第三章微弱信号检测.ppt

单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*1o微弱信号检测检测 就是将实验实验 中要测测量的微弱物理量从强于数千甚至数十万倍的噪声背景中提取出来第三章 微弱信号检测技术相干检测是频频域信号的窄带带化处处理方法，它利用信号与外加参考信号的相干特性，而相干性是随机噪声所不具备备的典型仪仪器：锁锁相放大器重复信号的时域平均适于波形恢复的测测量利用取样样技术术，在重复信号出现现的期间间取样样，并重复n次，则测则测 量结结果的信噪比可改善 倍典型仪仪器：BOXCAR平均器离散信号的统计处理对对极弱光，光子流具有离散信号的特征，使用离散信息处处理方法检测检测 极弱光信号分单单道和多道检测检测 前者典型仪仪器为为单单光子计计数器；后者典型仪仪器为为光学多道分析器第一节 信号与噪声1、信号与噪声概念 信号是携带带了某种被测测信息的某个物理量在光谱测谱测 量中，可以是电电流、电压电压 或光波的各个参数等 一般来说说，一个信号中除了有用的信号以外，总还总还 伴随着噪声噪声是一种无规规的随机涨涨落除噪声外，还还可能由环环境造成的干扰扰 光谱检测谱检测 的时时候，常常是信号淹没于噪声之中为为了评评价有用的信号在一个总总信号中所占的份额额，引进进信噪比SNR： S/N越高，测测量误误差越小。

通常使信号通过过一个系统统（放大器或滤滤波网络络等）来提高信噪比， 信噪比改善SNIR（Signal to Noise Improvememnt）： 2 噪声的统计统计 特性 （1）概率分布 随机噪声是一种前后独立的平稳稳随机过过程，瞬时时幅度的概率分布是正态态的，即高斯分布 ，称噪声电压电压 的均方根值值，衡量系统统噪声的基本量瞬时时噪声的幅度基本上在 范围围之内. 噪声功率谱谱密度S(f) :为在频率f处，带宽为内的1电阻上的噪声平均功率. 噪声平均功率 :常把在很宽宽的频频率范围围内具有恒定的噪声功率谱谱密度的噪声称为为白噪声 (2) 自相关函数 随机变变量x(t)的自相关函数 表示随机过过程在 和两个不同时时刻的相关性 白噪声功率谱密度与自相关函数 自相关函数3 噪声来源（1）热热噪声 由导导体内自由电电子的随机运动动引起的运动电动电 荷的随机运动动表现为电现为电 流的涨涨落属白噪声 一个阻值为 R的电阻的热噪声的均方根值为一个阻值为 1k的光导元件，在室温（290K）下热噪声电压为 4nV2) 散粒噪声(shot noise) 在晶体管中当载载流子越过过PN结时结时 ，或者，真空器件中电电子越过过阴极表面的势垒势垒时时，由于各别载别载 流子的运动动速度差异，使电电流发发生波动动，形成散粒噪声。

属白噪声 散粒噪声电电流的均方根值为值为 ：为为了减小散粒噪声需要压缩压缩 系统带宽统带宽 以及降低工作电电流 噪声 (3)主要存在于电电子器件中，它与元器件的制造工艺艺有关，特别别是与表面的处处理有关特点：随频频率的降低而增加，所以又称为为低频频噪声 第二节 锁相放大器锁锁相放大器是一种高性能的通用测测量仪仪器，它能精确测测量被掩埋在噪声中的微弱信号随着科学技术术的飞飞速发发展，在电电子学、信息科学、光学、磁学、力学、低温物理、声学、生物学等许许多领领域，越来越需要测测量深埋在噪声中的微弱信号 1 模拟相关器锁锁相放大器(Lock-in amplifier-LIA)是利用信号与噪声的互不相关性来抑制噪声的核心部件是模拟拟相关器相关器由乘法器与积积分器组组成，乘法器也称相敏检检波器 可以调节调节 参考信号的相位，使之与输输入信号的相位差为为零，这时这时 ，相关器的输输出信号为为最大 在参考信号的幅值值已知的情况下，就可以测测定输输入信号的幅值值与参考信号之间间的相位差2、 锁相放大器的组成 信号通道、参考通道与相关器三部分 为为幅值值恒定的方波 参考通道：把频频率为为参考信号变换变换为为了同时测时测 定输输入信号的幅值值与位相，锁锁相放大器通常有两个相关器，分别输别输 出相差为为/2的两个正交参考信号与输输入信号相关积积分输输出一正比于输输入信号幅值值的平滑直流信号 积积分输输出电压为电压为零为为了得到好的噪声抑制，相应应的积积分时间时间 常数RC越大越好。

但RC越大，对对信号的反应应速度就越慢，幅度变变化较较快的信号的测测量就要受到影响 3 锁相放大器的性能指标 最小可分辩辩信号电电平(MDS)：输输出端能够辩别够辩别 的最小输输入无噪声信号电压电压；满满刻度信号输输入电电平(FS)：输输出端满满刻度时时所需的输输入电压电压大小 最大过载电过载电 平(OVL)：不造成仪仪器过载过载 的最大输输入噪声电压电压 总动态总动态 范围围：反映锁锁相放大器整体性能的重要指标标 ，定义为义为 不引起仪仪器过载过载的最大输输入噪声电压电压 与最小可分辩辩的信号电压电压 之比 4 调制技术 在光谱测谱测 量中，为为了使被测测信号变变成锁锁相放大器可以测测量的交变变信号，同时获时获 得与被测测信号交变变信号相干的参考信号，需要对对被测测的光信号进进行调调制进进行光信号调调制一般利用随机的光斩斩波器附件 机内都有一组组小光源，它们对们对 准地照在光电电管上，当斩斩波盘对盘对 小光源的光束进进行斩斩波，光电电管的输输出信号通过过整形，输输出0-5V的TTL信号，它们们用作为为参考信号第三节 取样平均器（BOXCAR)取样样也称抽样样，是一种信息的提取方法，取样样平均即对对取出的样样本采用平均的方法去除噪声与干扰扰，以获获取有用的信息 1 取样原理取样样的基本过过程:一个被测测信号f(t)经经适当放大后加到场场效应应管开关电电路的输输入端，而在场场效应应管的栅栅极加上一个窄矩形门门脉冲。

当门门脉冲到来时时，场场效应应管导导通，被测测信号在门门的持续时间续时间 内通过过，场场效应应管的输输出端出现现一个该该信号的取样样脉冲如果连续连续 改变门变门 脉冲与被测测信号的相对时间对时间 ，就可以完成对对整个被测测信号的取样样光谱测谱测 量中往往需要测测量十分微弱的重复的短脉冲信号，脉宽宽短至来不及对对其进进行多次取样样采用变换变换 取样样方法来完成对对短脉冲信号的取样样与处处理 变换取样重新组组合的新脉冲在时间时间 上有了扩扩展 对样本信号的累加平均如果取样门样门 的宽宽度不是很窄，取样门样门 移动动很慢，上一次取样样区与下一次取样样区就会有产产生某些重迭，信号脉冲上的同一点将会进进行多次取样样，有用的信号将因多次取样样而增强，而噪声只因多次累加而减弱，从而使信号的信噪比增加 2 BOXCAR平均器对对微弱的重复脉冲信号进进行逐点取样样和同步积积分的光谱测谱测 量仪仪器 有单单点与扫扫描两种工作方式 单单点工作方式 特点：取样样点相对对于信号起始时时刻是固定延时时，门宽门宽 不变变，所测测量的是离原点为为固定延时时的重复信号的某点瞬时时平均值值，而不是观观察波形在激光诱导荧诱导荧 光谱谱中，用激光脉冲作boxcar的外触发发，改变变相对对于激光触发时发时 刻的延时时，积积分一定的次数后输输出，与某一波长长相应应的荧荧光信号上该该固定位置的值值。

波长扫长扫 描，则则得到在确定延时时下被测荧测荧 光信号的谱线谱线 扫扫描工作方式 时时基电电路产产生慢斜波，Tb=T扫扫描时间为时间为 Ts取样门样门 脉冲相对对于触发发脉冲的延时时在增大，实现实现 了在输输入信号波形上取样样位置从前向后的扫扫描过过程恢复后信号波形的宽宽度为扫为扫 描时间时间 Ts. 变换变换 取样样方法3、boxcar参数的选择 门宽门宽 决定Boxcar的时间时间 分辨率，门宽门宽 大对对改善信噪比有好处处，但它会影响时间时间 分辩辩率，即对对复现现原信号的精细细部位有影响 时时基宽宽度Tb： 应应稍大于被测测信号宽宽度(信号周期T) 积积分时间时间在SR250中，需选择选择 的是有效取样样次数m, 慢扫扫描时间时间 Ts：完成一个波形恢复的实际测实际测 量时间时间 . 门宽门宽时间时间 内取样样次数: 输输出达到稳稳定电压值电压值 的时间为时间为 第四节 单光子计数器非常微弱的光信号，如被测测光的强度仅仅有W以下时时入射的光子流将出现现离散的状态态，每秒几百个光子，即光以粒子的形式分离地到达光检测检测器于是光电电倍增管的输输出将是一个个分立的脉冲，而非连续连续 信号。

1、原理已知光阴极在入射光波长长的量子效率，就可以采用计计数电电脉冲数的方法推算出光子流的强度 一个光子入射时时，光电电倍增管输输出一个电电脉冲 关于PMT中的噪声：（1）热热噪声光阴极和倍增极热电热电 子发发射产产生光阴极造成的热热噪声脉冲幅值值与单单光电电子脉冲相当，倍增极的小于单单光电电子脉冲；（2）内部残余气体电电离形成的噪声脉冲幅值值一般大于单单光电电子脉冲的2倍3）宇宙射线线等辐辐射脉冲幅度大于5倍的单单光电电子脉冲峰谷比：分辨率： 峰谷比越大，分辨率越小的PMT越适合作光子计计数用 E1或EV可做第一甄别别幅度E2作第二甄别别幅度脉冲计计数率V（甄别电别电 平）单单光电电子峰光电电倍增管噪声脉冲幅度V 光电电倍增管输输出脉冲幅度分布（微分）曲线线测测量弱光时时光电电倍增管的输输出特性：2 光子计数系统甄别器的作用是去除低幅度的高幅度的噪声脉冲，降低背景计数率，提高检测信噪比甄别器一般有两个甄别电平，分别称为第一甄别电平(下阈值)和第二鉴别电 平(上阈值)，它们分别抑制脉冲幅度低的暗噪声与脉冲幅度高的有宇宙射线和天电干扰等造成的外来干扰脉冲 3、光子计数的噪声与计数误差(1)统计涨统计涨 落噪声 (4)为为提高信噪比应应加大计计数时间时间(2)暗计计数(3)脉冲堆积积与计计数误误差第五节 光学多道分析仪1 光学多道分析仪仪的结结构 光学多道分析仪仪(Optical Mutichannel Analyzer)简简称OMA，是一种采用多道方法对对被测测光谱谱区光谱进谱进 行同时检测时检测 的方法。

光学多道分析仪仪由光学多色仪仪、光学多通道检测检测 器、探头头控制器和数据处处理器等部分组组成 多色仪仪通过过色散将复合光按波长长在空间间排列，聚焦后成象在多通道检测检测 器的光敏面上 光电电探测测器是光学多道分析仪仪的核心部件，现现在主要是 CCD或增强型CCD有选选通工作方式，用于进进行时间时间 分辩辩光谱测谱测 量 在信号入射到检测检测 器的光敏面后，信号的光电电信息在靶面上存贮贮下来，经经读读取转换转换 成相应应的光电电流信号，控制器控制着检测检测 器的扫扫描及信号读读出等功能信号经经/D转换转换 后送计计算机存贮处贮处 理 2 CCD光电电列阵阵CCD光电电列阵阵有线阵线阵 ，面阵阵两种 线阵线阵面阵阵CCD列阵阵被置于摄谱仪摄谱仪 焦平面上，在专专用驱动电驱动电 源产产生的驱动驱动 脉冲作用下，CCD中光电电信号被移出该该器件，经经放大和采样样保存后，光谱谱信号被送入模数变换变换 器（A/D），计计算机用于采集A/D变换变换 器输输出电电信号，并对对光谱谱数据进进行处处理，给给出所要数据。