数)( tR

6、RtTx tx tt dttTT()lim( )()12ttt表示随机过程在表示随机过程在 和和两个不同时刻的相关性两个不同时刻的相关性 白噪声功率谱密度与自相关函数 自相关函数3 3 噪声来源噪声来源（1 1）热噪声）热噪声 由导体内自由电子的随机运动引起的。由导体内自由电子的随机运动引起的。运动电荷的随机运动表现为电流的涨落。运动电荷的随机运动表现为电流的涨落。属白噪声。属白噪声。 一个阻值为R的电阻的热噪声的均方根值为nBnfTRku 42一个阻值为1k的PbS光导元件，在室温（290K）下热噪声电压为4nV。(2) 散粒噪声散粒噪声(shot noise) 在晶体管中当载流子越过在晶体

7、管中当载流子越过PNPN结时，或者，真空器件中电子越过阴极表面的势垒时，结时，或者，真空器件中电子越过阴极表面的势垒时，由于各别载流子的运动速度差异，使电流发生波动，形成散粒噪声。属白噪声。由于各别载流子的运动速度差异，使电流发生波动，形成散粒噪声。属白噪声。 散粒噪声电流的均方根值为：散粒噪声电流的均方根值为：nfqI2In为了减小散粒噪声需要压缩系统带宽以及降低工作电流为了减小散粒噪声需要压缩系统带宽以及降低工作电流 1/ f噪声噪声 (3)主要存在于电子器件中，它与元器件的制造工艺有关，特别是与表面的处理有主要存在于电子器件中，它与元器件的制造工艺有关，特别是与表面的处理有关。关。特点：

8、随频率的降低而增加，所以又称为低频噪声特点：随频率的降低而增加，所以又称为低频噪声 第二节第二节 锁相放大器锁相放大器锁相放大器是一种高性能的通用测量仪器，它能精确测量被掩埋在噪声中的微锁相放大器是一种高性能的通用测量仪器，它能精确测量被掩埋在噪声中的微弱信号。随着科学技术的飞速发展，在电子学、信息科学、光学、磁学、力学、弱信号。随着科学技术的飞速发展，在电子学、信息科学、光学、磁学、力学、低温物理、声学、生物学等许多领域，越来越需要测量深埋在噪声中的微弱信低温物理、声学、生物学等许多领域，越来越需要测量深埋在噪声中的微弱信号。号。 1 模拟相关器模拟相关器锁相放大器锁相放大器(Lock-in

9、 amplifier-LIA)(Lock-in amplifier-LIA)是利用信号与噪声的互不相关性来抑制噪是利用信号与噪声的互不相关性来抑制噪声的。核心部件是模拟相关器。相关器由乘法器与积分器组成，乘法器也称相声的。核心部件是模拟相关器。相关器由乘法器与积分器组成，乘法器也称相敏检波器。敏检波器。 )()sin()(tntAtSiiii)sin()(rrrtAtSdttStSnTtSnTrin00)()(1lim)()sin()()sin()sin(1lim00dtttnAdtttAAnTrinTrnTririncos21)cos(21riririAAAAcos21)cos(21)(0r

10、iririAAAAtS 可以调节参考信号的相位可以调节参考信号的相位r，使之与输入信号的相位差为零，这时，相关器，使之与输入信号的相位差为零，这时，相关器的输出信号为最大。的输出信号为最大。 在参考信号的幅值在参考信号的幅值rA已知的情况下，就可以测定输入已知的情况下，就可以测定输入iA信号的幅值信号的幅值与参考信号之间的相位差与参考信号之间的相位差ir2、 锁相放大器的组成锁相放大器的组成 信号通道、参考通道与相关器三部分 为幅值恒定的方波为幅值恒定的方波 参考通道：把频率为把频率为rf参考信号变换参考信号变换为了同时测定输入信号的幅值与位相，锁为了同时测定输入信号的幅值与位相，锁相放大器通

11、常有两个相关器，分别输出相相放大器通常有两个相关器，分别输出相差为差为/2/2的两个正交参考信号与输入信号的两个正交参考信号与输入信号相关相关积分输出一正比于积分输出一正比于输入信号幅值的平输入信号幅值的平滑直流信号滑直流信号 积分输出电压为零积分输出电压为零为了得到好的噪声抑制，相应的积分时间常数为了得到好的噪声抑制，相应的积分时间常数RCRC越大越好。但越大越好。但RCRC越大，对信越大，对信号的反应速度就越慢，幅度变化较快的信号的测量就要受到影响。号的反应速度就越慢，幅度变化较快的信号的测量就要受到影响。 3 3 锁相放大器的性能指标锁相放大器的性能指标 最小可分辩信号电平最小可分辩信号

12、电平(MDS)(MDS)：输出端能够辩别的最小输入无噪声信号电压：输出端能够辩别的最小输入无噪声信号电压minSV；满刻度信号输入电平满刻度信号输入电平(FS)(FS)：输出端满刻度时所需的输入电压：输出端满刻度时所需的输入电压FSV大小大小 最大过载电平最大过载电平(OVL)(OVL)：不造成仪器过载的最大输入噪声电压：不造成仪器过载的最大输入噪声电压maxNV 总动态范围：总动态范围：反映锁相放大器整体性能的重要指标反映锁相放大器整体性能的重要指标 ，定义为不引起仪器过载的，定义为不引起仪器过载的最大输入噪声电压与最小可分辩的信号电压之比最大输入噪声电压与最小可分辩的信号电压之比 minm

13、axSNVVD 4 调制技术调制技术 在光谱测量中，为了使被测信号变成锁相放大器可以测量的交变信号，同在光谱测量中，为了使被测信号变成锁相放大器可以测量的交变信号，同时获得与被测信号交变信号相干的参考信号，需要对被测的光信号进行调时获得与被测信号交变信号相干的参考信号，需要对被测的光信号进行调制。进行光信号调制一般利用随机的光斩波器附件。制。进行光信号调制一般利用随机的光斩波器附件。 机内都有一组小光源，它们对准地照在光电管上，当斩波盘对小光源的光束进机内都有一组小光源，它们对准地照在光电管上，当斩波盘对小光源的光束进行斩波，光电管的输出信号通过整形，输出行斩波，光电管的输出信号通过整形，输出

14、0-5V0-5V的的TTLTTL信号，它们用作为参考信号，它们用作为参考信号。信号。第三节第三节 取样平均器（取样平均器（BOXCAR)BOXCAR)取样也称抽样，是一种信息的提取方法，取样平均即对取出的样本采用平均的方取样也称抽样，是一种信息的提取方法，取样平均即对取出的样本采用平均的方法去除噪声与干扰，以获取有用的信息法去除噪声与干扰，以获取有用的信息 1 1 取样原理取样原理取样的基本过程取样的基本过程: :一个被测信号一个被测信号f(t)f(t)经适当放大后加到场效应管开关电路的输入经适当放大后加到场效应管开关电路的输入端，而在场效应管的栅极加上一个窄矩形门脉冲。当门脉冲到来时，场效应

15、管端，而在场效应管的栅极加上一个窄矩形门脉冲。当门脉冲到来时，场效应管导通，被测信号在门的持续时间内通过，场效应管的输出端出现一个该信号的导通，被测信号在门的持续时间内通过，场效应管的输出端出现一个该信号的取样脉冲。如果连续改变门脉冲与被测信号的相对时间，就可以完成对整个被取样脉冲。如果连续改变门脉冲与被测信号的相对时间，就可以完成对整个被测信号的取样。测信号的取样。光谱测量中往往需要测量十分微弱的重复的短脉冲信号，脉宽短至来不及对其光谱测量中往往需要测量十分微弱的重复的短脉冲信号，脉宽短至来不及对其进行多次取样。采用变换取样方法来完成对短脉冲信号的取样与处理。进行多次取样。采用变换取样方法来

16、完成对短脉冲信号的取样与处理。 变换取样变换取样重新组合的新脉冲重新组合的新脉冲在时间上有了扩展在时间上有了扩展 对样本信号的累加平均对样本信号的累加平均如果取样门的宽度不是很窄，取样门移动很慢，上一次取样区与下一次取如果取样门的宽度不是很窄，取样门移动很慢，上一次取样区与下一次取样区就会有产生某些重迭，信号脉冲上的同一点将会进行多次取样，样区就会有产生某些重迭，信号脉冲上的同一点将会进行多次取样，有用有用的信号将因多次取样而增强，而噪声只因多次累加而减弱，从而使信号的的信号将因多次取样而增强，而噪声只因多次累加而减弱，从而使信号的信噪比增加。信噪比增加。 mSNIR 2 BOXCAR2 BO

17、XCAR平均器平均器对微弱的对微弱的重复脉冲信号重复脉冲信号进行逐点取样和同步积分的光谱测量仪器进行逐点取样和同步积分的光谱测量仪器 有有单点单点与与扫描扫描两种工作方式两种工作方式 单点工作方式单点工作方式 特点：取样点相对于信号起始时刻是固定延时，门宽不变，所测量的是离原特点：取样点相对于信号起始时刻是固定延时，门宽不变，所测量的是离原点为固定延时的重复信号的某点瞬时平均值，而不是观察波形。点为固定延时的重复信号的某点瞬时平均值，而不是观察波形。在激光诱导荧光谱中，用激光脉冲作在激光诱导荧光谱中，用激光脉冲作boxcar的外触发，改变相对于激光触发的外触发，改变相对于激光触发时刻的延时，积

18、分一定的次数后输出，与某一波长相应的荧光信号上该固定时刻的延时，积分一定的次数后输出，与某一波长相应的荧光信号上该固定位置的值。波长扫描，则得到在确定延时下被测荧光信号的谱线。位置的值。波长扫描，则得到在确定延时下被测荧光信号的谱线。扫描工作方式扫描工作方式 时基电路产生慢斜波，时基电路产生慢斜波，Tb=T。扫描时间为。扫描时间为Ts。取样门脉冲相对于触发脉冲取样门脉冲相对于触发脉冲的延时在增大，实现了在输入信号波形上取样位置从前向后的扫描过程。恢的延时在增大，实现了在输入信号波形上取样位置从前向后的扫描过程。恢复后信号波形的宽度为扫描时间复后信号波形的宽度为扫描时间Ts. 变换取样方法。变换

19、取样方法。3 3、boxcarboxcar参数的选择参数的选择 门宽门宽:gT 决定决定BoxcarBoxcar的时间分辨率，门宽大对改善信噪比有好处，但的时间分辨率，门宽大对改善信噪比有好处，但它会影响时间分辩率，即对复现原信号的精细部位有影响。它会影响时间分辩率，即对复现原信号的精细部位有影响。 ngfT42. 0时基宽度时基宽度Tb： 应稍大于被测信号宽度应稍大于被测信号宽度(信号周期信号周期T)T)。 积分时间积分时间:cT2)(2SNIRTTgc在在SR250SR250中，需选择的是有效取样次数中，需选择的是有效取样次数m,m, gcTTm2慢扫描时间慢扫描时间Ts：完成一个波形恢复

20、的实际测量时间完成一个波形恢复的实际测量时间. . 门宽门宽gT时间内取样次数时间内取样次数: : bsgsbgtbggsTfTTfTTTnTTtTn1*1*输出达到稳定电压值的时间为输出达到稳定电压值的时间为cgsTTn5 fTTTTgcbs25第四节第四节 单光子计数器单光子计数器非常微弱的光信号，如被测光的强度仅有非常微弱的光信号，如被测光的强度仅有17181010W以下时时入射的光子流入射的光子流将出现离散的状态，每秒几百个光子，即光以粒子的形式分离地到达光检测器。将出现离散的状态，每秒几百个光子，即光以粒子的形式分离地到达光检测器。于是光电倍增管的输出将是一个个分立的脉冲，而非连续信

21、号。于是光电倍增管的输出将是一个个分立的脉冲，而非连续信号。 1 1、原理、原理已知光阴极在入射光波长的量子效率，就可以采用计数电脉冲数的方法推算出已知光阴极在入射光波长的量子效率，就可以采用计数电脉冲数的方法推算出光子流的强度光子流的强度 一个光子入射时，光电倍增管输出一个电脉冲一个光子入射时，光电倍增管输出一个电脉冲 关于关于PMTPMT中的噪声：中的噪声：（1 1）热噪声）热噪声光阴极和倍增极热电子发射产生。光阴极造成的热噪声脉冲幅值与单光电子脉光阴极和倍增极热电子发射产生。光阴极造成的热噪声脉冲幅值与单光电子脉冲相当，倍增极的小于冲相当，倍增极的小于单光电子脉冲；单光电子脉冲；（2 2

22、）内部残余气体电离形成的噪声脉冲幅值一般大于单光电子脉冲的）内部残余气体电离形成的噪声脉冲幅值一般大于单光电子脉冲的2 2倍。倍。（3 3）宇宙射线等辐射脉冲幅度大于）宇宙射线等辐射脉冲幅度大于5 5倍的单光电子脉冲倍的单光电子脉冲峰谷比：峰谷比：vpEE分辨率：分辨率： PEEE12峰谷比越大，分辨率越小的峰谷比越大，分辨率越小的PMTPMT越适合作光子计数用。越适合作光子计数用。 E1E1或或EVEV可做第一甄别幅度可做第一甄别幅度E2E2作第二甄别幅度。作第二甄别幅度。脉冲计数率脉冲计数率V V（甄别电平）（甄别电平）单光电子峰单光电子峰光电倍增管噪声光电倍增管噪声脉冲幅度脉冲幅度V V

23、 光电倍增管输出脉冲幅度分布（微分）曲线光电倍增管输出脉冲幅度分布（微分）曲线测量弱光时光电倍增管的输出特性测量弱光时光电倍增管的输出特性：2 2 光子计数系统光子计数系统甄别器的作用是去除低幅度的高幅度的噪声脉冲，降低背景计数率，提高检测信噪比。甄别器一般有两个甄别电平，分别称为第一甄别电平(下阈值)和第二鉴别电平(上阈值)，它们分别抑制脉冲幅度低的暗噪声与脉冲幅度高的有宇宙射线和天电干扰等造成的外来干扰脉冲。 3 3、光子计数的噪声与计数误差、光子计数的噪声与计数误差(1)(1)统计涨落噪声统计涨落噪声 (4)(4)为提高信噪比应加大计数时间为提高信噪比应加大计数时间(2)(2)暗计数暗计数(3)(3)脉冲堆积与计数误差脉冲堆积与计数误差cAAARNRtRNAcAANNKNRNR)(/第五节第五节 光学多道分析仪光学多道分析仪1 1 光学多道分析仪的结构光学多道分析仪的结构 光学多道分析仪光学多道分析仪(Optical Mutichannel Analyzer)(Optical Mutichannel Analyz