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1、光电信号检测,第十一章 光电信号处理方法,光电信号作为信息的一种载体，具有信息容量大、易于控制、便于远距离传送、可高速处理等特点。在科学研究、人类生活、生产的各个领域都得到了广泛的应用。 在光电探测系统中，探测器输出的电信号通常很微弱，一般仅为微伏数量级，只有被充分放大和各种处理后才能记录下来，因此，信号放大与处理电路是光电探测系统中的重要组成部分。 光电信号处理的主要目的是最大限度地抑制噪声，提取信号携带的有用信息。 步骤：信号处理电路从探测器接收到低电平信号，通过放大、限制带宽、分离信息，再送到终端的控制装置或显示器。,第十一章 光电信号处理方法,由于光电探测器通常所处空间有限，并且还可能
2、处于运动的机构上，所以在探测器上进行信号处理十分困难。 解决办法：在靠近探测器的位置上放置小型前置放大器，来放大探测器的输出信号，变换它的输出阻抗，改善分路电容效应以展宽探测器的频带，使电信号经这些处理后能通过低阻抗屏蔽式电缆，成功地传输到信号处理系统的有关电路部分。 因此，前置放大器的设计要求是低噪声、高增益、低输出阻抗、大的动态范围、良好的线性特征和较好的抗噪声能力。此外，还要仔细地屏蔽，以消除不希望有的杂散场信号。因此，前置放大器品质的优劣是整个信号处理系统中最关键的部分。,111 前置放大器,前置放大器的研究十分成熟，尤其对其噪声的分析比较详尽。 由于低噪声放大器性能不断提高，可供选用
3、的种类也越来越多，例如OP24273437227系列和AD797等。因此，在低噪声前置放大器设计中，现在更多的是直接选用性能优良的低噪声运算放大器，而一般不再单独地进行设计。如何正确地选用适合自己目的的低噪声运算放大器，是需要认真考虑的。,一、放大器噪声的评价方法 1. 放大器的噪声模型 放大器内的所有噪声源都折算到输入端，这就是阻抗为零的噪声电压源En串联在输入端和阻抗为无限大的噪声电流源In与输入端并联。 放大器内部成为一个无噪声的放大器，噪声电压且En和噪声电流In可以通过测量得到。 这样等效之后，对放大器内部噪声过程的研究可以简化为分析压En和In在电路中的作用，这种等效的模型称为放大
4、器的EnIn噪声模型，该模型也适用于晶体管、电子管以及集成电路。,Et：信号源电阻的热噪声电压 Rs：信号源电阻,2等效输入噪声 采用EnIn模型后，一个信号源与放大器组成的系统的噪声源可归结为三个，即En 、 In和Et。 进一步考虑这三个噪声源共同作用的效果，可以将它们等效为信号源，用“等效输入噪声Eni”表示。,源电阻的热噪声,放大器的噪声电压源和噪声电流源，是选择前置放大器的依据。,3En和In的测量 EnIn模型应用广泛的原因是其参数En和In值容易测量。 如果Rs等于零，Et和InRs两项为零，这样得到的等效输入噪声就是噪声电压源En（ Eni En ）。因此，在Rs0的条件下测量
5、放大器的总输出噪声，得到的就是Au En，总输出噪声除以增益Au就可得到En 。 当Rs足够大时，Eni InRs。,二、噪声的测量 为了确定放大器的噪声性能，了解电路是否达到预期的性能要求，就要实际测量放大器输出的噪声；要确定放大器的EnIn模型参量，也要实际测量噪声的大小。 实际上，噪声分布在整个系统上，但总的噪声效果会反映到输出端。因为信号处于放大器的输入端，所以把放大器和输入网络的所有噪声都包括到等效输入噪声参数中是符合逻辑的。 等效输入噪声Eni的测量基本方法有两种：正弦波法和噪声发生器法。,1. 正弦波法 (1)测试原理 根据等效输入噪声定义，等效输入噪声压Eni是一个与信号源串联
6、的并等于探测器和放大器的噪声之和的噪声电压源。 它把所有的放大器和输入噪声都归化到信号源处。因为信号源和噪声电压源同处一点，对于输出端，具合相同的电压传输函数Kt。 步骤 在输出端测量总输出噪声Eno ； 测量电压传输函数Kt， KtU0Us； 求出等效输入噪声Ein。,(2)正弦波法噪声测试系统的组成 用正弦波法需要测量总输出噪声和电压传输增益，需要的仪器设备有：正弦波信号发生器、衰减器、低噪声放大器、滤波器和均方根电压表等。 正弦波信号发生器 为了使测量精确，要求发生器输出的信号微弱，因此宜选用输出功率小的信号发生器，以免发生器的辐射信号过强而影响测量。,交流电压表 用于测量信号发生器输出
7、电压的大小，应当用宽频带的电压表。 低阻抗衰减器 用于衰减信号发生器传输过来的信号，因为被测量的低噪声放大器增益往往很高，必须把振荡器的信号降到最小，以便避免放大器过载。并且可提供一个低的输出阻抗，相当于一个低阻抗的电压源。衰减器安装在屏蔽盒内。 模拟源电阻Rs 其大小等于被测电路在实际过程中所接的信号源的源电阻。 被测器件或被测电路 适用于测量单个晶体管、集成电路或一个完整的放大器的噪声。,低噪声前置放大器 因为被测器件或放大器的输出噪声往往很弱，大约是微伏数量级或者更低。因此，用普通仪表测量是有困难的，必须后接低噪声放大器，要求其噪声愈低愈好。 模拟输出电阻R0 其大小应等于被测电路的输出
8、电阻，用途是当低噪声放大器及滤波电路的噪声不可忽略时，将模拟输出电阻代替电路输出电阻，测量出低噪声放大器和滤波器以及滤波电路的噪声，然后将测出的总输出噪声除去这两部分噪声就得到被测电路和源电阻形成的输出躁声。 滤波器 用来得到所需的噪声带宽。 均方根电压表 测量输出噪声。,2噪声发生器法 放大器的噪声可以用比较法测量。把放大器的未知噪声电平同噪声发生器的已知噪声电平进行比较。比较的基准是噪声发生器，因此测量的准确度主要决定于噪声发生器的校准。 具体测量步骤如下： (1)输入端不接噪声电压发生器，测量输出端总噪声。 (2)输入端接入一个经校正的噪声电压发生器，使输出噪声电压提高一倍。 (3)读取
9、噪声发生器的电压，它等于放大器的等效输入噪声。,在实际的光电信号探测中，常常遇到的情况是光辐射的信号非常微弱，或者背景噪声或干扰的影响很大，就使通过光电探测器转换后得到的光电信号的信噪比(SNR)很小，这时，仅有一个低噪声的前放是不够的，还要设法将淹没信号的噪声尽量地减小，以便从噪声中将信号提取出来。 通常的噪声在时间和幅度变化上都是随机发生的，分布在宽的频谱范围内，与信号频谱大部分不重叠，也没有同步关系。因此，可以采用压缩检测通道带宽的方法。此外采用取样平均处理方法可使信号多次同步取样积累，也可以抑制噪声。,112 微弱光电信号处理方法,输入信噪比小于1，说明信号淹没在噪声之中。这时仅仅靠简
10、单地压缩系统噪声带宽的办法是无济于事的。对微弱信号的探测常采用锁相放大器、取样积分器和光子计数器等。以锁相放大器为例介绍。 锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频(或倍频)、同相的噪声分量有响应。因此能大幅度抑制无关噪声，改善检测信噪比。 此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。,锁相放大器由三个主要部分： 信号通道：对混有噪声的初始信号进行选频放大，对噪声作初步的窄带滤波； 参考通道：通过锁相和移相提供一个与被测信号同频同相的参考电压； 相敏检
11、波：由混频乘法器与低通滤波器组成。 在相敏检波器中参考和输入信号进行混频运算得到两信号的和频与差频。该信号经低通滤波器滤除和频成分后得到与输入信号幅值成比例的直流输出分量。,设乘法器的输入信号Vs和参考信号Vr分别有下列形式 则输出信号V0为（变频）,经过低通滤波，输出信号V0为 如果输入信号与参考信号的频率一样，即 ，输出信号是直流信号。 通过调整延时电路，使 ，直流输出最大：,其他噪声和干扰信号或者由于频率不同，被后接的低通滤波器滤除； 或者由于相位不同而被相敏检波器截止。 虽然那些与参考信号同频率同相位的噪声分量也能够输出直流信号并与被测信号相叠加，但是，它们终归只占白噪声的极小部分。
12、因此，锁相放大能以极高的信噪比，由噪声中提取出有用信号来。,锁相放大技术包括下列四个基本环节： 通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的高频范围内。检测系统变成交流系统。 在调制频率上对有用信号进行选频放大。 在相敏检波器中对信号解调。同步解调作用截断了非同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范围内。 通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。,锁相放大器的特点： 要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅光信号的检测。 是极窄带高增益放大器，增益可高达1011(220dB)，滤波器带宽可窄到0.0004Hz，品质因数Q值达108或更大。 是交流信号直流信号变换器。相敏输出正比于输入信号的幅度和与参考电压的相位差。 可以补偿光检测中的背景辐射噪声和前置放大器的固有噪声。信噪比改善可达1000。,结束 感谢大家的支持！ 祝同学们学业有成！,
