光电检测技术及应用（第2版）徐熙平-第7章 微弱光信号检测201607.pptVIP

* * * * 《光电检测技术及应用》 第7章 微弱光信号检测 任课教师：张 宁 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、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，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： 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 锁相放大器又称锁定放大器．它也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： 经低通滤波后，高频相滤除： 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 一、应用于积分散射仪 它可以用来测量高反射片表面的积分散射。高反射片是经过精密加工的超光滑光学表面，表面的积分散射（散射光总功率）大小可反映表面的粗糙程度。通常，高反射片的反射率可高达99.99%以上，散射光极其微弱。因此，积分散射仪常采用相关检测技术。 二、锁相放大器 第7章 微弱光信号检测 取样积分器(Boxcar)， 是一种微弱信号检测系统。它在原理上是很古老的，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。下面分别讨论这两种模式。 三、取样积分器 第7章 微弱光信号检测 1、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