光电信号处理介绍.ppt

第四章 光电信号处理 4.1光辐射探测过程的噪声 4.2光电探测器的偏置电路 4.3光电探测器的放大电路 4.4微弱信号检测 4.5锁定放大器 4.6取样积分器 4.7光子计数器 1. 低噪声电子设计的适用范围 2.微弱信号检测的途径 根据噪声的特性和不同信号的特点，微弱信号检测的途径一般有三条： ●一是降低传感器与放大器的固有噪声，尽量提高其信噪比； ●二是研制适合弱检原理并能满足特殊需要的器件； ●三是研究并采用各种弱信号检测技术，通过各种手段提取信号。 这三者缺一不可。 4.4.1信噪比改善（SNIR） 在介绍微弱信号检测的一般方法之前，先介绍信噪比改善（SNIR）的定义： ●信噪比改善（SNIR）是衡量弱检仪器的一项重要性能指标。 ●信噪比改善的定义为 　　 ●从数学表达式看，SNIR似乎是噪声系数NF的倒数，但实质上两者是有差别的。 ●噪声系数是对窄带噪声而言的，并且得到结论NF≥1。这个结论的产生是由于假设了输入噪声的带宽小于或等于放大系统的带宽； ●实际上输入噪声的带宽要大于放大系统的带宽，因而噪声系数NF便有可能要小于1，同时又考虑到实际的情况，因此而给出信噪比改善的概念。 信噪比改善（SNIR）＝ 那么 为放大系统的增益。 得： 是放大系统对信号的功率增益，我们可以取中频区最大值，即 所以： 而 即系统的等效噪声带宽。 故可得： 放大系统的信噪比改善等于输入噪声的带宽Bi与系统的等效噪声带宽Bn之比。 ●因此，减小系统的等效噪声带宽，可以提高信噪比改善。 例：有一个信号掩埋在噪声中 ，若输入信噪比： 那么只要检测放大系统的等效噪声带宽做得很小，使BnBi ，就可能将此信号检测出来。 例如，若 而 Bi =100KHz， Bn =1KHz。 则 ∴ 由此可见，输出端信噪比得到改善，信号远大于噪声，信号被检测出来 。 4.4.2最大信噪比原理 为获得最大的输出信噪比，考虑系统频率函数与输入信号之间的关系。 根据施瓦茨不等式的共轭平行条件可求出系统最大输出信噪比条件： 匹配滤波器 系统最大输出信噪比条件： 4.4.3 窄带滤波法 原理： ●利用信号的功率谱密度较窄而噪声的功率谱相对很宽的特点； ●用一个窄的带通滤波器，将有用信号的功率提取出来。 ●由于窄带通滤波器只让噪声功率的很小一部分通过，而滤掉了大部分的噪声功率，所以输出信噪比能得到很大的提高。 对一个白噪声来说，当其通过一个电压传输系数为Kv，带宽为B=f2-f1的系统后，则输出噪声为 ： 由上式可以看出： ●噪声输出总功率与系统的带宽成正比。 ●因而可以通过减小系统带宽来减小输出的白噪声功率。 例如：1/f 噪声通过与上相同的系统之后，其输出噪声功率为 ： 由上式可见，仍然可以通过减小通频带B来减小输出端的1/f 噪声功率。 如图有限正弦信号及白噪声的功率谱密度曲线 使用了窄带通滤波器后 窄带通滤波器在上述（白噪声）条件下的信噪比改善为 输出端信号功率 Ps0： 输出端噪声功率 Pn0: ∴ 即： 也就是： Bf和Bn的关系，有点差别但不大。 Bn为窄带通滤波器的等效噪声带宽，Bi为输入噪声的带宽，即使是白噪声，它也有一个带宽，实际上并不是到无穷大。 窄带通滤波器的实现方式： 常见的有双T选频，LC调谐，晶体窄带滤波器等。 双T选频可以做到相对带宽等于千分之几左右。 晶体窄带滤波器可以做到等于万分之几左右。但即使是这样，这些滤波器的带宽还嫌太宽，因为这种方法不能检测深埋在噪声中的信号，通常它只用在对噪声特性要求不很高的场合。 更好的方法是用锁定放大器和取样积分器，这在后面再作理论。 4.4.4双路消噪法 原理：利用两个通道对输入信号进行不同的处理，然后设法消去共同的噪声，最后得到有用的信号。 特点：这种方法只能用来检测微弱的正弦波信号是否存在，并不能复现波形。 双路消噪法的原理框图 4.4.5 同步累积法 基本原理：利用信号的重复性和噪声的随机性，对信号重复测量多次，使信号同相地累积起来，而噪声则无法同相累积，使信噪比得到改善。 显然，测量次数越多，则信噪比的改善越明显。 若测量次数为n，则累积的信号等于： 　 其中 为累积信号的平均值， 另一方面，重复测量几次后，根据各次噪声的不相关性，则累积的噪声等于： 式中最后的En为累积噪声的均方根值。 得到信噪