直接探测和外差探测

1、 1第第3 3章章 直接探测与外差探测直接探测与外差探测光电信号变换光电信号变换 光电光电 探测器探测器光信号光信号电信号电信号00cos(2)EEvt响应平均光功率响应平均光功率 直接探测直接探测响应光的频率响应光的频率 相干探测相干探测2(1) (1) 基本物理过程：基本物理过程： 若探测器的负载电阻是若探测器的负载电阻是R RL L，则光电探测器的输出功率为，则光电探测器的输出功率为sss( )cos()e tEt光波：光波： 光功率：光功率： 2)(ssEtPsisPRi 1. 直接探测的基本原理直接探测的基本原理2220sLiLsPRRRiP平方定律：平方定律：3(2) 信噪比信噪比

2、 设输入的信号功率和噪声功率分别为设输入的信号功率和噪声功率分别为s si i和和n ni i，输出的，输出的分别为分别为s so o和和n no o。由平方律有。由平方律有2()ooiisnk sn考虑到信号和噪声的独立性，可得输出信噪比为考虑到信号和噪声的独立性，可得输出信噪比为222()()12()2oiiiooiiiiisss nSNRns ns nn讨论：讨论：（1 1）s si i/n/ni i1 1，则有，则有 ，说明直接探测不适合微弱信号，说明直接探测不适合微弱信号的探测；的探测；2()oiioss nn（2 2）s si i/n/ni i1 1，则有，则有 ，转换后信噪比损失

3、不大；，转换后信噪比损失不大；1()2oiioss nn4(3) 等效噪声功率等效噪声功率 具有内增益的光电探测器的电输出功率为具有内增益的光电探测器的电输出功率为输出的噪声功率为输出的噪声功率为222220sLiLsPRRMRiMPLnTndnbnsnRiiiiP)(2222信号光电流：信号光电流：fieMisns222背景光电流：背景光电流：fieMibnb222暗电流：暗电流：fieMidnd222电阻温度噪电阻温度噪声电流声电流：LBnTRfTki42对于光电二极管，对于光电二极管，M=1M=1，对于光电导探，对于光电导探测器前面的测器前面的2 2改为改为4.4.输出信噪比为输出信噪比

4、为2222222)(nTndnbnssiooiiiiPRMns探测器的噪声等效功率为探测器的噪声等效功率为2122122224)(21)(1LBdbsinTndnbnsisRfTkiiifeMMRiiiiMRPNEP5讨论：讨论：（1 1）热噪声优势）热噪声优势2222ndnbnsnTiiii21)4(1LBiRfTkMRNEP（2 2）散粒噪声优势）散粒噪声优势2222ndnbnsnTiiii21)(21dbsiiiifeRNEP（3 3）散粒噪声和热噪声相当）散粒噪声和热噪声相当2222ndnbnsnTiiii21)8(1LBiRfTkMRNEP（4 4）信号噪声极限，只考虑光信号噪声。）

5、信号噪声极限，只考虑光信号噪声。fePRPPnssinsooo2)(fhNEP2heRi例：例：为为1，f为为1Hz，NEP2h，已很接近单个光子的能量，已很接近单个光子的能量h。光电二极管光电二极管光电倍增管光电倍增管雪崩光电二极管雪崩光电二极管6提高系统信噪比的基本途径：提高系统信噪比的基本途径：光学方法光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜如场镜、光锥、浸没透镜 应用光学应用光学电学方法电学方法，如滤波、低噪声放大、弱信如滤波、低噪声放大、弱信 号检测号检测热力学方法热力学方法，制冷降低探测器噪声制冷降低探测器噪声 信噪比信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标是衡量光电探测系统质量好坏

6、的一个重要指标 72.2.直接探测的应用举例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：应用于测量：应用于控制：应用于控制：特点：特点：信息加载信息加载辐通量（光强）辐通量（光强）83.3 前置前置放大放大器的噪声匹配器的噪声匹配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。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

7、测系统的输出信噪比将产生影响。引入对探测系统的输出信噪比将产生影响。光探测器及光探测器及其偏置电路其偏置电路耦合耦合网络网络低噪声低噪声前置放大前置放大器器多级放大多级放大系统系统反馈电路反馈电路放大器放大器偏置电路偏置电路后级信号后级信号处理电路处理电路光探测电路示意图光探测电路示意图10Vs信号源，信号源，RS信号源内阻，信号源内阻， EnsRS的热噪声的热噪声En放大器噪声电压源，放大器噪声电压源，In放大器噪声电流源，放大器噪声电流源，Av放大器电压增益，放大器电压增益，Zi放大器的输入阻抗，放大器的输入阻抗，Eni放大器输入端的噪声电压，放大器输入端的噪声电压，Eso放大器的输出端放

8、大器的输出端电压，电压，Eno放大器输出端的总噪声电压放大器输出端的总噪声电压EsoEno3.3.1 前放噪声等效电路前放噪声等效电路根据电路根据电路叠加原理叠加原理，各噪声源在输出端的贡献分别为：，各噪声源在输出端的贡献分别为： Ens的贡献为：的贡献为： En的贡献为：的贡献为： In的贡献为：的贡献为：visinsEnoAZRZEEns)(visinEnoAZRZEEn )(visisnvisnInoAZRZRIAZRIEn )|()(将上述各项均方相加便得总的输出噪声为：将上述各项均方相加便得总的输出噪声为：11)(222222222222)(2)(2)(2snnnsPvisisnvi

9、sinvisinsInoEnoEnonoRIEEKAZRZRIAZRZEAZRZEEEEEnnns visiVAZRZK因此等效输入噪声为：因此等效输入噪声为：222222snnnsPnoniRIEEKEE放大器的电压传递函数放大器的电压传递函数2)(VPKK 放大器的功率传递函数放大器的功率传递函数l可以看出，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放大器的输入阻抗不出现在等效输入噪声的表达式中式中。放大器便视为是。放大器便视为是无噪声无噪声的。的。12l这个模型中所采用的各个参数容易测量。首先，源电阻这个模型中所采用的各个参数容易测量。首先，源电阻Rs的的热噪声热噪声Ens，可

10、以由电阻的热噪声公式求出；其次计算放大器，可以由电阻的热噪声公式求出；其次计算放大器前的电路的前的电路的开路输出噪声电压开路输出噪声电压(或短路输出噪声电流或短路输出噪声电流)；然后折然后折合到源端位置就得到等效输入噪声电压合到源端位置就得到等效输入噪声电压Eni的大小。的大小。放大器的输入信噪比为：放大器的输入信噪比为：22nssiiEVnS放大器的输出信噪比为：放大器的输出信噪比为：2222222snnnssniPspooRIEEVEKVKnS)1 (22222nssnnsniiooERIEEnSnS放大器噪声的存在，使放大器的输出信噪比受到损失。放大器噪声的存在，使放大器的输出信噪比受到

11、损失。132. 噪声系数（噪声系数（Noise Factor）：）： 输出端总噪声功率输出端总噪声功率 源电阻产生的输出噪声功率源电阻产生的输出噪声功率F=Kp为放大器系统的功率增益为放大器系统的功率增益（1）基本定义）基本定义pnsnoKEEF22从输出端角从输出端角度出发度出发14（2）推导式一）推导式一总的等效输入噪声功率总的等效输入噪声功率输入端源电阻噪声功率输入端源电阻噪声功率F=上下同除上下同除以以Kp，即即22222222222/nssnnnsnsninspnopnsnoERIEEEEEKEKEEF放大器噪声总放大器噪声总是存在，是存在，F大于大于1的原因的原因15（3）推导式二

12、）推导式二放大器输入噪声功率放大器输入噪声功率输入端源电阻噪声功率输入端源电阻噪声功率F=222222222221nssnnnssnnnsnsniERIEERIEEEEF1+16（4）推导式三）推导式三输入端信噪比输入端信噪比输出端信噪比输出端信噪比F=oinosonssinssonosisisonsnopnsnoNSNSEEEEEEEEEEEEKEEF)/()/(/)/(22222222222222不为不为Eni，此时输入端噪声，此时输入端噪声功率仅为源电阻产生的热功率仅为源电阻产生的热噪声功率噪声功率oiNSNSNF)/()/(lg10用分贝表示则写成：用分贝表示则写成：17 放大器的噪声

13、系数的定义表示信号通过放大器后，信噪比变放大器的噪声系数的定义表示信号通过放大器后，信噪比变坏的程度坏的程度： 如果如果放大器是理想的无噪声的线性网络放大器是理想的无噪声的线性网络，那么其输入端的信号，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，于是相同，于是F=1或或NF=0dB； 如果如果放大器本身有噪声放大器本身有噪声，又，又无滤波功能无滤波功能(如前放一般不采取带如前放一般不采取带限措施限措施)，信号通过放大器后，则信号和噪声都同样放大，则，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

14、于放大后的输入噪声功率和放大器本身的噪声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，输出端的信噪比就比输入端的信噪比低，则好，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：噪声系数意义： oiNSNSNF)/()/(lg10 求偏导求偏导 ： 得：得： 因此，当因此，当信号源的内阻等于放大器的源电阻信号源的内阻等于放大器的源电阻时噪声系时噪声系数数NF取得最小值取得最小值 180441222fkTIfkTERRFnnssoptsnnsRIER)(记作fkTIEf

15、kTIEfkTIEFnnnnnn21441min与功率匹配与功率匹配区别！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。配。这是低噪声设计的一个重要原则。3.3.3 匹配方法匹配方法1.最佳源电阻最佳源电阻sfRkTEns 4222221nssnnERIEF19nnsoptIERfkTIEF21nnmin202. 放大器最佳源电阻与实际源阻抗的匹配方法放大器最佳源电阻与实际源阻抗的匹配

16、方法1、用输入变压器实现噪声匹配、用输入变压器实现噪声匹配 （1）应用对象：信号源电阻小于最佳源电阻情形下。）应用对象：信号源电阻小于最佳源电阻情形下。（2）原理：）原理：选用适当变压比选用适当变压比源电阻的阻抗升高源电阻的阻抗升高n2倍。倍。212、利用并联放大器的方法实现噪声匹配、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，个完全相同的放大器并联，如下图所示，该方法等效于减该方法等效于减小小NRRsoptsoptsoptRNEEnn22 并联以后的等效噪声电压和电流并联以后的等效噪声电压和电流22 nnINI并联后的噪声系数并联后的噪声系数min)21lg(10

17、minNFfkTIENFnn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。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各种典型探测器的内阻和响应时间 探测器探测器内阻（内阻（）响应时间（响应时间（s）低低阻阻热电偶11010-21蒸发型热电偶5020010-310-2金属测辐射热计11010-210-1PIN型锗二极管5010-7HgCdTe（PV 77K）2.55010-8HgCdTe（PC 77K）205010-810-7中中阻阻锗测辐射热计（2.1K）104410-4碳测辐射热计（2.1K）10510610-2PbS（PC 常

18、温）105107510-5510-4PbSe（PC 常温）106107210-6InSb（PV 77K）10310510-6高高阻阻Ge:Au（PC 77K）10510710-6热释电探测器108310-9410-522习习 题题 （1）最佳源电阻是信号源的参数，还是前放的参数。它）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。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）已知集成运算OP07E的噪声参数的噪声参数En10.3nV，In0.32pA，试计算应用于，试计算应用于Rs100k，f1Hz及及T300k时时，其，

19、其NF及及Eni值值 （3）根据下列条件判断那一种器件产生的等效输入噪声）根据下列条件判断那一种器件产生的等效输入噪声最小：最小： a在在Rs10k时，测出其时，测出其NF20dB。 b在在Rs1M时，测出其时，测出其NF20dB。2324二二. 多级放大器噪声系数多级放大器噪声系数NFPni 三级放大器的噪声系数三级放大器的噪声系数KP1Pn1F1KP2Pn2F2KP3Pn3F3PnoF1, 2, 3总的输出噪声功率总的输出噪声功率Pno为为323132321nnpnppnipppnoPPKPKKPKKKP总的输出噪声系数总的输出噪声系数F为为nipppnnippnnipnnipppnoni

20、pnoPKKKPPKKPPKPPKKKPPKPF321321211321125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：111nniponPPKP考虑每个放大器单独和源相连接时，得到：考虑每个放大器单独和源相连接时，得到：niPnniPonPKPPKPF111111nipnPKPF2221nipnPKPF3331nipppnnippnnipnnipppnonipnoPKKKPPKKPPKPPKKKPPKPF3213212113211代入代入21312111pppKKFKFFF对于对于n级放大器，可以得出其噪声系数为：

21、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这就是多级放大器的噪声系数理论的Friis公式公式 261212131212, 1111pnppnpppnKKKFKKFKFFF从这个公式可以看出：从这个公式可以看出： 如果第一级的功率增益如果第一级的功率增益Kp1很大，则多级放大器噪声系数的很大，则多级放大器噪声系数的大小，主要取决于大小，主要取决于第一级放大器第一级放大器的噪声系数的噪声系数F1。设计中，设计中，为了使多级放大器的噪声系数减小，应尽量为了使多级放大器的噪声系数减小，应尽量提高第一级的提高第一级的功率放大倍数功率放大倍数Kp1；尽量减小第一级的噪声系数；尽量减小

22、第一级的噪声系数，这就是指，这就是指导我们设计低噪声前放的又一个重要原则。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如果第一级的功率增益不是很大 ，减小噪声系数的关键在，减小噪声系数的关键在于使本级具有高增益和低噪声。于使本级具有高增益和低噪声。总 结 放大器的噪声模型：放大器的噪声模型：等效输入噪声：等效输入噪声：噪声系数：噪声系数：噪声匹配噪声匹配最佳源电阻最佳源电阻FriisFriis公式公式 与探测器直接相连接的放大器必须是低噪声的。与探测器直接相连接的放大器必须是低噪声的。273.5相关检测相关检测28 利用信号在时间上相关这一特性，可能把深埋于利用信号在时

23、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相关检测或相关接收。 信号的相关性用信号的相关性用相关函数相关函数来描述，它代表线性相关来描述，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。要统计参量。291. 相关函数相关函数3.5.1 相关原理相关原理相关函数分为相关函数分为自相关函数自相关函数和和互相关函数互相关函数。1）自相关函数）自相关函数TTTxxttxtxTRd)()(21lim)(*?为延迟时间，为延迟时间，T为观察

24、时间，为观察时间，x(t)是随机过程的一个样本函数。是随机过程的一个样本函数。 根据根据Wiener-khintchine(维纳欣钦维纳欣钦 )定理：定理： 傅里叶变换傅里叶变换 deSRjxxx)(21)(式中式中Sx()是是x(t)的功率谱密度函数。的功率谱密度函数。 （1） 正弦波：正弦波： 根据定义式根据定义式,可得可得: 由此可见，周期信号的自相关函数仍为周期信号，且由此可见，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。周期不变，但相位信息损失。 30)sin()(0tAtxAdtttATRTTxx02002cos2)(sin)sin(21lim)(T （2）白噪声

25、）白噪声 其功率谱密度与频率无关，为一常数其功率谱密度与频率无关，为一常数 根据根据Wiener-khinthine定理，白噪声的自相关定理，白噪声的自相关函数函数 这就说明白噪声的自相关函数只在这就说明白噪声的自相关函数只在=0时存在，时存在，随着随着的增大，衰减很快。的增大，衰减很快。 312)(0NSx )(2221)(00NdeNRjxx（3）带通白噪声）带通白噪声 实际的白噪声是在一定带宽之内的白噪声，其功实际的白噪声是在一定带宽之内的白噪声，其功率谱密度为：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。这种带通白噪声的带宽决定于系统中的通频带。32其它频率 20)(000

26、NSx000sin2221)(21)(00jjjxxxeNdeNdeSR 33 Rxx() Rxx() ，即，即Rxx() 为为的偶函数。的偶函数。 Rxx(0) Rxx()， Rxx(0) 是最大值，并且代表是最大值，并且代表x(t)变化变化量的平均功率。量的平均功率。 如果如果x(t)是周期函数，则是周期函数，则Rxx()也是周期函数，且周期也是周期函数，且周期相等，但失去原函数全部相位信息。相等，但失去原函数全部相位信息。 如果如果x(t)是非周期函数，则是非周期函数，则Rxx()从从Rxx(0)最大值迅速随最大值迅速随 增大单调递减增大单调递减。34（4） 自相关函数特点自相关函数特点

27、2）互相关函数）互相关函数TTTxyttytxTRd)()(21lim)(互相关函数特点互相关函数特点 Rxy() Ryx() ，即，即Rxy() 与与Ryx()互为镜像对称。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）则其互相关函数将为一个常数，并且等于两个信与噪声）则其互相关函数将为一个常数，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，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则它们的互相关函数 Rxy()将处处为零，即完全不相关。将处处为零，即完全不相关。 如果两

28、个信号是具有相同基波频率的周期函数，则它们的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。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。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。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期信号提取出来，这

29、是微弱信号检测的一种有效方法。法。 根据相关函数的性质，可以利用乘法器，延时器及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，这就是所谓的测出来，这就是所谓的“相关检测相关检测”。 相关检测可分为相关检测可分为自相关检测自相关检测与与互相关检测互相关检测。362. 相关检测相关检测 si(t): 信号信号 ni(t): 噪声噪声; x(t)= Si(t)+ ni(t)371） 自相关检测自相关检测l自相关检测的原理框图自相关检测的原理框图 通过积分器输出得到通过积分器输出得到 : 38lRsn( ()

30、 )、Rns( () )分别表示信号和噪声的互相关函数，由于信号与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；噪声不相关，故几乎为零；l而而Rnn( () )代表噪声的自相关函数，随着积分时间的适当延长，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；也很快趋于零；l因此，经过不太长的时间积分，积分器之输出中只会有一项因此，经过不太长的时间积分，积分器之输出中只会有一项R Rssss()，故故:l这样，便可顺利地将淹没在噪声中的信号检测出来。这样，便可顺利地将淹没在噪声中的信号检测出来。 )()(ssxxRR)()()()()()()()(2

31、1lim)()(21lim)()(RRRRdttntStntSTdttxtxTRRnnnssnssTiiiiTTTxxT T 例如，被检测信号为一余弦信号时，例如，被检测信号为一余弦信号时，设设 则则: :39)cos()(1tAtSiARss12cos2)(lRss()为信号的自相关函数，它与信号同频的余弦函数，为信号的自相关函数，它与信号同频的余弦函数，lRnn()为噪声的自相关函数，随为噪声的自相关函数，随的增加，衰减得很快，的增加，衰减得很快，lRxx()为输出端最初的波形，仍混有噪声的干扰。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相应的自相关检测输出波

32、形如图所示: : 2) 互相关检测互相关检测 互相关检测的原理框图如图所示互相关检测的原理框图如图所示 :40l输 入 乘 法 器 的 是 被 含 有 噪 声输 入 乘 法 器 的 是 被 含 有 噪 声 ni( t ) 的 信 号的 信 号x(t)=ni(t)+Si(t)和被延时的与和被延时的与被检测信号被检测信号Si(t)同频同频率的参考信号率的参考信号y(t)，最后积分器的输出为，最后积分器的输出为 :)()()()(21lim)(synyTTxyRRdttytxTRT Rny()是噪声与参考信号的互相关函数，参考信号和噪声是不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，相关

33、的，Rny() 随积分时间延长而趋于零随积分时间延长而趋于零;41互相关检测特点互相关检测特点比自相关输出的噪声有关项要少比自相关输出的噪声有关项要少2项，故互相关检测比项，故互相关检测比自相关检测抑制噪声的能力强。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考信号互相关检测要求用与被测信号同频率的参考信号y(t)，当被测信号当被测信号Si(t)未知时，要取得与未知时，要取得与Si(t)同频率的信号在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。某些情况下是困难的。这时一般不采用互相关检测。)()(RRsyxy3.5.2锁定放大器锁定放大器（LIA，Locki

34、n Amplifier）42 锁定放大器是根据锁定放大器是根据互相关检测原理互相关检测原理使输入待测的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弱信号。它采用了一个相敏检波器(PSD)，故锁定放大，故锁定放大器通常又称为器通常又称为相敏检波交流电压表相敏检波交流电压表。1.1. 锁定放大器的原理框图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：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、相关器信号通道、参考通道、相关器 1.1.信号通道信号通道 从探测器输出的信号或源发出的信

35、号经过被测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，其信噪比甚至低于物体后十分微弱，其信噪比甚至低于1/101/103 3。信号。信号l首先经过首先经过低噪声前置放大器低噪声前置放大器进行放大；进行放大；l然后再通过然后再通过各类滤波器和陷波器（如同步积分各类滤波器和陷波器（如同步积分器或旋转电容滤波器）器或旋转电容滤波器）将信号进行初步的预处将信号进行初步的预处理，将带外噪声和干扰尽量排除；理，将带外噪声和干扰尽量排除；l然后再作进一步的然后再作进一步的放大放大，以便送到相关器进行，以便送到相关器进行检测。检测。44 2. 2. 参考通道参考通道l参考通道信号和被检测信号频率相

36、同，参考通道信号和被检测信号频率相同，这是进行这是进行锁定放大的一个必要条件。若被检测信号的频率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。因此锁定放大器所进行的工作又称为频域相干频域相干检测检测。l参考信号送入参考通道后，首先进入参考信号送入参考通道后，首先进入触发触发电路，电路，产生和被检信号同频的方波，再经过产生和被检信号同频的方波，再经过移相移相电路进电路进行移相，然后经过行移相，然后经

37、过驱动电路驱动电路功率放大后，再送达功率放大后，再送达相关器去控制相关器的乘法器。相关器去控制相关器的乘法器。 453.3.相关器（相关器（PSD）46 相关器是锁定放大器的核心部件，锁定放大器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（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）或相关解调器，主要是由由一个乘法器（一个乘法器（经常使用的是经常使用的是开关乘法器开关乘法器）和一个和一个低通滤波器低通滤波器组

38、成。组成。47开关式开关式乘法乘法器器VBVAV1R1C0V0- -+ +R0i1i2i3相敏检波器的原理图相敏检波器的原理图输入信号为正弦波输入信号为正弦波)sin(0tVVAA0参考信号参考信号V VB B是如图所示的对称周期矩形方波：是如图所示的对称周期矩形方波： 0)12sin(1214nRBtnnVVR0Tt参考信号参考信号VB波形波形48那么乘法器的输出（积分器的输入电压）那么乘法器的输出（积分器的输入电压） ： 001) 12sin(121)sin(4nRABAtnntVVVV m若积分器的输出电压为若积分器的输出电压为V V0 0，则则V V1 1、 V V0 0满足微分方程：

39、满足微分方程： 110000RVRVdtdVC即可求出即可求出V V0 0： 2001220012200120200121000)12(1)cos()12(1)cos()12(1)12(cos)12(1)12(cos)12(1200CRnCRneCRntnCRntnnRVRVRnRnCRtRnRnRnRA0012) 12(CRnarctgRn0012) 12(CRnarctgRn一级近似一级近似49输入信号与参考信号的基波输入信号与参考信号的基波(n=0)(n=0)频率相等时频率相等时为积分器的时间常数。为积分器的时间常数。RcTt 且且00CRTcl包含待测信号的幅度包含待测信号的幅度VA0

40、；lR0/R1是近似积分器（或低通滤波器）的直流放大是近似积分器（或低通滤波器）的直流放大倍数（或直流增益）；倍数（或直流增益）； lV V0 0与输入信号与参考信号之间相位差的余弦成正与输入信号与参考信号之间相位差的余弦成正比：比：0 0，V V0 0最大；最大； /2/2，V V0 00 0。cos20100AVRRV稳态输出电压。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）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。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。）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

41、复原有信号的波形。也就是说它不能恢复原有信号的波形。1). 等效噪声带宽等效噪声带宽fN ：表示系统（电路）对噪声的：表示系统（电路）对噪声的通过能力或抑制能力通过能力或抑制能力. 512. 2. 锁定放大器的主要性能参数锁定放大器的主要性能参数 RCRC低通滤波器等效噪声带宽低通滤波器等效噪声带宽0041CRfN2). 等效信号带宽等效信号带宽fs ：0021CRfs 信噪比改善是指系统输出端信噪比与输入信噪比信噪比改善是指系统输出端信噪比与输入信噪比 的的比值，即比值，即52例：设系统输入噪声带宽为例：设系统输入噪声带宽为100kHz，输出等效噪声带宽为，输出等效噪声带宽为10-3Hz，则

42、信噪比（电压）改善为：则信噪比（电压）改善为：1043.5.3 信噪比改善信噪比改善 锁定放大器的信噪比改善常用输入信号的噪声带宽锁定放大器的信噪比改善常用输入信号的噪声带宽与与PSD的输出噪声带宽之比的平方根表示：的输出噪声带宽之比的平方根表示：ioNSNSSNIR)()(NoNiffSNIR表明锁定放大器具有很强的抑制噪声的能力。表明锁定放大器具有很强的抑制噪声的能力。53思考题思考题 画出锁定放大器的工作原理框图，并简述其画出锁定放大器的工作原理框图，并简述其工作原理。工作原理。 强噪声背景下的带宽周期信号可以采用锁相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？放大器吗？为什

43、么？3.8取样积分器取样积分器 54一一. 概述概述1. LIA的局限性的局限性l（1）只能用正弦波、方波，对于宽带任意波形）只能用正弦波、方波，对于宽带任意波形的信号无能为力。的信号无能为力。l（2）LIA实质是滤波器，靠降低等效噪声带宽实质是滤波器，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。测用压缩带宽的办法效果不明显。55 2. 解决途径：解决途径： 取样积分器（信号平均器、取样积分器（信号平均器、Boxcar积分器）积分器）将将待测的周期信号逐点多次取样并进行同步积累待测的周期信号逐点多次取样并进

44、行同步积累。这。这种方法是利用信号在时间上的相关性，经多次重复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。带周期信号的检测和波形再现问题。563.8.1 取样积分器的工作原理取样积分器的工作原理57一一. 工作原理工作原理一个取样积分器的核心组件是一个取样积分器的核心组件是取样门取样门和和积分器积分器。通常。通常采用取样脉冲控制采用取样脉冲控制RC积分器来实现，使在取样时间内积分器来实现，

45、使在取样时间内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果(输出输出)保保持到下一次取样。持到下一次取样。Tg:取样脉冲门宽；取样脉冲门宽；TR:取样周期；取样周期；58取样门及积分器取样门及积分器3 取样积分器信噪比改善取样积分器信噪比改善 输入端信噪比：输入端信噪比： 输出端输出端经过经过n次次取样并积分后，得到的信号是取样并积分后，得到的信号是Vso=nVsi。而。而噪声是随机的，且其均值为零，经过噪声是随机的，且其均值为零，经过n次取样并积分后，得次取样并积分后，得到的是到的是n次次功率相加，即：功率相加，即：因此，输出端信噪比是：因此，输出端信噪比

46、是：由由上式可得：噪声的幅值比上式可得：噪声的幅值比SNIR是：是： 22nisinisiVVPP22ninoVnVnisinisinisinosonosoPPnVVnVnVnVVPP2222222nVVVVSNIRnisinoso59二二. 分类分类 60单点取样积分器（单点信号单点取样积分器（单点信号平均器或平均器或Boxcar积分器）：积分器）：在每个信号周期内只在一点在每个信号周期内只在一点取样积分，经多次取样积分取样积分，经多次取样积分后得到该点幅值，即后得到该点幅值，即变换取变换取样样工作原理。工作原理。取 样 积 分 器取 样 积 分 器（信号平均器）（信号平均器）定点式定点式：

47、测某一特定时刻：测某一特定时刻的幅值的幅值多点信号平均器：多点信号平均器：在信号每在信号每个周期内对信号进行多点取个周期内对信号进行多点取样，是样，是实时取样实时取样工作原理。工作原理。扫描式扫描式：逐点扫描可恢复：逐点扫描可恢复波形波形三三. 取样积分器的工作方式取样积分器的工作方式611. 定点式取样积分器定点式取样积分器 VR与与VA保持同步产生触发信保持同步产生触发信号，经延迟电路（可调，以确定号，经延迟电路（可调，以确定要取样的时刻）作要取样的时刻）作td 延迟，经过延迟，经过取样脉冲（取样脉冲（Tg）控制取样门的开）控制取样门的开断时间，经过累加平均，经断时间，经过累加平均，经n次

48、取次取样平均后，样平均后，只能恢复周期性信号某一点的幅值只能恢复周期性信号某一点的幅值nSNIR PMT：光电倍增管：光电倍增管622. 扫描式取样积分器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。一点的幅值都恢复出来，这就必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。样脉冲控制下作同步积累两个

49、过程。63取样脉冲的形成过程取样脉冲的形成过程可变时延的取样脉冲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，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：就得到以扫描方式工作的取样积分器。如图所示： l当取样脉冲对准当取样脉冲对准t1位置取样积分位置取样积分m次后，将取样脉冲在时间次后，将取样脉冲在时间轴上延时轴上延时t（一般来说（一般来说tTg）对准）对准t2位置再取样位置再取样m次，然次，然后又向右移动后又向右移动t，对准，对准t3取样积分取样积分m次次直到取样脉冲移直到取样脉冲移动扫过信号的一个完整的周期。动扫过信号的

50、一个完整的周期。信号取样积累过程信号取样积累过程65 设被恢复的弱信号之周期为设被恢复的弱信号之周期为T，取样脉冲步进时间为，取样脉冲步进时间为t，要对，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：时间为： 因此在积分器输出端得到的输出波形是将原被测信号拉长了因此在积分器输出端得到的输出波形是将原被测信号拉长了n n倍的波形倍的波形; ;因此这种取样方式又称之为因此这种取样方式又称之为变换取样变换取样，波形如图，波形如图: : nTTtT66思考题思考题 简述简述Boxcar积分器的定点和扫描工作方式的积分器的定点和扫

51、描工作方式的工作过程。工作过程。3.9 3.9 光子计数光子计数67 利用弱光照射下光电探测器输出电信号利用弱光照射下光电探测器输出电信号自然离散自然离散的的特点，采用特点，采用脉冲甄别技术脉冲甄别技术和和数字计数技术数字计数技术把极其弱的把极其弱的信号识别并提取出来。也称为信号识别并提取出来。也称为单光子计数技术单光子计数技术。 单光子计数探测技术是一种极微弱光探测法。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（室温下的热噪声水平（10-14W）还要低，通常的直流）还要低，通常的直流检测方法

52、不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。 光子计数器原理光子计数器原理单光子计数技术单光子计数技术68 光子计数技术只适用于测量大约每秒发射光子计数技术只适用于测量大约每秒发射10108 8个以个以内分立光子的弱信号内分立光子的弱信号，其特点是：，其特点是： 系统稳定测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化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；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；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。输出数字信号，适合与计算机接口。 693.

53、9.1 3.9.1 光子计数光子计数器的原理器的原理 单光子计数器由单光子计数器由光电倍增管光电倍增管( (PMTPMT) )，前置放大器前置放大器，幅幅度鉴别器度鉴别器和和计数器计数器构成。构成。1. 光子计数器的组成光子计数器的组成高压电源高压电源是是PMT正常工作正常工作的前提的前提；PMT必须配备必须配备制冷器制冷器以减少阴极的热电子发射。以减少阴极的热电子发射。 70 PMT接受光辐射；接受光辐射； 阳极产生电流脉冲并经过阳极负载输出；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；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鉴

54、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；少暗电流和干扰； 计数器计得信号脉冲的个数并显示出来。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光子计数器的工作原理71 用光子计数器对波长为用光子计数器对波长为560nm的的弱光进行探测时，在示波器上弱光进行探测时，在示波器上显示的光电倍增管输出波形如显示的光电倍增管输出波形如图所示。图所示。 光功率为光功率为1010-13-13瓦时，已看不到瓦时，已看不到清晰的脉冲说明光电管倍增管清晰的脉冲说明光电管倍增管已来不及分辨单个光子了。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-

55、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。速率过大，则光电倍增管不能分辨，无法计数。2 2 光子计数器测量弱光的极限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这个速率由光电倍增管的渡越时间离散决定。决定。 光电倍增管的渡越时间离散光电倍增管的渡越时间离散为为1020ns，因此输出，因此输出电流脉冲的半宽度电流脉冲的半宽度tw亦为亦为1020ns。 假定光电倍增管后续的

56、放大器有足够的带宽，鉴别假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，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：为了分辨每个光电脉冲，光子速率最大值为： 个光子个光子/秒秒8max101011nstRw73光子速率光子速率R（光子数（光子数/秒）秒）和光束功率和光束功率P之间的对之间的对应数值关系及适应的检测方法如下表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，不能测量功率大于大于1010-10-10W的光功率，即不能测

57、量含有多光子的光脉冲功率。的光功率，即不能测量含有多光子的光脉冲功率。 锁定放大锁定放大mmmRchRhvP74 鉴别器的任务：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。发射产生的暗计数脉冲，提高检测结果的信噪比。3 3 光子计数器中的鉴别器光子计数器中的鉴别器 鉴别器鉴别器有二个阈值电平有二个阈值电平，可设有三种工作方式。，可设有三种工作方式。 （1）单电平工作方式）单电平工作方式（2 2）窗口工作方式）窗口工作方式 （3 3）校正工作方式）校正工作方式75763.10 3.10

58、光频外差探测的基本原理光频外差探测的基本原理直接探测：直接探测：（非相干探测）（非相干探测） 相干探测：相干探测：（光频外差探测） 装置简单，光源为装置简单，光源为相干光源相干光源或或非相干光源非相干光源，只，只能探测能探测光功率光功率。 装置复杂，光源必须为装置复杂，光源必须为相干光源相干光源，间接探测，间接探测光光波的振幅、频率和相位波的振幅、频率和相位等参数。等参数。77原理框图原理框图 信号光信号光s 参考光参考光ru双频光波：双频光波：u波前匹配条件：波前匹配条件：空间条件空间条件频率条件频率条件偏振条件偏振条件3.10.1 3.10.1 光频外差光路结构光频外差光路结构783.10

59、.2 3.10.2 双光束干涉双光束干涉ssss( )sin()E tatrrrr( )sin()E tat信号光参考光222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|( )( )|( )( )2( )( )cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()iiiIRE tE tR EtEtE t E tRaaatata ata at平方律探测器光混频输出Ihs为： 频率搬移频率搬移sr7980ssss( )sin()E tatrrrr( )sin()E tatrsrsrsr2s2s2rs频谱分析频谱分析r信号光信号光sPs G107108 外差探测直接探测

60、hsrsrs122iiIRa aRPPhssrcos()iIR a at 22hssrr222ssds22hsidsiPIR PPPGPR PPIs2s12Pa2rr12Pa增益是以直接探测为基准来加以描述的增益是以直接探测为基准来加以描述的，其定义式为，其定义式为842.2.探测能力强探测能力强直接探测光的强度：直接探测光的强度：a as s2 2振幅相位频率光波的hssrcos()iIR a at 853.3.良好的滤波性能良好的滤波性能 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。例如其带宽为在探测器前加置窄带滤波片。