直接探測(cè)和外差探測(cè)

關(guān)于直接探測(cè)和外差探測(cè)光－電信號(hào)變換

光電探測(cè)器光信號(hào)電信號(hào)響應(yīng)平均光功率

直接探測(cè)響應(yīng)光的頻率···

相干探測(cè)第2頁,共97頁，2024年2月25日，星期天(1)基本物理過程：若探測(cè)器的負(fù)載電阻是RL，則光電探測(cè)器的輸出功率為光波：光功率：1.直接探測(cè)的基本原理平方定律：第3頁,共97頁，2024年2月25日，星期天(2)信噪比

設(shè)輸入的信號(hào)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(hào)和噪聲的獨(dú)立性，可得輸出信噪比為討論：（1）si/ni《1，則有，說明直接探測(cè)不適合微弱信號(hào)的探測(cè)；（2）si/ni》1，則有，轉(zhuǎn)換后信噪比損失不大；第4頁,共97頁，2024年2月25日，星期天5(3)等效噪聲功率

具有內(nèi)增益的光電探測(cè)器的電輸出功率為輸出的噪聲功率為信號(hào)光電流：背景光電流：暗電流：電阻溫度噪聲電流：對(duì)于光電二極管，M=1，對(duì)于光電導(dǎo)探測(cè)器前面的2改為4.輸出信噪比為探測(cè)器的噪聲等效功率為第5頁,共97頁，2024年2月25日，星期天6討論：（1）熱噪聲優(yōu)勢(shì)（2）散粒噪聲優(yōu)勢(shì)（3）散粒噪聲和熱噪聲相當(dāng)（4）信號(hào)噪聲極限，只考慮光信號(hào)噪聲。例：η為1，Δf為1Hz，NEP～2hν，已很接近單個(gè)光子的能量hν。光電二極管光電倍增管雪崩光電二極管第6頁,共97頁，2024年2月25日，星期天提高系統(tǒng)信噪比的基本途徑：－－光學(xué)方法，如場(chǎng)鏡、光錐、浸沒透鏡·····

－－－－－《應(yīng)用光學(xué)》－－電學(xué)方法，如濾波、低噪聲放大、弱信號(hào)檢測(cè)·······－－－－－熱力學(xué)方法，制冷降低探測(cè)器噪聲

信噪比是衡量光電探測(cè)系統(tǒng)質(zhì)量好壞的一個(gè)重要指標(biāo)第7頁,共97頁，2024年2月25日，星期天82.直接探測(cè)的應(yīng)用舉例激光制導(dǎo)、飛行物自動(dòng)跟蹤激光穩(wěn)頻、機(jī)器人視覺·········幾何量（長(zhǎng)度、位移····）表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕···）光學(xué)參量（吸收、反射···）電磁量（電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)···）··············應(yīng)用于測(cè)量：應(yīng)用于控制：特點(diǎn)：信息加載－－輻通量（光強(qiáng)）第8頁,共97頁，2024年2月25日，星期天93.3前置放大器的噪聲匹配當(dāng)光信號(hào)功率較小時(shí)，光電探測(cè)器的電信號(hào)輸出也相應(yīng)地減小。為了信號(hào)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(duì)探測(cè)系統(tǒng)的輸出信噪比將產(chǎn)生影響。光探測(cè)器及其偏置電路耦合網(wǎng)絡(luò)低噪聲前置放大器多級(jí)放大系統(tǒng)反饋電路放大器偏置電路后級(jí)信號(hào)處理電路光探測(cè)電路示意圖第9頁,共97頁，2024年2月25日，星期天10Vs－信號(hào)源，RS－信號(hào)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(xiàn)分別為：Ens的貢獻(xiàn)為：En的貢獻(xiàn)為：In的貢獻(xiàn)為：Ens的貢獻(xiàn)En的貢獻(xiàn)In的貢獻(xiàn)第10頁,共97頁，2024年2月25日，星期天11將上述各項(xiàng)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！）

－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(dá)式中。放大器便視為是無噪聲的。第11頁,共97頁，2024年2月25日，星期天12這個(gè)模型中所采用的各個(gè)參數(shù)容易測(cè)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(jì)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12頁,共97頁，2024年2月25日，星期天132.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13頁,共97頁，2024年2月25日，星期天14（2）推導(dǎo)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14頁,共97頁，2024年2月25日，星期天15（3）推導(dǎo)式二放大器輸入噪聲功率輸入端源電阻噪聲功率F=1+第15頁,共97頁，2024年2月25日，星期天16（4）推導(dǎo)式三輸入端信噪比輸出端信噪比F=不為Eni，此時(shí)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16頁,共97頁，2024年2月25日，星期天17

放大器的噪聲系數(shù)的定義表示信號(hào)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(luò)，那么其輸入端的信號(hào)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(hào)通過放大器后，則信號(hào)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(duì)這樣的放大器，信號(hào)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17頁,共97頁，2024年2月25日，星期天18

求偏導(dǎo)：

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

與功率匹配區(qū)別！當(dāng)信號(hào)源的內(nèi)阻等于放大器的最佳源電阻值時(shí)，放大器對(duì)檢測(cè)電路附加的噪聲最小，稱為信號(hào)源與放大器之間達(dá)到了噪聲匹配。這是低噪聲設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則。稱此時(shí)的源電阻為放大器的最佳源電阻，記為Ropt

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

3.3.3匹配方法1.最佳源電阻第18頁,共97頁，2024年2月25日，星期天19第19頁,共97頁，2024年2月25日，星期天202.放大器最佳源電阻與實(shí)際源阻抗的匹配方法1、用輸入變壓器實(shí)現(xiàn)噪聲匹配（1）應(yīng)用對(duì)象：信號(hào)源電阻小于最佳源電阻情形下。（2）原理：選用適當(dāng)變壓比源電阻的阻抗升高n2倍。第20頁,共97頁，2024年2月25日，星期天212、利用并聯(lián)放大器的方法實(shí)現(xiàn)噪聲匹配

N個(gè)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(jié)論，多管并聯(lián)可減小最佳源電阻，但不會(huì)影響并聯(lián)后的噪聲系數(shù)。第21頁,共97頁，2024年2月25日，星期天22

各種典型探測(cè)器的內(nèi)阻和響應(yīng)時(shí)間

探測(cè)器內(nèi)阻（Ω）響應(yīng)時(shí)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(cè)輻射熱計(jì)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(cè)輻射熱計(jì)（2.1K）1044×10-4碳測(cè)輻射熱計(jì)（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(cè)器~1083×10-9~4×10-5第22頁,共97頁，2024年2月25日，星期天23習(xí)題（1）最佳源電阻是信號(hào)源的參數(shù)，還是前放的參數(shù)。它的表達(dá)式是什么？式中各項(xiàng)代表什么？什么是噪聲匹配。（2）已知集成運(yùn)算OP07E的噪聲參數(shù)En＝10.3nV，In＝0.32pA，試計(jì)算應(yīng)用于Rs＝100kΩ，Δf＝1Hz及T＝300k時(shí)，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(shí)，測(cè)出其NF＝20dB。

b．在Rs＝1MΩ時(shí)，測(cè)出其NF＝20dB。第23頁,共97頁，2024年2月25日，星期天24二.多級(jí)放大器噪聲系數(shù)NFPni

三級(jí)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24頁,共97頁，2024年2月25日，星期天25考慮第一級(jí)放大器單獨(dú)和源相連接時(shí)，得到噪聲功率和噪聲系數(shù)為：考慮每個(gè)放大器單獨(dú)和源相連接時(shí)，得到：代入第25頁,共97頁，2024年2月25日，星期天26對(duì)于n級(jí)放大器，可以得出其噪聲系數(shù)為：這就是多級(jí)放大器的噪聲系數(shù)理論的Friis公式從這個(gè)公式可以看出：如果第一級(jí)的功率增益Kp1很大，則多級(jí)放大器噪聲系數(shù)的大小，主要取決于第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)F1。設(shè)計(jì)中，為了使多級(jí)放大器的噪聲系數(shù)減小，應(yīng)盡量提高第一級(jí)的功率放大倍數(shù)Kp1；盡量減小第一級(jí)的噪聲系數(shù)，這就是指導(dǎo)我們?cè)O(shè)計(jì)低噪聲前放的又一個(gè)重要原則。

如果第一級(jí)的功率增益不是很大，減小噪聲系數(shù)的關(guān)鍵在于使本級(jí)具有高增益和低噪聲。第26頁,共97頁，2024年2月25日，星期天27總結(jié)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(cè)器直接相連接的放大器必須是低噪聲的。第27頁,共97頁，2024年2月25日，星期天283.5

相關(guān)檢測(cè)

利用信號(hào)在時(shí)間上相關(guān)這一特性，可能把深埋于噪聲信號(hào)中的周期信號(hào)提取出來，這種提取方法稱為相關(guān)檢測(cè)或相關(guān)接收。

信號(hào)的相關(guān)性用相關(guān)函數(shù)來描述，它代表線性相關(guān)的度量，是隨機(jī)過程在兩個(gè)不同時(shí)間相關(guān)性的一個(gè)重要統(tǒng)計(jì)參量。第28頁,共97頁，2024年2月25日，星期天291.相關(guān)函數(shù)3.5.1相關(guān)原理相關(guān)函數(shù)分為自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)。1）自相關(guān)函數(shù)?為延遲時(shí)間，T為觀察時(shí)間，x(t)是隨機(jī)過程的一個(gè)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29頁,共97頁，2024年2月25日，星期天30（1）正弦波：根據(jù)定義式,可得:

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

第30頁,共97頁，2024年2月25日，星期天31（2）白噪聲其功率譜密度與頻率無關(guān)，為一常數(shù)根據(jù)Wiener-khinthine定理，白噪聲的自相關(guān)函數(shù)

這就說明白噪聲的自相關(guān)函數(shù)只在τ=0時(shí)存在，隨著τ的增大，衰減很快。第31頁,共97頁，2024年2月25日，星期天32（3）帶通白噪聲實(shí)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32頁,共97頁，2024年2月25日，星期天33第33頁,共97頁，2024年2月25日，星期天34

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(diào)遞減。（4）

自相關(guān)函數(shù)特點(diǎn)第34頁,共97頁，2024年2月25日，星期天352）互相關(guān)函數(shù)互相關(guān)函數(shù)特點(diǎn)

Rxy(τ)＝Ryx(－τ)，即Rxy(τ)與Ryx(τ)互為鏡像對(duì)稱。如果兩個(gè)信號(hào)或隨機(jī)過程互相完全沒有關(guān)系，（例如信號(hào)與噪聲）則其互相關(guān)函數(shù)將為一個(gè)常數(shù)，并且等于兩個(gè)信號(hào)平均值的乘積；若其中一個(gè)（如噪聲）的平均值為零，則它們的互相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)將處處為零，即完全不相關(guān)。如果兩個(gè)信號(hào)是具有相同基波頻率的周期函數(shù)，則它們的互相關(guān)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(gè)原信號(hào)相應(yīng)頻率成份的相位差。自相關(guān)函數(shù)是互相關(guān)函數(shù)的一個(gè)特例。第35頁,共97頁，2024年2月25日，星期天36原理：信號(hào)在時(shí)間上相關(guān)，噪聲在時(shí)間上不相關(guān)。這兩種不同的相關(guān)特性，可以把深埋于噪聲中的周期信號(hào)提取出來，這是微弱信號(hào)檢測(cè)的一種有效方法。根據(jù)相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，可以利用乘法器，延時(shí)器及積分器進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，從而將周期信號(hào)從噪聲中檢測(cè)出來，這就是所謂的“相關(guān)檢測(cè)”。相關(guān)檢測(cè)可分為自相關(guān)檢測(cè)與互相關(guān)檢測(cè)。2.相關(guān)檢測(cè)第36頁,共97頁，2024年2月25日，星期天37si(t):信號(hào)ni(t):噪聲;x(t)=Si(t)+ni(t)1）

自相關(guān)檢測(cè)自相關(guān)檢測(cè)的原理框圖

＝第37頁,共97頁，2024年2月25日，星期天38通過積分器輸出得到

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

第38頁,共97頁，2024年2月25日，星期天39例如，被檢測(cè)信號(hào)為一余弦信號(hào)時(shí)，設(shè)則:Rss(τ)為信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，它與信號(hào)同頻的余弦函數(shù)，Rnn(τ)為噪聲的自相關(guān)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(yīng)的自相關(guān)檢測(cè)輸出波形如圖所示:第39頁,共97頁，2024年2月25日，星期天402)互相關(guān)檢測(cè)互相關(guān)檢測(cè)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(hào)x(t)=ni(t)+Si(t)和被延時(shí)的與被檢測(cè)信號(hào)Si(t)同頻率的參考信號(hào)y(t)，最后積分器的輸出為

:第40頁,共97頁，2024年2月25日，星期天41Rny(τ)是噪聲與參考信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)，參考信號(hào)和噪聲是不相關(guān)的，Rny(τ)隨積分時(shí)間延長(zhǎng)而趨于零;互相關(guān)檢測(cè)特點(diǎn)比自相關(guān)輸出的噪聲有關(guān)項(xiàng)要少2項(xiàng)，故互相關(guān)檢測(cè)比自相關(guān)檢測(cè)抑制噪聲的能力強(qiáng)?；ハ嚓P(guān)檢測(cè)要求用與被測(cè)信號(hào)同頻率的參考信號(hào)y(t)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)Si(t)未知時(shí)，要取得與Si(t)同頻率的信號(hào)在某些情況下是困難的。這時(shí)一般不采用互相關(guān)檢測(cè)。第41頁,共97頁，2024年2月25日，星期天423.5.2鎖定放大器

（LIA，Lock－inAmplifier）

鎖定放大器是根據(jù)互相關(guān)檢測(cè)原理使輸入待測(cè)的周期信號(hào)與參考信號(hào)實(shí)現(xiàn)互相關(guān)來抑制噪聲、檢測(cè)微弱信號(hào)。它采用了一個(gè)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42頁,共97頁，2024年2月25日，星期天431.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(hào)通道、參考通道、相關(guān)器∫第43頁,共97頁，2024年2月25日，星期天441.信號(hào)通道

從探測(cè)器輸出的信號(hào)或源發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過被測(cè)物體后十分微弱，其信噪比甚至低于1/103。信號(hào)首先經(jīng)過低噪聲前置放大器進(jìn)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(zhuǎn)電容濾波器）將信號(hào)進(jìn)行初步的預(yù)處理，將帶外噪聲和干擾盡量排除；然后再作進(jìn)一步的放大，以便送到相關(guān)器進(jìn)行檢測(cè)。第44頁,共97頁，2024年2月25日，星期天45

2.參考通道參考通道信號(hào)和被檢測(cè)信號(hào)頻率相同，這是進(jìn)行鎖定放大的一個(gè)必要條件。若被檢測(cè)信號(hào)的頻率不穩(wěn)定，頻率改變或漂移了，參考信號(hào)的頻率也必須跟著改變，總是保持著兩種信號(hào)的頻率相等。因此鎖定放大器所進(jìn)行的工作又稱為頻域相干檢測(cè)。參考信號(hào)送入?yún)⒖纪ǖ篮?，首先進(jìn)入觸發(fā)電路，產(chǎn)生和被檢信號(hào)同頻的方波，再經(jīng)過移相電路進(jìn)行移相，然后經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路功率放大后，再送達(dá)相關(guān)器去控制相關(guān)器的乘法器。第45頁,共97頁，2024年2月25日，星期天463.相關(guān)器（PSD）

相關(guān)器是鎖定放大器的核心部件，鎖定放大器之所以有很強(qiáng)的抑噪能力，主要是靠相關(guān)器消除噪聲和干擾。相關(guān)器又稱之為相敏檢波器（PSD－PhaseSensitiveDetector）或相關(guān)解調(diào)器，主要是由一個(gè)乘法器（經(jīng)常使用的是開關(guān)乘法器）和一個(gè)低通濾波器組成。第46頁,共97頁，2024年2月25日，星期天47開關(guān)式乘法器VBVAV1R1C0V0-+R0i1i2i3相敏檢波器的原理圖輸入信號(hào)為正弦波參考信號(hào)VB是如圖所示的對(duì)稱周期矩形方波：

VR0Tt參考信號(hào)VB波形第47頁,共97頁，2024年2月25日，星期天48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(jí)近似第48頁,共97頁，2024年2月25日，星期天49輸入信號(hào)與參考信號(hào)的基波(n=0)頻率相等時(shí)為積分器的時(shí)間常數(shù)。且包含待測(cè)信號(hào)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(hào)與參考信號(hào)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49頁,共97頁，2024年2月25日，星期天50（1）鎖定放大器在工作時(shí)需要注意選擇參考信號(hào)的相位，以保證信號(hào)輸出最大。（2）鎖定放大器把輸入的交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)。也就是說它不能恢復(fù)原有信號(hào)的波形。第50頁,共97頁，2024年2月25日，星期天511).等效噪聲帶寬ΔfN

：表示系統(tǒng)（電路）對(duì)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(hào)帶寬Δfs

：第51頁,共97頁，2024年2月25日，星期天52

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(shè)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(hào)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(qiáng)的抑制噪聲的能力。第52頁,共97頁，2024年2月25日，星期天53思考題畫出鎖定放大器的工作原理框圖，并簡(jiǎn)述其工作原理。強(qiáng)噪聲背景下的帶寬周期信號(hào)可以采用鎖相放大器嗎？為什么？第53頁,共97頁，2024年2月25日，星期天543.8

取樣積分器

第54頁,共97頁，2024年2月25日，星期天55一.概述1.LIA的局限性（1）只能用正弦波、方波，對(duì)于寬帶任意波形的信號(hào)無能為力。（2）LIA實(shí)質(zhì)是濾波器，靠降低等效噪聲帶寬來抑噪。但在強(qiáng)干擾噪聲背景下，寬帶信號(hào)的檢測(cè)用壓縮帶寬的辦法效果不明顯。第55頁,共97頁，2024年2月25日，星期天562.解決途徑：取樣積分器（信號(hào)平均器、Boxcar積分器）將待測(cè)的周期信號(hào)逐點(diǎn)多次取樣并進(jìn)行同步積累。這種方法是利用信號(hào)在時(shí)間上的相關(guān)性，經(jīng)多次重復(fù)能夠有效地積累，而噪聲前后不相關(guān)，積累效果就差。利用它可以解決在強(qiáng)噪聲背景下任意形狀的寬帶周期信號(hào)的檢測(cè)和波形再現(xiàn)問題。第56頁,共97頁，2024年2月25日，星期天573.8.1取樣積分器的工作原理一.工作原理

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。Tg:取樣脈沖門寬；TR:取樣周期；第57頁,共97頁，2024年2月25日，星期天58取樣門及積分器第58頁,共97頁，2024年2月25日，星期天593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(hào)是Vso=nVsi。而噪聲是隨機(jī)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59頁,共97頁，2024年2月25日，星期天60二.分類

單點(diǎn)取樣積分器（單點(diǎn)信號(hào)平均器或Boxcar積分器）：在每個(gè)信號(hào)周期內(nèi)只在一點(diǎn)取樣積分，經(jīng)多次取樣積分后得到該點(diǎn)幅值，即變換取樣工作原理。取樣積分器（信號(hào)平均器）定點(diǎn)式：測(cè)某一特定時(shí)刻的幅值多點(diǎn)信號(hào)平均器：在信號(hào)每個(gè)周期內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行多點(diǎn)取樣，是實(shí)時(shí)取樣工作原理。掃描式：逐點(diǎn)掃描可恢復(fù)波形第60頁,共97頁，2024年2月25日，星期天61三.取樣積分器的工作方式1.定點(diǎn)式取樣積分器VR與VA保持同步產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)延遲電路（可調(diào)，以確定要取樣的時(shí)刻）作td延遲，經(jīng)過取樣脈沖（Tg）控制取樣門的開斷時(shí)間，經(jīng)過累加平均，經(jīng)n次取樣平均后，只能恢復(fù)周期性信號(hào)某一點(diǎn)的幅值PMT：光電倍增管第61頁,共97頁，2024年2月25日，星期天622.掃描式取樣積分器如果要恢復(fù)周期信號(hào)的波形，必須在定點(diǎn)取樣積分器的基礎(chǔ)上，對(duì)周期信號(hào)的一周期內(nèi)的各點(diǎn)進(jìn)行掃描，把周期信號(hào)每一點(diǎn)的幅值都恢復(fù)出來，這就必須采取掃描工作方式。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兩個(gè)過程。第62頁,共97頁，2024年2月25日，星期天63取樣脈沖的形成過程可變時(shí)延的取樣脈沖第63頁,共97頁，2024年2月25日，星期天64

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

當(dāng)取樣脈沖對(duì)準(zhǔn)t1位置取樣積分m次后，將取樣脈沖在時(shí)間軸上延時(shí)Δt（一般來說Δt<Tg）對(duì)準(zhǔn)t2位置再取樣m次，然后又向右移動(dòng)Δt，對(duì)準(zhǔn)t3取樣積分m次……直到取樣脈沖移動(dòng)掃過信號(hào)的一個(gè)完整的周期。信號(hào)取樣積累過程第64頁,共97頁，2024年2月25日，星期天65設(shè)被恢復(fù)的弱信號(hào)之周期為T，取樣脈沖步進(jìn)時(shí)間為Δt，要對(duì)弱信號(hào)一個(gè)周期取樣完畢，而每個(gè)周期又只取樣一次，故所需時(shí)間為：因此在積分器輸出端得到的輸出波形是將原被測(cè)信號(hào)拉長(zhǎng)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65頁,共97頁，2024年2月25日，星期天66思考題簡(jiǎn)述Boxcar積分器的定點(diǎn)和掃描工作方式的工作過程。第66頁,共97頁，2024年2月25日，星期天673.9光子計(jì)數(shù)第67頁,共97頁，2024年2月25日，星期天利用弱光照射下光電探測(cè)器輸出電信號(hào)自然離散的特點(diǎn)，采用脈沖甄別技術(shù)和數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)把極其弱的信號(hào)識(shí)別并提取出來。也稱為單光子計(jì)數(shù)技術(shù)。

單光子計(jì)數(shù)探測(cè)技術(shù)是一種極微弱光探測(cè)法。它所探測(cè)的光的光電流強(qiáng)度比光電檢測(cè)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(cè)方法不能把這種湮沒在噪聲中的信號(hào)提取出來。

光子計(jì)數(shù)器原理——單光子計(jì)數(shù)技術(shù)第68頁,共97頁，2024年2月25日，星期天光子計(jì)數(shù)技術(shù)只適用于測(cè)量大約每秒發(fā)射108個(gè)以內(nèi)分立光子的弱信號(hào)，其特點(diǎn)是：

●系統(tǒng)穩(wěn)定測(cè)量結(jié)果受光電探測(cè)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?。弧裣到y(tǒng)探測(cè)靈敏度高，抗噪聲能力強(qiáng)；●輸出數(shù)字信號(hào)，適合與計(jì)算機(jī)接口。

第69頁,共97頁，2024年2月25日，星期天3.9.1光子計(jì)數(shù)器的原理單光子計(jì)數(shù)器由光電倍增管(PMT)，前置放大器，幅度鑒別器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成。1.光子計(jì)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70頁,共97頁，2024年2月25日，星期天PMT接受光輻射；陽極產(chǎn)生電流脈沖并經(jīng)過陽極負(fù)載輸出；經(jīng)過放大器信號(hào)放大后送到鑒別器；鑒別器通過設(shè)置第一鑒別電平和第二鑒別電平來減少暗電流和干擾；計(jì)數(shù)器計(jì)得信號(hào)脈沖的個(gè)數(shù)并顯示出來。光子計(jì)數(shù)器的工作原理第71頁,共97頁，2024年2月25日，星期天72用光子計(jì)數(shù)器對(duì)波長(zhǎng)為560nm的弱光進(jìn)行探測(cè)時(shí)，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(shí)，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(gè)光子了。

（a）

光強(qiáng)10-13瓦光電速率脈沖及噪聲

（b）

光強(qiáng)10-14瓦光電速率脈沖及噪聲

（c）

光強(qiáng)10-15瓦光電速率脈沖及噪聲

（c）

光強(qiáng)10-16瓦光電速率脈沖及噪聲

第72頁,共97頁，2024年2月25日，星期天73光子計(jì)數(shù)器是測(cè)量弱光的儀器，如果被檢測(cè)光束光子速率過大，則光電倍增管不能分辨，無法計(jì)數(shù)。2光子計(jì)數(shù)器測(cè)量弱光的極限

這個(gè)速率由光電倍增管的渡越時(shí)間離散Δτ決定。光電倍增管的渡越時(shí)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(jì)數(shù)器都有足夠高的速率的理想情況下，為了分辨每個(gè)光電脈沖，光子速率最大值為：

個(gè)光子/秒第73頁,共97頁，2024年2月25日，星期天74光子速率R（光子數(shù)/秒）和光束功率P之間的對(duì)應(yīng)數(shù)值關(guān)系及適應(yīng)的檢測(cè)方法如下表:

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

鎖定放大第74頁,共97頁，2024年2月25日，星期天75鑒別器的任務(wù)：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(jì)數(shù)脈沖，提高檢測(cè)結(jié)果的信噪比。3光子計(jì)數(shù)器中的鑒別器鑒別器有二個(gè)閾值電平，可設(shè)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75頁,共97頁，2024年2月25日，星期天76第76頁,共97頁，2024年2月25日，星期天3.10光頻外差探測(cè)的基本原理直接探測(cè)：（非相干探測(cè)）

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

裝置復(fù)雜，光源必須為相干光源，間接探測(cè)光波的振幅、頻率和相位等參數(shù)。第77頁,共97頁，2024年2月25日，星期天原理框圖信號(hào)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(jié)構(gòu)第78頁,共97頁，2024年2月25日，星期天3.10.2雙光束干涉信號(hào)光參考光平方律探測(cè)器光混頻輸出Ihs為：頻率搬移第79頁,共97頁，2024年2月25日，星期天80頻譜分析信號(hào)光<1010Hz第80頁,共97頁，2024年2月25日，星期天81前兩項(xiàng)是兩個(gè)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(cè)器來不及響應(yīng)，也就是說，這部分光波成分與探測(cè)器不發(fā)生相互作用。而差頻相對(duì)于和頻來說是個(gè)慢變化，只要其小于光電探測(cè)器的截止頻率，那么探測(cè)器就有相應(yīng)的光電流輸出。第81頁,共97頁，2024年2月25日，星期天探測(cè)器、放大器－－濾波器（中頻輸出，直流項(xiàng)被濾出）特例：?jiǎn)晤l雙光束干涉（頻差為0）－零差探測(cè)光電系統(tǒng)－－相干探測(cè)

－－光外差探測(cè)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82頁,共97頁，2024年2月25日，星期天3.10.3外差信號(hào)的特點(diǎn)相干探測(cè)優(yōu)點(diǎn)：（與直接探測(cè)對(duì)比）探測(cè)能力強(qiáng)轉(zhuǎn)換增益高信噪比高濾波性好穩(wěn)定性和可靠性高第83頁,共97頁，2024年2月25日，星期天841.高的轉(zhuǎn)換增益Pr>>PsG~107－108

外