九章光电检测技术的典型应用.pptVIP

取样积分法(Boxcar方法) 1 工作原理 一个周期性的十分微弱的信号被背景噪声所掩埋，如何从背景噪声中检出这周期性的信号呢？ 如图所示，是被噪声所淹没了的周期信号。 取样积分法工作的前提： 1.微弱周期信号的周期是已知的； 这种信号一般是在主动测量中，源发出的周期性信号与被测物体作用后产生的。 2.被检测的微弱信号的周期和源发出的周期性信号的周期存在一定的关系。 相等，或者存在某种函数关系。 如果我们能够很准确地对准周期信号的某一点（如图），在每个周期的这一时刻，都对信号进行取样，并把取样值保存在积分器中； 经过ｍ次取样后，如同同步累积法一样，信号得到了增强，而噪声由于随机性，相互抵消了一部分,所以信号在噪声中显现出来。 如果对周期信号的每一点都这样处理，那就有可能将被噪声淹没的信号恢复波形。 Boxcar法原理框图 : 周期信号波形的恢复 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，这就必须采取扫描工作方式。 取样积分器分类： 2 取样积分器与同步累积的异同点 取样积分分为两种： 单点取样积分：只是对信号的某一点进行同步累积，从而加强信号而噪声相互消除，这称为单点取样积分； 多点取样积分器，多点取样积分则可恢复原微弱信号的的波形。 同步累积法只是使信号同相地累积起来，同步积分器是在信号持续的半个周期内对信号进行积分。 取样积分器是对周期信号的某一点取样并累积。 3 取样积分器信噪比改善 输入端信噪比： 输出端经过m次取样并积分后，得到的信号是Vs0=mVsi。而噪声是随机的，且其均值为零，经过m次取样并积分后，得到的是m次功率相加， 即： 因此，输出端信噪比是： 门积分电路 在普通的RC积分电路中增加一个取样门，变成门积分电路就构成了基本的取样积分器。 门积分电路的充电过程 取样积分M次后，电容器C两端的电压Vc上升到0.63Vin，则对输入电压的积分时间为 扫描取样积分器 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： 若Tg /Δt=ns，即当移动ns次后，正好是一个门宽Tg的间隔，那么可以证明，在线性累积扫描工作方式的取样积分器中，ns是用来计算信噪比改善的测量次数，即： 实际上这里的ns即前述的m，对准某一点取样的m次，是通过重迭扫描来实现的。 设被恢复的弱信号之周期为T，取样脉冲步进时间为Δt，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将原被测信号拉长了ni倍的波形; 因此这种取样方式又称之为变换取样，波形如图: 注意 为了使被恢复的信号波形不产生失真，要根据信号所包含的最高频率fmax来确定取样脉冲的宽度Tg。 多点信号平均器 扫描取样积分器在信号重复出现的一个周期内只对信号取样一次，niT的时间取出一个周期的完整。扫描取样积分器在时间上的利用率是很低的。 为了缩短恢复波形所需要的时间，可以使用多个取样积分器，在每个信号重复周期内对信号逐次多点取样。 多点信号平均器就是这样一种实时取样系统，它等效于大量单点取样积分器在不同延时的情况下并联使用。 多点信号平均器有模拟式和数字式两种: 模拟式多点平均器的存贮器是电容。 数字式多点平均器的存贮器是半导体存贮器。 模拟式多点信号平均器原理框图如图所示： 多点信号平均器对于恢复被噪声淹没的重复信号是一个强有力的工具。 Boxacr是单点步进多次取样平均，需要测量时间很长。多点信号平均器则是在信号的一个周期内对信号多点取样，在获得同样SNIR的情况下多点信号平均器所需时间只是单点平均器测一点的平均时间。可以节省大量时间。 多点信号平均器是实时取样，不会使被恢复的弱信号变形（拉长），这是Boxacr所不能比拟的。 考虑到门积分电路径相邻两次有效积分之间的等待时间，取样积分M次后，取样积分器输出达到输入的0.63，总时间为 对S/N实际起作用的是在两倍观察时间常量之内。 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向右移动Δt（一般来说ΔtTg）对准t2位置再取样m次，然后又向右移动Δt，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。 扫描式取 扫描式取 扫描式取 扫描式取 由于慢扫描电压相对于时基电压变化十分缓慢，因而取样脉冲相对于触发脉冲的移动也是十分缓慢的，以至在输入的被测信号波形上每一“点”依次可以掠过多个门宽的取样脉冲，从而对波形每个取样“点”进行多次积累平均。 * 第九章 光电检测技术的典型应用 对微弱信号检测的要求: (1) 良好的光电信号检测系统： (2) 适宜的光学系统 (3) 波长匹配、性能优良的