2022年微弱信号检测.docx
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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 光电检测技术柔弱光检测一、相关检测原理. 2 1 相关函数 . 2 2、相关检测 . 3 二、锁定放大器 . 6 1、基本原理 . 6 2、锁定放大器的主要参数. 8 三、光子计数技术 . 10 1、基本原理 . 10 2、光子计数器的组成. 13 3、光电倍增管 . 14 4、光子计数系统的测量误差 . 151 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 在很多争论和应用领域中,都涉及到柔弱信号的精密测量;然而,由于任何 一个系统部必定存在噪声, 而所测量的信号本身又相当柔
2、弱,因此,如何把埋没 于噪声中的有用信号提取出来的问题具有特别重要的意义;在光电探测系统中,噪声来自信号光、 背景光、 光电探测器及电子电路; 通常抑制这些光学噪声和干 扰的方法是: 合理压缩系统视场, 在光学系统结构上抑制背景光,加适当光谱滤波器,空间滤波器等以抑制背景光干扰;合理挑选光信号的调制频率, 使信号频率远离市电 50Hz频率和空间高频电磁波频率, 偏离 lf 噪声为主的区域, 以使光电探测系统在工作的波段范畴内到达较高的信噪比;此外,在电子学信号处理系统中采纳低噪声放大技术, 选取适当的电子滤波器限制系统带宽,以抑制内部 噪声及外部干扰;保证系统的信噪比大大改善,即使信号较柔弱时
3、,也能得到 S/N1 的结果; 但当信号特别柔弱, 甚至比噪声小几个数量级或者说信号完全被 噪声深深埋没时, 再采纳上述的方法, 就不会有效, 必需利用信号和噪声在时间 特性方面的差异, 也即利用信号和噪声在统计特性上的差异去区分它们,来提取 被噪声埋没的极柔弱信号,即采纳相关检测原理来提取信号;一、相关检测原理利用信号在时间上相关这一特性,可以把深埋于噪声中的周期信号提取出来,这种摄取方法称为相关检测或相干接收,是柔弱信号检测的基础; 信号的相关性用相关函数采描述, 它代表线性相关的度量, 是随机过程在两个不同时间相 关性的一个重要统计参量;1 相关函数相关函数 Rxy 是度量两个随机过程x
4、t, yt 间的相关性函数,定义为1式中 为所考虑时间轴上两点间的时间间隔;假如两个随机过程相互完全没有关系例如信号与噪声,就其相互关因数将为一个常数, 并等于两个变化量平均值的乘积;假设其中一个变化量平均值为零2 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 例如噪声 ,就两个变化量相互关函数Rxy 将到处为零,即完全独立不相关;假如两个变化量是具有相同基波频率的周期函数,就它们的相互关函数将保存它们基波频率以及两者所共有的谐波;原函数的相位差;相互关函数中基涉及谐波的相位为两个当 xt=yt ,此时相关函数 Rxx 称为函
5、数 xt的自相关函数;例: 1正弦波 设有一频率为 0 的正弦波 xt=Asin 0t+,就由式 1得22 带通白噪声 依据 Wiener Khint Chine 定理, xt 的功率谱密度 Sx与 Rxx之间满意傅 立叶变换关系,即3可定义为4于是由式 3求得52、相关检测简洁说来相关检测就是利用信号具有良好的时间相关性和噪声的不相关性,把埋没与噪声中的信号提取出来;相关检测分为自相关和相互关检测;1自相关检测图 1 为自相关检测的原理方框图;图中xt代表被测信号,它由信号Sit和3 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - -
6、 - 噪声信号外 Nit组成,即 6将 xt经过自相关处理,即把xt分成两路信号,其中一路经过延时器D 延迟一段时间 , 推迟后的信号表示为xt-;图 1 自相关检测的原理图将未经推迟的信号xt与 xt-同时送入乘法器, 再将其输出经过积分运算处理,最终便得到 xt的自相关信号 Rxx;在实际测量中, 只能对 xt作有限时间的测量,设测显时间从0 开头到 T 终止,就短时间相关函数Rxx为: 7把6式代入上式,绽开后, Rxx是以下 4 个相关函数的和;8式中,Rss和 Rnn分别为信号和噪声的自相关函数,及 Rsn和 Rns为信号与噪声的相互关函数; 通常噪声的平均值为零, 随时间 的增加
7、Rnn0,并 且通常信号和噪声在时间上不相关, Rsn和 Rsn随时间 的增加很快衰减至零;相反,信号 Sit通常为周期信号,是相关的,Rss将随时间 t 的增加远大于 Rnn;这样,被测信号xt 经过自相关处理后,其输出信号的自相关函数只Rxx近似写为9上式说明,经过自相关处理后,保留了信号,抑制了噪声,这就是相关检测要到达的目;4 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 举例:作为一个例子,设被测信号Sit为一余弦周期信号, Sit=Acos0t+,相应为自相关因数尺; Rss1/2Acos0,如图 2 实线所示,而
8、噪声相关函数 Rnn随 的增加衰减得很快,如图虚线所示;分析说明,当信号与噪音同时经 过自相关处理后, 随着推迟时间 的增加,输出信号中的周期变化信号 Sit被显 示出来,而噪音消逝殆尽;图 2 余弦周期信号的自相关函数,噪音经过自相关检测消逝殆尽2相互关检测 与自相关检测类似,相互关检测是利用一个与待测信号 xt 同频率的周期信 号 yt;图 3 相互关检测的原理图利用 yt,对被噪声干扰的信号xt= Sit+Nit作相互关处理,其原理方框图见图 3所示;图中yt为参考信号,经过推迟电路后变为yt-,将 yt-与待测信号 xt同时输入乘法器进行乘法运算,再经过积分运算,由于噪声与参考信号 y
9、t-是不相关的所以在输出端得到xt与 yt-的相互关函数:Rxy=Rsy 10上式说明,最终输出的信号只保留与参考信号yt-相关的信号部分,噪音名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 却被完全抑制掉; 此外,有限时间测量中产生的干扰,要少两项;故相互关检测抑制噪音才能比自相关检测强,相互关测量比自相关测量 这是相互关检测的优点;但是相互关检测要求用与被测信号同频率的参考信号yt,当被测信号xt未知时,要取得与 Sit同频率信号是困难的,这是一般就不能采纳相互关检测;二、锁定放大器锁定放大器 Look-In Amplifi
10、ers 是依据相互关检测原理做成的相关检测仪器,使仪器抑制噪声的性能提高了好几个数量级;另外仍可以用斩波技术, 把低赖以至直流信号变成高频沟通倍号后进行处理,从而躲开了低频段的 1/f 噪声影响;1、基本原理锁定放大器有一个与待测信号同步的参考信号,并同时送入相敏检波器PSD;图 4 为锁定放大器原理方框图;它主要由三个单元组成:信号通道、参考通道、相敏检波器; 信号通道将伴有噪声的待测信号进行放大,并经选频放大器对所包含的噪声进行抑制,以满意 PSD 的要求;参考通道将与待测信号同频的参考信号进行整形、选频放大和移相,输出与待测信号同相的方波,并送入 PSD 作为掌握信号; PSD 是锁定的
11、放大器的核心,由一个乘法器和一个低通滤波器组成,如图 4 所示,它直接检测出埋没在噪声中的待测信号,比的直流电压,其极性和相位与参考信号的相位有关;输出一个与待测信号成正图 4 锁定放大器基本原理图6 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 5 参考信号为方波的锁定放大器被测信号为正弦波V At ,参考信号 V Bt是频率为 R 的单位方波,相位可从 0 至 360 度连续可调;11被测信号 V At和参考信号 V Bt通过模拟乘法器,输出信号 V0为及相位的以及近似表达式:1213式中 R0 和 C0为低通滤波器参
12、数;由此可见,相关器PSD 可以通过奇次谐波而抑制偶次谐波, 它的传输函数类似于一个方波的传输因数;所以,通常又称相敏检波器 PSD 为以参考信号频率 以表示为:R 为参数的方波匹配滤波器; 其基波 n=0响应可14当信号频率时 0=R,相关器的输出电压 V 0为15式中, V0 为直流电压,其大小正比于输入信号幅值V A0 和待测信号与参考信号之间的相位差的余弦; 转变相位差 可求得待测信号的幅值和相位; 由于相关检测利用了长时间对信号的积存原理,信号,而是被 PSD 平滑了的直流信号;为了进一步懂得相关器输出的特点,所以最终输出的信号不再是周期变化的现将待测信号 V At与参考信号 V B
13、t同时作图,图中待测信号 VAt与参考信号 V Bt的频率 0=R;相关器输出波形分7 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 别绘于图 6中;图 6 a、b表示 0、180 度时,其输出 V0 最大,只是二者极性刚好相反; 图6 c、d表示严 90o、270o时,其输出 V 0=0o由图可见,锁定放大器在工作时需要留意挑选参考信号的相位,以保证信号输同相位;图 6 锁定放大电路中各种波形2、锁定放大器的主要参数a等效噪声带宽由于 PSD 的积分器是一及 C 滤波器,其等效噪声带宽定义为16b等效信号带宽由式 565可知
14、,锁定放大器输出信号V;与待测信号的幅值成正比且与待测信号和参考信号的频差0-R有关;因此,等效带通滤波器带宽可以做得很窄, 也就是可以用一个只RC 滤波器来压缩带宽; 对于 PSD 的 RC 低通滤波器,其等效信号带宽为 , 并且也可以看做等效带通滤波器的带宽;17由于等效噪声带宽 fs与 f n有肯定关系, 假设 fs 越窄,就 f n;越窄,对噪声抑制也越好,因此,品质因数Q 也表征了带通放大器对噪声的抑制才能;名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 18目前国内外生产的锁定放大据的等效噪声带宽 fn 在 10-3
15、Hz 数量缀,少数的可到达 4*10-4Hz 比,信号带宽 fs=f=2.5*10-4Hz; f s、fn 的数值说明,仪器具有特别窄的信号和噪音带宽;假如工作频率 Q 值为 39 10 8;f s =100kHz,就锁定放大器的等效这样高 Q 的带通滤波器是一般常规滤波器所不能到达的;对于一个具有的带通滤波器, 元器件参数不稳固会导致滤波器不能正常工作,由于任何因素引起的信号频率漂移将使信号不能通过滤波器;而相关器并不是一个真正的带通滤波 器,只是等效于一个带通滤波器或者说相当于一个“ 跟踪” 滤波器;由于待测信号与参考信号严格同步,就能保证在很窄的f s条件下输出信号并抑制噪声,因此不必担
16、忧由于温度、 环境和频率变化所引起元器件参数的不稳固性对滤波器性 能的影响;c信噪比改善 由于相关检测实质上是将信号进行积存使噪声得到抑制,因此输出信噪比SNRo 必定优于输入信噪比SNRi,通常用信噪比改善SNIR 参数来描述,定义为19白噪音电压和噪音带宽平方根成正比,如热噪音电压为输出等效噪声带宽 : 20 明显信噪比改善情形与锁定放大器抑制噪声才能有关,即与噪声带宽被压缩 的程度有关故式 19又可写作21 式中 fni 和 fno分别为锁定放大器输入和输出的等效噪声带宽;设 仪 器 输 入 等 效 噪 声 带 宽 为f ni=100kHz , 它 的 输 出 等 效 噪 声 带 宽f
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