第5章 微弱光信号检测技术

1、第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 第第5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 5.1 维纳滤波器维纳滤波器 5.2 匹配滤波器匹配滤波器 5.3 最大后验估值最大后验估值 5.4 最大似然估值最大似然估值 5.5 相关检测原理相关检测原理 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 5.6 锁定放大器锁定放大器 5.7 取样积分器取样积分器 5.8 光子计数技术光子计数技术 习题与思考题习题与思考题 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 5.1 维维 纳纳 滤滤 波波 器器 维纳滤波器是使信号输出方差最小的滤波器， 其特点有三： (1) 输出

2、信号是输入信号的线性函数， 并有最小方差； (2) 设计时只需要知道输入信号和噪声的相关函数或谱密度， 即可确定它的传输函数或脉冲响应函数； (3) 可以用来恢复信号原来的波形。 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 设所考虑问题仅局限于线性系统， 因此可以用系统的脉冲响应h(t)或传输函数H()来描述。 若光探测器输出的信号是有用信号s(t)和噪声信号n(t)的混合信号， 即x(t)=s(t)+n(t)，则系统的实际响应可以写做( )() ( )y tx thd (5.1 - 1) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 其中有用信号的输出为 。 于是， 系统输

3、出的均方误差为 0( )() ( )y ts thd0022020 ( )( )() ( )( )(0)2( ) ( )() ( ) ( )yxyxy ty tx thdy tRRhRhhd d (5.1 - 2) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 5.2 匹匹 配配 滤滤 波波 器器 匹配滤波器是使系统输出信噪比最大的信号处理器， 其特点是： (1) 输出信噪比正比于信号能量， 与信号波形无关； (2) 对信号的匹配滤波处理等效于对信号的相关处理； (3) 系统响应函数是输入信号的共轭镜像函数， 系统设计时需要知道输入信号的波形。 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光

4、信号检测技术 设光电探测器输入到滤波器的仍然是有用信号和噪声的混合信号。 x(t)=si(t)+ni(t)， 并假定ni(t)是白噪声， 有均匀的功率谱分布， 即( )2ionNP(5.2 - 1) 则输入信号的频谱为 ( )( )exp()iiss tj t dt(5.2 - 2) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 滤波器的输出仍包括信号和噪声两部分， 即( )( )( )1( )( ) ( )exp()2oooiy ts tn ts tHsj t d (5.2 - 3) (5.2 - 4) 其中 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 这里H()是滤波器的

5、传输函数。 因此在某一时刻t0输出的信号瞬时功率为2201( )( ) ( )exp()2oois tHsj t d (5.2 - 5) 滤波器输出的噪声平均功率为 22( )( )4ooNn tHd (5.2 - 6) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 因此在t0时刻的瞬时输出信噪比为220221( ) ( )exp()( )2( )( )4ioooooHsj t ds tSNRNn tHd (5.2 - 7) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 为了确定t0时刻输出信噪比的最大值， 可利用许瓦兹(Schwartz)不等式2*( )( )( ) ( )(

6、 ) ( )F x Fx dx Qx Q x dxFx Q x dx (5.2 - 8) 现令F*()=si() exp(jt0)， Q()=H(), 带入上式得 2220( )( )exp()( )( )iisHj t dsdHd第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 把它代入式(5.2 - 7)， 得到 2220221( )( )4( )41( )222ioiooHdsdSNRNHdsdENN(5.2 - 9) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 其中E为输入信号能量: 21( )2iEsd(5.2 - 10) 根据许瓦兹不等式等号成立必须满足的条件为F=C

7、Q(C是任意常数， 通常取1)， 当 0( )( )exp()iHKsj t(5.2 - 11) 时， 滤波器有最大的输出信噪比 max2ooESNRN (5.2 - 12) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 5.3 最大后验估值最大后验估值 利用概率论的贝叶斯公式， 条件概率密度可表示成 (| )( )( | )( )P yPPyP y(5.3 - 1) log(| )log( )0P yP(5.3 - 2) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 工程上常提出近似的估值器形式， 一旦找到适当的估值器形式， 就可由它的偏差和方差对估值器的性质做出评价。 设估

8、值器输出为H(y)， 则偏差 222( )( )yEH yEH y(5.3 - 3) (5.3 - 4) 方差 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 这里均值是在两个随机变量的联合统计上取的， 偏差表示的平均误差。 如果偏差为零，则估值器H(y)的方差也就是均方误差。 为了确定偏差和方差， 估值器H(y)作为y的函数必须明确求出。 但任一无偏差估计的方差， 总可由克拉美罗(CramerRao)的极限(CRB)给出下限:122log(| ) ( )P yPCRBE (5.3 - 5) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 5.4 最大似然估值最大似然估值 若(y1

9、， y2， , yn)是观测值分布P(y|)的随机样本， 则把(y1， y2， , yn)的联合概率密度函数称作样本的似然函数， 记作P(y|)=p(y1， y2， , yn |)。 似然函数就是n次测量得到的观测值(y1， y2， , yn)的概率密度。 似然函数是各个观测值的概率密度之积， 即1( / )(/ )niiP yP y (5.4 - 1) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 为了找到最大似然估值 ， 应当求解方程(| )|maxP y (5.4 - 2) (| )0P y (5.4 - 3) 或求解它的对数似然方程log(| )0P y (5.4 - 4) 第

10、第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 5.5 相关检测原理相关检测原理 5.5.1 相关函数 相关函数分为自相关函数和互相关函数。 1. 自相关函数 自相关函数Rxx()是度量一个变化量或随机过程在t和t-两个时刻线性相关的统计参量， 它是t和t-两点间的时间间隔的函数， 其定义为1( )lim( ) ()2TxxTTRx t x tdtT (5.5 - 1) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 根据维纳肯欣(WienerKhintchine)定理， x(t)的功率谱密度Sx()与Rxx()之间满足傅里叶变换关系， 即1( )( )exp()2xxxRSjdT(

11、5.5 - 2) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 1) 正弦波 设有一频率为0的正弦波x(t)=A sin(0t+)， 由式(5.5 - 1)可得 200201( )limsin()sin()2cos2TxxTTRAttdtTA (5.5 - 3) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 2) 白噪声 由于其功率谱密度与频率无关， 因而可以定义Sx()=N0/2， 其中N0为常数， 于是由式(5.5 - 2)可得001( )exp()( )222xxNNRjd (5.5 - 4) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 3) 带通白噪声 可定义

12、为0/2( )0 xNS00其它 由式(5.5 - 2)求得 000001( )exp()22sinexp()2xxNRjdNj (5.5 - 5) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.5 - 1 白噪声及周期信号的自相关函数正 弦 波Rxx()白 噪 声带 通 白 噪 声Rxx()Rxx()第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图5.5 - 1给出了这三种变化x(t)的自相关函数Rxx()随的变化波形。 分析表明， 自相关函数具有下列性质： (1) Rxx()= Rxx(-)， 即Rxx()是的偶函数。 (2) Rxx()在原点=0处最大, 并且Rx

13、x(0)代表x(t)变化量的平均功率。 (3) 若x(t)包括周期性分量， 则Rxx()将随的增加逐渐下降。 Rxx()衰减得越快， 表示变化量x(t)相关性越小。 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 (4) 若变化量x(t)为规则函数， 即包含有周期信号分量， 则自相关函数Rxx()也将包含有周期分量。 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 2. 互相关函数 互相关函数Rxy()是度量两个随机过程x(t)、 y(t)间相关性的函数， 定义为1( )lim( ) ()2TxyTTRx t y tdtT (5.5 - 6) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱

14、光信号检测技术 5.5.2 相关检测 1 . 自相关检测 图5.5 - 2为自相关检测的原理方框图。 图中x(t)代表待测信号， 它由待测信号si(t)和噪声信号ni(t)组成， 即 x(t)=si(t)+ni(t) (5.5 - 7) 设测量时间从0开始， 到T结束， 则短时间相关函数Rxx()为 01( )( ) ()TxxRx t x tdtT(5.5 - 8) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图5.5 2 自相关检测的原理方框图Dx(t)积分器延时器乘法器Si(t) ni(t)x(t)x(t )x(t)x(t )Rxx()第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信

15、号检测技术 将式(5.5 - 7)代入式(5.5 - 8), 得 Rxx()=Rss()+Rnn()+Rns()+Rsn() (5.5 - 9) 由于信号与噪声互不相关， 并假设噪声的平均值为零， 则根据互相关函数的性质有Rns()=Rsn()=0， 则式(5.5 - 9)变成 Rxx()=Rss()+Rnn() (5.5 - 10) 待测信号x(t)作为自相关处理后， 其输出信号R()近似为 Rxx()=Rss() (5.5 - 11)第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.5 - 3 相关检测输出波形R()Rxx()Rsx()Rss()O第第5 5章章 微弱光信号检测

16、技术微弱光信号检测技术 2. 互相关检测 与自相关检测类似， 互相关检测是利用一个与待测信号si(t)同频率的信号y(t)， 对被噪声干扰信号x(t)=si(t)+ni(t)作互相关处理， 其原理方框图如图5.5 - 4(a)所示。 图中y(t)为参考信号， 经过延迟电路后变为y(t-)， 将y(t-)与待测信号x(t)同时输入到乘法器进行乘法运算， 再经过积分运算， 由于噪声与参考信号y(t-)是不相关的，因此在输出端得到x(t)与y(t)的互相关函数 Rxy()=Rsy() (5.5 - 12)第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 上式表明， 最后输出的信号只保留与参考信号

17、y(t-)相关的信号部分， 噪声却被完全抑制掉了。 但在实际测量中， 由于测量时间有限， 对短时间的互相关函数01( )( ) ()( )( )TxysynyRx t y tdtTRR (5.5 - 13)第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.5 - 4 相关检测原理方框图 (a) 互相关检测原理方框图； (b) 数字式相关原理图脉冲发生器定时脉冲移位寄存器光子计数器信号脉冲(a)(b)乘法器x(t)y(t )积分器Rxy()y(t )D延时器x(t)y(t)存储器第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 由于探测器的响应时间比一般光信号频率慢得多， 所以探

18、测器对光频信号的响应在时间上可视为一个积分过程， 其物理意义即是探测器响应信号光场与参考光场相干合成的光强。 用相关函数表示可以写成*( )lim( )()TRTTRs t stdt (5.5 - 14) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 3. 数字相关检测 当光辐射弱到以分离的光子脉冲出现时， 用数字式相关器可以实现相关接收。 图5.5 - 4(b)为数字相关原理图。 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 5.6 锁锁 定定 放放 大大 器器 5.6.1 锁定放大器的工作原理 锁定放大器有一个与待测信号同步的参考信号， 并同时送入相敏检波器PSD。 图5.

19、6 - 1为锁定放大器原理方框图。 它主要由三个单元组成： 信号通道、 参考通道、 相敏检波器。 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.6 - 1 锁定放大器原理方框图 选 放模拟乘法器信 号 通 道参 考 通 道待 测 信 号参 考 信 号PSD移 相 器低 通滤 波 器第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.6 - 2 相敏检波器原理方框图 VA0sin(0)VAR1VoC0R0RCvKtnnVnBR0) 12sin(1214第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 设待测信号和参考信号分别为 000sin()41sin(2)21A

20、ABRnVVtVntn (5.6 - 1) (5.6 - 2)第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 其中, 参考信号VB是频率为R的方波， 相位为0360连续可调。 通过模拟乘法器(见图5.6 - 2)可以得到输出电压Vo及相位2n+1的一级近似表达式：0210020100021000cos(21)21211(21)arctan(21)RnAonRnRntRVVRnnR CnR C(5.6 - 3) (5.6 - 4) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 通常又称相敏检波器PSD为以参考信号频率R为参数的方波匹配滤波器。 其基波(n=0)响应可以表示为0100

21、121000cos ()21()RAoRtRVVRR C(5.6 - 5) 当信号频率0=R时， 并设基波初始相位0， 相关器的输出电压Vo为0012cosAoRVVR (5.6 - 6) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.6 - 3 相关器输出波形 (a) =0; (b) =90; (c) =180; (d) =270VB00000000VA00000000tttttttVBVo1Vo(a)(b)VAVo1VottttttttVAVBVo1VoVAVBVo1Vo(c)(d)t第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 5.6.2 锁定放大器的主要参数 1

22、. 等效噪声带宽 因为PSD的积分器是一RC滤波器， 其等效噪声带宽定义为0014nfR C (5.6 - 7) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 2. 等效信号带宽 由式(5.6 - 5)可知， 锁定放大器输出信号Vo与待测信号的幅值成正比且与待测信号和参考信号的频差(0-R)有关。 因此， 等效带通滤波器带宽可以做得很窄， 也就是可以用一个RC滤波器来压缩带宽。 对于PSD的RC低通滤波器， 其等效信号带宽0012sfR C (5.6 - 8) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 fs也可看做等效带通滤波器的带宽。 若仍取R0C0=300 s， 则fs

23、=5.310-4 Hz。 根据线性电路分析， 已知信号频率为fs， 所用的带通滤波器等效带宽为fs， 则相应的带通放大器品质因数Q为ssfQf (5.6 - 9) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 3. 信噪比改善 由于相关检测实质上是将信号进行积累使噪声得到抑制， 因此输出信噪比SNRo必定优于输入信噪比SNRi， 通常用信噪比改善SNIR参数来描述， 定义为 oiSNRSNIRSNR (5.6 - 10) ninofSNIRf (5.6 - 11) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 5.7 取取 样样 积积 分分 器器 5.7.1 取样积分器的工作原

24、理 1. 取样门和积分器 取样是一种频率的压缩技术， 它将一个高重复频率的信号通过逐点取样， 将时间变化的模拟量转变成对时间离散变化的量， 这种量即为信号的低频复制， 从而做到对该低频信号的幅值、 相位和波形的测量。 这里关键是取样过程中的积分。 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.7 - 1 固定位置取样及同步积累原理ABCDEFGHIJKABCDEFGHIJKTTs TtT Ts TTs：信号周期； T：取样间隔； T：取样周期第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 即经过Ns次取样平均后信噪比改善oiossioissSNRNN SNRnn (5.7

25、 - 1) osiSNRSNIRNSNR (5.7 - 2) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.7 - 2 取样积分器的工作原理 (a) 取样积分器； (b) 取样积累过程 取样门RcVoTc RcCcViCcK不完全积分器完全积分器VoViVoTSRTc0.632VoTg(观察测量时间)门脉冲(b)(a)Vo Vi(1exp( t/c)RcCcVo Vi(1exp( t/c)TsttVo Vi(0.632)第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 2. 定点式取样积分器 图5.7 - 3为定点式取样积分器原理方框图。 触发信号VB与输入待测信号VA保持

26、同步，相当于提供一个参考信号。 触发信号经延时电路延迟td， 以保持对信号VA固定部位取样， 并产生脉宽(Tg)可调的取样脉冲以控制取样门开断。 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.7 - 3 定点式取样积分器原理方框图 取样门VoVA输出(信号)RcK取样脉冲延时电路VB(参考)Cc第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 3. 扫描式取样积分器 图5.7 - 4是扫描式取样积分器原理方框图。 扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号波形上延时取样， 可以恢复待测信号波形。 它主要包括可变时延的取样脉冲和在取样脉冲控制下做同步积累这两个过程。 第第5 5章章

27、微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.7 - 4 扫描式取样积分器原理方框图第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.7 - 5 扫描式取样脉冲形成过程TsVSR1TT1TTgABCDE负触发脉冲时基电压(TB)慢扫描电压(TSR)参考信号(触发脉冲)Tst取样脉冲TB(a)(b)(c)(d)(e)VSR2T22T0比较器输出t第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图5.7 - 6所示为扫描式取样积分器的信号取样积累过程。 由时延逐渐增加的取样脉冲(见图5.7 - 6(c)对待测信号取样， 其取值点的位置是逐渐移动的， 如图5.7- 6(d)所示，

28、取样点从A逐渐移至B、 C、 D、 ， 每一次取样由积分器RcCc积累保持在电容Cc上， 经过缓冲级输出接至显示器(或记录仪)， 恢复待测信号的波形。 由于经过足够长时间的重复取样在输出端即可得到形状与输入的待测信号相同而在时间上大大放慢了的输出波形， 因此扫描式取样积分器能在噪声中提取信号并恢复波形， 如图5.7 - 6(e)所示。 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.7 - 6 扫描式取样积分器取样积累过程 (a) 待测信号; (b) 参考信号； (c) 取样信号； (d) 取样脉冲； (e) 输出信号AVABCDEtABCDEFFGGVBVSPVdVo(a)(b

29、)(c)(d)(e)tttt00000第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.7 7 扫描时取样点多次积累示意图待测信号VAPTgT2134第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 5.7.2 取样积分器的主要参数 1. 信噪比改善 若取样脉冲门宽为Tg， 并以T间隔跳跃移动(时延)， 则待测信号波形上任何一点在门宽Tg范围内取样次数为ssTNT(5.7 - 3) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 gSRisBigSRBsTSNIRTTNTTTNT TSNIRT T(5.7 - 4) (5.7 - 5) (5.7 - 6) (5.7 - 7

30、) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 2. 信号分辨率与门宽的关系 信号的取样间隔取决于门宽Tg， 门宽越窄， 取样间隔越小， 则信号恢复捕捉分辨率就越高。 但是由式(5.7 - 4)可知， Tg小， SNIR就小。 要保持一定的SNIR， 就只有减小T。 因此波形分辨率不能无限制提高， 只能根据测量要求折中考虑。 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 设输入待测信号是一个正弦波， 其表达式为Vs(t)=Vm sinct， 在时间t1， 门宽为Tg的取样脉冲对Vs(t)取样， 经RcCc积分后输出为1211( )sin2( )sinsin22( )sin2g

31、cTtmvocCcsgmvocscsgmvocLFscV KV ttdtCTV KV ttCTV KV ttC(5.7 - 8) (5.7 - 9) (5.7 - 10) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 通常以高频分量幅度与低频分量幅度之比高于或等于3 dB为准， 由式(5.7 - 9)和(5.7 - 10)求出恢复信号的高频与低频分量之比为maxsin(/2)( )( )/20.420.42sgoHFosgLFsggSHTV tV tTfTTT(5.7 - 11) (5.7 - 12) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 3. 积分时间常数 为了使恢复

32、波形的分辨率达到所要求的水平， 在Tg一定的情况下， 积分器的响应时间Tc应比取样积累时间Tg短， 即TcNsTg， 或 ATc=NsTg (5.7 - 13) 式中, A为常数， 通常选A5。 则 5sgcN TT (5.7 - 14) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 4. 时基宽度 它由待测信号的周期或信号的宽度来决定。 通常时基宽度TB大于信号周期Ts， 一般至少等于信号周期的两倍， 使输出端能够恢复记录或观察到两个完整的周期波形。 如果仅对待测信号中某一部分感兴趣， 则TB也可选得小些。 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 5. 慢扫描时间 由式

33、(5.7 - 7)可以计算出信噪比改善 时所需的慢扫描时间TSR的值。 考虑到波形恢复的分辨率要求， 即在一定的Tg情况下， 积分常数T的限制， 由式(5.7 - 7)和(5.7 - 14)可求得所要求的最小慢扫描时间sNmin2255BcBcsSRgsgT TT T TTT fT (5.7 - 15) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 5.8 光子计数技术光子计数技术 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光信号。 其特点是： (1) 通过光电子脉冲测量光辐射量， 系统探测灵敏度高， 抗噪声能力强； (2) 系统稳定， 容易排除电源波动、 探测器漏电

34、流和放大器零漂等因素对测量精度的影响； (3) 数字量输出， 可直接同计算机或数字式数据处理系统联机， 实现最佳测试。 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 5.8.1 光子计数的原理 1. 光子计数器的组成 光子计数器主要由光电倍增管、 放大器、 甄别器和计数器等组成。 光子计数器工作时， 光电倍增管的光电阴极接受光辐射的照射， 在光电倍增管的负载上形成一系列电脉冲， 这些脉冲经放大器放大后加在甄别器的输入器上。 甄别器滤除部分噪声脉冲， 只允许那些与光辐射功率成正比的脉冲通过， 并送计数器计数。 计数器的输出可直接用作光功率的数字记录， 也可再经模拟转换后作为模拟量输出。

35、图5.8 - 1是典型光子计数器的组成框图。 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.8 - 1 光子计数器的组成甄别器DAC模数转换屏蔽盒数字输出输出PMTV1V2计数器前放RLCKDA第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 2. 光电倍增管中的光电流 通常情况下， 光电倍增管受到10-13W以上较强光辐射的作用， 大量光电子在给定时间内冲击光阴极， 造成大量光电子发射， 形成光电子流的堆积。 由于光电倍增管和电路的高频特性限制， 使光电倍增管不能分辨特别靠近的光子所形成的脉冲电流， 因此只能形成一带有散弹噪声的直流基线经常受到扰动的不稳定输出。 第第5

36、5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.8 - 2 光电倍增管输出的电流波形第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 光电倍增管输出的电流脉冲， 有光辐射产生的光电流脉冲， 也有光电倍增管的热电子发射电流脉冲和其它噪声脉冲。 图5.8 - 3是光电倍增管输出的典型脉冲高度分布情况。 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.8 - 3 光电倍增管的典型输出脉冲高度分布噪声单光子响应峰脉冲高度V1第二甄别电平第一甄别电平V2脉 冲计数率第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图5.8 - 4显示了光电倍增管计数率与偏置工作电压的这一关系

37、。 为了使光电倍增管有较高的工作灵敏度， 又不致受噪声的太大影响， 通常要精心选择光电倍增管的工作状态， 使其工作在信号电流开始出现饱和的偏置电压处， 以保证有最大的输出信噪比。 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.8 - 4 光电倍增计数率与偏置电压的关系 计数率坪区信号计数偏压 / kVSNRmaxSNRmin1071.01.11.21.31.41061051041031020暗电流计数101第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 3. 甄别器的工作方式1) 单电平工作方式2) 窗工作方式3) 校正工作方式 灵活的可调甄别器电平范围。 小的闭锁时间(

38、也称死时间)。 满足计数电路所需要的脉冲输出幅度和宽度。 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 4. 计数方法 1) 直接计数 计数器累计来自甄别器的脉冲数NA。 计数时间间隔T用时钟脉冲的速率RC和预置钟脉冲个数N来表示， 即T=N/RC。 若光电子脉冲速率为RA， 则在T时间间隔内， 累计的脉冲数NA为AAAACNNRTRRR常数 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.8 - 5 计数器的工作方式 (a) 直接计数； (b) 比例计数； (c) 反比例计数计数器A来自甄别器启动外触发时钟 RCRA停止(a)预置数N计数器C时钟振荡器计数器A来自甄别器启动来自甄别器RA停止(b)预置数N计数器C时钟振荡器RC计数器A启动来自甄别器NA停止(c)预置数N计数器C时钟振荡器RCNANA第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 2) 比例计数 比例计数方式常用于双光路系统中。 如在光谱测量中， 为消除光源起伏造成的信号涨落，常用双光路方式来实现测量， 如图5.8 - 6所示。 AAAACCNRNRTRNRR比值常数 (5.8 - 2) 第第5 5章章 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 图 5.8 - 6