第9章-光電檢測技術(shù)的典型應(yīng)用1

9.1微弱光信號檢測技術(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多次同步取樣累計檢測通道輸出白噪聲正比于頻帶寬的平方根信號的增加取決于取樣總數(shù)，而隨機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交變信號進行相敏檢波的放大器。它利用和被測信號有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號作為比較基準，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻（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：具有很高的檢測靈敏度，信號處理比較簡單。選頻鎖相環(huán)移相器輸入信號AC參考信號AC信號通道相敏檢波輸出信號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Vs：參考信號Vr：則輸出信號V0為：低通濾波器輸出信號V'0為：圖9-2通過相敏檢波器實現(xiàn)的頻譜變換輸入信號單純低通濾波光調(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)的四個基本環(huán)節(jié)：通過調(diào)制或斬光，將被測信號由零頻范圍轉(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)制頻率上對有用信號進行選頻放大；在相敏檢波中對信號解調(diào)。同步調(diào)制作用截斷了非同步噪聲信號，使輸出信號的帶寬限制在極窄的范圍內(nèi)；通過低通濾波器對檢波信號進行低通濾波。5.特點：要求對入射光束進行斬光或光源調(diào)制，適用于調(diào)幅光信號的檢測；極窄帶高增益放大器，增益可達1011，帶寬窄到0.0004Hz；交流－直流信號變換器，相敏輸出正比于輸入信號的幅度和它與參考電壓的相位差；可以補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1000倍。輸入信號波形tBAO光束交替轉(zhuǎn)鏡（b）圖9-5補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鎖相放大器信號輸出參考信號參考電源伺服電機可變衰減器參考光B圖9-6采用兩個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的測量裝置。1.取樣積分器的工作原理它利用周期性信號的重復(fù)特性，在每個周期內(nèi)對信號的一部分取樣一次，然后經(jīng)過積分器算出平均值，于是各個周期內(nèi)取樣平均信號的總體便展現(xiàn)了待測信號的真實波形。因為信號提取(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)被噪聲淹沒的信號波形。圖9-7固定位置取樣及同步積累原理Ts：信號周期ΔT：取樣間隔T：取樣周期T=Ts+ΔT取樣點的值，應(yīng)是信號和噪聲的和，我們以信號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平均功率為噪聲電壓是隨機量Vni

，經(jīng)過m次積累以后，相加所得值Vn仍為隨機變量通過累積以后獲得的信噪比為通過累積以后信號噪聲幅值比(SNIR)為即經(jīng)過m次積累后，功率信噪比可提高m倍，信號噪聲幅值比提高倍。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(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，即定點式和掃描式。定點式取樣積分器是測量周期信號的某一瞬態(tài)平均值；掃描式取樣積分器則可以恢復(fù)和記錄被測信號的波形。下面分別討論這兩種模式。2．定點式取樣積分器圖9-9定點式取樣積分器原理方框圖VA信號延時電路取樣脈沖放大K取樣門RCAVo輸出VB參考-+CC特點：定點式取樣是對被噪聲淹沒的信號在固定點取樣、平均，所以經(jīng)m次取樣平均后，其幅值信噪比改善為定點式取樣積分器僅能在噪聲中提取信號瞬時值，其功能與鎖定放大器相同，不同的定點可通過手控延時電路來實現(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波形上延時取樣，可以恢復(fù)被測信號波形。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這兩個過程。掃描式取樣積分器可得到形狀與輸入的被測信號相同，而在時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K觸發(fā)電路時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(觸發(fā)信號)TS慢掃描電壓(TSR)時基電壓(TB)比較器輸出負脈沖觸發(fā)取樣脈沖圖9-12掃描式取樣積分器取樣積累過程VAVAVAVBVsPVdVoEACD定點式取樣積分器按照定點取樣m次的法則，不難理解幅值信噪比改善為的結(jié)論。對掃描式取樣積分器由于可變時延的取樣脈沖在取樣過程中取樣點是逐漸變化的，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于時基電壓變化十分緩慢，因而取樣脈沖相對于觸發(fā)脈沖的移動也是十分緩慢的，以至在輸入的被測信號波形上每一“點”依次可以掠過多個門寬的取樣脈沖，從而對波形每個取樣“點”進行多次積累平均。4.取樣積分技術(shù)運行步驟：利用檢測光脈沖的激勵源取得和輸入光脈沖同步的觸發(fā)信號；利用門延時和門脈沖寬度控制單元形成與觸發(fā)脈沖具有恒定時延或時延與時間成線性關(guān)系的可調(diào)脈寬取樣脈沖串；取樣脈沖控制取樣開關(guān)對連續(xù)的周期性變化信號進行掃描取樣；積分器對取樣信號進行多次線性累加，經(jīng)過濾波后獲得輸出信號。5.取樣積分器的特點：適用于由脈沖光源產(chǎn)生的連續(xù)周期變化的信號波形測量或單個光脈沖的幅度測量。需要有與光脈沖同步的激勵信號；是一個取樣放大器，在每個信號脈沖周期內(nèi)只取一個輸入信號值；在多次取樣過程中，門積分器對被測信號的多次取樣值進行線性疊加，而對隨機噪聲是矢量疊加，所以，對信號有恢復(fù)和提取作用；在測量占空比小于50％的窄脈沖光強度下，信噪比好于鎖相放大器；用掃描方式測量信號波形時能得到100ns的時間分辨率；雙通道系統(tǒng)能提供自動背景與輻射源補償。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光子計數(shù)器一種利用光電倍增管能檢測單個光子能量的功能，通過光電子計數(shù)的方法測量極微弱光脈沖信號的裝置。類型：基本的光子計數(shù)系統(tǒng)；源補償?shù)墓庾佑嫈?shù)系統(tǒng)；背景補償?shù)墓庾佑嫈?shù)系統(tǒng)。PMT比例計計數(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基本的光子計數(shù)系統(tǒng)1.基本的光子計數(shù)系統(tǒng)入射到光電倍增管陰極上的光子引起輸出信號脈沖，經(jīng)過放大器輸送到一個脈沖高度鑒別器上，從中分離出單光子脈沖，再用計數(shù)器計數(shù)光子脈沖數(shù)。計算出一定時間間隔內(nèi)的計數(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Vs2Vs1圖9-17計數(shù)器原理示意圖事先由預(yù)置開關(guān)置入計數(shù)值N，設(shè)時鐘脈沖頻率為Rc，而計時器預(yù)置的計數(shù)時間為T=N/Rc,計數(shù)器A的累加計數(shù)值可計算為A=Rat=RAN/RcRA為平均光脈沖計數(shù)率啟動預(yù)置數(shù)ARA計數(shù)器A計數(shù)器C時鐘振蕩器RC定時器B停止圖9-18輻射源補償?shù)墓庾佑嫈?shù)器（一）2.輻射源補償?shù)墓庾佑嫈?shù)器實驗樣品光電倍增管放大鑒別器光子計數(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輻射源補償?shù)墓庾佑嫈?shù)器（二）計數(shù)器A預(yù)置數(shù)N計數(shù)器C啟動RARc停止A=N·RA/RC

斬光器用來通斷光束，分別產(chǎn)生交變的“信號十背景”和“背景”的光子計數(shù)率，同時為光子計數(shù)器A、B提供選通信號。這樣在一定的測量時間內(nèi)，經(jīng)多次斬光后計算電路就給出了信號脈沖（A-B=S）和總脈沖(A+B=S+N+N)兩個輸出量。3.背景補償?shù)墓庾佑嫈?shù)器圖9-20有背景補償能力的光子計數(shù)器信噪比為：圖9-21有斬光器的光子計數(shù)器工作波形圖M個展光周期斬光器通斷脈沖鑒別器輸出脈沖選通脈沖計數(shù)器A選通計數(shù)器B選通通(S+N)斷(N)通(S+N)斷(N)tptptptstD4.光子計數(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.光子計數(shù)方法的特點：只適合于極弱光測量，光