第十一章光电信号处理方法 - course.e2.buaa.edu.cn · 第十一章光电信号处理方法 1.放大器的噪声模型一、放大器噪声的评价方法原则：将所有噪声折算到输入端

第十一章光电信号处理方法第十一章光电信号处理方法

光电信号处理的主要目的：最大限度地抑制噪声，提取信号光电信号处理的主要目的：最大限度地抑制噪声，提取信号

携带的有用信息。

§11-1前置放大器§11-1前置放大器作用：

①放大探测器的输出信号；①放大探测器的输出信号；

②变换它的输出阻抗；

③展宽探测器的频带。③展宽探测器的频带。

要求：低噪声、高增益、低输出阻抗、大动态范围；

良好的线性特性；较好的抗颤噪声能力。良好的线性特性；较好的抗颤噪声能力。

第十一章光电信号处理方法

1.放大器的噪声模型

第十一章光电信号处理方法一、放大器噪声的评价方法

1.放大器的噪声模型

原则：将所有噪声折算到输入端 En-In噪声模型

En：噪声电压

In：噪声电流

Zi：放大器输入电阻

Et：信号源电阻的热噪声电压

Us：信号源电压

Rs：信号源内阻

系统等效思想——可运用于晶体管、电子管、集成电路等。


2.等效输入噪声


2.等效输入噪声

以上模型中，系统的噪声源可以归结为：En,In,Et放大器输入端噪声电压满足：

2 2 2 2 2 22 ( )E E Z I Z R放大器输入端噪声电压满足：

输出端总噪声：

22 2

( )( ) ( )n t i n i S

iS i S i

E E Z I Z RER Z R Z

2 2 2 2 2 22 2 2 2 ( )[ ]n t i n i SE E Z I Z RE A E A 输出端总噪声：

系统增益：

2 2 2 20 2 2

( )[ ]( ) ( )n t i n i S

n n i nS i S i

E A E AR Z R Z

0

s iu

i i

V ZAV R Z A ZK 系统增益：

等效输入噪声：2

2 0nEE

0 s i u it

s s s i

V R Z A ZKV V R Z

等效输入噪声：2ni

t

EK

2 2 2 2 2E E E I R ni t n n sE E E I R


4.噪声系数F


4.噪声系数F

⑴定义：放大器总输出噪声功率与源电阻噪声功率经放大后在输出端产生值之比。（反映放大器引入多少噪声）在输出端产生值之比。（反映放大器引入多少噪声）

0nPFK P

其中：Pno=Pni+放大器内部噪声.Pni=源电阻噪声功率.

⑵和信噪比的关系

p niK P

⑵和信噪比的关系/

( / ) /no no si niP P P PF

K P P P P P P

输入信噪比

输出信噪比( / ) /p ni so si ni so noK P P P P P P 输出信噪比

2 2 2 2 2 2 2

2 2

/1no p ni t n n s n n sP K E E E I R E I RF

2 2 4 4ni t t s sP E E kTR f kTR f

* F大于1 * F与源电阻有关


5.噪声匹配


5.噪声匹配

F随着Rs的增大而先降后增。

使F最小的源电阻称为最佳源电阻Ro求法：

2 2E I RdF

得：

2 2

[1 ] 04 4

n n s

s s s

E I RdFdR R kTR f kT f

E

此时：

no s

n

ER RI

min 12

n nE IFkT f

f

【分析】最佳源电阻，是不是功率传输最大时的电阻？


3.E 和I 的测量


3.En和In的测量

依据等效输入噪声: 2 2 2 2 2ni t n n sE E E I R

2 2 2 2s i

2 2 2 2 2

0 , 0

, ,s

s t n n n

s n s ni R n s

R E I R E E

R I R E I R

当时

当时占主导

具体实验步骤：

⑴放大器输入端短路，即

s

000, ,s n n n

uR u A E EA

⑵取一个很大的电阻作为源电路 nA

0 n n su k I R 0 /n n sI u k R结论：理论上，用En-In模型对放大器的噪声性能进行分析

实践中，是选用低噪声放大器的重要依据。


三、等效输入噪声的测量


三、等效输入噪声Eni的测量

主要方法：正弦波法，噪声发生器法。


1.正弦波法


1.正弦波法

⑴测试原理

V ，E 串联于放大器输入端,Vs，Eni串联于放大器输入端,

它们具有相同的电压传递函数

测量步骤：测量步骤：

①测量总输出Eno去掉信号发生器，保留有源阻抗Zs去掉信号发生器，保留有源阻抗Zs用均方根电压表测Eno，带宽是噪声带宽的四倍

平均值电压表时，结果×1.13平均值电压表时，结果

②测量电压传输函数 Kt=Uo/Us


正弦波发生器U ,Z 串联，测量输出电压U


正弦波发生器Us,Zs串联，测量输出电压UoKt=Uo/Us （和输入电阻，源阻抗有关）

③求出E③求出Eni⑵正弦波法噪声测试系统的组成

见图11-6见图11-6

系统仪器的组成

见p 287,共9条，见p 287,共9条，

自学。

第十一章光电信号处理方法第十一章光电信号处理方法2.噪声发生器法

⑴测量原理

Eng：噪声发生器串联接入电路

①测量准确度主要取决于噪声发生器的校准

②在测量带宽上有均匀噪声。

步骤：

第一次测量：噪声发生器未接入时，得到总输出噪声Eno1no12 2 2

no1 t niE EK


第二次测量：接入噪声发生器，测E


第二次测量：接入噪声发生器，测Eno22 2 2 2

no2 t ni ngE (E E )K 2 22 2 2

no1 ng2 2no2 no1 no1t ni2 2 2 2

ng t no2 no1

E EE E EEE E -E

KK

⑵简单测量方法：功率倍增法：改变Eng，使输出功率增加1倍

g

2 2no2 no1

2 2 2 21 1

E =2E

E E E Eno1 ng no1 ng2 2ni ng2 2 2

no2 no1 no1

E E E EE =E

E -E E 此时：


具体步骤：


具体步骤：

①不接噪声电压发生器，测量总输出噪声。

②接入一个未经校正的噪声发生器，使输出噪声电压提高3dB。

③读取噪声发生器的电压，它等于放大器的等效输入噪声③读取噪声发生器的电压，它等于放大器的等效输入噪声

另一种普遍的测量方法：（此时测量噪声的功率未校正）

①测量放大器的输出噪声①测量放大器的输出噪声

②将放大器增益衰减3dB

③接入噪声发生器，使功率计回原值③接入噪声发生器，使功率计回原值

∴增加的噪声就是放大器的等效输入噪声


四、低噪声前置放大器的设计四、低噪声前置放大器的设计

1.探测器与前置放大器耦合网络的设计考虑

⑴对于耦合网络中串联阻抗元件，应使得：nncsnncs IEXIER //

耦合网络的低噪声条件

⑵对于耦合网络中的并联阻抗元件

⑶为了减小电阻元件的过量噪声，噪声网络中电阻两端的电

nncsnncs IEXIER //

流电压要尽量小。

过量噪声：电阻中流过直流电流时产生的1/f噪声


2.负反馈电路的影响：反馈电路的低噪声条件2.负反馈电路的影响：反馈电路的低噪声条件

负反馈可以改善电路性能，但也会使放大器噪声性能下降

⑴串联反馈：等效于反馈合成电阻（反馈支路总电阻）与信⑴串联反馈：等效于反馈合成电阻（反馈支路总电阻）与信

号源（探测器）串联。

∴其合成电阻 IE /∴其合成电阻

⑵并联反馈：等效于反馈合成电阻与信号源并联

∴其合成电阻

nn IE /

IE /∴其合成电阻

3.偏置电路的噪声影响和低噪声条件

（1）一般的分压偏置电路见图11-8

nn IE /

（1）一般的分压偏置电路见图11-8

∵Ec大，流过R1，R2，电流大，

产生的过量噪声不可忽略。


（2）无噪声偏置电路如图11-9（2）无噪声偏置电路如图11-9

其交流通路可以写为/1 RRC

①Cg大，R1，R2的过剩噪声可以

g /n nR E I21/1 RRCg

由Cg旁路→直流通路

② 流过Rg的电流小，过剩噪声可忽略CRg /1

③Rg上热噪声电流2/4 ng IRkTB

对于晶体管：Rg>数百千欧，数兆欧

对于场效应管： Rg> 10兆欧～100兆欧


4.低噪声运放的选用4.低噪声运放的选用

⑴一般放大器的参数表上只给出En，没有In而放大器的等效输入噪声为：和In,Rs有关，要综合考虑

2 2 2nA n n SE E I R

例１：1/ 2 1/ 2OP-07 9.6 120n nE nVHz I fAHz ：

1/ 2 1/ 2LMC662 22 0 113E VH I fAH

2/12/1 22:662679E:07OP

0710

nVHzELMCnVHz

OPKRs 时：选用当

1/ 2 1/ 2LMC662 22 0.113n nE nVHz I fAHz ：

nA 22:66267.9E:07-OP nVHzELMCnVHz nA

2/12/1 22:6621200E:07OP

66210

nVHzELMCnVHz

LMCKRs 时：选用当

nA 22:6621200E:07-OP nVHzELMCnVHz nA


⑵用NF曲线（F曲线的分贝形式，R 为横坐标）


⑵用NF曲线（F曲线的分贝形式，Rs为横坐标）

由图说明问题

说明：说明：

Ⅰ.一般放大器，只有En，没有给出In①估算方法 2I I f①估算方法

Ib:运放输入级的偏置电流

②可以通过实际测量得到

2n bI qI f

②可以通过实际测量得到

Ⅱ.场效应管 En ↑, In ↓:适合于高阻抗信号源

双极型晶体管：En小,In↑ :适合电阻较低的信号源双极型晶体管：En小,In↑ :适合电阻较低的信号源


§11-4微弱光电信号处理方法


§11-4微弱光电信号处理方法概述：实际光电探测信号的特点

① 信号非常微弱 ① 信号非常微弱

或背景噪声或干扰影响很大

∴只有低噪声放大器，不能从根本上解决问题。

/S N

小

∴只有低噪声放大器，不能从根本上解决问题。

要有特殊的方法从噪声中提取，恢复和增强被测信号。

②噪声（闪烁噪声和热噪声）在时间和幅度变化上是随机②噪声（闪烁噪声和热噪声）在时间和幅度变化上是随机

的，噪声的带宽很宽，和信号频谱不重叠

不同步

不同步

∴可以用压降带宽方法解决

主要方法：锁相放大器、取样放大器、光子计数器

主要方法：锁相放大器、取样放大器、光子计数器


一、锁相放大器


一、锁相放大器

1.组成：

①信号通道：对混有噪声的初始信号进行选频放大，对噪声①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。

②参考通道：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。

③相敏检波：由混频乘

法器和低通滤波器组成。

见图11-27


工作原理


2.工作原理

设乘法器的工作信号Vs，参考信号Vrcos[( ) ]V V t

乘法器的输出信号：

0

0

cos[( ) ]cos

S Sm

r rm

V V tV V t

乘法器的输出信号：

经滤波后得输出信号：0

1 {cos( ) cos[(2 ) ]}2O S r Sm rmV V V V V t t

经滤波后得输出信号：

当Vs和Vr同频时，输出直流信号：

' 1 cos( )2O sm rmV V V t

当Vs和Vr同频时，输出直流信号：

' 1 cos2O sm rmV V V 2


讨论：


讨论：①②Vsm，Vrm在同频锁相时得到最大的直流输出

' '10 02 2O sm rm OV V V V 当时，当时，

②Vsm，Vrm在同频锁相时得到最大的直流输出

其他噪声或干扰可被抑制有交流分量，被低通滤波器滤掉。

0

由于不同而被相能检波器截止。③只有和被测信号同频率，同相位的信号可和被测信号一起

检波提取，但只占极小部分。

检波提取，但只占极小部分。∴锁相放大器的信噪比得到了提高。

3.实例：采用“开关混频器”（相能检波器）的锁相放大器3.实例：采用“开关混频器”（相能检波器）的锁相放大器原理图图11-29



4.锁相放大器的信噪比


4.锁相放大器的信噪比⑴一般的RC一阶滤波器，传函：

2 2 2

1K=1 R C

则等效噪声带宽： 22 2 20 0

11 4e

dff K dfR C RC

当秒时

但实际情况是，由于带通滤波的频率不稳定。0 30 0.0083eT RC f Hz 当秒时，

/ 2 100f f 左右∴对噪声频带的压缩能力有限。⑵锁相放大器

/ 2 , 100e rf f 左右

⑵锁相放大器它本身是一个带通滤波器，∴能大大改善系统的信噪比

810 0.01ef Hz


( )S( )

( )o i

i o

S fNS fN

0 010 , 1 , 0.25if KHz T S f Hz 当时

-9

( )200

( )o

i

SN

SN

，电压灵敏度10-9V信噪比的改善可达1000倍。I：锁相放大器的四个基本环节

NMHzf 1~10/1

I：锁相放大器的四个基本环节⑴通过调制或斩光，将被测信号以零频范围转移到设定的

高频范围内。

⑵选频放大


⑶相能解调，使输出信号的带宽限制在极窄的范围


⑶相能解调，使输出信号的带宽限制在极窄的范围⑷通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波Ⅱ锁相放大器的特点Ⅱ锁相放大器的特点⑴要求对入射光束进行斩光和光源调制∴适用于调幅光信号的检测⑵是极窄带宽高增益放大器⑶交流→直流⑷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

11 8G=10 , f=0.0004Hz, =10 or more

⑷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倍。

例子例子例1：补偿法双通道测光装置的锁相放大器例2：采用两个锁相放大器的双频双光束系统


二、取样积分器


二、取样积分器

1.工作原理：利用取样和平均化技术，测定深埋在噪声中的

周期性信号的测量装置。周期性信号的测量装置。

对周期性信号：在一个周期的同一相位处，多次采集波形

上的某点的数值，其加权平均的结果与该上的某点的数值，其加权平均的结果与该

点处的瞬时值成比例。

随机噪声：长时间平均后，其值收敛为零。

随机噪声：长时间平均后，其值收敛为零。

在脉冲光信号的测量方向：取样积分器比锁相放大器有更好

的信噪比。的信噪比。

2.两种工作方式

⑴稳态测量方式


原理图见图11-32原理图见图11-32

设积分器的充电时间常数为：

则经过N次取样后，电容C上的

电压值为：

0T RC

g Nt

UU )]exp(1[

Scg

gSc

UUtNt

Nt

UU

跟踪时，当 0

0

)]exp(1[

Scg 跟踪时，当 0


讨论：


讨论：

①tg是输出信号的时间分辨率。

②输入噪声的等效带宽：

③信噪比：

1/ 2 1/ 2g e ei gt f f t

1( ) 2 2S tf RC

( ) 2 2

,1( )4

o gei

Ngi eo

S tf RCNS N SNRtfN RC

2.扫描测量方式N lSNR N SNR

⑴原理：门延迟时间借助慢扫描电压缓慢而连续改变，使取

样脉冲缓慢移动，扫描整个输入信号的过程。这种情况下，

积分器的输出变成信号波形的复制。


注意：和稳态测量取样不同，每次取样之后，用开关将放电


注意：和稳态测量取样不同，每次取样之后，用开关将放电电容短路，使积分器复原。⑵运行步骤：⑵运行步骤：①利用光脉冲的激励源得到，同步光触发脉冲。②得到可调脉宽取样脉冲串。③对周期性信号取样。④积分器对信号进行多次线性叠加，得输出信号。特点：特点：①适合于由脉冲光源产生的连续周期变化的信号波形测量和单个光脉冲的幅度测量。单个光脉冲的幅度测量。

②取样放大器：可以对固定位置进行重复测量，也可以通过自扫描，再现整个波形。


③对信号进行线性叠加，对随机噪声进行矢量叠加，对信号


③对信号进行线性叠加，对随机噪声进行矢量叠加，对信号

有恢复和提取作用。

④在测量占空比＜50％的宽脉冲光强度情况下，比锁相放大

器有更好的信噪比。

⑤用扫描方式测量信号波形时，能得到100ns的时间分辨力

⑥双通道系统能提供自动背景和辐射源补偿。

⑶两个例子




三、光子计数系统三、光子计数系统

1、基本的光子计数系统




2源补偿的光子计数系统2.源补偿的光子计数系统

3.背景补偿的光子技术系统



光子计数技术的基本过程可归纳如下：• 光子计数技术的基本过程可归纳如下：

1、用广电倍增管检测弱光的光子流，形成包括噪声信号在内的输出光脉冲内的输出光脉冲

2、利用脉冲幅度鉴别器鉴别噪声脉冲和多光子脉冲，只允许单光子脉冲通过；许单光子脉冲通过；

3、利用光子脉冲计数器检测光子数，根据测量目的，折算出被测参量；出被测参量；

4，为补偿辐射源或背景噪声的影响，可采用双通道测量方法法


光子计数方法的特点是：光子计数方法的特点是：

1、只适合于极弱光的测量，光子的速率限制在大约相当于1 W的功率，不能测量包含许多光子的短脉冲强

s/109

相当于1nW的功率，不能测量包含许多光子的短脉冲强度。

2、不论是连续的、斩光的、脉冲的光信号都可以使用，能2、不论是连续的、斩光的、脉冲的光信号都可以使用，能取得良好的信噪比。

3、为了得到最佳性能，必须选择光电倍增管和装备带制冷3、为了得到最佳性能，必须选择光电倍增管和装备带制冷器的外罩。

4、不用数模转换即可提供数字输出。4、不用数模转换即可提供数字输出。



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