光電檢測技術(shù)的應(yīng)用

1、9.1 微弱光信號檢測技術(shù)微弱光信號檢測技術(shù) 第第9章章 光電檢測技術(shù)的典型應(yīng)用光電檢測技術(shù)的典型應(yīng)用 降低噪聲、降低噪聲、 改善信噪比改善信噪比 待測信號待測信號 被噪聲淹沒被噪聲淹沒 原因原因 方法方法 采用壓縮檢測通道帶寬采用壓縮檢測通道帶寬 采用取樣平均處理的方法采用取樣平均處理的方法 使信號多次同步取樣累計使信號多次同步取樣累計 檢測通道輸出白噪聲檢測通道輸出白噪聲 正比于頻帶寬的平方根正比于頻帶寬的平方根 信號的增加取決于取樣總數(shù)，信號的增加取決于取樣總數(shù)， 而隨機白噪聲增加卻僅由取而隨機白噪聲增加卻僅由取 樣數(shù)的平方根決定樣數(shù)的平方根決定 9.1.1 鎖相放大器鎖相放大器 它是一

2、種對它是一種對交變信號交變信號進行相敏檢波的放大器。進行相敏檢波的放大器。 它利用和被測信號有它利用和被測信號有相同頻率相同頻率和和相位相位關(guān)系的參考信號關(guān)系的參考信號 作為比較基準(zhǔn)，只對被測信號本身和那些與參考信號作為比較基準(zhǔn)，只對被測信號本身和那些與參考信號 同頻（或倍頻）、同相的噪聲分類有響應(yīng)，故能大幅同頻（或倍頻）、同相的噪聲分類有響應(yīng)，故能大幅 度抑制無用噪聲，改善信噪比。度抑制無用噪聲，改善信噪比。 特點：特點：具有很高的檢測靈敏度，信號處理比較簡單。具有很高的檢測靈敏度，信號處理比較簡單。 選頻選頻 鎖相環(huán)鎖相環(huán)移相器移相器 輸入信號輸入信號 AC 參考信參考信 號號AC 信號通

3、道信號通道相敏檢波相敏檢波 輸出輸出 信號信號 DC 前放前放 混頻乘法器混頻乘法器 低通濾波器低通濾波器 圖圖9-1 鎖相放大器的組成方框圖鎖相放大器的組成方框圖 參考通道參考通道 Vr V0Vs 0 V 1. 1. 鎖相放大器的構(gòu)成鎖相放大器的構(gòu)成 2. 鎖相放大器的原理鎖相放大器的原理 設(shè)乘法器的輸入信號設(shè)乘法器的輸入信號Vs： 參考信號參考信號Vr： )cos( 0 tVV sms 0 cos rrm VVt 則輸出信號則輸出信號V0為：為： 0 0 1 cos()cos(2) 2 sr smrm VVV V Vtt 0 1 cos() 2 smrm VV Vt 00 1 0;0 22

4、 smrm VV VV 低通濾波器輸出信號低通濾波器輸出信號V0為：為： 圖圖9-2 通過相敏檢波器實現(xiàn)的頻譜變換通過相敏檢波器實現(xiàn)的頻譜變換 輸入信號輸入信號 單純低通濾波單純低通濾波 光調(diào)制光調(diào)制 單純帶通濾波單純帶通濾波 相敏檢波相敏檢波 檢波后濾波檢波后濾波 信號譜信號譜 噪聲譜噪聲譜LPF BPF LPF 0 f f f f f f f 20 圖圖9-3 方波控制的相敏放大器工作原理方波控制的相敏放大器工作原理 0 V0 0 V0 0 V0 0 V0 Vm t Vm t Vm t Vm t 圖圖9-4 波形圖波形圖 3 方波控制的相敏放大器方波控制的相敏放大器 工作原理工作原理 VS

5、 o t VS -VS t A B V0 Vr+1 -1 A B =0 =180 =90 =270 4.鎖相放大技術(shù)的四個基本環(huán)節(jié)：鎖相放大技術(shù)的四個基本環(huán)節(jié)： v通過調(diào)制或斬光，將被測信號由零頻范圍轉(zhuǎn)移到設(shè)通過調(diào)制或斬光，將被測信號由零頻范圍轉(zhuǎn)移到設(shè) 定的高頻范圍內(nèi)。檢測系統(tǒng)變成交流系統(tǒng)；定的高頻范圍內(nèi)。檢測系統(tǒng)變成交流系統(tǒng)； v在調(diào)制頻率上對有用信號進行選頻放大；在調(diào)制頻率上對有用信號進行選頻放大； v在相敏檢波中對信號解調(diào)。同步調(diào)制作用截斷了非在相敏檢波中對信號解調(diào)。同步調(diào)制作用截斷了非 同步噪聲信號，使輸出信號的帶寬限制在極窄的范同步噪聲信號，使輸出信號的帶寬限制在極窄的范 圍內(nèi)；圍內(nèi)

6、； v通過低通濾波器對檢波信號進行低通濾波。通過低通濾波器對檢波信號進行低通濾波。 5.特點：特點： v要求對入射光束進行斬光或光源調(diào)制，適用于調(diào)幅要求對入射光束進行斬光或光源調(diào)制，適用于調(diào)幅 光信號的檢測；光信號的檢測； v極窄帶高增益放大器，增益可達極窄帶高增益放大器，增益可達1011，帶寬窄到，帶寬窄到 0.0004Hz； v交流直流信號變換器，相敏輸出正比于輸入信號交流直流信號變換器，相敏輸出正比于輸入信號 的幅度和它與參考電壓的相位差；的幅度和它與參考電壓的相位差； v可以補償光檢測中的背景輻射噪聲與前置放大器的可以補償光檢測中的背景輻射噪聲與前置放大器的 固有噪聲。信噪比改善可達固

7、有噪聲。信噪比改善可達1000倍。倍。 輸入信號波形輸入信號波形t B A O 光束交替轉(zhuǎn)鏡光束交替轉(zhuǎn)鏡 （b） 圖圖9-5 補償法雙通道測光裝置的鎖相放大器補償法雙通道測光裝置的鎖相放大器 E （a） 斬波器斬波器 輸入光輸入光 樣品樣品 測量光測量光A PMT 鎖相鎖相 放大器放大器信信 號號 輸輸 出出 參考信號參考信號 參考參考 電源電源 伺服電機伺服電機 可變可變 衰減器衰減器 參考光參考光B 圖圖9-6 采用兩個鎖相放大器的雙頻雙光束系統(tǒng)采用兩個鎖相放大器的雙頻雙光束系統(tǒng) 光電二極管光電二極管 樣品樣品PMT LIA2 LIA1 f1 A B/A B f2 f1-f2 f1A 輸入

8、光輸入光 f2 Bj PD 比例計比例計 9.1.2 取樣積分器（取樣積分器（Boxcar平均器）平均器） 利用取樣和平均化技術(shù)測定深埋在噪聲中的利用取樣和平均化技術(shù)測定深埋在噪聲中的 周期性信號的測量裝置。周期性信號的測量裝置。 1.取樣積分器的工作原理取樣積分器的工作原理 它利用周期性信號的重復(fù)特性，在每個周期它利用周期性信號的重復(fù)特性，在每個周期 內(nèi)對信號的一部分取樣一次，然后經(jīng)過積分器算內(nèi)對信號的一部分取樣一次，然后經(jīng)過積分器算 出平均值，于是各個周期內(nèi)取樣平均信號的總體出平均值，于是各個周期內(nèi)取樣平均信號的總體 便展現(xiàn)了待測信號的真實波形。因為信號提取便展現(xiàn)了待測信號的真實波形。因為

9、信號提取 ( (取樣取樣) )是經(jīng)過多次重復(fù)的，而噪聲多次重復(fù)的統(tǒng)是經(jīng)過多次重復(fù)的，而噪聲多次重復(fù)的統(tǒng) 計平均值為零，所以可大大提高信噪比，再現(xiàn)被計平均值為零，所以可大大提高信噪比，再現(xiàn)被 噪聲淹沒的信號波形。噪聲淹沒的信號波形。 圖圖9-7 固定位置取樣及同步積累原理固定位置取樣及同步積累原理 Ts：信號周期：信號周期 T：取樣間隔：取樣間隔 T：取樣周期：取樣周期 T=Ts+T 取樣點的值，應(yīng)是信號和噪聲的和，我們以信號取樣點的值，應(yīng)是信號和噪聲的和，我們以信號 和噪聲功率平均值來看積分前后信噪比的變化。和噪聲功率平均值來看積分前后信噪比的變化。 若輸入信號為若輸入信號為Vsi，經(jīng)過積分器

10、，經(jīng)過積分器M次積累后所得到次積累后所得到 的輸出電壓為的輸出電壓為 1 m si ssi i VVmV 2 2 si s Pm V 輸出信號平均功率為輸出信號平均功率為 噪聲電壓是隨機量噪聲電壓是隨機量Vni ，經(jīng)過，經(jīng)過m次積累以后，相加次積累以后，相加 所得值所得值Vn仍為隨機變量仍為隨機變量 1 1 m nni i VV m 1 1 ()()0 m nm i E VE V m 2 () ni nn P PE V m 通過累積以后獲得的信噪比為通過累積以后獲得的信噪比為 通過累積以后信號噪聲幅值比通過累積以后信號噪聲幅值比(SNIR)為為 22 / sisi s nnini PVV m

11、PPmP ssi nni VV m VV 即經(jīng)過即經(jīng)過m次積累后，功率信噪比可提高次積累后，功率信噪比可提高m倍，信號倍，信號 噪聲幅值比提高噪聲幅值比提高 倍。倍。m 一個取樣積分器的核心組件是取樣門和積分器，一個取樣積分器的核心組件是取樣門和積分器， 通常采用取樣脈沖控制通常采用取樣脈沖控制RC積分器來實現(xiàn)，使在取積分器來實現(xiàn)，使在取 樣時間內(nèi)被取樣的波形作同步積累，并將所積累的樣時間內(nèi)被取樣的波形作同步積累，并將所積累的 結(jié)果結(jié)果(輸出輸出)保持到下一次取樣。保持到下一次取樣。 取樣門和積分器取樣門和積分器 完全積分器完全積分器 Vi Rc Cc 取樣門取樣門 不完全積分器不完全積分器

12、Vi Rc Cc Tc=RcCc Vo 0.632 Tg 門脈沖門脈沖 Vo=Vi(1-e-t/Tc) (觀察測量時間觀察測量時間) Vo=Vi(0.632) Vo=Vi(1-e-t/Tc) TSR Tc t t 圖圖9-8 取樣門積分器的工作原理取樣門積分器的工作原理 （a）取樣門積分器）取樣門積分器 （b）取樣積累過程）取樣積累過程 取樣積分器通常有兩種工作模式，即取樣積分器通常有兩種工作模式，即 定點式和掃描式定點式和掃描式。 定點式取樣積分器是測量周期信號的某一瞬定點式取樣積分器是測量周期信號的某一瞬 態(tài)平均值；態(tài)平均值； 掃描式取樣積分器則可以恢復(fù)和記錄被測信掃描式取樣積分器則可以恢

13、復(fù)和記錄被測信 號的波形。下面分別討論這兩種模式。號的波形。下面分別討論這兩種模式。 2定點式取樣積分器定點式取樣積分器 圖圖9-9 定點式取樣積分器原理方框圖定點式取樣積分器原理方框圖 VA 信號信號 延時延時 電路電路 取樣取樣 脈沖脈沖 放大放大 K 取樣門取樣門 RC A Vo 輸出輸出 VB 參考參考 - + CC 特點：特點： 定點式取樣是對被噪聲淹沒的信號在固定點定點式取樣是對被噪聲淹沒的信號在固定點 取樣、平均，所以經(jīng)取樣、平均，所以經(jīng)m次取樣平均后，其幅值信次取樣平均后，其幅值信 噪比改善為噪比改善為 定點式取樣積分器僅能在噪聲中提取信號瞬定點式取樣積分器僅能在噪聲中提取信號

14、瞬 時值，其功能與鎖定放大器相同，不同的定點可時值，其功能與鎖定放大器相同，不同的定點可 通過手控延時電路來實現(xiàn)。通過手控延時電路來實現(xiàn)。 m 3掃描式取樣積分器掃描式取樣積分器 掃描式取樣積分器利用取樣脈沖在信號掃描式取樣積分器利用取樣脈沖在信號 波形上延時取樣，波形上延時取樣，可以恢復(fù)被測信號波形可以恢復(fù)被測信號波形。 它主要包括它主要包括可變時延的取樣脈沖可變時延的取樣脈沖和和在取樣脈在取樣脈 沖控制下作同步積累沖控制下作同步積累這兩個過程。這兩個過程。 掃描式取樣積分器可得到形狀與輸入的掃描式取樣積分器可得到形狀與輸入的 被測信號相同，而在時間上大大放慢了的輸被測信號相同，而在時間上大

15、大放慢了的輸 出波形，故掃描式取樣積分器能在噪聲中提出波形，故掃描式取樣積分器能在噪聲中提 取信號并恢復(fù)波形。取信號并恢復(fù)波形。 圖圖9-10 掃描式取樣積分器原理方框圖掃描式取樣積分器原理方框圖 VA 被測信號被測信號 K 觸發(fā)觸發(fā) 電路電路 時基時基 電路電路 慢慢 掃描掃描 比較器比較器取樣脈沖取樣脈沖 放大放大 取樣門取樣門 RC 放大放大 Vo VB 參考信號參考信號 門脈沖門脈沖 圖圖9-11 掃描式取樣脈沖形成過程掃描式取樣脈沖形成過程 (a) (b) (c) (d) (e) TS TB VSR1 VSR2 T1T2 A B B C D E F T Tg T2T t t 參考信號

16、參考信號 (觸發(fā)信號觸發(fā)信號) )T TS S 慢掃描電壓慢掃描電壓(TSR) 時基電壓時基電壓(TB) 比較器輸出比較器輸出 負(fù)脈沖觸發(fā)負(fù)脈沖觸發(fā) 取樣脈沖取樣脈沖 圖圖9-12 掃描式取樣積分器取樣積累過程掃描式取樣積分器取樣積累過程 VA VA VA VB VsP Vd Vo E A C D 定點式取樣積分器按照定點取樣定點式取樣積分器按照定點取樣m次的法則，次的法則， 不難理解幅值信噪比改善為不難理解幅值信噪比改善為 的結(jié)論。的結(jié)論。 對掃描式取樣積分器由于可變時延的取樣脈沖在對掃描式取樣積分器由于可變時延的取樣脈沖在 取樣過程中取樣點是逐漸變化的，所以它的取樣過程取樣過程中取樣點是逐

17、漸變化的，所以它的取樣過程 受到門脈沖寬度的限制，只有在門寬范圍內(nèi)才能被取受到門脈沖寬度的限制，只有在門寬范圍內(nèi)才能被取 樣。樣。 信噪比改善信噪比改善 m 由于慢掃描電壓相對于時基電壓變化十分緩慢，由于慢掃描電壓相對于時基電壓變化十分緩慢， 因而取樣脈沖相對于觸發(fā)脈沖的移動也是十分緩慢的，因而取樣脈沖相對于觸發(fā)脈沖的移動也是十分緩慢的， 以至在輸入的被測信號波形上每一以至在輸入的被測信號波形上每一“點點”依次可以掠依次可以掠 過多個門寬的取樣脈沖，從而對波形每個取樣過多個門寬的取樣脈沖，從而對波形每個取樣“點點” 進行多次積累平均。進行多次積累平均。 4. 取樣積分技術(shù)運行步驟：取樣積分技術(shù)

18、運行步驟： v利用檢測光脈沖的激勵源取得和輸入光脈沖同步的利用檢測光脈沖的激勵源取得和輸入光脈沖同步的 觸發(fā)信號；觸發(fā)信號； v利用門延時和門脈沖寬度控制單元形成與觸發(fā)脈沖利用門延時和門脈沖寬度控制單元形成與觸發(fā)脈沖 具有恒定時延或時延與時間成線性關(guān)系的可調(diào)脈寬具有恒定時延或時延與時間成線性關(guān)系的可調(diào)脈寬 取樣脈沖串；取樣脈沖串； v取樣脈沖控制取樣開關(guān)對連續(xù)的周期性變化信號進取樣脈沖控制取樣開關(guān)對連續(xù)的周期性變化信號進 行掃描取樣；行掃描取樣； v積分器對取樣信號進行多次線性累加，經(jīng)過濾波后積分器對取樣信號進行多次線性累加，經(jīng)過濾波后 獲得輸出信號。獲得輸出信號。 5. 取樣積分器的特點：取

19、樣積分器的特點： v適用于由脈沖光源產(chǎn)生的連續(xù)周期變化的信號波形適用于由脈沖光源產(chǎn)生的連續(xù)周期變化的信號波形 測量或單個光脈沖的幅度測量。需要有與光脈沖同測量或單個光脈沖的幅度測量。需要有與光脈沖同 步的激勵信號；步的激勵信號； v是一個取樣放大器，在每個信號脈沖周期內(nèi)只取一是一個取樣放大器，在每個信號脈沖周期內(nèi)只取一 個輸入信號值；個輸入信號值； v在多次取樣過程中，門積分器對被測信號的多次取在多次取樣過程中，門積分器對被測信號的多次取 樣值進行線性疊加，而對隨機噪聲是矢量疊加，所樣值進行線性疊加，而對隨機噪聲是矢量疊加，所 以，對信號有恢復(fù)和提取作用；以，對信號有恢復(fù)和提取作用； v在測量

20、占空比小于在測量占空比小于50的窄脈沖光強度下，信噪比的窄脈沖光強度下，信噪比 好于鎖相放大器；好于鎖相放大器； v用掃描方式測量信號波形時能得到用掃描方式測量信號波形時能得到100ns的時間分的時間分 辨率；辨率； v雙通道系統(tǒng)能提供自動背景與輻射源補償。雙通道系統(tǒng)能提供自動背景與輻射源補償。 圖圖9-13 用取樣積分器組成的測光系統(tǒng)用取樣積分器組成的測光系統(tǒng) 脈沖脈沖 發(fā)生器發(fā)生器 PMT取樣取樣 積分器積分器 X-Y 記錄儀記錄儀 鋸齒波鋸齒波 參考信號參考信號 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 圖圖9-14 使用雙通道取樣積分器的激光分析計使用雙通道取樣積分器的激光分析計 樣品樣品 檢測器檢測器

21、超導(dǎo)螺旋管超導(dǎo)螺旋管 單色器單色器激光器激光器 電源電源 脈沖脈沖 發(fā)生器發(fā)生器 放大器放大器 參考參考 檢測器檢測器 比例器比例器 AB A 雙通道取樣積分器雙通道取樣積分器 B 9.1.3 光子計數(shù)器光子計數(shù)器 一種利用光電倍增管能檢測單個光子能量的功一種利用光電倍增管能檢測單個光子能量的功 能，通過光電子計數(shù)的方法測量極微弱光脈沖信號的能，通過光電子計數(shù)的方法測量極微弱光脈沖信號的 裝置。裝置。 類型類型： v基本的光子計數(shù)系統(tǒng)；基本的光子計數(shù)系統(tǒng)； v源補償?shù)墓庾佑嫈?shù)系統(tǒng)源補償?shù)墓庾佑嫈?shù)系統(tǒng) ； v背景補償?shù)墓庾佑嫈?shù)系統(tǒng)。背景補償?shù)墓庾佑嫈?shù)系統(tǒng)。 PMTPMT 比例計比例計 計數(shù)器計數(shù)

22、器 數(shù)模數(shù)模 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 放大器放大器 光子光子 參考電壓參考電壓 光子脈沖光子脈沖 噪噪 聲聲 計計 數(shù)數(shù) 脈脈 沖沖 鑒別器鑒別器 模擬模擬 輸出輸出 數(shù)字?jǐn)?shù)字 輸出輸出 模擬模擬 輸出輸出 圖圖9-15 基本的光子計數(shù)系統(tǒng)基本的光子計數(shù)系統(tǒng) 1. 基本的光子計數(shù)系統(tǒng)基本的光子計數(shù)系統(tǒng) 入射到光電倍增管陰極上的光子引起輸出信入射到光電倍增管陰極上的光子引起輸出信 號脈沖，經(jīng)過放大器輸送到一個脈沖高度鑒別器號脈沖，經(jīng)過放大器輸送到一個脈沖高度鑒別器 上，從中分離出單光子脈沖，再用計數(shù)器計數(shù)光上，從中分離出單光子脈沖，再用計數(shù)器計數(shù)光 子脈沖數(shù)。計算出一定時間間隔內(nèi)的計數(shù)值，以子脈沖數(shù)。計算

23、出一定時間間隔內(nèi)的計數(shù)值，以 數(shù)字和模擬形式輸出。數(shù)字和模擬形式輸出。 圖圖9-16 光電倍增管的輸出脈沖和鑒別器工作波形光電倍增管的輸出脈沖和鑒別器工作波形 第一倍第一倍 增極增極 陰極陰極 光子光子 脈沖脈沖 第二倍第二倍 增極增極 PMT 輸出輸出 脈沖脈沖 鑒別器鑒別器 輸出輸出 O O t t 多光子多光子 信號信號 Vs2 Vs1 圖圖9-17 計數(shù)器原理示意圖計數(shù)器原理示意圖 事先由預(yù)置開關(guān)置事先由預(yù)置開關(guān)置 入計數(shù)值入計數(shù)值N，設(shè)時，設(shè)時 鐘脈沖頻率為鐘脈沖頻率為Rc， 而計時器預(yù)置的計而計時器預(yù)置的計 數(shù)時間為數(shù)時間為T=N/Rc, 計數(shù)器計數(shù)器A的累加計的累加計 數(shù)值可計算

24、為數(shù)值可計算為 A=Rat=RAN/Rc RA為平均光脈沖為平均光脈沖 計數(shù)率計數(shù)率 啟動啟動 預(yù)置數(shù)預(yù)置數(shù) A RA 計數(shù)器計數(shù)器 A 計數(shù)器計數(shù)器 C 時鐘時鐘 振蕩器振蕩器 RC 定時器定時器B 停停 止止 圖圖9-18 輻射源補償?shù)墓庾佑嫈?shù)器（一）輻射源補償?shù)墓庾佑嫈?shù)器（一） 2. 輻射源補償?shù)墓庾佑嫈?shù)器輻射源補償?shù)墓庾佑嫈?shù)器 實驗實驗 樣品樣品 光電光電 倍增管倍增管 放大放大 鑒別器鑒別器 光子光子 計數(shù)器計數(shù)器 光電光電 倍增管倍增管 放大放大 鑒別器鑒別器 測量通道測量通道 參考通道參考通道 來自來自 單色器單色器 RA RC 圖圖9-19 輻射源補償?shù)墓庾佑嫈?shù)器（二）輻射源補

25、償?shù)墓庾佑嫈?shù)器（二） 計數(shù)器計數(shù)器 A 預(yù)置數(shù)預(yù)置數(shù) N 計數(shù)器計數(shù)器 C 啟動啟動 RA Rc 停停 止止 A=NRA/RC 斬光器用來通斷光束，分別產(chǎn)生交變的斬光器用來通斷光束，分別產(chǎn)生交變的“信號十背景信號十背景”和和 “背景背景”的光子計數(shù)率，同時為光子計數(shù)器的光子計數(shù)率，同時為光子計數(shù)器A、B提供選通信號。提供選通信號。 這樣在一定的測量時間內(nèi)，經(jīng)多次斬光后計算電路就給出了信這樣在一定的測量時間內(nèi)，經(jīng)多次斬光后計算電路就給出了信 號脈沖（號脈沖（A-B=S）和總脈沖）和總脈沖(A+B=S+N+N)兩個輸出量。兩個輸出量。 3. 背景補償?shù)墓庾佑嫈?shù)器背景補償?shù)墓庾佑嫈?shù)器 圖圖9-20 有背景補償能力的光子計數(shù)器有背景補償能力的光子計數(shù)器 信噪比為：信噪比為： AB SNR AB 圖圖9-21 有斬光器的光子計數(shù)器工作波形圖有斬光器的光子計數(shù)器工作波形圖 M個展光周期個展光周期 斬光器通斷脈沖斬光器通斷脈沖 鑒別器輸出脈沖鑒別器輸出脈沖 選通脈沖選通脈沖