直接探測和外差探測

關于直接探測和外差探測第一頁，共九十七頁，2022年，8月28日光－電信號變換

光電探測器光信號電信號響應平均光功率

直接探測響應光的頻率···

相干探測第二頁，共九十七頁，2022年，8月28日(1)基本物理過程：若探測器的負載電阻是RL，則光電探測器的輸出功率為光波：光功率：1.直接探測的基本原理平方定律：第三頁，共九十七頁，2022年，8月28日(2)信噪比

設輸入的信號功率和噪聲功率分別為si和ni，輸出的分別為so和no。由平方律有考慮到信號和噪聲的獨立性，可得輸出信噪比為討論：（1）si/ni《1，則有，說明直接探測不適合微弱信號的探測；（2）si/ni》1，則有，轉換后信噪比損失不大；第四頁，共九十七頁，2022年，8月28日(3)等效噪聲功率

具有內(nèi)增益的光電探測器的電輸出功率為輸出的噪聲功率為信號光電流：背景光電流：暗電流：電阻溫度噪聲電流：對于光電二極管，M=1，對于光電導探測器前面的2改為4.輸出信噪比為探測器的噪聲等效功率為第五頁，共九十七頁，2022年，8月28日5討論：（1）熱噪聲優(yōu)勢（2）散粒噪聲優(yōu)勢（3）散粒噪聲和熱噪聲相當（4）信號噪聲極限，只考慮光信號噪聲。例：η為1，Δf為1Hz，NEP～2hν，已很接近單個光子的能量hν。光電二極管光電倍增管雪崩光電二極管第六頁，共九十七頁，2022年，8月28日6提高系統(tǒng)信噪比的基本途徑：－－光學方法，如場鏡、光錐、浸沒透鏡·····

－－－－－《應用光學》－－電學方法，如濾波、低噪聲放大、弱信號檢測·······－－－－－熱力學方法，制冷降低探測器噪聲

信噪比是衡量光電探測系統(tǒng)質量好壞的一個重要指標第七頁，共九十七頁，2022年，8月28日2.直接探測的應用舉例激光制導、飛行物自動跟蹤激光穩(wěn)頻、機器人視覺·········幾何量（長度、位移····）表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕···）光學參量（吸收、反射···）電磁量（電流、電場、磁場···）··············應用于測量：應用于控制：特點：信息加載－－輻通量（光強）第八頁，共九十七頁，2022年，8月28日83.3前置放大器的噪聲匹配當光信號功率較小時，光電探測器的電信號輸出也相應地減小。為了信號處理、顯示的需要，往往需要跟隨前置放大器。放大器的引入對探測系統(tǒng)的輸出信噪比將產(chǎn)生影響。光探測器及其偏置電路耦合網(wǎng)絡低噪聲前置放大器多級放大系統(tǒng)反饋電路放大器偏置電路后級信號處理電路光探測電路示意圖第九頁，共九十七頁，2022年，8月28日9Vs－信號源，RS－信號源內(nèi)阻，Ens－RS的熱噪聲En－放大器噪聲電壓源，In－放大器噪聲電流源，Av－放大器電壓增益，Zi－放大器的輸入阻抗，Eni－放大器輸入端的噪聲電壓，Eso－放大器的輸出端電壓，Eno－放大器輸出端的總噪聲電壓EsoEno3.3.1

前放噪聲等效電路根據(jù)電路疊加原理，各噪聲源在輸出端的貢獻分別為：Ens的貢獻為：En的貢獻為：In的貢獻為：Ens的貢獻En的貢獻In的貢獻第十頁，共九十七頁，2022年，8月28日10將上述各項均方相加便得總的輸出噪聲為：因此等效輸入噪聲為：

－放大器的電壓傳遞函數(shù)（考慮源在內(nèi)的系統(tǒng)增益，注意和Av的區(qū)別?。?/p>

－放大器的功率傳遞函數(shù)可以看出，放大器的輸入阻抗不出現(xiàn)在等效輸入噪聲的表達式中。放大器便視為是無噪聲的。第十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日11這個模型中所采用的各個參數(shù)容易測量。首先，源電阻Rs的熱噪聲Ens，可以由電阻的熱噪聲公式求出；其次計算放大器前的電路的開路輸出噪聲電壓(或短路輸出噪聲電流)；然后折合到源端位置就得到等效輸入噪聲電壓Eni的大小。放大器的輸入信噪比為：放大器的輸出信噪比為：放大器噪聲的存在，使放大器的輸出信噪比受到損失。第十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日122.噪聲系數(shù)（NoiseFactor）：輸出端總噪聲功率源電阻產(chǎn)生的輸出噪聲功率F=即Kp為放大器系統(tǒng)的功率增益（1）基本定義從輸出端角度出發(fā)第十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日13（2）推導式一總的等效輸入噪聲功率輸入端源電阻噪聲功率F=上下同除以Kp，即放大器噪聲總是存在，F(xiàn)大于1的原因從輸入端角度出發(fā)從輸入端角度出發(fā)第十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日14（3）推導式二放大器輸入噪聲功率輸入端源電阻噪聲功率F=1+第十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日15（4）推導式三輸入端信噪比輸出端信噪比F=不為Eni，此時輸入端噪聲功率僅為源電阻產(chǎn)生的熱噪聲功率用分貝表示則寫成：第十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日16

放大器的噪聲系數(shù)的定義表示信號通過放大器后，信噪比變壞的程度：如果放大器是理想的無噪聲的線性網(wǎng)絡，那么其輸入端的信號與噪聲得到同樣的放大，即輸出端的信噪比與輸入端的信噪比相同，于是F=1或NF=0dB；如果放大器本身有噪聲，又無濾波功能(如前放一般不采取帶限措施)，信號通過放大器后，則信號和噪聲都同樣放大，則輸出噪聲功率等于放大后的輸入噪聲功率和放大器本身的噪聲功率之和。對這樣的放大器，信號經(jīng)放大后，信噪比不可能變好，輸出端的信噪比就比輸入端的信噪比低，則F>1。噪聲系數(shù)意義：第十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日17

求偏導：

得：因此，當信號源的內(nèi)阻等于放大器的源電阻時噪聲系數(shù)NF取得最小值

與功率匹配區(qū)別！當信號源的內(nèi)阻等于放大器的最佳源電阻值時，放大器對檢測電路附加的噪聲最小，稱為信號源與放大器之間達到了噪聲匹配。這是低噪聲設計的一個重要原則。稱此時的源電阻為放大器的最佳源電阻，記為Ropt

當Rs=Ropt時，可使放大器的噪聲系數(shù)為最小，這時源電阻和放大器的配置稱為“噪聲匹配”，這是低噪聲設計的一個重要原則。

匹配方法1.最佳源電阻第十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日18第十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日192.放大器最佳源電阻與實際源阻抗的匹配方法1、用輸入變壓器實現(xiàn)噪聲匹配（1）應用對象：信號源電阻小于最佳源電阻情形下。（2）原理：選用適當變壓比源電阻的阻抗升高n2倍。第二十頁，共九十七頁，2022年，8月28日202、利用并聯(lián)放大器的方法實現(xiàn)噪聲匹配

N個完全相同的放大器并聯(lián)，如下圖所示，該方法等效于減小并聯(lián)以后的等效噪聲電壓和電流并聯(lián)后的噪聲系數(shù)結論，多管并聯(lián)可減小最佳源電阻，但不會影響并聯(lián)后的噪聲系數(shù)。第二十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日21

各種典型探測器的內(nèi)阻和響應時間

探測器內(nèi)阻（Ω）響應時間（s）低阻熱電偶1~1010-2~1蒸發(fā)型熱電偶50~20010-3~10-2金屬測輻射熱計1~1010-2~10-1PIN型鍺二極管~50~10-7HgCdTe（PV77K）2.5~50~10-8HgCdTe（PC77K）20~5010-8~10-7中阻鍺測輻射熱計（2.1K）1044×10-4碳測輻射熱計（2.1K）105~10610-2PbS（PC常溫）105~1075×10-5~5×10-4PbSe（PC常溫）106~107~2×10-6InSb（PV77K）103~105<10-6高阻Ge:Au（PC77K）105~107<10-6熱釋電探測器~1083×10-9~4×10-5第二十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日22習題（1）最佳源電阻是信號源的參數(shù)，還是前放的參數(shù)。它的表達式是什么？式中各項代表什么？什么是噪聲匹配。（2）已知集成運算OP07E的噪聲參數(shù)En＝10.3nV，In＝0.32pA，試計算應用于Rs＝100kΩ，Δf＝1Hz及T＝300k時，其NF及Eni值（3）根據(jù)下列條件判斷那一種器件產(chǎn)生的等效輸入噪聲最?。?/p>

a．在Rs＝10kΩ時，測出其NF＝20dB。

b．在Rs＝1MΩ時，測出其NF＝20dB。第二十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日23二.多級放大器噪聲系數(shù)NFPni

三級放大器的噪聲系數(shù)KP1Pn1F1KP2Pn2F2KP3Pn3F3PnoF1,2,3總的輸出噪聲功率Pno為總的輸出噪聲系數(shù)F為第二十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日24考慮第一級放大器單獨和源相連接時，得到噪聲功率和噪聲系數(shù)為：考慮每個放大器單獨和源相連接時，得到：代入第二十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日25對于n級放大器，可以得出其噪聲系數(shù)為：這就是多級放大器的噪聲系數(shù)理論的Friis公式從這個公式可以看出：如果第一級的功率增益Kp1很大，則多級放大器噪聲系數(shù)的大小，主要取決于第一級放大器的噪聲系數(shù)F1。設計中，為了使多級放大器的噪聲系數(shù)減小，應盡量提高第一級的功率放大倍數(shù)Kp1；盡量減小第一級的噪聲系數(shù)，這就是指導我們設計低噪聲前放的又一個重要原則。

如果第一級的功率增益不是很大，減小噪聲系數(shù)的關鍵在于使本級具有高增益和低噪聲。第二十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日26總結放大器的噪聲模型：等效輸入噪聲：噪聲系數(shù)：噪聲匹配——最佳源電阻Friis公式—與探測器直接相連接的放大器必須是低噪聲的。第二十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日273.5

相關檢測

利用信號在時間上相關這一特性，可能把深埋于噪聲信號中的周期信號提取出來，這種提取方法稱為相關檢測或相關接收。

信號的相關性用相關函數(shù)來描述，它代表線性相關的度量，是隨機過程在兩個不同時間相關性的一個重要統(tǒng)計參量。第二十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日281.相關函數(shù)3.5.1相關原理相關函數(shù)分為自相關函數(shù)和互相關函數(shù)。1）自相關函數(shù)?為延遲時間，T為觀察時間，x(t)是隨機過程的一個樣本函數(shù)。根據(jù)Wiener-khintchine(維納－欣欽

)定理：

傅里葉變換

式中Sx(ω)是x(t)的功率譜密度函數(shù)。第二十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日29（1）正弦波：根據(jù)定義式,可得:

由此可見，周期信號的自相關函數(shù)仍為周期信號，且周期不變，但相位信息損失。

第三十頁，共九十七頁，2022年，8月28日30（2）白噪聲其功率譜密度與頻率無關，為一常數(shù)根據(jù)Wiener-khinthine定理，白噪聲的自相關函數(shù)

這就說明白噪聲的自相關函數(shù)只在τ=0時存在，隨著τ的增大，衰減很快。第三十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日31（3）帶通白噪聲實際的白噪聲是在一定帶寬之內(nèi)的白噪聲，其功率譜密度為：這種帶通白噪聲的帶寬決定于系統(tǒng)中的通頻帶。第三十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日32第三十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日33

Rxx(τ)＝Rxx(－τ)，即Rxx(τ)為τ的偶函數(shù)。

Rxx(0)≥

Rxx(τ)，Rxx(0)

是最大值，并且代表x(t)變化量的平均功率。如果x(t)是周期函數(shù)，則Rxx(τ)也是周期函數(shù)，且周期相等，但失去原函數(shù)全部相位信息。

如果x(t)是非周期函數(shù)，則Rxx(τ)從Rxx(0)最大值迅速隨

τ增大單調遞減。（4）

自相關函數(shù)特點第三十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日342）互相關函數(shù)互相關函數(shù)特點

Rxy(τ)＝Ryx(－τ)，即Rxy(τ)與Ryx(τ)互為鏡像對稱。如果兩個信號或隨機過程互相完全沒有關系，（例如信號與噪聲）則其互相關函數(shù)將為一個常數(shù)，并且等于兩個信號平均值的乘積；若其中一個（如噪聲）的平均值為零，則它們的互相關函數(shù)Rxy(τ)將處處為零，即完全不相關。如果兩個信號是具有相同基波頻率的周期函數(shù)，則它們的互相關函數(shù)將保存它們基波頻率以及兩者所共有的諧波成分，而相位則為兩個原信號相應頻率成份的相位差。自相關函數(shù)是互相關函數(shù)的一個特例。第三十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日35原理：信號在時間上相關，噪聲在時間上不相關。這兩種不同的相關特性，可以把深埋于噪聲中的周期信號提取出來，這是微弱信號檢測的一種有效方法。根據(jù)相關函數(shù)的性質，可以利用乘法器，延時器及積分器進行相關運算，從而將周期信號從噪聲中檢測出來，這就是所謂的“相關檢測”。相關檢測可分為自相關檢測與互相關檢測。2.相關檢測第三十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日36si(t):信號ni(t):噪聲;x(t)=Si(t)+ni(t)1）

自相關檢測自相關檢測的原理框圖

＝第三十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日37通過積分器輸出得到

:Rsn(τ)、Rns(τ)分別表示信號和噪聲的互相關函數(shù)，由于信號與噪聲不相關，故幾乎為零；而Rnn(τ)代表噪聲的自相關函數(shù)，隨著積分時間的適當延長，Rnn(τ)也很快趨于零；因此，經(jīng)過不太長的時間積分，積分器之輸出中只會有一項Rss(τ)，故:這樣，便可順利地將淹沒在噪聲中的信號檢測出來。

第三十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日38例如，被檢測信號為一余弦信號時，設則:Rss(τ)為信號的自相關函數(shù)，它與信號同頻的余弦函數(shù)，Rnn(τ)為噪聲的自相關函數(shù)，隨τ的增加，衰減得很快，Rxx(τ)為輸出端最初的波形，仍混有噪聲的干擾。

相應的自相關檢測輸出波形如圖所示:第三十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日392)互相關檢測互相關檢測的原理框圖如圖所示

:輸入乘法器的是被含有噪聲ni(t)的信號x(t)=ni(t)+Si(t)和被延時的與被檢測信號Si(t)同頻率的參考信號y(t)，最后積分器的輸出為

:第四十頁，共九十七頁，2022年，8月28日40Rny(τ)是噪聲與參考信號的互相關函數(shù)，參考信號和噪聲是不相關的，Rny(τ)隨積分時間延長而趨于零;互相關檢測特點比自相關輸出的噪聲有關項要少2項，故互相關檢測比自相關檢測抑制噪聲的能力強。互相關檢測要求用與被測信號同頻率的參考信號y(t)，當被測信號Si(t)未知時，要取得與Si(t)同頻率的信號在某些情況下是困難的。這時一般不采用互相關檢測。第四十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日41鎖定放大器

（LIA，Lock－inAmplifier）

鎖定放大器是根據(jù)互相關檢測原理使輸入待測的周期信號與參考信號實現(xiàn)互相關來抑制噪聲、檢測微弱信號。它采用了一個相敏檢波器(PSD)，故鎖定放大器通常又稱為相敏檢波交流電壓表。第四十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日421.鎖定放大器的原理框圖典型的鎖定放大器主要由三大部分組成：信號通道、參考通道、相關器∫第四十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日431.信號通道

從探測器輸出的信號或源發(fā)出的信號經(jīng)過被測物體后十分微弱，其信噪比甚至低于1/103。信號首先經(jīng)過低噪聲前置放大器進行放大；然后再通過各類濾波器和陷波器（如同步積分器或旋轉電容濾波器）將信號進行初步的預處理，將帶外噪聲和干擾盡量排除；然后再作進一步的放大，以便送到相關器進行檢測。第四十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日44

2.參考通道參考通道信號和被檢測信號頻率相同，這是進行鎖定放大的一個必要條件。若被檢測信號的頻率不穩(wěn)定，頻率改變或漂移了，參考信號的頻率也必須跟著改變，總是保持著兩種信號的頻率相等。因此鎖定放大器所進行的工作又稱為頻域相干檢測。參考信號送入?yún)⒖纪ǖ篮螅紫冗M入觸發(fā)電路，產(chǎn)生和被檢信號同頻的方波，再經(jīng)過移相電路進行移相，然后經(jīng)過驅動電路功率放大后，再送達相關器去控制相關器的乘法器。第四十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日453.相關器（PSD）

相關器是鎖定放大器的核心部件，鎖定放大器之所以有很強的抑噪能力，主要是靠相關器消除噪聲和干擾。相關器又稱之為相敏檢波器（PSD－PhaseSensitiveDetector）或相關解調器，主要是由一個乘法器（經(jīng)常使用的是開關乘法器）和一個低通濾波器組成。第四十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日46開關式乘法器VBVAV1R1C0V0-+R0i1i2i3相敏檢波器的原理圖輸入信號為正弦波參考信號VB是如圖所示的對稱周期矩形方波：

VR0Tt參考信號VB波形第四十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日47那么乘法器的輸出（積分器的輸入電壓）：若積分器的輸出電壓為V0，則V1、

V0滿足微分方程：即可求出V0：一級近似第四十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日48輸入信號與參考信號的基波(n=0)頻率相等時為積分器的時間常數(shù)。且包含待測信號的幅度VA0；R0/R1是近似積分器（或低通濾波器）的直流放大倍數(shù)（或直流增益）；

V0與輸入信號與參考信號之間相位差的余弦成正比：φ＝0，V0最大；φ＝π/2，V0＝0。穩(wěn)態(tài)輸出電壓。第四十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日49（1）鎖定放大器在工作時需要注意選擇參考信號的相位，以保證信號輸出最大。（2）鎖定放大器把輸入的交流信號變?yōu)橹绷餍盘?。也就是說它不能恢復原有信號的波形。第五十頁，共九十七頁，2022年，8月28日501).等效噪聲帶寬ΔfN

：表示系統(tǒng)（電路）對噪聲的通過能力或抑制能力.

2.鎖定放大器的主要性能參數(shù)RC低通濾波器等效噪聲帶寬2).等效信號帶寬Δfs

：第五十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日51

信噪比改善是指系統(tǒng)輸出端信噪比與輸入信噪比的比值，即例：設系統(tǒng)輸入噪聲帶寬為100kHz，輸出等效噪聲帶寬為10-3Hz，則信噪比（電壓）改善為：1043..5.3信噪比改善鎖定放大器的信噪比改善常用輸入信號的噪聲帶寬與PSD的輸出噪聲帶寬之比的平方根表示：——表明鎖定放大器具有很強的抑制噪聲的能力。第五十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日52思考題畫出鎖定放大器的工作原理框圖，并簡述其工作原理。強噪聲背景下的帶寬周期信號可以采用鎖相放大器嗎？為什么？第五十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日533.8

取樣積分器

第五十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日54一.概述1.LIA的局限性（1）只能用正弦波、方波，對于寬帶任意波形的信號無能為力。（2）LIA實質是濾波器，靠降低等效噪聲帶寬來抑噪。但在強干擾噪聲背景下，寬帶信號的檢測用壓縮帶寬的辦法效果不明顯。第五十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日552.解決途徑：取樣積分器（信號平均器、Boxcar積分器）將待測的周期信號逐點多次取樣并進行同步積累。這種方法是利用信號在時間上的相關性，經(jīng)多次重復能夠有效地積累，而噪聲前后不相關，積累效果就差。利用它可以解決在強噪聲背景下任意形狀的寬帶周期信號的檢測和波形再現(xiàn)問題。第五十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日563.8.1取樣積分器的工作原理一.工作原理

一個取樣積分器的核心組件是取樣門和積分器。通常采用取樣脈沖控制RC積分器來實現(xiàn)，使在取樣時間內(nèi)被取樣的波形作同步積累，并將所積累的結果(輸出)保持到下一次取樣。Tg:取樣脈沖門寬；TR:取樣周期；第五十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日57取樣門及積分器第五十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日583取樣積分器信噪比改善輸入端信噪比：輸出端經(jīng)過n次取樣并積分后，得到的信號是Vso=nVsi。而噪聲是隨機的，且其均值為零，經(jīng)過n次取樣并積分后，得到的是n次功率相加，即：因此，輸出端信噪比是：由上式可得：噪聲的幅值比SNIR是：

第五十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日59二.分類

單點取樣積分器（單點信號平均器或Boxcar積分器）：在每個信號周期內(nèi)只在一點取樣積分，經(jīng)多次取樣積分后得到該點幅值，即變換取樣工作原理。取樣積分器（信號平均器）定點式：測某一特定時刻的幅值多點信號平均器：在信號每個周期內(nèi)對信號進行多點取樣，是實時取樣工作原理。掃描式：逐點掃描可恢復波形第六十頁，共九十七頁，2022年，8月28日60三.取樣積分器的工作方式1.定點式取樣積分器VR與VA保持同步產(chǎn)生觸發(fā)信號，經(jīng)延遲電路（可調，以確定要取樣的時刻）作td延遲，經(jīng)過取樣脈沖（Tg）控制取樣門的開斷時間，經(jīng)過累加平均，經(jīng)n次取樣平均后，只能恢復周期性信號某一點的幅值PMT：光電倍增管第六十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日612.掃描式取樣積分器如果要恢復周期信號的波形，必須在定點取樣積分器的基礎上，對周期信號的一周期內(nèi)的各點進行掃描，把周期信號每一點的幅值都恢復出來，這就必須采取掃描工作方式。它主要包括可變時延的取樣脈沖和在取樣脈沖控制下作同步積累兩個過程。第六十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日62取樣脈沖的形成過程可變時延的取樣脈沖第六十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日63

在定點取樣積分的基礎上，順序改變?nèi)狱c的位置，就得到以掃描方式工作的取樣積分器。如圖所示：

當取樣脈沖對準t1位置取樣積分m次后，將取樣脈沖在時間軸上延時Δt（一般來說Δt<Tg）對準t2位置再取樣m次，然后又向右移動Δt，對準t3取樣積分m次……直到取樣脈沖移動掃過信號的一個完整的周期。信號取樣積累過程第六十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日64設被恢復的弱信號之周期為T，取樣脈沖步進時間為Δt，要對弱信號一個周期取樣完畢，而每個周期又只取樣一次，故所需時間為：因此在積分器輸出端得到的輸出波形是將原被測信號拉長了n倍的波形;因此這種取樣方式又稱之為變換取樣，波形如圖:

第六十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日65思考題簡述Boxcar積分器的定點和掃描工作方式的工作過程。第六十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日663.9光子計數(shù)第六十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日67利用弱光照射下光電探測器輸出電信號自然離散的特點，采用脈沖甄別技術和數(shù)字計數(shù)技術把極其弱的信號識別并提取出來。也稱為單光子計數(shù)技術。

單光子計數(shù)探測技術是一種極微弱光探測法。它所探測的光的光電流強度比光電檢測器本身在室溫下的熱噪聲水平（10-14W）還要低，通常的直流檢測方法不能把這種湮沒在噪聲中的信號提取出來。

光子計數(shù)器原理——單光子計數(shù)技術第六十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日光子計數(shù)技術只適用于測量大約每秒發(fā)射108個以內(nèi)分立光子的弱信號，其特點是：

●系統(tǒng)穩(wěn)定測量結果受光電探測器的漂移、系統(tǒng)增益變化以及其它不穩(wěn)定因素的影響較??；●系統(tǒng)探測靈敏度高，抗噪聲能力強；●輸出數(shù)字信號，適合與計算機接口。

第六十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.9.1光子計數(shù)器的原理單光子計數(shù)器由光電倍增管(PMT)，前置放大器，幅度鑒別器和計數(shù)器構成。1.光子計數(shù)器的組成高壓電源是PMT正常工作的前提；PMT必須配備制冷器以減少陰極的熱電子發(fā)射。第七十頁，共九十七頁，2022年，8月28日PMT接受光輻射；陽極產(chǎn)生電流脈沖并經(jīng)過陽極負載輸出；經(jīng)過放大器信號放大后送到鑒別器；鑒別器通過設置第一鑒別電平和第二鑒別電平來減少暗電流和干擾；計數(shù)器計得信號脈沖的個數(shù)并顯示出來。光子計數(shù)器的工作原理第七十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日用光子計數(shù)器對波長為560nm的弱光進行探測時，在示波器上顯示的光電倍增管輸出波形如圖所示。光功率為10-13瓦時，已看不到清晰的脈沖說明光電管倍增管已來不及分辨單個光子了。

（a）

光強10-13瓦光電速率脈沖及噪聲

（b）

光強10-14瓦光電速率脈沖及噪聲

（c）

光強10-15瓦光電速率脈沖及噪聲

（c）

光強10-16瓦光電速率脈沖及噪聲

第七十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日72光子計數(shù)器是測量弱光的儀器，如果被檢測光束光子速率過大，則光電倍增管不能分辨，無法計數(shù)。2光子計數(shù)器測量弱光的極限

這個速率由光電倍增管的渡越時間離散Δτ決定。光電倍增管的渡越時間離散Δτ為10~20ns，因此輸出電流脈沖的半寬度tw亦為10~20ns。假定光電倍增管后續(xù)的放大器有足夠的帶寬，鑒別器和脈沖計數(shù)器都有足夠高的速率的理想情況下，為了分辨每個光電脈沖，光子速率最大值為：

個光子/秒第七十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日73光子速率R（光子數(shù)/秒）和光束功率P之間的對應數(shù)值關系及適應的檢測方法如下表:

光子計數(shù)器只能測量微弱光和超微弱光的功率，不能測量功率大于10-10W的光功率，即不能測量含有多光子的光脈沖功率。

鎖定放大第七十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日74鑒別器的任務：棄除低幅度和高幅度噪聲脈沖，降低光陰極的熱電子發(fā)射產(chǎn)生的暗計數(shù)脈沖，提高檢測結果的信噪比。3光子計數(shù)器中的鑒別器鑒別器有二個閾值電平，可設有三種工作方式。

（1）單電平工作方式

（2）窗口工作方式

（3）校正工作方式

第七十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日75第七十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日763.10光頻外差探測的基本原理直接探測：（非相干探測）

相干探測：（光頻外差探測）裝置簡單，光源為相干光源或非相干光源，只能探測光功率。

裝置復雜，光源必須為相干光源，間接探測光波的振幅、頻率和相位等參數(shù)。第七十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日原理框圖信號光ωs參考光ωr雙頻光波：波前匹配條件：空間條件頻率條件偏振條件3.10.1光頻外差光路結構第七十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.10.2雙光束干涉信號光參考光平方律探測器光混頻輸出Ihs為：頻率搬移第七十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日頻譜分析信號光<1010Hz第八十頁，共九十七頁，2022年，8月28日80前兩項是兩個直流分量，另外由于ωs和ωr都是極高的光頻，

所以ωs+ωr太高，探測器來不及響應，也就是說，這部分光波成分與探測器不發(fā)生相互作用。而差頻相對于和頻來說是個慢變化，只要其小于光電探測器的截止頻率，那么探測器就有相應的光電流輸出。第八十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日81探測器、放大器－－濾波器（中頻輸出，直流項被濾出）特例：單頻雙光束干涉（頻差為0）－零差探測光電系統(tǒng)－－相干探測

－－光外差探測混頻器選通放大器觀察儀器高頻示波器頻譜分析儀

外差接收△v，104～1010Hzνsνr第八十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.10.3外差信號的特點相干探測優(yōu)點：（與直接探測對比）探測能力強轉換增益高信噪比高濾波性好穩(wěn)定性和可靠性高第八十三頁，共九十七頁，2022年，