《光电检测技术及应用 第3版 》课件 -第7章 微弱光信号检测

01十月2026《光电检测技术及应用》第7章微弱光信号检测目录7.1基本概念能量信号与功率信号、相关函数、相关接收、相敏检波器7.2锁相放大器锁相放大器的工作原理、典型应用7.3取样积分器取相积分工作原理、典型应用7.4光子计数器光子计数器原理，典型应用①释义能量信号与功率信号、相关函数、相关接收、相敏检波器；②描述锁相环放大器、取样积分器电路工作原理；③归纳光子计数器电路的工作原理。第七章微弱光信号检测教学要求微弱光信号检测技术是在分析噪声规律的基础上，采用光学、电子学、信息论、计算机及物理方法达到检测极弱光信号的技术。

微弱是针对噪声而言，信号较小。噪声有外界背景干扰噪声、传感器本身噪声、放大器、测量电路的噪声等，很多噪声都是随机的。

微弱信号检测是专门抑制噪声而言的。只靠放大不行，只有在有效抑制了噪声的前提下，增大微弱信号的幅度，才能提取出有用信号。第7章微弱光信号检测常用小信号检测的方法有滤波、调制放大与解调、反馈补偿、屏蔽隔离的方式来干扰噪声耦合途径。

采用通频带很窄的滤波器可以抑制部分噪声，需要调整滤波器的中心频率在信号频率上，对于周期不固定或者频率不能做到绝对很顶的信号，滤波器的通频带就不能过窄，而宽通频带对信噪比的改善也较差。

此时，采用相关检测的理论和方法，压缩带宽就可以很好的完成弱信号的提取。（基本概念和理论对应教材204-206页）

第7章微弱光信号检测内容总结由相关函数的数学表达式可知，需要一个乘法器和积分器实现这一运算。（相敏检波器，对应教材207-208页）

相关器相当于以参考信号频率为参数的梳状滤波器，滤波器的通带在各奇次谐波处，它只能将和对称方波中具有的各奇次谐波通过，而抑制其他频率的干扰和噪声。在各奇次谐波处的通带越窄，就越接近于理想匹配滤波器。

当信号的频率和相位已知时，采用相关检测技术能使得输出信噪比达到最大，锁定放大器（Lock-inAmplifier，LIA）就是采用这一原则设计与制造的，它能在很强的噪声或干扰背景中测量已知频率的正弦波或方波信号。由信号通道、参考通道、相关器组成，其核心部分就是相关器。（锁定放大器，对应教材208-211页）

内容总结通常在锁定放大器里不采用模拟乘法器，也不采用积分时间为无穷长的积分器，因为模拟乘法器要保证动态范围大、线性好将是很困难的。由于被测信号是正弦波或方波，乘法器就可以采用动态范围大、线性好、电路简单的开关乘法器。国内外大部分的锁定放大器都是采用这种乘法器。锁定放大器的等效噪声带宽由相关器的时间常数决定，见公式7-19，其数值可以做到很窄，为了对锁定放大器的抑制干扰和抑制噪声的能力有一个定量的了解，教材210页举了几个数据进行说明。其它参数指标课下可自行查找具体ALIA或DLIA的相关资料自学。在实际工程中，信号是复杂的宽带函数，不一定是正弦波或方波，也可能是微弱的周期短脉冲波（如受激的荧光波、血流信号或脑电心电信号等），不仅要求获得信号的某一瞬态平均值（定点式），还可能需要恢复和记录信号的波形（扫描式），取样积分器（Boxcar）就是针对这种复杂宽带周期脉冲信号的检测及恢复而设计的。如扫描式取样积分器，按采样定理要求，以一定的时间间隔对信号进行间隔采样并加以平均，信号多次取样积累，信号累加后更突出，随机噪声多次累加平均值趋于零，获得信噪比改善较好的输出。

每个信号周期分成若干时间间隔，间隔大小取决于恢复信号所需要的精度。将各周期中处于相同位置的取样进行积分或平均，从而完成信号波形的检测。

取样积分器由信号通道、参考通道、门积分器组成，其核心部分就是门积分器。（取样积分器，对应教材211-214页）内容总结此外，在生物、医学、天文等微弱发光分析领域，采用光电倍增管，结合脉冲鉴别技术和数字计数技术来检测入射光子数，也可以很好的实现极弱光强和光照度的测量。

光子计数器由单光子探测器（如光电倍增管或雪崩光敏二极管）、放大器、鉴别器和计数器等组成。光辐射照射到光电倍增管上，形成一系列电脉冲，放大后进行脉冲鉴别，滤除掉噪声脉冲，分离处单光子脉冲并进行计数，进而检测出离散的弱光脉冲信号功率。第7章微弱光信号检测内容总结1、能量信号与功率信号微弱光信号检测的对微小信号探测主要方法之一。信号电压（或电流）加到一欧姆电阻上所消耗的能量定义为信号的归一化能量，用E表示。即：信号电压（或电流）在一欧姆电阻上所消耗的功率为信号的平均功率，用P表示。即：一、基本概念第7章微弱光信号检测一、基本概念2、相关函数输入同一电路的两个信号产生时间延迟，相关函数即是研究两信号在延时中的相关性。互相关函数：自相关函数：第7章微弱光信号检测3、相关接收

相关接收就是应用信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关的运算，达到去除噪声的一种技术。实际上，相关检测器就是计算相关函数的检测仪器。自相关接收若：则：一、基本概念第7章微弱光信号检测互相关接收互相关框图设输入信号为：参考信号为：则互相关函数为：互相关接收的抗干扰性能比自相关的好，如：可以实现从噪声中提取单脉冲信号。一、基本概念第7章微弱光信号检测一、基本概念4、相敏检波器两个正弦波信号相敏检波器示意图当两信号的频率相等时，输出：为相敏直流电压，正比于相位差的余弦量。因此输出的仅与相位差有关，即“相敏”。第7章微弱光信号检测一、基本概念正弦波+方波信号输出包含信号频率与全部方波基频的奇次谐波的和以及差频所组成的大量谐波分量。因此，相敏检波器的输出包含任何一个奇次谐波所产生的相敏直流输出。第7章微弱光信号检测一、基本概念a)相敏检波电路b)输入输出波形

相敏检波器电路及波形第7章微弱光信号检测

锁相放大器是一种微弱信号的检测仪器。它起到了一个极窄的带通滤波器的作用，而不是普通滤波器。它的原理也是基于信号和噪声在相关特性方面的差别。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定放大器是一个非常重要的品种。信噪比可低达10-5。BW=0.0004Hz（相当于Q值=108）。二、锁相放大器第7章微弱光信号检测当输入信号为；参考信号为则输出信号为：经低通滤波后，高频项滤除：当输入与参考信号同频时：二、锁相放大器第7章微弱光信号检测应用于积分散射仪二、锁相放大器第7章微弱光信号检测检测原理组成结构工作过程……

取样积分器(Boxcar)用于微弱信号检测的原理上是很古老的，它利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。因为信号提取(取样)是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的信号波形。

取样积分器通常有两种工作模式，即定点式和扫描式。定点式取样积分器是测量周期信号的某一瞬态平均值；扫描式取样积分器则可以恢复和记录被测信号的波形。三、取样积分器第7章微弱光信号检测定点式取样积分器a)定点式取样积分器示意图b)定点式取样积分器工作波形图定点式取样积分器及工作波形设积分器的充电时间常量则经过N次取样后，电容C上的电压值为三、取样积分器第7章微弱光信号检测定点式取样积分器仅能在噪声中提取信号瞬时值，其功能与锁定放大器相同，不同的定点可通过手控延时电路来实现。对于N次取样平均器，积分电容上的取样信号连续叠加N次。这时，输入信号中的被测信号本身同相地累积起来，其累积的信号为被测信号平均值的N倍；另一方面，根据各次噪声的不相关性，输入信号中的噪声则是均方根的平均，其累积的噪声为其平均值的倍。若单次取样信噪比为，则多次取样的信噪比为

即信噪比改善随N增大而提高。三、取样积分器第7章微弱光信号检测a)扫描式取样积分器示意图b)工作波形图扫描式取样积分器及其工作波形取样积分器门延迟的时间借助慢扫描电压缓慢而连续地改变，使取样脉冲和相应触发脉冲之间的延时依次增加，于是对每一个新的触发脉冲，取样脉冲缓慢移动，逐次扫描整个输入信号。三、取样积分器第7章微弱光信号检测应用于激光分析计三、取样积分器第7章微弱光信号检测检测原理组成结构工作过程……

利用光电倍增管能检测单光子能量的功能，通过测量单位时间内的光子数来测量极微弱光脉冲信号的装置。类型：基本的光子计数系统;源补偿的光子计数系统；背景补偿的光子计数系统。四、光子计数器第7章微弱光信号检测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鉴别器上，调整阈值电平，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即脉冲数，从而检测离散的弱光脉冲信号功率。四、光子计数器第7章微弱光信号检测

实际上，除了单光子激励产生的信号脉冲外，光电倍增管还输出热发射、倍增极电子热发射和多光子发射以及宇宙线和荧光发射引起的噪声脉冲，如图所示。

其中，多光子脉冲幅值最大，其他脉冲的高度相对要小些。采用鉴别器，调整阈值，只对光子信号形成脉冲。四、光子计数器第7章微弱光信号检测

光子脉冲由计数器累加计数，由计数器A和定时器B组成。利用手动和自动启动脉冲，使计数器A开始累加从鉴别器来的信号脉冲。计数器C同时开始计数由时钟脉冲源来的计时脉冲。计数器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，则计数器预置的计数时间为：于是在预置的测量时间内，计数器A的累加计数值可计算为：

四、光子计数器第7章微弱光信号检测基本过程：用光电倍增管检测弱光的光子流，形成包括噪声信号在内的输出光脉冲；利用脉冲幅度鉴别器鉴别噪声脉冲多光子脉冲，只允许单光子脉冲通过；利用光子脉冲计数器检测光子数，根据测量目的，折算出被测参量；

为补偿辐射源或背景噪声的影响，可采用双通道测量方法。四、光子计数器第7章微弱光信号检测

斩光器用来通断光束，分别产生交变的“信号+背景”和“背景”的光子计数率，同时为光子计数器A、B提供选通信号。当斩光器叶片挡住输入光线时，放大鉴别器输出的是背景噪声N，这些噪声脉冲在定时电路的作用下由计数器