光电检测电路与信号处理

光 电 科 学 与 工 程 学 院 课 程 主 要 内 容 四 大 部 分 ：理 论 基 础光 电 信 号变 换 与 处 理 光 辐 射 源光 电 探 测 器光 电 系 统分 析 设 计 光 电 科 学 与 工 程 学 院测 距计 时器放 大 、 滤 波 、比 较 主 波回 波 光 学 信 号 变 换光 电 信 号 变 换激 光 脉 冲 测 距 原 理 示 意 图电 学 信 号 变 换 光 电 信 号 变 换 与 处 理 光 电 科 学 与 工 程 学 院 光 学 信 号 变 换 光 电 信 号变 换 与 处 理 光 电 信 号 变 换电 学 信 号 变 换教 材 第 八 章教 材 第 九 章教 材 第 十 章 光 电 科 学 与 工 程 学 院 第 10章 光 电 检 测 电 路 与 信 号 处 理10.1 检 测 电 路 的 带 宽 和 频 率 特 性10.2 光 电 检 测 电 路 的 低 噪 声 设 计10.3 微 弱 光 电 信 号 的 处 理 方 法 *有 特 殊 要 求 的 电 学 信 号 处 理 方 法 10.1 检 测 电 路 的 带 宽 和 频 率 特 性10.1.1 检 测 电 路 的 基 本 结 构 和 技 术 要 求基 本 任 务 光 电 检 测 电 路u偏 置 电 路 设 计 （ 静 态 设 计 ）u频 率 响 应 设 计 （ 动 态 设 计 ）u噪 声 特 性 设 计 1. 带 宽 的 含 义K ( f ) ffLC fHC70.7%100%Df = fHC fLC fHC10.1 检 测 电 路 的 带 宽 和 频 率 特 性10.1.2 检 测 电 路 的 带 宽 带 宽 f f 太 小 ， 频 率 失 真 （ 波 形 失 真 ）f 太 大 ， 噪 声 大 （ 例 ： 热 噪 声 ）电 路 带 宽 f 根 据 信 号 的 频 谱 特 性 来 确 定 2. 带 宽 对 信 号 质 量 的 影 响 10.1.2 检 测 电 路 的 带 宽 3.如 何 确 定 检 测 电 路 带 宽 ？正 弦 调 制 信 号 : 2f B F 振 幅 调 制 ： 2 1ff B m F 频 率 调 制 ： 10.1.2 检 测 电 路 的 带 宽 3.如 何 确 定 检 测 电 路 带 宽 ？例 1： 确 定 调 幅 波 检 测 电 路 的 带 宽载 波 频 率 为 f 0 5KHz调 制 频 率 为 F 100Hz 电 路 带 宽 f 2F 0.2 kHz 10.1.2 检 测 电 路 的 带 宽 3.如 何 确 定 检 测 电 路 带 宽 ？正 弦 调 制 信 号 : 2f B F 脉 冲 波 信 号 ： 振 幅 调 制 ： 2 1ff B m F 频 率 调 制 ： 10.1.2 检 测 电 路 的 带 宽 3.如 何 确 定 检 测 电 路 带 宽 ？脉 冲 波 信 号 的 带 宽 分 析 Ttd td 脉 冲 宽 度 dm d 2( ) 0 2 2tA tS t t Tt ， 0 n 01( ) cos 2nS t b b n f t d 0 dn m 0 d2 sin t n f tb AT n f t 3.如 何 确 定 检 测 电 路 带 宽 ？脉 冲 波 信 号 的 带 宽 分 析 Ttd td 脉 冲 宽 度脉 冲 重 复 频 率 f0 = 200kHz， 脉 宽 td=0.5s 脉 冲 波 频 谱 分 析 脉 冲 波 频 谱 分 析 启 动 虚 拟 仪 器LabVIEW8.6仿 真 信 号 3.如 何 确 定 检 测 电 路 带 宽 ？脉 冲 波 信 号 的 带 宽 分 析 Ttd td 脉 冲 宽 度脉 冲 重 复 频 率 f0 = 200kHz， 脉 宽 td=0.5s 脉 冲 波 频 谱 动 态 分 析 启 动 虚 拟 仪 器 仿 真 信 号需 要 安 装 LabVIEW8.6 3.如 何 确 定 检 测 电 路 带 宽 ？脉 冲 波 信 号 的 带 宽 分 析 0 n 01( ) cos 2nS t b b n f t d 0 dn m 0 d2 sin t n f tb AT n f t 主 要 频 谱 能量 范 围0 d1 /n f t 0 d1/B n f t 3.如 何 确 定 检 测 电 路 带 宽 ？ 电 路 带 宽 增 大 ， 信 号峰 值 功 率 增 加 常 数电 路 带 宽 增 大 ， 噪 声功 率 增 加 最 佳 带 宽最 佳 带 宽10.1.2 检 测 电 路 的 带 宽 3.如 何 确 定 检 测 电 路 带 宽 ？正 弦 调 制 信 号 : Ff 2脉 冲 波 信 号 ： d1(0.250.75)f t td为 脉 冲 宽 度 振 幅 调 制 ： Fmf f 12 频 率 调 制 ：要 求 信 噪 比 高 ：要 求 脉 冲 形 状 好 ： d14f t （ 1 ） 10.1.2 检 测 电 路 的 带 宽 3.如 何 确 定 检 测 电 路 带 宽 ？例 2： 确 定 激 光 脉 冲 信 号 检 测 电 路 带 宽 d14f t （ 1 ）电 路 带 宽（ 准 确 保 持 脉 冲 形 状 ） 脉 冲 重 复 频 率f = 200kHz脉 宽 td=0.5s 10.1.2 检 测 电 路 的 带 宽 10.1.3 检 测 电 路 的 频 率 特 性 分 析 与 设 计激 光 脉 冲 重 复 频 率 f0 = 200kHz， 脉 宽 td=0.5s 电 路 带 宽 f =3MHz信 号 带 宽 B=1/td=2MHz输 入 级 电 路 前 置 放 大 器 后 续 放 大 器6MHz 6MHz 6MHz 10.1.3 检 测 电 路 的 频 率 特 性 分 析 与 设 计输 入 级 电 路 光 电 导 探 测 器 电 路两 个 过 程 两 个 时 间 常 数 ：光 电 （ 载 流 子 ） 电 （ 载 流 子 ） 电 （ 压 ）固 有 时 间 常 数 电 路 时 间 常 数 10.1.3 检 测 电 路 的 频 率 特 性 分 析 与 设 计输 入 级 电 路 光 电 导 探 测 器 电 路固 有 时 间 常 数 电 路 时 间 常 数 p0 L 0m 2 2 2 2 2 2 2 2c e c e(1 )(1 ) (1 )(1 )I R UU 10.1.3 检 测 电 路 的 频 率 特 性 分 析 与 设 计激 光 脉 冲 重 复 频 率 f0 = 200kHz， 脉 宽 td=0.5s 电 路 带 宽 f =3MHz信 号 带 宽 B=1/td=2MHz输 入 级 电 路 前 置 放 大 器 后 续 放 大 器6MHz 6MHz 6MHz 光 电 科 学 与 工 程 学 院 第 10章 光 电 检 测 电 路 与 信 号 处 理10.1 检 测 电 路 的 带 宽 和 频 率 特 性10.2 光 电 检 测 电 路 的 低 噪 声 设 计10.3 微 弱 光 电 信 号 的 处 理 方 法 *有 特 殊 要 求 的 电 学 信 号 处 理 方 法 10.2 光 电 检 测 电 路 的 低 噪 声 设 计 问 题 的 提 出 提 高 系 统 信 噪 比 途 径 ： 光 学 方 法 电 学 方 法 热 力 学 方 法 10.2 光 电 检 测 电 路 的 低 噪 声 设 计直 接 探 测 系 统 的 信 噪 比 2 2sd sd 2 2 2 2 nd ns nb nd nr( / )P e hvSNR P i i i i 问 题 的 提 出 信 号 光 很 弱 时 ， 探 测 器 的 输 出 信 噪 比 很 低探 测 器 噪 声 电 路 噪 声 “ 雪 上 加 霜 ” 10.2 光 电 检 测 电 路 的 低 噪 声 设 计 前 置放 大 器 噪 声电 路噪 声 1. 放 大 器 En In噪 声 模 型 ： 纯 电 阻信 号 源例 如 ： 低 噪 声 放 大 器 OP27En = 3.5nV/ Hz1/2 , In = 1.7pA/ Hz1/2 10.2.1前 置 放 大 器 的 噪 声仅 有 热 噪 声 -选 择 低 噪 声 放 大 器 就 行 了 ？ 1. 放 大 器 En In噪 声 模 型 ： 纯 电 阻信 号 源等 效 输 入 噪 声 电 压 2s2n2n2ns2ni RIEEE 信 号 源 与 放 大 器 相 互 作 用噪 声 系 数 10.2.1前 置 放 大 器 的 噪 声 F=1， 理 想 的 无 噪 声 放 大 器F 1， 实 际 的 有 噪 声 放 大 器噪 声 系 数 F反 映 了 放 大 器 的 噪 声 使 系 统 信 噪 比 变 坏的 程 度 ， 是 衡 量 放 大 器 噪 声 性 能 好 坏 的 重 要 指 标 。 2. 噪 声 系 数 P0P0 PiPi0i / NS NSNS NSF ）放 大 器 输 出 信 噪 比 （ ）放 大 器 输 入 信 噪 比 （ NF=10lgF （ dB）用 分 贝 表 示 ： 10.2.1前 置 放 大 器 的 噪 声 1nP2P1P n2P1P31P21 111 KKK FKKFKFFF n级 级 联 放 大 电 路 噪 声 系 数 ： KP1很 大 时 ， F F1 前 置 放 大 器 的 噪 声 贡 献例 1： 光 电 倍 增 管 和 雪 崩 光 电 二 极 管 高 内 增 益 例 2： 光 电 二 极 管 无 内 增 益 2. 噪 声 系 数 最 佳 源 电 阻 噪 声 系 数 最 小 10.2.1前 置 放 大 器 的 噪 声 3. 最 佳 源 电 阻 率输 入 端 源 电 阻 热 噪 声 功声 功 率放 大 器 总 的 等 效 输 入 噪 Pi PP0 /N KNF P0P0 PiPi0i / NS NSNS NSF ）放 大 器 输 出 信 噪 比 （ ）放 大 器 输 入 信 噪 比 （ fkTRIfkTRE ERIEEE RIEEEEF 441 1s2n s2n 2ns2s2n2ns2n2ns 2s2n2n2ns2ns2ni 10.2.1前 置 放 大 器 的 噪 声 3. 最 佳 源 电 阻 fkTRIfkTREF 441 s2ns2n 0s RF nnsopts IERR fkTIEF 21 nnmin 10.2.1前 置 放 大 器 的 噪 声 nnsopt IER fkTIEF 21 nnmin例 如 ： OP27En = 3.5nV/ Hz1/2 , In = 1.7pA/ Hz1/2 Rsopt ？ ？ ？3. 最 佳 源 电 阻 10.2.1前 置 放 大 器 的 噪 声 nnsopt IER fkTIEF 21 nnmin3. 最 佳 源 电 阻当 信 号 源 的 内 阻 等 于 放 大 器 的 最 佳 源 电 阻 值 时 ， 放大 器 对 检 测 电 路 附 加 的 噪 声 最 小 ， 称 为 信 号 源 与 放大 器 之 间 达 到 了 噪 声 匹 配 。 10.2.1前 置 放 大 器 的 噪 声 nopt nER I噪 声 匹 配 举 例 ：例 ： 热 电 偶 ； 热 释 电 探 测 器 ； 反 偏 光 电 二 级 管-常 用 器 件 最 佳 源 电 阻 分 布 示 意 图 10.2.1前 置 放 大 器 的 噪 声 光 电 科 学 与 工 程 学 院 光 电 检 测 电 路 的 噪 声 匹 配 -两 个 值 得 讨 论 的 问 题1. 探 测 器 信 号 源2. 偏 置 电 路 噪 声 纯 电 阻 信 号 源探 测 器信 号 源仅 有 热 噪 声热 噪 声其 他 噪 声1. 探 测 器 信 号 源 2. 偏 置 电 路 噪 声检 测 电 路 ： -探 测 器 噪 声-前 置 放 大 器 噪 声-偏 置 电 路 噪 声 光 电 科 学 与 工 程 学 院 10.2 光 电 检 测 电 路 的 低 噪 声 设 计10.2.1前 置 放 大 器 的 噪 声10.2.2光 电 检 测 电 路 的 噪 声10.2.3光 电 检 测 电 路 的 噪 声 估 算 10.2.2光 电 检 测 电 路 的 噪 声 纯 电 阻 信 号 源探 测 器信 号 源仅 有 热 噪 声热 噪 声其 他 噪 声 探 测 器信 号 源热 噪 声其 他 噪 声 N2 2 2 2N n n nsopt soptn( ) (4 )4I E I E kT fIR RkT fI nnoptopt IERR nnoptopt IERR 工 程 允 许表 达 式 推 导 ： 10.2.2光 电 检 测 电 路 的 噪 声 nnoptopt IERR 噪 声 匹 配 举 例例 ： 热 电 偶 ； 热 释 电 探 测 器 ； 反 偏 光 电 二 级 管10.2.2光 电 检 测 电 路 的 噪 声 光 电 科 学 与 工 程 学 院 10.2 光 电 检 测 电 路 的 低 噪 声 设 计10.2.1 前 置 放 大 器 的 噪 声10.2.2 光 电 检 测 电 路 的 噪 声10.2.3 光 电 检 测 电 路 的 噪 声 估 算 10.2.3 光 电 检 测 电 路 的 噪 声 估 算例 ： 强 度 调 制 直 接 探 测 光 纤 通 信 系 统 光 纤 尾 端 5 W电 流 信 噪 比 大 于 12 噪 声 估 算 10.2.3光 电 检 测 电 路 的 噪 声 估 算等 效 噪 声 带 宽 e P 0P1 df A f fA 白 噪 声 RCf 4 1 e并 联 RC电 路 ： s 3d 12Bf f RC 等 效 噪 声 带 宽 信 号 带 宽 噪 声 估 算 举 例 ： 噪 声 等 效 电 路 图 10.2.3光 电 检 测 电 路 的 噪 声 估 算 噪 声 估 算 举 例 ：根 据 噪 声 等 效 电 路 图 2222 n3n2n1 IIII RCf 4 1e等 效 噪 声 带 宽 10.2.3光 电 检 测 电 路 的 噪 声 估 算 光 电 科 学 与 工 程 学 院 第 10章 光 电 检 测 电 路 与 信 号 处 理10.1 检 测 电 路 的 带 宽 和 频 率 特 性10.2 光 电 检 测 电 路 的 低 噪 声 设 计10.3 微 弱 光 电 信 号 的 处 理 方 法 *有 特 殊 要 求 的 电 学 信 号 处 理 方 法 10.3 微 弱 光 电 信 号 的 检 测 与 处 理 S/N 1 微 弱 信 号 （ 微 弱 光 电 信 号 ）生 物 超 微 弱 发 光 10 1000个 光 子 / scm2 高 反 射 片 的 散 射 光 （ 反 射 率 0.9999）导 弹 等 飞 行 体 辐 射 （ 信 号 强 ） 强 烈 背 景 辐 射 问 题 的 提 出 10.3 微 弱 光 电 信 号 的 检 测 与 处 理 问 题 的 提 出 提 高 系 统 信 噪 比 途 径 ： 光 学 方 法 电 学 方 法 热 力 学 方 法 10.3 微 弱 光 电 信 号 的 检 测 与 处 理弱 信 号 形 式 ： 被 测 信 号 + 背 景 噪 声 + 电 路 噪 声 电 子滤 波 器微 弱 光 信 号 检 测 技 术相 关 检 测 技 术 ： 自 相 关 ； 互 相 关 10.3 微 弱 光 电 信 号 的 检 测 与 处 理10.3.1相 关 检 测 技 术自 相 关 函 数互 相 关 函 数 i itx t S N t 被 测 信 号 ： xy 1lim y d2 TTTR x t t tT xx 1lim d2 TTTR x t x t tT 相 关 检 测 是 利 用 信 号 具 有 良 好 的 时 间 相 关 性 和 噪 声 的不 相 关 性 ， 使 信 号 进 行 积 累 而 噪 声 不 积 累 的 原 理 ， 从而 把 被 噪 声 淹 没 的 信 号 提 取 出 来 。 10.3 微 弱 光 电 信 号 的 检 测 与 处 理弱 信 号 形 式 ： 被 测 信 号 + 背 景 噪 声 + 电 路 噪 声 电 子滤 波 器微 弱 光 信 号 检 测 技 术相 关 检 测 技 术 ： 自 相 关 ； 互 相 关光 子 计 数 技 术 （ 量 子 限 ） 锁 定 放 大 器取 样 积 分 器光 子 计 数 系 统 光 电 科 学 与 工 程 学 院 10.3.2 锁 定 放 大 器Lock-in Amplifieres， 简 称 LIA 锁 定 放 大 器 由 信 号 通 道 、 参 考 通 道 和 相 敏 检 波 等 三个 主 要 部 分 组 成 。 基 本 结 构 信 号 通 道 放 大 器 ， 窄 带 滤 波 （ 预 处 理 ） 参 考 通 道 倍 频 电 路 ， 移 相 ， 方 波 驱 动 相 敏 检 波 乘 法 器 ， 积 分 器 （ 滤 波 器 ）10.3.2锁 定 放 大 器 基 本 原 理 s sm 0r rm 0coscosU U tU U t （ ）o s r sm rm 01 cos cos 22U U U U U t （ ）o sm rm1 cos2U U U 10.3.2锁 定 放 大 器 讨 论 输 入 信 号 背 景 噪 声 内 部 噪 声参 考 信 号 同 频 、 同 相 极 少 极 少全 部 检 测 大 大 抑 制 大 大 抑 制o sm rm1 cos2U U U LIA 典 型 的 “ 互 相 关 ” 检 测 10.3.2锁 定 放 大 器 讨 论o sm rm1 cos2U U U 4 0.7100 , 2.55 10s sf KHz f f Hz 83.9 10s sfQ f 例 ：LIA极 高 Q 值 的 跟 踪 滤 波 器 10.3.2锁 定 放 大 器 应 用 举 例 1补 偿 法 双 通 道 测 光 装 置 的 锁 定 放 大 器 思 考 ：输 入 信 号 与 参 考 信 号 同 频10.3.2锁 定 放 大 器 理 论 和 实 验 表 明 ：入 射 光 功 率 恒 定 ， 粗糙 度 与 反 向 散 射 光 总光 功 率 之 间 的 关 系 为 2 高 反 片入 射 光 反 射 光 （ 0.9999） 透 射 光反 向 散 射 光-激 光 陀 螺 高 反 片 表 面 粗 糙 度 检 测应 用 举 例 2 10.3.2锁 定 放 大 器 应 用 举 例 2积 分 球 散 射 仪 散 射 光 辐 通 量 测 量相 关 检 测 光 源波 动 补 偿 10.3.2锁 定 放 大 器 应 用 举 例 3反 狙 击 主 动 探 测 系 统 激 光 光 源 光 学 系 统 狙 击 系 统光 电 转 换 相 敏 检 波调 制 电 路 激 光 测 距报 警 系 统弱 信 号 形 式 ： 被 测 信 号 + 背 景 噪 声 + 电 路 噪 声 10.3.2锁 定 放 大 器 光 电 科 学 与 工 程 学 院 10.3.3取 样 积 分 器 又 称 为 Boxcar平 均 器 例 1： 信 号 “ 样 品 ” 抽 血 信 号 “ 积 分 ” 样 品 多 ， 反 映 区 域 病情例 2： 火 车 站 ， 噪 声 中 有 人 喊 ： “ xxxx” 多 次 耳 朵 “ 积 分 ” 识 别对 周 期 重 复 信 号 ， N次 取 样 平 均 信 号 ： 线 性 叠 加噪 声 ： 矢 量 相 加 （ +， -相 消 ） N iSNR NSNR 光 电 科 学 与 工 程 学 院 1. 定 点 式 取 样 积 分 器 测 量 周 期 信 号 的 某 一 瞬 态 平 均 值10.3.3取 样 积 分 器 2.扫 描 式 取 样 积 分 器 可 以 恢 复 和 记 录 被 测 周 期 性 信 号 波 形 10.3.3取 样 积 分 器 10.3.3取 样 积 分 器 又 称 为 Boxcar平 均 器 定 点 式 取 样 积 分 器扫 描 式 取 样 积 分 器 测 量 定 点 信 号 平 均 值 恢 复 和 记 录 信 号 波 形LIA功 能目 前 技 术 发 展 ： 多 点 数 字 取 样 积 分 器 用软 件 积 分 代 替 硬 件 积 分 ： 快 速 、 信 息 量 大 光 电 科 学 与 工 程 学 院 10.3.4 光 子 计 数 系 统锁 定 放 大 器 和 取 样 积 分 器 ： 适 应 于 周 期 性 的 信 号 检 测 更 微 弱 光 信 号 量 子 特 征 ：u离 散 信 号 脉 冲u不 具 有 周 期 性 重 复 特 征 1610 W 量 子 极 限 ： 2 2sd sd 2 2 2 2nd nS nB nD nT( / )P e hv PSNR P i i i i d 2hv fNEP 用 光 电 二 极 管 难 于 实 现 单 个光 子 的 探 测 ， 原 因 ？ 2个 光 子 的 极 限 用 光 电 倍 增 管 易 于 实 现 单 个光 子 的 探 测 ， 原 因 ？ 10.3.4光 子 计 数 系 统 2 2sd sd 2 2 2 2nd nS nB nD nT( / )P e hv PSNR P i i i i d 2hv fNEP 2个 光 子 的 极 限 光 电 倍 增 管 的 内 增 益（ M） 、 屏 蔽 、 制冷 探 测 单 个 光 子 成 为 可 能M 2( ) M2量 子 极 限 ： 10.3.4光 子 计 数 系 统 系 统 结 构 ：鉴 别 器 阈 值 10.3.4光 子 计 数 系 统 探 测 量 级 ： 816 1010 W, n 个 秒 1310 W没 有 清 晰 的 脉 冲 不 适 应 1610 W可 分 辨 的 “ 负 脉 冲 ” 适 应 10.3.4光 子 计 数 系 统 应 用 系 统 举 例 ：紫 外 荧 光 大 气 SO2 浓 度 监 测 系 统吸 收 213.8nm 发 射 320nm化 学 原 理 ： 2.45ppb； 光 子 计 数 ： 0.5ppb030ppm *2 1 2SO SOh *2 2 2SO SO h 10.3.4光 子 计 数 系 统 光 电 科 学 与 工 程 学 院 探 测 量 级 ：目 前 ， 光 子 计 数 系 统 可 以 探 测 到 每 秒 10 20个 光 子水 平 的 极 弱 光 信 号 ， 已 在 荧 光 、 磷 光 测 量 、 喇 曼 散射 测 量 、 夜 视 测 量 和 生 物 细 胞 分 析 等 微 弱 光 测 量 中得 到 了 应 用 。 国 外 还 研 制 出 一 种 不 仅 可 以 探 测 单 光子 事 件 的 强 度 ， 还 可 以 探 测 其 位 置 的 二 维 平 面 像 探测 器 ， 使 得 光 子 成 像 技 术 成 为 现 实 ， 用 它 可 以 拍 摄到 人 体 的 细 胞 ， 观 察 细 胞 的 轮 廓 和 细 胞 核 。10.3.4光 子 计 数 系 统 光 电 科 学 与 工 程 学 院 微 弱 光 电 信 号 检 测 与 处 理 小 结锁 定 放 大 器取 样 积 分 器光 子 计 数 器 互 相 关自 相 关探 测 量 子 限 周 期 性 信 号离 散 脉 冲 信 号 幅 度幅 度 、 波 形周 期 性 信 号 信 号 幅 度理 论 基 础 适 用 信 号 形 式 输 出 信 号 形 式 S/N 1 微 弱 光 电 信 号 光 电 科 学 与 工 程 学 院 第 10章 光 电 检 测 电 路 与 信 号 处 理 小 结1 光 电 检 测 电 路 ： 光 电 探 测 器 、 偏 置 电 路 和 前 置 放 大 器 2. 光 电 检 测 电 路 带 宽 :f B 正 弦 调 幅 信 号 ;正 弦 调 频 信 号 ;脉 冲 信 号 3.光 电 检 测 电 路 噪 声 探 测 器 噪 声 、 偏 置 电 路 噪 声 和 前 放 噪 声 最 佳 源 电 阻 ； 噪 声 匹 配4.微 弱 光 电 信 号 检 测 与 处 理 锁 定 放 大 器 ； 取 样 积 分 器 ； 光 子 计 数 器