第9章-光電檢測技術(shù)的典型應(yīng)用1

9.1微弱光信號(hào)檢測技術(shù)第9章光電檢測技術(shù)的典型應(yīng)用降低噪聲、改善信噪比待測信號(hào)被噪聲淹沒原因方法采用壓縮檢測通道帶寬采用取樣平均處理的方法使信號(hào)多次同步取樣累計(jì)檢測通道輸出白噪聲正比于頻帶寬的平方根信號(hào)的增加取決于取樣總數(shù)，而隨機(jī)白噪聲增加卻僅由取樣數(shù)的平方根決定9.1.1鎖相放大器它是一種對(duì)交變信號(hào)進(jìn)行相敏檢波的放大器。它利用和被測信號(hào)有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號(hào)作為比較基準(zhǔn)，只對(duì)被測信號(hào)本身和那些與參考信號(hào)同頻（或倍頻）、同相的噪聲分類有響應(yīng)，故能大幅度抑制無用噪聲，改善信噪比。特點(diǎn)：具有很高的檢測靈敏度，信號(hào)處理比較簡單。選頻鎖相環(huán)移相器輸入信號(hào)AC參考信號(hào)AC信號(hào)通道相敏檢波輸出信號(hào)DC前放混頻乘法器低通濾波器圖9-1鎖相放大器的組成方框圖參考通道VrV0Vs1.鎖相放大器的構(gòu)成2.鎖相放大器的原理設(shè)乘法器的輸入信號(hào)Vs：參考信號(hào)Vr：則輸出信號(hào)V0為：低通濾波器輸出信號(hào)V'0為：圖9-2通過相敏檢波器實(shí)現(xiàn)的頻譜變換輸入信號(hào)單純低通濾波光調(diào)制單純帶通濾波相敏檢波檢波后濾波信號(hào)譜噪聲譜LPFBPFLPFω0fffffff2ω0圖9-3方波控制的相敏放大器工作原理0V00V00V00V0VmtVmtVmtVmt圖9-4波形圖方波控制的相敏放大器工作原理VSotVS-VStABV0Vr+1-1ABΔφ=0°Δφ=180°Δφ=90°Δφ=270°4.鎖相放大技術(shù)的四個(gè)基本環(huán)節(jié)：通過調(diào)制或斬光，將被測信號(hào)由零頻范圍轉(zhuǎn)移到設(shè)定的高頻范圍內(nèi)。檢測系統(tǒng)變成交流系統(tǒng)；在調(diào)制頻率上對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行選頻放大；在相敏檢波中對(duì)信號(hào)解調(diào)。同步調(diào)制作用截?cái)嗔朔峭皆肼曅盘?hào)，使輸出信號(hào)的帶寬限制在極窄的范圍內(nèi)；通過低通濾波器對(duì)檢波信號(hào)進(jìn)行低通濾波。5.特點(diǎn)：要求對(duì)入射光束進(jìn)行斬光或光源調(diào)制，適用于調(diào)幅光信號(hào)的檢測；極窄帶高增益放大器，增益可達(dá)1011，帶寬窄到0.0004Hz；交流－直流信號(hào)變換器，相敏輸出正比于輸入信號(hào)的幅度和它與參考電壓的相位差；可以補(bǔ)償光檢測中的背景輻射噪聲與前置放大器的固有噪聲。信噪比改善可達(dá)1000倍。輸入信號(hào)波形tBAO光束交替轉(zhuǎn)鏡（b）圖9-5補(bǔ)償法雙通道測光裝置的鎖相放大器E（a）斬波器輸入光樣品測量光APMT鎖相放大器信號(hào)輸出參考信號(hào)參考電源伺服電機(jī)可變衰減器參考光B圖9-6采用兩個(gè)鎖相放大器的雙頻雙光束系統(tǒng)光電二極管樣品PMTLIA2LIA1f1AB/ABf2f1-f2f1A輸入光f2BjPD比例計(jì)9.1.2取樣積分器（Boxcar平均器）

利用取樣和平均化技術(shù)測定深埋在噪聲中的周期性信號(hào)的測量裝置。1.取樣積分器的工作原理它利用周期性信號(hào)的重復(fù)特性，在每個(gè)周期內(nèi)對(duì)信號(hào)的一部分取樣一次，然后經(jīng)過積分器算出平均值，于是各個(gè)周期內(nèi)取樣平均信號(hào)的總體便展現(xiàn)了待測信號(hào)的真實(shí)波形。因?yàn)樾盘?hào)提取(取樣)是經(jīng)過多次重復(fù)的，而噪聲多次重復(fù)的統(tǒng)計(jì)平均值為零，所以可大大提高信噪比，再現(xiàn)被噪聲淹沒的信號(hào)波形。圖9-7固定位置取樣及同步積累原理Ts：信號(hào)周期ΔT：取樣間隔T：取樣周期T=Ts+ΔT取樣點(diǎn)的值，應(yīng)是信號(hào)和噪聲的和，我們以信號(hào)和噪聲功率平均值來看積分前后信噪比的變化。若輸入信號(hào)為Vsi，經(jīng)過積分器M次積累后所得到的輸出電壓為輸出信號(hào)平均功率為噪聲電壓是隨機(jī)量Vni

，經(jīng)過m次積累以后，相加所得值Vn仍為隨機(jī)變量通過累積以后獲得的信噪比為通過累積以后信號(hào)噪聲幅值比(SNIR)為即經(jīng)過m次積累后，功率信噪比可提高m倍，信號(hào)噪聲幅值比提高倍。一個(gè)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(shí)現(xiàn)，使在取樣時(shí)間內(nèi)被取樣的波形作同步積累，并將所積累的結(jié)果(輸出)保持到下一次取樣。取樣門和積分器完全積分器ViRcCc取樣門不完全積分器ViRcCcTc=RcCcVo0.632Tg門脈沖Vo=Vi(1-e-t/Tc)(觀察測量時(shí)間)Vo=Vi(0.632)Vo=Vi(1-e-t/Tc)TSRTctt圖9-8取樣門積分器的工作原理（a）取樣門積分器（b）取樣積累過程取樣積分器通常有兩種工作模式，即定點(diǎn)式和掃描式。定點(diǎn)式取樣積分器是測量周期信號(hào)的某一瞬態(tài)平均值；掃描式取樣積分器則可以恢復(fù)和記錄被測信號(hào)的波形。下面分別討論這兩種模式。2．定點(diǎn)式取樣積分器圖9-9定點(diǎn)式取樣積分器原理方框圖VA信號(hào)延時(shí)電路取樣脈沖放大K取樣門RCAVo輸出VB參考-+CC特點(diǎn)：定點(diǎn)式取樣是對(duì)被噪聲淹沒的信號(hào)在固定點(diǎn)取樣、平均，所以經(jīng)m次取樣平均后，其幅值信噪比改善為定點(diǎn)式取樣積分器僅能在噪聲中提取信號(hào)瞬時(shí)值，其功能與鎖定放大器相同，不同的定點(diǎn)可通過手控延時(shí)電路來實(shí)現(xiàn)。3．掃描式取樣積分器掃描式取樣積分器利用取樣脈沖在信號(hào)波形上延時(shí)取樣，可以恢復(fù)被測信號(hào)波形。它主要包括可變時(shí)延的取樣脈沖和在取樣脈沖控制下作同步積累這兩個(gè)過程。掃描式取樣積分器可得到形狀與輸入的被測信號(hào)相同，而在時(shí)間上大大放慢了的輸出波形，故掃描式取樣積分器能在噪聲中提取信號(hào)并恢復(fù)波形。圖9-10掃描式取樣積分器原理方框圖VA被測信號(hào)K觸發(fā)電路時(shí)基電路慢掃描比較器取樣脈沖放大取樣門RC放大VoVB參考信號(hào)門脈沖圖9-11掃描式取樣脈沖形成過程(a)(b)(c)(d)(e)TSTBVSR1VSR2ΔT1ΔT2ABBCDEFTTgΔT2ΔTtt參考信號(hào)(觸發(fā)信號(hào))TS慢掃描電壓(TSR)時(shí)基電壓(TB)比較器輸出負(fù)脈沖觸發(fā)取樣脈沖圖9-12掃描式取樣積分器取樣積累過程VAVAVAVBVsPVdVoEACD定點(diǎn)式取樣積分器按照定點(diǎn)取樣m次的法則，不難理解幅值信噪比改善為的結(jié)論。對(duì)掃描式取樣積分器由于可變時(shí)延的取樣脈沖在取樣過程中取樣點(diǎn)是逐漸變化的，所以它的取樣過程受到門脈沖寬度的限制，只有在門寬范圍內(nèi)才能被取樣。信噪比改善由于慢掃描電壓相對(duì)于時(shí)基電壓變化十分緩慢，因而取樣脈沖相對(duì)于觸發(fā)脈沖的移動(dòng)也是十分緩慢的，以至在輸入的被測信號(hào)波形上每一“點(diǎn)”依次可以掠過多個(gè)門寬的取樣脈沖，從而對(duì)波形每個(gè)取樣“點(diǎn)”進(jìn)行多次積累平均。4.取樣積分技術(shù)運(yùn)行步驟：利用檢測光脈沖的激勵(lì)源取得和輸入光脈沖同步的觸發(fā)信號(hào)；利用門延時(shí)和門脈沖寬度控制單元形成與觸發(fā)脈沖具有恒定時(shí)延或時(shí)延與時(shí)間成線性關(guān)系的可調(diào)脈寬取樣脈沖串；取樣脈沖控制取樣開關(guān)對(duì)連續(xù)的周期性變化信號(hào)進(jìn)行掃描取樣；積分器對(duì)取樣信號(hào)進(jìn)行多次線性累加，經(jīng)過濾波后獲得輸出信號(hào)。5.取樣積分器的特點(diǎn)：適用于由脈沖光源產(chǎn)生的連續(xù)周期變化的信號(hào)波形測量或單個(gè)光脈沖的幅度測量。需要有與光脈沖同步的激勵(lì)信號(hào)；是一個(gè)取樣放大器，在每個(gè)信號(hào)脈沖周期內(nèi)只取一個(gè)輸入信號(hào)值；在多次取樣過程中，門積分器對(duì)被測信號(hào)的多次取樣值進(jìn)行線性疊加，而對(duì)隨機(jī)噪聲是矢量疊加，所以，對(duì)信號(hào)有恢復(fù)和提取作用；在測量占空比小于50％的窄脈沖光強(qiáng)度下，信噪比好于鎖相放大器；用掃描方式測量信號(hào)波形時(shí)能得到100ns的時(shí)間分辨率；雙通道系統(tǒng)能提供自動(dòng)背景與輻射源補(bǔ)償。圖9-13用取樣積分器組成的測光系統(tǒng)脈沖發(fā)生器PMT取樣積分器X-Y記錄儀鋸齒波參考信號(hào)發(fā)光二極管圖9-14使用雙通道取樣積分器的激光分析計(jì)樣品檢測器超導(dǎo)螺旋管單色器激光器電源脈沖發(fā)生器放大器參考檢測器比例器ABA雙通道取樣積分器B9.1.3光子計(jì)數(shù)器一種利用光電倍增管能檢測單個(gè)光子能量的功能，通過光電子計(jì)數(shù)的方法測量極微弱光脈沖信號(hào)的裝置。類型：基本的光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)；源補(bǔ)償?shù)墓庾佑?jì)數(shù)系統(tǒng)；背景補(bǔ)償?shù)墓庾佑?jì)數(shù)系統(tǒng)。PMT比例計(jì)計(jì)數(shù)器數(shù)模轉(zhuǎn)換器放大器光子參考電壓光子脈沖噪聲計(jì)數(shù)脈沖鑒別器模擬輸出數(shù)字輸出模擬輸出圖9-15基本的光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)1.基本的光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)入射到光電倍增管陰極上的光子引起輸出信號(hào)脈沖，經(jīng)過放大器輸送到一個(gè)脈沖高度鑒別器上，從中分離出單光子脈沖，再用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)光子脈沖數(shù)。計(jì)算出一定時(shí)間間隔內(nèi)的計(jì)數(shù)值，以數(shù)字和模擬形式輸出。圖9-16光電倍增管的輸出脈沖和鑒別器工作波形第一倍增極陰極光子脈沖第二倍增極PMT輸出脈沖鑒別器輸出OOtt多光子信號(hào)Vs2Vs1圖9-17計(jì)數(shù)器原理示意圖事先由預(yù)置開關(guān)置入計(jì)數(shù)值N，設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為Rc，而計(jì)時(shí)器預(yù)置的計(jì)數(shù)時(shí)間為T=N/Rc,計(jì)數(shù)器A的累加計(jì)數(shù)值可計(jì)算為A=Rat=RAN/RcRA為平均光脈沖計(jì)數(shù)率啟動(dòng)預(yù)置數(shù)ARA計(jì)數(shù)器A計(jì)數(shù)器C時(shí)鐘振蕩器RC定時(shí)器B停止圖9-18輻射源補(bǔ)償?shù)墓庾佑?jì)數(shù)器（一）2.輻射源補(bǔ)償?shù)墓庾佑?jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)樣品光電倍增管放大鑒別器光子計(jì)數(shù)器光電倍增管放大鑒別器測量通道參考通道來自單色器RARC圖9-19輻射源補(bǔ)償?shù)墓庾佑?jì)數(shù)器（二）計(jì)數(shù)器A預(yù)置數(shù)N計(jì)數(shù)器C啟動(dòng)RARc停止A=N·RA/RC

斬光器用來通斷光束，分別產(chǎn)生交變的“信號(hào)十背景”和“背景”的光子計(jì)數(shù)率，同時(shí)為光子計(jì)數(shù)器A、B提供選通信號(hào)。這樣在一定的測量時(shí)間內(nèi)，經(jīng)多次斬光后計(jì)算電路就給出了信號(hào)脈沖（A-B=S）和總脈沖(A+B=S+N+N)兩個(gè)輸出量。3.背景補(bǔ)償?shù)墓庾佑?jì)數(shù)器圖9-20有背景補(bǔ)償能力的光子計(jì)數(shù)器信噪比為：圖9-21有斬光器的光子計(jì)數(shù)器工作波形圖M個(gè)展光周期斬光器通斷脈沖鑒別器輸出脈沖選通脈沖計(jì)數(shù)器A選通計(jì)數(shù)器B選通通(S+N)斷(N)通(S+N)斷(N)tptptptstD4.光子計(jì)數(shù)技術(shù)的基本過程：用光電倍增管檢測弱光的光子流，形成包括噪聲信號(hào)在內(nèi)的輸出光脈沖；利用脈沖幅度鑒別器鑒別噪聲脈沖和多光子脈沖，只允許單光子脈沖通過；利用光子脈沖計(jì)數(shù)器檢測光子數(shù)，根據(jù)測量目的，折算出被測參量；為補(bǔ)償輻射源或背景噪聲的影響，可采用雙通道測量方法。5.光子計(jì)數(shù)方法的特點(diǎn)：只適合于極弱光測量，光