现代光电检测技术006

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输出电功率正比于入射光功率的平方。,若：入射光为调幅波,则,上式第一项为直流项，可被隔直流电容消去，上式只剩第二项，即,包络检测。,检测器响应的是光场的包络，目前尚无直接响应光场频率的检测器。,5,6.2,光电直接检测系统的基本特性,6.2.1,直接检测系统的灵敏度,1.,模拟系统的灵敏度,模拟系统的灵敏度可以用,信噪比,表示。同时信噪比是衡量系统质量的重要指标。,设入射到光检测器的信号光功率为,P,S,，噪声功率为,P,n,，光检测器的输出信号电功率为,P,o,，输出噪声功率为,P,no,，则,输出功率信噪比,6,若,P,S,/P,n,1,，则,输出信噪比等于输入信噪比的一半，经光电转换后信噪比损失：,7,2.,数字系统的灵敏度,数字系统的灵敏度一般用误码率来评价。,数字系统误码信号：,二进制系统的误码率：,8,6.2.2,直接检测系统的检测极限及趋近方法,考虑直接检测系统存在的所有噪声，则输出噪声总功率为：,信号噪声,背景噪声,暗电流噪声,负载电阻与放大器热噪声之和,输出功率信噪比,9,直接检测系统的检测极限,引入噪声等效功率,NEP,来讨论直接检测系统的检测极限,NEP,：信噪比为,1,时所需要的信号功率,则一般情况下：,当热噪声为主要噪声,10,当散粒噪声为主要噪声,当背景噪声为主要噪声,当以信号光的散粒噪声为主要噪声,假定 ，测量带宽 ，则,-,量子极限下的最小可检测功率,11,6.2.3,直接检测系统的视场角,半视场角：,视场立体角：,12,6.2.4,系统的通频带宽度,确定系统的通频带宽度方法：,等效矩形带宽,2.,频谱曲线下降,3dB,的带宽,3.,包含,90%,能量的带宽,令,I,(,w,),为信号的频谱，则信号的能量：,定义等效带宽 ：,13,以钟形波表示的脉冲激光信号为例进行分析：,为脉冲峰值，,14,f,越宽：通过信号的能量越多，但会减小信噪比,矩形波通过滤波器的波形,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,几种带宽值,15,6.3,直接检测系统的距离方程,光电检测系统暗信息光源分类：,被动检测系统,主动检测系统,被动检测系统：光信号来自被测物体的自发辐射,16,主动检测系统：通过信息调制光源,或者光源发射的光,受被测物体调制。,距离方程,：计算光电检测系统的作用距离。,17,6.3.1,被动检测系统的距离方程,1.,辐射通量,辐射通量,（辐射功率）是由辐射源向各个方向射出的功率。,2.,辐射强度,辐射强度,是辐射源在单位立体角内辐射的辐射通量,3.,辐射照度,辐射照度,是从辐射源照射到单位面积上的辐射通量。,辐射功率、辐射强度与辐射照度,18,对被动检测系统，设被测目标的光谱辐射强度为,经光学信道（如大气）传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度为,输出信噪比：,简化处理各参数：,取 为被测距离,L,在 区域内的平均透过率,取光学系统系统的透过率 为 区域内的平均值,认为检测器件在 区域内的响应度为常数,取 为被测物在 区域内的平均辐射强度,19,则有：,故：,被测物辐射特性及光学信道透过率的影响,光学系统的影响,检测器件的影响,信息处理系统的影响,20,6.3.2,主动检测系统的距离方程,若 ，则：,21,6.4,光电直接检测系统举例,一,.,莫尔条纹测长仪,1.,莫尔条纹测长原理,主光栅,A,：,i,=0,1,2,3,，节距为,P,1,指示光栅,B,：,j,=0,1,2,3,，节距为,P,2,两光栅交点,i,，,j,22,结论：,莫尔条纹是周期函数，周期即莫尔条纹的宽度,若光栅,A,、,B,的节距相等，,P,1,=P,2,，则：,横向莫尔条纹,严格的横向莫尔条纹要求 ，在 时，只能,当 ， 时，纵向莫尔条纹,23,横向条纹,斜向条纹,纵向条纹,莫尔条纹的放大作用：,两光栅（,P,1,=P,2,=P,）相对移动,P,，莫尔条纹移动,B,，即放大倍数：,24,播放动画,莫尔条纹演示,25,指示光栅移动的距离为：,：指示光栅移动距离中包含的,光栅线对数,：小于个光栅节距的小数,简单光栅读数头,：灯，：聚光镜，,：指示光栅，：主光栅，：光电探测器,莫尔条纹测长仪,高测量精度需进行细分：,26,2.,细分判向原理,27,28,29,3.,置零信号,对绝对测长,须在测量的起始点给计数器一个置零信号。,零位光栅刻线：,一组非等宽的条纹,两光栅的零位光栅刻线重合：,输出尖三角脉冲（置零信号）,30,二,.,激光测距,1.,测距原理,光波经过的路程：,t,：往返时间,c,：光速,激光测距方法：,脉冲测量法,相位测量法,激光发射系统,激光接收系统,信号处理,数字显示,目标,31,直接检测系统的距离方程,光电检测系统的灵敏度在不同的用途时，灵敏度的表达形式不同，在对地测距、搜索和跟踪等系统中，通常用,“检测距离”,来评价系统的灵敏度。对于其他系统的灵敏度亦可用距离方程推演出来。,直接检测系统分为被动检测和主动检测系统，其距离方程不同。下面分别进行推导。,32,设被测目标的光谱辐射强度为,经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度 为：,入射到检测器上的光谱功率 为：,根据目标辐射强度最大的波段范围及所选取检测器光谱响应范围共同决定选取的,(,1,2),的辐射波段，可得到检测器的输出信号电压为：,1,、被动检测系统的距离方程,33,令检测器的方均根噪声电压为,V,n,，则它的输出信噪比为：,都是波长的复杂函数，难有确切的解析表达式。通常作如下简化处理：,式中,取,1,为被测距离,L,在光谱响应范围内的平均透过率,1,。, 光学系统的透过率,0,对光谱响应范围内平均值 。, 把检测器的光谱响应带看成是一个矩形带宽。即在响应范围内为,常数,R,V,，在其它区域为零。,根据物体的温度,T,查表，可计算出在考查波段范围内的黑体辐射强度，,再乘以物体的平均比辐射率，可得到物体在光谱响应范围内的辐射强度,I,e,。,34,即：,又因为：,式中,A,d,为检测器面积；,f,为系统的带宽；,D,*,为检测器的归一化探测度；,A,o,I,e,=P,0,是入射到接收光学系统的平均功率。考虑到系统的调制特性，入射到探测器上的有效功率为：,S(,),为调制信号的功率谱,35,为清楚地看出系统各部件对检测距离的影响，把调制特性考虑为对入射功率的利用系数,k,m,，则上式改写为：,第一个括号是,目标辐射特性及大气透过率对检测距离的影响,；,第二个括号和第三个括号表示,光学系统及检测器件特性对作用距离的影响,；,第四个括号是,信息处理系统对作用距离的影响,。,36,主动检测系统的光源主要为激光光源。令其发射功率为,P,s,(,),；发射束发散立体角为,；发射光学系统透过率为,01,(,),，经调制的光能利用率为,k,m,，则发射机发射的功率,P,T,(,),为：,激光在大气中传播时，能量若为按指数规律衰减，令衰减系数为,k(,),，经传播距离,L,后光斑面积为,S,L,=,L,2,，光斑,S,L,的辐射照度,E,e,为：,设在距光源,L,处有一目标，其反射面积为,S,a,。普通情况下把反射体看作是朗伯反射，即在半球内均匀反射，其反射系数为,r,。在此条件下，单位立体角的反射光辐射强度,I,e,(,),为：,2,、主动检测距离方程,37,假定接收机和发射机在一处，反射光经大气传输到接收器的过程仍遵守指数规律衰减，衰减系数仍为,k(,),，则接收功率为：,式中，,D,0,为光学系统接收口径；,，,=,D,0,2,/4L,2,为接收系统的立体角。如果接收光学系统的透过率为,02,(,),，则检测器上接收到的总功率为：,式中,:,检测器上的输出电压为：,38,式中：,R,V,(,),为检测器相对光谱响应度，将,5-25,式代入上式得距离,L,为：,如果目标反射面积,S,a,等于光斑照射面积,L,2,，则上式可化为：,可知，影响检测距离的因素很多，发射系统、接收系统的大气特性以及目标反射特性都将影响检测距离。,在前面计算距离时，在被动检测系统中，由于光谱范围宽，大气衰减作用以透过率表示，而在主动检测系统中，绝大多数系统是以激光做光源，激光光谱较窄，用衰减系数表示，其物理意义是等价的。,39,2.,脉冲激光测距,脉冲激光测距使用固体激光器,激光器,取样器,小孔光阑,干涉滤光片,光电检测器,放大,电,路,整形,控制,复原,电路,启动按钮,时钟,振荡器,电子门,计数器,40,2.,激光相位测距,相位测距：通过测量正弦调制光波在被测距离上所发生,的相位变化来间接测量光波往返时间。,特点：连续波测量、测程短、测量精度高（,10,-5,）,采用气体激光器及半导体激光器,相位测距原理,41,相位检测原理,42,相位测距仪,43,三,.,环境污染检测系统,44,第六章 光外差检测系统,光,外差检测与直接检测系统相比，具有如下优点：,测量精度高,7-8,个数量级；,灵敏度达到量子噪声极限，其,NEP,值可达,10,-20,W,。,可用于光子计数。,激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的相干性，所,以外差检测在大气中应用受限，在外层空间已经达到实用,阶段。,外差检测在高频（,10,16,Hz,）光波时不如直接检测有,用。而在长波长（近红外和中红外波段），光外差检测技,术就可实现接近量子噪声限的检测。,45,光外差检测原理示意图,直接检测系统中，检测器检测的光功率为平均光功率,P,cp,：,显然光波直接检测只能测量其振幅值。,光外差检测原理如图，两束平行的相干光，经分光镜和可变光阑入射到检测器表面进行混频，形成相干光场，经检测器变换后，输出信号包含差频信号，故又称相干检测。,6.1,光外差检测原理,46,外差检测实验装置图,如图,:,光源经过稳频的二氧化碳激光器，由分束镜把入射光分成两路：一路经反射作为本振光波，频率为,f,L,，另一路经偏心轮反射，经聚焦到可变光阑上作为信号光束。,偏心轮转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的回波产生多普勒频移，其频率为,f,s,。可变光阑用来限制两光束射向光电检测器的空间方向，线栅偏振镜用来使两束光变为偏振方向相同的相干光，然后两束光垂直投射到检测器上。,首先设入射到检测器上的信号光场和本机振荡光场分别为：,47,那么，入射到检测器上的总光场为：,光检测器的响应与光电场的平方成正比,，所以光检测器的光电流为：,式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于,1/2,。第三项为和频项，频率太高，光混频器不响应，可略去，第四项为差频项，频率低得多，,当差频信号,(,L,-,s,)/2,=,C,/2,低于光检测器的上限截止频率时,，检测器就有频率为,C,/2,的光电流输出。,48,如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以得到通过以,C,为,中心频率,的带通滤波器的瞬时,中频,电流为：,中频,滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：,中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平均值，即：,当,L,-,s,=0,，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频电流为：,这是外差探测的一种特殊形式，称为,零差探测,。,49,6.2,光外差检测特性,6.2.1,光外差检测可获得全部信息,外差检测不仅可检测振幅和强度调制的光信号，还可检测频率调制及相位调制的光信号。在直接检测系统是不可能的。,6.2.2,光外差检测转换增益,G,高,光外差检测中频输出有效信号功率为：,在直接检测中，检测器输出电功率为：,两种方法得到的信号功率比,G,为：,可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。,50,6.2.4,信噪比损失小,6.2.3,良好的滤波性能,光外差检测中，取信号处理器通频带为,f=f,L,-f,s,，则只有此频带内的杂光可进入系统，对系统造成影响，而其它的杂光噪声被滤掉。因此外差检测系统不需滤光片，其效果也远优于直接检测系统。,例：目标沿光束方向运动速度,=0-15m/s,，对于,CO,2,激光信号，,多普勒频率,f,s,为：,通频带,f,1,取为：,而直接检测加光谱滤光片时，设滤光片带宽为,1nm,，所对应的带宽，即通频带,f,2,=3000MHz,。,可见，外差检测对背景光有强抑制作用。,另：速度越快，多普勒频率越大，通频带越宽。,当不考虑检测器本身噪声影响，只包含输入背景噪声的情况下，外差检测器的,输出信,噪,比等于输入信噪比,，输出信噪比没有损失。,51,6.2.5,最小可检测功率,内增益型光电检测器件,当本征功率,P,L,足够大时，本征散粒噪声远超过所有其它噪声，则上式变为：,内部增益为,M,的光外差检测器输出有效信号功率为：,检测系统中检测器本身的,散粒噪声和热噪声,是影响最大可难以消除的。则外差检测输出的散粒噪声和热噪声表示为：,功率信噪比为：,这就是光外差检测系统中所能达到的最大信噪比极限，一般称为光外差检测的,量子检测极限,或,量子噪声限,。,52,引入,最小可检测功率（等效噪声功率）,NEP,表示，在,量子检测,极限下，光外差检测的,NEP,值为：,在光电直接检测系统的量子极限为：,这里面需要说明的是：直接检测量子限是在理想光检测器的理想条件下得到，实际中无法实现量子极限的。而对于光外差检测，利用,足够的本振光,是容易实现的。,总之，,检测灵敏度高,是光外差检测的突出优点。,6.2.5,最小可检测功率,内增益型光电检测器件,为克服由信号光引起的噪声以外的所有其他噪声，从而获得高的转换增益，,增大本振光功率,是有利的。但本振光本身也引起散粒噪声，本振功率越大，噪声也越大，使检测系统信噪比反而降低。因此，应合理选择本振光功率，以便得到,最佳信噪比和较大的中频转换增益,。,53,6.2.6,光外差检测系统对检测器性能的要求,外差检测系统对检测器要求一般比直接检测对检测器的要求高得多，主要如下：,响应频带宽,。主要是因为采用多普勒频移特性进行目标检测时，频移的变化范围宽，要求检测器的响应范围要宽，甚至达上千兆,Hz,。,均匀性好,。外差检测中检测器即为混频器，在检测器光敏面上信号光束和本振荡光束发生相干产生差频信号，为达到在光敏面不同区域相同的外差效果，要求检测器的光电性能在整光敏面上都是一致。特别是跟踪系统的四象限列阵检测器。,工作温度高,。在实验室工作时，工作温度无严格要求。如果在室外或空间应用时，要求选工作温度高的检测器。如,HgCdTe,红外检测器件。,54,6.3,影响光外差检测灵敏度的因素,在本节内容中，只考虑光外差检测的空间条件和频率条件对灵敏度的影响及改善方法。其它因素可参阅书籍。,6.3.1,光外差检测的空间条件（空间调准）,光外差检测原理示意图,信号光和本振光的,波前,在光检测器光敏面上保持,相同的相位关系,，才得式：,实质上，由于光的波长比光检测器面积小很多，混频作用是在一个个小面积元上产生的，即总的中频电流是每个小微分面元所,产生的微分电流之和，显然要使中频电流达到最大，这些微分中频电流要保持恒定的相位关系。即要求信号光和本振光的,波前是重合,的。即是说必须保持信号光和本振光在,空间,上的,角准直,。,下面就考虑一下信号光与本振光皆为平面波时，波前不重合时对光外差检测的影响。,55,设信号光束和本振光束之间夹角为,，且信号光束的波阵面平行于光敏面时，如图。,6.3.1,光外差检测的空间条件（空间调准）,设信号光束和本振光束的光场为：,那么本振光束到达光敏面时，在不同点,x,处有不同的波前，即不同的相位差 。相位差等于光程差和波数之积。即：,式中，,，并认为折射率,n=1,。,于是本振光波可表示为：,则检测器上,x,点的响应电流为,56,则整个光敏面总响应电流为,6.3.1,光外差检测的空间条件（空间调准）,从式中可知，当 时，,即 时，中频电流,i,最大。,即可得外差检测的,空间相位条件,为：,即：,显然：波长愈短或口径愈大，要求相位差角,愈小，愈难满足外差检测的要求。,说明红外光比可见光更易实现光外差检测。,例：本振光波长为,1,微米，检测器光敏面长度为,1mm,，则,0.32mrad,（,0.018,度）。,实验证实，稳频的,CO,2,激光器做外差检测实验，当,2.6mrad,时，才能看到清晰的差频信号。,这个角度也被称为失配角。,57,光外差检测原理示意图,如图，要形成强的差频信号，必须使信号光束和本振光束在空间准直得很好。,背景杂散光来自各个方向，绝大部分的背景光不与本振光准直，即不产生明显的差频信号。,因此外差检测在空间上能很好地抑制背景噪声。具有很好的,空间滤波性能,。,但是严格的空间条件也使调准两光束比较困难。,58,解决方法,；,如图结构称为,聚焦光束外差结构,，即用聚焦透镜降低空间准直要求。这种结构本质上相当于把不同传播方向的信号光束集中在一起。,理论分析证明，如果用聚焦透镜聚焦到衍射限，这时的失配角可由系统的视场角,r,来决定。,经过推导，失配角,r,与透镜，光敏面参数有如下关系：,例：波长为,1um,，,l,为,0.1mm,（检测器直径），由上知失配角,0.32mrad,，如采用会聚透镜，孔径,D,r,=10cm(,在光外差检测系统中，作为接收天线的会聚透镜，这个孔具有代表性）。取焦距,f=100cm,，可求得视场角,r,=1mrad,。,59,6.3.2,光外差检测的频率条件,为获得灵敏度高的光外差检测，要求信号光和本振光具有高度的,单色性和频率稳定性,。,光外差检测的物理光学的本质是,两束光波叠加后产生干涉的结果,。这种干涉取决于信号光和本振光束的单色性。因此为获得单色性好的激光输出，必须选用,单纵模运转的激光器,作为光外差检测光源。,信号光和本振光存在着,频率漂移,，使光外差检测系统的性能变坏。是因为频率差太大可能超过中频滤波带宽，中频信号不能正常放大。因此在光外差检测中，需要采用专门措施稳定信号光和本振光的频率。,60,1,、激光光源：,He-Ne,气体激光器，频宽达,10,3,Hz,，,相干长度可达,300km,。,2,、干涉系统：,迈克尔逊干涉原理，,位移,-,测量臂；,3,、光电显微镜：,给出起始位置。实现对对测长度或位移的精密瞄准，使干涉仪的干涉信号处理部分和被测量之间实现同步。,4,、干涉信号处理部分：,光电控制、信号放大、判向、细分及可逆计数和显示记录等。,6.4,光外差检测系统举例,6.4.1,激光干涉测长仪,如图，主要有几部分组成：,测量光束,2,和参考光束,1,相互叠加干涉形成干涉信号。其明暗变化次数直接对应于测量镜的位移，可表示为：,61,1,、激光器；,2,、透镜；,3,、小孔光阑；,4,、透镜；,5,、反射镜；,6,、反射棱镜；,7,、位相板；,8,、角锥反射棱镜；,9,、分束镜；,10,、角锥反射棱镜；,11,、透镜；,12,、光阑；,13,、光电检测器；,14,、透镜；,15,、光阑；,16,、光电检测器,光阑,3,形成一种,空间滤波器,，减小光源中杂散光的影响。,到达角锥反射棱镜,10,的作为干涉仪的,参考臂,。而角锥反射棱镜,8,作为,测量臂,。,光学元件,7,称为,位相板,，使通过光路的部分光束产生附加位相移动，使光电检测器,13,和,16,接收到的干涉信号在位相上相差,/2,。,光路中，采用,角锥棱镜代,替了平面反射镜作为反射器，一方面避免了反射光束反馈回激光器对激光器带来不利影响；另一方面由于角锥棱镜具有“出射光束与入射光束的平行不受棱镜绕轴转动的影响”的特点。,实用的激光干涉测长仪的简化光路,62,干涉信号的方向判别与计数原理,辨向原理：正向移动时，四路信号依次相差,90,度，顺序为,1324,若反向移动，接收信号依然相差,90,度，但顺序为,1423,，由后面的逻辑电路可以判断，进行辨向处理。,同时，由于一个周期的干涉信号变成四个脉冲信号，计数脉冲被细分，每个计数脉冲代表,1/4,条纹的变化，则所测位移长度为：,63,激光测速的,原理,是：是测量通过激光束的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度。,激光测速的最主要的,优点,是对流动没有任何扰动，测量的精度高，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。,6.4.2,激光多普勒测速,Laser Doppler Velocimeter,多普勒测速原理,基本光路原理图,64,光源：,稳频后的单模激光光源,测速原理：,激光光束的光强分布为高斯分布，在透镜,L1,后的焦点附近高斯光束束腰的波前为平面波，两光束在焦点附近空间范围内相交得到平行的干涉条纹；而在远离焦点的空间范围相交干涉条纹为弧形。干涉条纹间距为,f,x,z,y,z,y,y,x,条纹模型,65,测速原理：,干涉条纹的空间频率（,单位长度内条纹明暗对数,）为：,当散射粒子在平行干涉条纹的平面内运动时，散射的光波强度随干涉场及流速面变化，若颗粒运动速度为,，运动方向与条纹垂线的夹角为,（如图），则颗粒散射的光强频率为：,66,输出波形分析：,在光电倍增管上接收到的输出信号是一种包络波形，包络与光强分布及粒子大小有关。包络的形成是因为光斑中光强的分布为高斯型。包络的幅度不包括速度信息，反映速度信息的是包络的频率。,速度信号的获取,频率跟踪法,获得瞬时流速,外差信号,V,LL,的差频频率,f,0,经过中频放大器放大，输出信号到频率鉴别器。鉴频器输出特性如图，信号频率偏离,f,0,时，压控振荡器跟踪信号频率的瞬时变化。,特点：,非接触测量，精度高，用于血流速测量。,67,实际,LDV,的结构简图,V,激光电源,声光调制器电源,计算机,光电倍增管电源,信号处理器,放大器,68,对微弱信号检测的要求,:,(1),良好的光电信号检测系统：,(2),适宜的光学系统,(3),波长匹配、性能优良的探测器,(4),合理的光电系统检测方式（直接检测或外差检测）,(5),最佳的信号后置处理器,69,微弱光信号检测系统,在光度量的测量中，常常遇到待测信号被噪声淹没的情况。,例如，对于空间物体的检测，常常伴随着强烈的背景辐射；,在光谱测量中，特别是吸收光谱的弱谱线更是容易被环境辐射或检测器件的内部噪声所淹没；,即使是对较强的光信号，为提高信号的抗干扰能力，实现精确的检测，也都需要有从噪声中提取、恢复和增强被测信号的技术措施。,因此无论是从工程应用方面还是从信号变换技巧方面，微弱光信号的检测都是很重要的。,70,常用的弱光信号检测技术,:,(1),锁相放大器,(2),取样积分器,(3),光子计数器,71,(1),锁相放大器在弱光检测中的应用,通常的噪声在时间和幅度变化上都是随机发生的，分布在很宽的频谱范围内。它们大部分和有用信号频谱不重叠，也没有同步关系。,因此降低噪声、改善信噪比的方法之一是压缩检测通道的带宽，使之仅能覆盖住信号的频谱，此时噪声的输出将会明显降低。,但这并不表明简单地用窄带滤波的方法就能够消除噪声。,实际上由于带通滤波器的频率稳定性的限制，单纯用压缩带宽来抑制噪声是有限度的,。,因此，对微弱信号的接收常采用具有窄带滤波能力的锁相放大器。,72,锁相放大器,锁相放大器是一种通用的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锁相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用噪声，提高检测灵敏度和信噪比，它是弱信号检测的一种有效仪器。,73,锁相放大器的基本组成,:,信号通道,;,参考通道,;,相敏检波器,(,核心部件,),。,它由混频乘法器和低通滤波器组成。,它的工作原理,:,输入信号在相敏检波器中与参考信号混频，经低通滤波器后得到与输入信号幅值成比例的直流输出分量。,74,选频,锁相环,移相器,输入信号,AC,参考信号,AC,信号通道,相敏检波,输出信号,DC,前放,混频乘法器,低通滤波器,锁相放大器的组成方框图,参考通道,75,设乘法器的输入信号,U,s,和参考信号,U,r,分别为,:,U,s,U,sm,cos(,0,+)t+,U,r,U,rm,cos,0,t,则输出信号,U,o,U,s,U,r,(U,sm,U,rm,/2)cos(t+,)+cos(2,0,+)t+,其中,是,U,s,和,U,r,的频率差，,为相位差。,由上式可见，通过输入信号和参考信号的相乘运算后输出信号的频谱由,0,变换到差频,与和频,2,0,的频段上。利用低通滤波器滤除和频信号后得到窄带的差频信号。,这时输出信号,Uo,(U,sm,U,rm,/2)cos(t+,),锁相放大器的工作原理,:,76,上式表明,:,(a),在输入信号中只有那些与参考信号同频率的分量才使频差为零，得到直流的输出信号，因此这种方法最适合于调幅信号的检测。,(b),输出信号幅度还取决于输入信号和参考信号间的相位差,。,只有,0,时，才有最大的信号输出，而,/2,时，输出信号为零。,也就是说，在输入信号中只有被测信号本身由于和参考信号有同频同相关系而能得到最大的直流输出。,其它的噪声和干扰信号或者由于频率不同，造成,0,的交流分量，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截止。,当然，那些与参考信号同频同相的噪声分量也能够得到部分输出并与被测信号相叠加，但这些终归只占白噪声的极小部分。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。,77,相敏检波器有模拟乘法器式和电子开关式，其中电子开关式相敏检,波,器由于受到参考信号幅度波动的影响较小，所以得到更广泛的应用。,电子开关式相敏检,波,器的输出等效为被测信号与幅度为,1,、占空比为,50,的方波信号的乘积。,78,参考信号常采用间隔相等的双极性方波信号，中心频率锁定在被测信号频率上。这种相敏检波器也称开关混频器。,这个开关电路输出信号的极性是由输入信号和参考信号间的相位决定的。,当,Us,和,Ur,同相或反相时，输出信号是正或负的脉动直流电压；,当,Us,和,Ur,是正交时即,90,时，输出信号,Uo,为零。,类似的开关电路可用场效应管或集成开关电路实现。,为了保证被测信号和参考信号的同频同相，在被测信号的频率和相位事先不确定的情况下通常采用频率跟踪和相位锁定技术；但更多的作法是利用参考信号对被测信号进行斩波或调制，使被测信号和参考信号同步变化。,这样，由于锁相放大器的同步检相作用，只允许和参考信号同频同相的信号通过，所以它本身就是一个带通滤波器。,它的,Q,值可达,108,，通频带宽可达,0.01Hz,，因此，锁相放大器有良好的改善信噪比的能力。,79,根据傅立叶变换，参考信号,r(t),可用三角函数的形式表示。,设输入信号为：,80,式右边的第一项为差频项，第二项为和频项。经过低通滤波器（,LPF,），所有的和频项与的差频项都被虑除，最后滤波器的输出为：,r(t),与 相乘的结果为：,81,说明被测信号通过相敏检测器,(PSD),和低通滤波器,(LPF),后，输出正比于被测信号的幅度、同时正比于参考信号与被测信号的相位差的余弦函数，同相位时，输出最大，从而实现鉴幅和鉴相。,82,用一已知,F0,频率的信号与被检信号相乘,低通滤波后得,ACOSQ;,用已知,F0,频率相位差,90,度的信号与被检信号相乘,低通滤波后得,ASINQ;,平方和再开平方,得,A.,如已知,F0,频率的信号幅值为,B,则得被测信号幅值,C=A/B.,83,说明,:,适合于锁相放大器检测的信号应该是单频率的，或者说传导频谱所占宽度是较窄的，也就是要求信号所携带的检测量,(,信息,),的变化是很缓慢的，否则检出的信息就会因丢失高额分量而畸变。,84,用锁相放大器测量弱光电信号包括下列几个基本步骤：,1,）通过调制或斩光，将被测光信号由零频范围转移到设定的高频范围内， 使检测系统变为交流系统。,2,）用低噪声光电检测器将光信号转换成电信号，用锁相放大器在调制频率上对有用电信号进行选频放大。,3,）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。,4,）通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波，获得被放大的光电信号。,85,采用锁相放大器检测处理光电信号具有下列特点：,1,）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。,2,）锁相放大器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。,3,）锁相放大器是交流信号,/,直流信号变换器。相敏输出正比于输入信号的幅度及其与参考电压的相位差。,4,）可以补偿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。,86,取样积分器,87,取样积分法,(Boxcar,方法,),1,工作原理,一个周期性的十分微弱的信号,被背景噪声所掩埋，如何从背景噪声中检出这周期性的信号呢？,如图所示，是被噪声所淹没了的周期信号。,Boxcar,：形象地描述了取样积分法，,取样积分又称为,Boxcar,方法,88,取样积分法工作的前提：,1.,微弱周期信号的周期是已知的,；,这种信号一般是在主动测量中，源发出的周期性信号与被测物体作用后产生的。,2.,被检测的微弱信号的周期和源发出的周期性信号的周期存在一定的关系,。,相等，或者存在某种函数关系。,89,取样积分的思路及原理,取样门,90,如果我们能够,很准确地对准周期信号的某一点,（如图），在每个周期的这一时刻，都对信号进行取样，并把取样值保存在积分器中；,经过次取样后，,如同同步累积法一样,，信号得到了增强，而噪声由于随机性，相互抵消了一部分,所以信号在噪声中显现出来。,如果对周期信号的每一点都这样处理，那就有可能将被噪声淹没的,信号恢复波形,。,取样积分的思路,91,Boxcar,法,原理框图,:,上面讲的这种取样积分法，,只能恢复周期性信号某一点的幅值,，故称为,定点式取样工作模式,。,定点式,92,周期信号波形的恢复,必须在定点取样积分器的基础上，,对周期信号的一周期内的各点进行扫描,，把周期信号每一点的幅值都恢复出来，这就必须采取,扫描工作方式,。,取样积分器分类：,93,2,取样积分器与同步累积的异同点,取样积分分为两种：,单点取样积分,：只是对信号的某一点进行同步累积，从而加强信号而噪声相互消除，这称为单点取样积分；,多点取样积分器,，多点取样积分则可恢复原微弱信号的的波形。,同步累积法,只是使信号同相地累积起来,，同步积分器是,在信号持续的半个周期内对信号进行积分。,取样积分器是,对周期信号的某一点取样并累积,。,94,3,取样积分器信噪比改善,输入端信噪比,：,输出端经过,m,次取样并积分后，得到的,信号,是,V,s0,=,mV,si,。而,噪声,是随机的，且其均值为零，经过,m,次取样并积分后，得到的是,m,次功率相加,，,即：,因此，输出端信噪比是：,95,门积分电路,在普通的,RC,积分电路中增加一个取样门,，变成门积分电路就构成了基本的取样积分器。,96,一个取样积,97,门积分电路的充电过程,取样积分,M,次后，,电容器,C,两端的电压,V,c,上升到,0.63V,in,，则对输入电压的积分时间为,98,考虑到门积分电路径相邻两次有效积分之间的等待时间，取样积分,M,次后，取样积分器输出达到输入的,0.63,，总时间为,对,S/N,实际起作用的是在两倍观察时间常量之内,。,99,扫描取样积分器,在定点取样积分的基础上，,顺序改变取样点的位置,，就得到以扫描方式工作的取样积分器。如图所示：,当取样脉冲对准,t,1,位置取样积分,m,次后，将取样脉冲在时间轴上向右移动,t,（一般来说,tT,g,）对准,t,2,位置再取样,m,次，然后又向右移动,t,，对准,t,3,取样积分,m,次,直到取样脉冲移动扫过信号的一个完整的周期。,100,扫描式取,101,扫描式取,102,扫描式取,103,扫描式取,由于慢扫描电压相对于时基电压变化十分缓慢，因而取样脉冲相对于触发脉冲的移动也是十分缓慢的，以至在输入的被测信号波形上每一“点”依次可以掠过多个门宽的取样脉冲，从而对波形每个取样“点”进行多次积累平均。,104,若,T,g,/t=n,s,，即当移动,n,s,次后，正好是一个门宽,T,g,的间隔，那么可以证明，,在线性累积扫描工作方式的取样积分器,中，,n,s,是用来计算信噪比改善的测量次数，即：,实际上这里的,n,s,即前述的,m,，对准某一点取样的,m,次，是通过重迭扫描来实现的。,105,设被恢复的弱信号之周期为,T,，取样脉冲步进时间为,t,，要对弱信号一个周期取样完毕，而每个周期又只取样一次，故所需时间为：,因此在积分器输出端得到的输出波形是将原被测信号拉长了,n,i,倍的波形,;,因此这种取样方式又称之为变换取样，波形如图,:,106,注意,为了使被恢复的信号波形不产生失真，,要根据信号所包含的最高频率,f,max,来确定取样脉冲的宽度,T,g,。,107,多点信号平均器,扫描取样积分器在信号重复出现的一个周期内只对信号取样一次，,n,i,T,的时间取出一个周期的完整。,扫描取样积分器在时间上的利用率是很低的,。,为了缩短恢复波形所需要的时间，可以,使用多个取样积分器，在每个信号重复周期内对信号逐次多点取样,。,多点信号平均器,就是这样一种,实时取样系统,，它等效于大量单点取样积分器在不同延时的情况下并联使用。,108,多点信号平均器有,模拟式,和,数字式,两种,:,模拟式,多点平均器的,存贮器是电容,。,数字式,多点平均器的,存贮器是半导体存贮器,。,模拟式多点信号平均器原理框图,如图所示：,109,多点信号平均器对于恢复被噪声淹没的重复信号是一个强有力的工具。,Boxacr,是单点步进多次取样平均，,需要测量时间很长,。,多点信号平均器,则是在信号的一个周期内对信号多点取样，在获得同样,SNIR,的情况下多点信号平均器所需时间只是单点平均器测一点的平均时间。可以节省大量时间。,多点信号平均器是实时取样，不会使被恢复的弱信号变形（拉长），,这是,Boxacr,所不能比拟的。,110,