《光电信号处理方法》PPT课件.ppt

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1、光电信号检测光电信号检测第十一章第十一章 光电信号处理方法光电信号处理方法10/29/202210/29/20221 1光电信号作为信息的一种载体，具有信息容量大、易于控制、光电信号作为信息的一种载体，具有信息容量大、易于控制、光电信号作为信息的一种载体，具有信息容量大、易于控制、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、便于远距离传送、可高速处理等特点。在科学研究、人类生活、便于远距离传送、可高速处理等特点。在科学研究、人类生活、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。生产的

2、各个领域都得到了广泛的应用。生产的各个领域都得到了广泛的应用。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，一般仅为为为为微伏数量级微伏数量级微伏数量级微伏数量级，只有被充分放大和各种处理后才能记录下来，只有被充分放大和各种处理后才能记录下来，只有被充分放大和各种处理后才能记录下来，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。因此，信号放大与处理电

3、路是光电探测系统中的重要组成部分。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。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。光电信号处理的光电信号处理的光电信号处理的光电信号处理的主要目的主要目的主要目的主要目的是最大限度地抑制噪声，提取信号携是最大限度地抑制噪声，提取信号携是最大限度地抑制噪声，提取信号携是最大限度地抑制噪声，提取信号携带的有用信息。带的有用信息。带的有用信息。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、步骤：信号处理电路从探测器接收到低电平信号，通过放大、步骤：信号处理电路从探测器接收到低电平信号，通过放大、步骤：信号处理电路从

4、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。限制带宽、分离信息，再送到终端的控制装置或显示器。限制带宽、分离信息，再送到终端的控制装置或显示器。限制带宽、分离信息，再送到终端的控制装置或显示器。第十一章第十一章 光电信号处理方法光电信号处理方法10/29/202210/29/20222 2由于光电探测器通常所处空间有限，并且还可能处于运由于光电探测器通常所处空间有限，并且还可能处于运由于光电探测器通常所处空间有限，并且还可能处于运由于光电探测器通常所处空间有限，并且还可能处于运动的机构上，所以在探测器上进行信号处理十分困难。动的机构上，所以在探测器上进行

5、信号处理十分困难。动的机构上，所以在探测器上进行信号处理十分困难。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，解决办法：在靠近探测器的位置上放置小型前置放大器，解决办法：在靠近探测器的位置上放置小型前置放大器，解决办法：在靠近探测器的位置上放置小型前置放大器，来来来来放大放大放大放大探测器的输出信号，探测器的输出信号，探测器的输出信号，探测器的输出信号，变换变换变换变换它的输出阻抗，改善分它的输出阻抗，改善分它的输出阻抗，改善分它的输出阻抗，改善分路电容效应以路电容效应以路电容效应以路电容效应以展宽展宽展宽展宽探测器的频带，使电信号经这些处

6、理探测器的频带，使电信号经这些处理探测器的频带，使电信号经这些处理探测器的频带，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后能通过低阻抗屏蔽式电缆，成功地传输到信号处理系后能通过低阻抗屏蔽式电缆，成功地传输到信号处理系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。统的有关电路部分。统的有关电路部分。统的有关电路部分。因此，前置放大器的设计要求是因此，前置放大器的设计要求是因此，前置放大器的设计要求是因此，前置放大器的设计要求是低噪声低噪声低噪声低噪声、高增益高增益高增益高增益、低输低输低输低输出阻抗出阻抗出阻抗出阻抗、大的动态范围大的动态范围大的动态

7、范围大的动态范围、良好的线性特征良好的线性特征良好的线性特征良好的线性特征和和和和较好的抗噪较好的抗噪较好的抗噪较好的抗噪声能力声能力声能力声能力。此外，还要仔细地。此外，还要仔细地。此外，还要仔细地。此外，还要仔细地屏蔽屏蔽屏蔽屏蔽，以消除不希望有的杂，以消除不希望有的杂，以消除不希望有的杂，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散场信号。因此，前置放大器品质的优劣是整个信号处散场信号。因此，前置放大器品质的优劣是整个信号处散场信号。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。理系统中最关键的部分。理系统中最关键的部分。理系统中最关键的部分。111

8、11 1 前置放大器前置放大器10/29/202210/29/20223 3前置放大器的研究十分成熟，尤其对其噪声的分析比较前置放大器的研究十分成熟，尤其对其噪声的分析比较前置放大器的研究十分成熟，尤其对其噪声的分析比较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。详尽。详尽。详尽。由于低噪声放大器性能不断提高，可供选用的种类也越由于低噪声放大器性能不断提高，可供选用的种类也越由于低噪声放大器性能不断提高，可供选用的种类也越由于低噪声放大器性能不断提高，可供选用的种类也越来越多，例如来越多，例如来越多，例如来越多，例如OPOPOPOP24242424272727273434343437

9、373737227227227227系列和系列和系列和系列和AD797AD797AD797AD797等。等。等。等。因此，在低噪声前置放大器设计中，现在更多的是直接因此，在低噪声前置放大器设计中，现在更多的是直接因此，在低噪声前置放大器设计中，现在更多的是直接因此，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，而选用性能优良的低噪声运算放大器，而选用性能优良的低噪声运算放大器，而选用性能优良的低噪声运算放大器，而一般不再单独地一般不再单独地一般不再单独地一般不再单独地进行设计进行设计进行设计进行设计。如何正确地选用适合自己目的的低噪声运算。如何正确地选用适合自己目的

10、的低噪声运算。如何正确地选用适合自己目的的低噪声运算。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。放大器，是需要认真考虑的。放大器，是需要认真考虑的。放大器，是需要认真考虑的。10/29/202210/29/20224 4一、放大器噪声的评价方法一、放大器噪声的评价方法一、放大器噪声的评价方法一、放大器噪声的评价方法1.1.放大器的噪声模型放大器的噪声模型放大器的噪声模型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，这就是阻抗为零放大器内的所有噪声源都折算到输入端，这就是阻抗为零放大器内的所有噪声源都折算到输入端，这就是阻抗为零放大器内的所有噪声源都折算到输入端，这就

11、是阻抗为零的噪声电压源的噪声电压源的噪声电压源的噪声电压源E En n串联在输入端和阻抗为无限大的噪声电流串联在输入端和阻抗为无限大的噪声电流串联在输入端和阻抗为无限大的噪声电流串联在输入端和阻抗为无限大的噪声电流源源源源I In n与输入端并联。与输入端并联。与输入端并联。与输入端并联。放大器内部成为一个无噪声的放大器，噪声电压且放大器内部成为一个无噪声的放大器，噪声电压且放大器内部成为一个无噪声的放大器，噪声电压且放大器内部成为一个无噪声的放大器，噪声电压且E En n和噪和噪和噪和噪声电流声电流声电流声电流I In n可以通过测量得到。可以通过测量得到。可以通过测量得到。可以通过测量得到

12、。这样等效之后，对放大器内部噪声过程的研究可以简化为这样等效之后，对放大器内部噪声过程的研究可以简化为这样等效之后，对放大器内部噪声过程的研究可以简化为这样等效之后，对放大器内部噪声过程的研究可以简化为分析压分析压分析压分析压E En n和和和和I In n在电路中的作用，这种等效的模型称为放大在电路中的作用，这种等效的模型称为放大在电路中的作用，这种等效的模型称为放大在电路中的作用，这种等效的模型称为放大器的器的器的器的E En nI In n噪声模型，该模型也适用于晶体管、电子管以噪声模型，该模型也适用于晶体管、电子管以噪声模型，该模型也适用于晶体管、电子管以噪声模型，该模型也适用于晶体管

13、、电子管以及集成电路。及集成电路。及集成电路。及集成电路。R Rs s*E En nE Ei iI In nE Et tU Us sZ Zi i无噪声无噪声无噪声无噪声放大器放大器放大器放大器E EnonoU UnonoEt：信号源电阻：信号源电阻的热噪声电压的热噪声电压Rs：信号源电阻：信号源电阻10/29/202210/29/20225 52 2等效输入噪声等效输入噪声 采用采用采用采用E En nI In n模型后，一个信号源与放大器组成的系统的噪模型后，一个信号源与放大器组成的系统的噪模型后，一个信号源与放大器组成的系统的噪模型后，一个信号源与放大器组成的系统的噪声源可归结为三个，即声

14、源可归结为三个，即声源可归结为三个，即声源可归结为三个，即E En n 、I In n和和和和E Et t。进一步考虑这三个噪声源共同作用的效果，可以将它们等进一步考虑这三个噪声源共同作用的效果，可以将它们等进一步考虑这三个噪声源共同作用的效果，可以将它们等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，用效为信号源，用效为信号源，用效为信号源，用“等效输入噪声等效输入噪声等效输入噪声等效输入噪声E Enini”表示。表示。表示。表示。源电阻的热噪声源电阻的热噪声源电阻的热噪声源电阻的热噪声放大器的噪声电压源和放大器的噪声电压源和放大器的噪声电压源和放大器的噪声电压源和噪声电流源

15、，是选择前噪声电流源，是选择前噪声电流源，是选择前噪声电流源，是选择前置放大器的依据。置放大器的依据。置放大器的依据。置放大器的依据。10/29/202210/29/20226 63 3En和和In的测量的测量 E En nI In n模型应用广泛的原因是其参数模型应用广泛的原因是其参数模型应用广泛的原因是其参数模型应用广泛的原因是其参数E En n和和和和I In n值容易测值容易测值容易测值容易测量。量。量。量。如果如果如果如果R Rs s等于零，等于零，等于零，等于零，E Et t和和和和I In nR Rs s两项为零，这样得到的等效两项为零，这样得到的等效两项为零，这样得到的等效两项

16、为零，这样得到的等效输入噪声就是噪声电压源输入噪声就是噪声电压源输入噪声就是噪声电压源输入噪声就是噪声电压源E En n（E Enini E En n ）。因此，在）。因此，在）。因此，在）。因此，在R Rs s0 0的条件下测量放大器的总输出噪声，得到的就的条件下测量放大器的总输出噪声，得到的就的条件下测量放大器的总输出噪声，得到的就的条件下测量放大器的总输出噪声，得到的就是是是是A Au u E En n，总输出噪声除以增益，总输出噪声除以增益，总输出噪声除以增益，总输出噪声除以增益A Au u就可得到就可得到就可得到就可得到E En n 。当当当当R Rs s足够大时，足够大时，足够大时

17、，足够大时，E Enini I In nR Rs s。10/29/202210/29/20227 7二、噪声的测量二、噪声的测量为了确定放大器的噪声性能，了解电路是否达到为了确定放大器的噪声性能，了解电路是否达到为了确定放大器的噪声性能，了解电路是否达到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预期的性能要求，就要实际测量放大器输出的噪预期的性能要求，就要实际测量放大器输出的噪预期的性能要求，就要实际测量放大器输出的噪声；要确定放大器的声；要确定放大器的声；要确定放大器的声；要确定放大器的E En nI In n模型参量，也要实际模型参量，也要实际模型

18、参量，也要实际模型参量，也要实际测量噪声的大小。测量噪声的大小。测量噪声的大小。测量噪声的大小。实际上，噪声分布在整个系统上，但总的噪声效实际上，噪声分布在整个系统上，但总的噪声效实际上，噪声分布在整个系统上，但总的噪声效实际上，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果会反映到输出端。因为信号处于放大器的输入果会反映到输出端。因为信号处于放大器的输入果会反映到输出端。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端，所以把放大器和输入网络的所有噪声都包括端，所以把放大器和输入网络的所有噪声都包括端，所以把放大器和输入网络的所有噪声都包括

19、到等效输入噪声参数中是符合逻辑的。到等效输入噪声参数中是符合逻辑的。到等效输入噪声参数中是符合逻辑的。到等效输入噪声参数中是符合逻辑的。等效输入噪声等效输入噪声等效输入噪声等效输入噪声E Enini的测量基本方法有两种：的测量基本方法有两种：的测量基本方法有两种：的测量基本方法有两种：正弦波正弦波正弦波正弦波法法法法和和和和噪声发噪声发噪声发噪声发生器法。生器法。生器法。生器法。10/29/202210/29/20228 81.1.正弦波法正弦波法(1)(1)(1)(1)测试测试测试测试原理原理原理原理 根据等效输入噪声定义，等效输入噪声压根据等效输入噪声定义，等效输入噪声压根据等效输入噪声定

20、义，等效输入噪声压根据等效输入噪声定义，等效输入噪声压E Enini是一个与信号源是一个与信号源是一个与信号源是一个与信号源串联的并等于探测器和放大器的噪声之和的噪声电压源。串联的并等于探测器和放大器的噪声之和的噪声电压源。串联的并等于探测器和放大器的噪声之和的噪声电压源。串联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，具合相同的电压传源和噪声电压源同

21、处一点，对于输出端，具合相同的电压传源和噪声电压源同处一点，对于输出端，具合相同的电压传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输函数输函数输函数K Kt t。步骤步骤步骤步骤在输出端测量总输出噪声在输出端测量总输出噪声在输出端测量总输出噪声在输出端测量总输出噪声E Enono ；测量电压传输函数测量电压传输函数测量电压传输函数测量电压传输函数K Kt t，K Kt tU U0 0U Us s；求出等效输入噪声求出等效输入噪声求出等效输入噪声求出等效输入噪声E Einin。10/29/202210/29/20229 9(2)(2)(2)(2)正弦波法噪声测试系统的组成正弦波法

22、噪声测试系统的组成正弦波法噪声测试系统的组成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、滤器设备有：正弦波信号发生器、衰减器、低噪声放大器、滤器设备有：正弦波信号发生器、衰减器、低噪声放大器、滤器设备有：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。波器和均方根电压表等。波器和均方根电压表等。波器和均方根电压表等。正弦波信号发生器正弦波信号

23、发生器正弦波信号发生器正弦波信号发生器 为了使测量精确，要求发生器输出的为了使测量精确，要求发生器输出的为了使测量精确，要求发生器输出的为了使测量精确，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，以免发生信号微弱，因此宜选用输出功率小的信号发生器，以免发生信号微弱，因此宜选用输出功率小的信号发生器，以免发生信号微弱，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。器的辐射信号过强而影响测量。器的辐射信号过强而影响测量。器的辐射信号过强而影响测量。10/29/202210/29/20221010交流电压表交流电压表交流电压表交流电压表 用于测量信号发生器输出

24、电压的大小，应当用于测量信号发生器输出电压的大小，应当用于测量信号发生器输出电压的大小，应当用于测量信号发生器输出电压的大小，应当用宽频带的电压表。用宽频带的电压表。用宽频带的电压表。用宽频带的电压表。低阻抗衰减器低阻抗衰减器低阻抗衰减器低阻抗衰减器 用于衰减信号发生器传输过来的信号，因用于衰减信号发生器传输过来的信号，因用于衰减信号发生器传输过来的信号，因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，必须把振荡器的信为被测量的低噪声放大器增益往往很高，必须把振荡器

25、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号降到最小，以便避免放大器过载。并且可提供一个低的输号降到最小，以便避免放大器过载。并且可提供一个低的输号降到最小，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出阻抗，相当于一个低阻抗的电压源。衰减器安装在屏蔽盒出阻抗，相当于一个低阻抗的电压源。衰减器安装在屏蔽盒出阻抗，相当于一个低阻抗的电压源。衰减器安装在屏蔽盒内。内。内。内。模拟源电阻模拟源电阻模拟源电阻模拟源电阻R Rs s 其大小等于被测电路在实际过程中所接的其大小等于被测电路在实际过程中所接的其大小等于被测电路在实际过程中所接的其

26、大小等于被测电路在实际过程中所接的信号源的源电阻。信号源的源电阻。信号源的源电阻。信号源的源电阻。被测器件或被测电路被测器件或被测电路被测器件或被测电路被测器件或被测电路 适用于测量单个晶体管、集成电路适用于测量单个晶体管、集成电路适用于测量单个晶体管、集成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。或一个完整的放大器的噪声。或一个完整的放大器的噪声。或一个完整的放大器的噪声。10/29/202210/29/20221111低噪声前置放大器低噪声前置放大器低噪声前置放大器低噪声前置放大器 因为被测器件或放大器的输出噪声往往因为被测器件或放大器的输出噪声往往因为被测器件或放大器的

27、输出噪声往往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，用普通仪表测量是很弱，大约是微伏数量级或者更低。因此，用普通仪表测量是很弱，大约是微伏数量级或者更低。因此，用普通仪表测量是很弱，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。有困难的，必须后接低噪声放大器，要求其噪声愈低愈好。有困难的，必须后接低噪声放大器，要求其噪声愈低愈好。有困难的，必须后接低噪声放大器，要求其噪声愈低愈好。模拟输出电阻模拟输出电阻模拟输出电阻模拟输出电阻R R0 0 0 0 其大小应等于被测电路的输出电阻，用途其大小应等于被测电路的输

28、出电阻，用途其大小应等于被测电路的输出电阻，用途其大小应等于被测电路的输出电阻，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波电路的噪声，然后将测出的总输

29、出噪声除去这两部分噪声就波电路的噪声，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。得到被测电路和源电阻形成的输出躁声。得到被测电路和源电阻形成的输出躁声。得到被测电路和源电阻形成的输出躁声。滤波器滤波器滤波器滤波器 用来得到所需的噪声带宽。用来得到所需的噪声带宽。用来得到所需的噪声带宽。用来得到所需的噪声带宽。均方根电压表均方根电压表均方根电压表均方根电压表 测量输出噪声。测量输出噪声。测量输出噪声。测量输出噪声。10/29/202210/29/202212122 2 2 2噪声发生器法噪声发生器法噪声发生器

30、法噪声发生器法 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。发生器，因此测量的准确度主要决定于噪声发生器的校准。发生器，因此测量的准确度主要决定于噪声发生器的校准。发生器，因此

31、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：具体测量步骤如下：具体测量步骤如下：具体测量步骤如下：(1)(1)(1)(1)输入端不接噪声电压发生器，测量输出端总噪声。输入端不接噪声电压发生器，测量输出端总噪声。输入端不接噪声电压发生器，测量输出端总噪声。输入端不接噪声电压发生器，测量输出端总噪声。(2)(2)(2)(2)输入端接入一个经校正的噪声电压发生器，使输出噪声输入端接入一个经校正的噪声电压发生器，使输出噪声输入端接入一个经校正的噪声电压发生器，使输出噪声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。电压提高一倍。电压提高一倍。电压提高一倍。(3)(3)(3

32、)(3)读取噪声发生器的电压，它等于放大器的等效输入噪声。读取噪声发生器的电压，它等于放大器的等效输入噪声。读取噪声发生器的电压，它等于放大器的等效输入噪声。读取噪声发生器的电压，它等于放大器的等效输入噪声。10/29/202210/29/20221313在实际的光电信号探测中，常常遇到的情况是光辐射的在实际的光电信号探测中，常常遇到的情况是光辐射的在实际的光电信号探测中，常常遇到的情况是光辐射的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，就使信号非常微弱，或者背景噪声或干扰的影响很大，就使信号非常微弱，或者背景噪声或干扰的影响很大，就使信号非常

33、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通过光电探测器转换后得到的光电信号的信噪比通过光电探测器转换后得到的光电信号的信噪比通过光电探测器转换后得到的光电信号的信噪比(SNRSNR)很小，这时，仅有一个低噪声的前放是不够的，还要设很小，这时，仅有一个低噪声的前放是不够的，还要设很小，这时，仅有一个低噪声的前放是不够的，还要设很小，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法将淹没信号的噪声尽量地减小，以便从噪声中将信号法将淹没信号的噪声尽量地减小，以便从噪声中将信号法将淹没信号的噪声尽量地减小，以便从噪声

34、中将信号提取出来。提取出来。提取出来。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，分布通常的噪声在时间和幅度变化上都是随机发生的，分布通常的噪声在时间和幅度变化上都是随机发生的，分布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，也没有在宽的频谱范围内，与信号频谱大部分不重叠，也没有在宽的频谱范围内，与信号频谱大部分不重叠，也没有在宽的频谱范围内，与信号频谱大部分不重叠，也没有同步关系。因此，可以采用同步关系。因此，可以采用同步关系。因此，可以采用同步关系。因此，可以采用压缩检测通道带宽压缩检测通道带宽压缩检测通道带宽压缩检测通道带宽的方法。

35、的方法。的方法。的方法。此外采用此外采用此外采用此外采用取样平均处理取样平均处理取样平均处理取样平均处理方法可使信号多次同步取样积累，方法可使信号多次同步取样积累，方法可使信号多次同步取样积累，方法可使信号多次同步取样积累，也可以抑制噪声。也可以抑制噪声。也可以抑制噪声。也可以抑制噪声。11112 2 微弱光电信号处理方法微弱光电信号处理方法10/29/202210/29/20221414输入信噪比小于输入信噪比小于输入信噪比小于输入信噪比小于1 1 1 1，说明信号淹没在噪声之中。这时仅仅，说明信号淹没在噪声之中。这时仅仅，说明信号淹没在噪声之中。这时仅仅，说明信号淹没在噪声之中。这时仅仅靠

36、简单地压缩系统噪声带宽的办法是无济于事的。对微靠简单地压缩系统噪声带宽的办法是无济于事的。对微靠简单地压缩系统噪声带宽的办法是无济于事的。对微靠简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弱信号的探测常采用弱信号的探测常采用弱信号的探测常采用锁相放大器锁相放大器锁相放大器锁相放大器、取样积分器取样积分器取样积分器取样积分器和和和和光子计光子计光子计光子计数器数器数器数器等。以锁相放大器为例介绍。等。以锁相放大器为例介绍。等。以锁相放大器为例介绍。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。锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。锁相放大

37、器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。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它利用和被测信号有它利用和被测信号有它利用和被测信号有相同频率相同频率相同频率相同频率和和和和相位相位相位相位关系的参考信号作关系的参考信号作关系的参考信号作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为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频(或倍频或倍频或倍频或倍频)、同相的噪声分量有响应。因此能大幅度抑制、同相的噪声分量有响应。因此能大幅度抑制、同相的噪声分量有响

38、应。因此能大幅度抑制、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。无关噪声，改善检测信噪比。无关噪声，改善检测信噪比。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，信号处理比较此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较此外，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。简单，是弱光信号检测的一种有效方法。简单，是弱光信号检测的一种有效方法。简单，是弱光信号检测的一种有效方法。10/29/202210/29/20221515锁相放大器由三个主要部分：锁相放大器由三个主要部分：

39、锁相放大器由三个主要部分：锁相放大器由三个主要部分：信号通道：信号通道：信号通道：信号通道：对混有噪声的初始信号进行选频放大，对噪对混有噪声的初始信号进行选频放大，对噪对混有噪声的初始信号进行选频放大，对噪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；声作初步的窄带滤波；声作初步的窄带滤波；声作初步的窄带滤波；参考通道：参考通道：参考通道：参考通道：通过锁相和移相提供一个与被测信号同频同通过锁相和移相提供一个与被测信号同频同通过锁相和移相提供一个与被测信号同频同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；相的参考电压；相的参考电压；相的参考电压；相敏检波：相敏检波：相敏检波

40、：相敏检波：由混频乘法器与低通滤波器组成。由混频乘法器与低通滤波器组成。由混频乘法器与低通滤波器组成。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在相敏检波器中参考和输入信号进行混频运算得到两信在相敏检波器中参考和输入信号进行混频运算得到两信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号的号的号的和频和频和频和频与与与与差频差频差频差频。该信号经低通滤波器。该信号经低通滤波器。该信号经低通滤波器。该信号经低通滤波器滤除和频滤除和频滤除和频滤除和频成分后成分后成分后成分后得到得到得到得到与输入信号幅值成比例的与输入信号幅值成比例的与输入信号幅值成比例的与

41、输入信号幅值成比例的直流直流直流直流输出分量。输出分量。输出分量。输出分量。信号信号信号信号（ACACACAC）信号通道信号通道信号通道信号通道输入输入输入输入前放前放前放前放选频选频选频选频V Vs s相敏检波相敏检波相敏检波相敏检波V Vo oV Vo o 输出输出输出输出信号信号信号信号（DCDCDCDC）V Vr r参考参考参考参考信号信号信号信号（ACACACAC）锁相环锁相环锁相环锁相环参考通道参考通道参考通道参考通道移相器移相器移相器移相器混混混混频频频频器器器器滤滤滤滤波波波波器器器器10/29/202210/29/20221616设乘法器的输入信号设乘法器的输入信号设乘法器的

42、输入信号设乘法器的输入信号V Vs s和参考信号和参考信号和参考信号和参考信号V Vr r分别有下列形式分别有下列形式分别有下列形式分别有下列形式则输出信号则输出信号则输出信号则输出信号V V0 0为（为（为（为（变频变频变频变频）10/29/202210/29/20221717经过低通滤波，输出信号经过低通滤波，输出信号经过低通滤波，输出信号经过低通滤波，输出信号V V0 0 为为为为如果输入信号与参考信号的频率一样，即如果输入信号与参考信号的频率一样，即如果输入信号与参考信号的频率一样，即如果输入信号与参考信号的频率一样，即 ，输，输，输，输出信号是直流信号。出信号是直流信号。出信号是直流

43、信号。出信号是直流信号。通过调整延时电路，使通过调整延时电路，使通过调整延时电路，使通过调整延时电路，使 ，直流输出最大：，直流输出最大：，直流输出最大：，直流输出最大：10/29/202210/29/20221818其他噪声和干扰信号或者由于频率不同，被后接的其他噪声和干扰信号或者由于频率不同，被后接的其他噪声和干扰信号或者由于频率不同，被后接的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；低通滤波器滤除；低通滤波器滤除；低通滤波器滤除；或者由于相位不同而被相敏检波器截止。或者由于相位不同而被相敏检波器截止。或者由于相位不同而被相敏检波器截止。或者由于相位不同而被相敏检波器截止

44、。虽然那些与参考信号同频率同相位的噪声分量也能虽然那些与参考信号同频率同相位的噪声分量也能虽然那些与参考信号同频率同相位的噪声分量也能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，它们够输出直流信号并与被测信号相叠加，但是，它们够输出直流信号并与被测信号相叠加，但是，它们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。终归只占白噪声的极小部分。终归只占白噪声的极小部分。终归只占白噪声的极小部分。因此，锁相放大能以因此，锁相放大能以因此，锁相放大能以因此，锁相放大能以极高的信噪比极高的信噪比极高的信噪比极高的信噪比，由噪声中提取，由噪声

45、中提取，由噪声中提取，由噪声中提取出有用信号来。出有用信号来。出有用信号来。出有用信号来。10/29/202210/29/20221919输入信号输入信号输入信号输入信号f ff f噪声谱噪声谱噪声谱噪声谱LPFLPF输出信号输出信号输出信号输出信号光调制光调制光调制光调制带通滤波带通滤波带通滤波带通滤波BPFBPF相敏检波相敏检波相敏检波相敏检波低通滤波低通滤波低通滤波低通滤波输出信号输出信号输出信号输出信号LPFLPF 2 2 f ff ff ff f10/29/202210/29/20222020锁相放大技术包括下列四个基本环节：锁相放大技术包括下列四个基本环节：锁相放大技术包括下列四个

46、基本环节：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通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的通过调制或斩光，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。高频范围内。检测系统变成交流系统。高频范围内。检测系统变成交流系统。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。在调制频率上对有用信号进行选频放大。在调制频率上对有用信号进行选频放大。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在相敏检波器中对信号解调。同步解调作

47、用截断了非同在相敏检波器中对信号解调。同步解调作用截断了非同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。步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范围内。步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范围内。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。通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。10/29/202210/29/20222121锁相放大器的特点：锁相放大器的特点：锁相放大器的特点：锁相放大器的特点：要求对入射光束进行斩光或光源

48、调制，适用于调幅光要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅光要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅光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。信号的检测。信号的检测。信号的检测。是极窄带高增益放大器，增益可高达是极窄带高增益放大器，增益可高达是极窄带高增益放大器，增益可高达是极窄带高增益放大器，增益可高达10101111(220dB)(220dB)，滤，滤，滤，滤波器带宽可窄到，品质因数波器带宽可窄到，品质因数波器带宽可窄到，品质因数波器带宽可窄到，品质因数QQ值达值达值达值达10108 8或更大。或更大。或更大。或更大。是交流信号是交流信号是交流信号是交流信号直流信

49、号变换器。相敏输出正比于输直流信号变换器。相敏输出正比于输直流信号变换器。相敏输出正比于输直流信号变换器。相敏输出正比于输入信号的幅度和与参考电压的相位差。入信号的幅度和与参考电压的相位差。入信号的幅度和与参考电压的相位差。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可以补偿光检测中的背景辐射噪声和前置放大器的固可以补偿光检测中的背景辐射噪声和前置放大器的固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。信噪比改善可达有噪声。信噪比改善可达有噪声。信噪比改善可达有噪声。信噪比改善可达10001000。10/29/202210/29/20222222结束结束感谢大家的支持！感谢大家的支持！祝同学们学业有成！10/29/202210/29/20222323