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1、光电检测电路与信号光电检测电路与信号处理处理光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering测距测距计时计时器器放大、滤波、放大、滤波、比较比较主波主波回波回波光学信号变换光学信号变换光电信号变换光电信号变换激光脉冲测距原理示意图激光脉冲测距原理示意图电学信号变换电学信号变换光电信号变换与处理光电信号变换与处理光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering光学信号变换光学信号变换 光电信号光电信号变换与处理变换与处理光电信号变换光
2、电信号变换电学信号变换电学信号变换教材第八章教材第八章教材第九章教材第九章教材第十章教材第十章光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第第1010章章 光电检测电路与信号处理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微弱光电信号的处理方法*有特殊要求的有特殊要求的电学信号处理方法电学信号处理方法 10.1 检测电路的带宽和频率特性检测电路的带宽和频率特性10.1.1 检测电路的基
3、本结构和技术要求检测电路的基本结构和技术要求基本任务基本任务光电检测电路光电检测电路u偏置电路设计（静态设计）偏置电路设计（静态设计）u频率响应设计（动态设计）频率响应设计（动态设计）u噪声特性设计噪声特性设计 1.1.带宽的带宽的含义含义K(f)ffLCfHC70.7%100%D Df=fHC fLC fHC10.1 检测电路的带宽和频率特性检测电路的带宽和频率特性10.1.2 检测电路的带宽检测电路的带宽带宽带宽ff 太小，频率失真太小，频率失真 （波形失真）（波形失真）f 太大，噪声大太大，噪声大 （例：热噪声）（例：热噪声）电路带宽电路带宽f 根据根据信号的频谱特性信号的频谱特性来确定
4、来确定 2.2.带宽带宽对信号质量的影响对信号质量的影响10.1.2 检测电路的带宽检测电路的带宽3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？正弦调制信号正弦调制信号:振幅调制振幅调制：频率调制频率调制：10.1.2 检测电路的带宽检测电路的带宽3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？例例1 1：确定调幅波检测电路的带宽确定调幅波检测电路的带宽载波频率为载波频率为f05KHz调制频率为调制频率为F100Hz电路带宽电路带宽D Df 2F 0.2 kHz10.1.2 检测电路的带宽检测电路的带宽3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？正弦调制信号正弦调制信号:脉冲波信号
5、：脉冲波信号：振幅调制振幅调制：频率调制频率调制：10.1.2 检测电路的带宽检测电路的带宽3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？脉冲波信号脉冲波信号的带宽分析的带宽分析 T Ttdtd脉冲宽度脉冲宽度3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？脉冲波信号脉冲波信号的带宽分析的带宽分析 T Ttdtd脉冲宽度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脉冲波频谱分析脉冲波频谱分析启动虚拟仪器启动虚拟仪器LabVIEW8.6仿真信号仿真信号3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？脉冲波信号脉冲波信号的带宽分析的带宽分析 T
6、Ttdtd脉冲宽度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脉冲波频谱动态分析启动虚拟仪器仿真信号启动虚拟仪器仿真信号需要安装需要安装LabVIEW8.63.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？脉冲波信号脉冲波信号的带宽分析的带宽分析 主要频谱能主要频谱能量范围量范围3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？电路带宽增大，信号电路带宽增大，信号峰值功率增加峰值功率增加常数常数电路带宽增大，噪声电路带宽增大，噪声功率增加功率增加最佳带宽最佳带宽最佳带宽最佳带宽10.1.2 检测电路的带宽检测电路的带宽3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带
7、宽带宽？正弦调制信号正弦调制信号:脉冲波信号：脉冲波信号：td为脉冲宽度为脉冲宽度 振幅调制振幅调制：频率调制频率调制：要求信噪比高：要求信噪比高：要求脉冲形状好：要求脉冲形状好：10.1.2 检测电路的带宽检测电路的带宽3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？例例2 2：确定确定激光脉冲信号激光脉冲信号检测电路检测电路带宽带宽电路带宽电路带宽（准确保持脉冲形状）（准确保持脉冲形状）脉冲重复频率脉冲重复频率f=200kHz脉宽脉宽td=0.5s10.1.2 检测电路的带宽检测电路的带宽10.1.3 检测电路的频率特性分析与设计检测电路的频率特性分析与设计激光脉冲重复频率激光脉冲重复频
8、率f0=200kHz，脉宽，脉宽td=0.5s 电路带宽电路带宽f=3MHz信号带宽信号带宽 B=1/td=2MHz输入级电路输入级电路 前置放大器前置放大器后续放大器后续放大器6MHz6MHz6MHz10.1.3 检测电路的频率特性分析与设计检测电路的频率特性分析与设计输入级电路输入级电路 光电导探测器电路光电导探测器电路两个过程两个时间常数：两个过程两个时间常数：光光电（载流子）电（载流子）电（载流子）电（载流子）电（压）电（压）固有时间常数固有时间常数电路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检测电路的频率特性分析与设计输入级电路输入级电路 光电导探测器电路光电导
9、探测器电路固有时间常数固有时间常数电路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检测电路的频率特性分析与设计激光脉冲重复频率激光脉冲重复频率f0=200kHz，脉宽，脉宽td=0.5s 电路带宽电路带宽f=3MHz信号带宽信号带宽 B=1/td=2MHz输入级电路输入级电路 前置放大器前置放大器后续放大器后续放大器6MHz6MHz6MHz光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第第1010章章 光电检测电路与信号处理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检测电路的带宽
10、和频率特性10.2 光电检测电路的低噪声设计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微弱光电信号的处理方法*有特殊要求的有特殊要求的电学信号处理方法电学信号处理方法 10.2 光电检测电路的低噪声设计光电检测电路的低噪声设计问题的提出问题的提出 提高系统信噪比途径：提高系统信噪比途径：光学方法光学方法 电学方法电学方法 热力学方法热力学方法 10.2 光电检测电路的低噪声设计光电检测电路的低噪声设计直接探测系统的直接探测系统的信噪比信噪比 问题的提出问题的提出 信号光很弱信号光很弱时，探测器的输出时，探测器的输出信噪比很低信噪比很低探测器探测器噪声噪声电路电路噪声噪声“雪上加雪
11、上加霜霜”10.2 光电检测电路的低噪声设计光电检测电路的低噪声设计 前置前置放大器噪声放大器噪声电路电路噪声噪声1.放大器放大器EnIn噪声模型：噪声模型：纯电阻纯电阻信号源信号源例如：例如：低噪声放大器低噪声放大器OP27En=3.5nV/Hz1/2,In=1.7pA/Hz1/2 10.2.1前置放大器的噪声前置放大器的噪声仅有仅有热噪声热噪声-选择低噪声放大器选择低噪声放大器就行了就行了？1.放大器放大器EnIn噪声模型：噪声模型：纯电阻纯电阻信号源信号源等效等效输入噪声电压输入噪声电压信号源信号源与与放大器放大器相互作用相互作用噪声系数噪声系数 10.2.1前置放大器的噪声前置放大器的
12、噪声F=1，理想的理想的无噪声无噪声放大器放大器F 1，实际的，实际的有噪声有噪声放大器放大器噪声系数噪声系数F反映了放大器的噪声使系统信噪比变坏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。的程度，是衡量放大器噪声性能好坏的重要指标。2.噪声系数噪声系数 NF=10lgF （dB）用分贝表示：用分贝表示：10.2.1前置放大器的噪声前置放大器的噪声n级级联放大电路级级联放大电路噪声系数：噪声系数：KP1很大时，很大时，F F1前置放大器的噪声贡献前置放大器的噪声贡献例例1：光电倍增管和雪崩光电二极管：光电倍增管和雪崩光电二极管 高内增益高内增益 例例2：光电二
13、极管：光电二极管 无内增益无内增益 2.噪声系数噪声系数 最佳源电阻最佳源电阻 噪声系数最小噪声系数最小10.2.1前置放大器的噪声前置放大器的噪声3.最佳源电阻最佳源电阻10.2.1前置放大器的噪声前置放大器的噪声3.最佳源电阻最佳源电阻10.2.1前置放大器的噪声前置放大器的噪声例如：例如：OP27En=3.5nV/Hz1/2,In=1.7pA/Hz1/2 Rsopt？3.最佳源电阻最佳源电阻10.2.1前置放大器的噪声前置放大器的噪声3.最佳源电阻最佳源电阻当当信号源的内阻信号源的内阻等于等于放大器的最佳源电阻值放大器的最佳源电阻值时，放时，放大器对检测电路附加的大器对检测电路附加的噪声
14、最小噪声最小，称为信号源与放，称为信号源与放大器之间达到了大器之间达到了噪声匹配。噪声匹配。10.2.1前置放大器的噪声前置放大器的噪声噪声匹配举例：噪声匹配举例：例：例：热电偶；热电偶；热释电探测器；反偏光电二级管热释电探测器；反偏光电二级管-常用器件最佳源电阻分布示意图 10.2.1前置放大器的噪声前置放大器的噪声光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering光电检测电路的噪声匹配光电检测电路的噪声匹配 -两个两个值得讨论的问题值得讨论的问题1.探测器信号源探测器信号源2.偏置电路噪声偏置电路噪声 纯电阻纯
15、电阻 信号源信号源探测器探测器信号源信号源仅有仅有热噪声热噪声热噪声热噪声其他噪声其他噪声1.探测器信号源探测器信号源2.偏置电路噪声偏置电路噪声检测电路：检测电路：-探测器噪声探测器噪声-前置放大器前置放大器噪声噪声-偏置电路噪声偏置电路噪声光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering10.2 光电检测电路的低噪声设计光电检测电路的低噪声设计10.2.1前置放大器的噪声前置放大器的噪声10.2.2光电检测电路的噪声光电检测电路的噪声10.2.3光电检测电路的噪声估算光电检测电路的噪声估算10.2.2光电检测
16、电路的噪声光电检测电路的噪声 纯电阻纯电阻 信号源信号源探测器探测器信号源信号源仅有仅有热噪声热噪声热噪声热噪声其他噪声其他噪声探测器探测器信号源信号源热噪声热噪声其他噪声其他噪声工程允许工程允许表达式推导：表达式推导：10.2.2光电检测电路的噪声光电检测电路的噪声噪声匹配举例噪声匹配举例例：例：热电偶；热电偶；热释电探测器；反偏光电二级管热释电探测器；反偏光电二级管10.2.2光电检测电路的噪声光电检测电路的噪声光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering10.2 光电检测电路的低噪声设计光电检测电路的低
17、噪声设计10.2.1 前置放大器的噪声前置放大器的噪声10.2.2 光电检测电路的噪声光电检测电路的噪声10.2.3 光电检测电路的噪声估算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例：强度调制直接探测光纤通信系统 光纤尾端光纤尾端 5 5WW电流信噪比大于电流信噪比大于1212噪声估算噪声估算10.2.3光电检测电路的噪声估算光电检测电路的噪声估算等效噪声带宽 白噪声并联并联RC电路：电路：等效噪声带宽 信号带宽 噪声估算举例：噪声估算举例：噪声等效电路图噪声等效电路图 10.2.3光电检测电路的噪声估算光电检测电路的噪声
18、估算噪声估算举例：噪声估算举例：根据噪声等效电路图根据噪声等效电路图 等效噪声带宽等效噪声带宽 10.2.3光电检测电路的噪声估算光电检测电路的噪声估算光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第第1010章章 光电检测电路与信号处理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微弱光电信号的处理方法*有特殊要求的有特殊要求的电学信号处理方法电学信号处理方法 10.3 微弱光电信号的检
19、测与处理微弱光电信号的检测与处理 S/N 1 微弱信号微弱信号（微弱光电信号）（微弱光电信号）生物生物超微弱超微弱发光发光 101000个光子个光子/scm2 高反射片的高反射片的散射光（反射率散射光（反射率0.99990.9999）导弹等飞行体辐射（导弹等飞行体辐射（信号强信号强）强烈背景辐射强烈背景辐射 问题的提出问题的提出 10.3 微弱光电信号的检测与处理微弱光电信号的检测与处理问题的提出问题的提出 提高系统信噪比途径：提高系统信噪比途径：光学方法光学方法 电学方法电学方法 热力学方法热力学方法 10.3 微弱光电信号的检测与处理微弱光电信号的检测与处理弱信号形式：被测弱信号形式：被测
20、信号信号+背景噪声背景噪声+电路噪声电路噪声 电子电子滤波器滤波器微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术相关检测技术：相关检测技术：自相关自相关；互相关互相关10.3 微弱光电信号的检测与处理微弱光电信号的检测与处理10.3.1相关检测技术相关检测技术自相关函数自相关函数互相关函数互相关函数被测信号：被测信号：相关检测相关检测是利用是利用信号具有良好的时间相关性信号具有良好的时间相关性和和噪声的噪声的不相关性不相关性，使，使信号进行积累信号进行积累而而噪声不积累噪声不积累的原理，从的原理，从而把被噪声淹没的信号提取出来。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微弱光电信号
21、的检测与处理弱信号形式：被测弱信号形式：被测信号信号+背景噪声背景噪声+电路噪声电路噪声 电子电子滤波器滤波器微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术相关检测技术：相关检测技术：自相关自相关；互相关互相关光子计数技术光子计数技术（量子限）（量子限）锁定放大器锁定放大器取样积分器取样积分器光子计数系统光子计数系统光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering10.3.2 锁定放大器锁定放大器Lock-in Amplifieres，简称，简称LIA 锁定放大器由锁定放大器由信号通道信号通道、参考通道参考通道和和相敏检波
22、相敏检波等三等三个主要部分组成个主要部分组成。基本结构基本结构 信号通道信号通道 放大器，窄带滤波（预处理）放大器，窄带滤波（预处理）参考通道参考通道 倍频电路，移相，方波驱动倍频电路，移相，方波驱动相敏检波相敏检波 乘法器，积分器（滤波器）乘法器，积分器（滤波器）10.3.2锁定放大器锁定放大器基本原理基本原理10.3.2锁定放大器锁定放大器讨论讨论输入信号输入信号背景噪声内部噪声参考信号参考信号 同频、同相同频、同相极 少极 少全部检测全部检测大大抑制大大抑制LIA典型的典型的“互相关互相关”检测检测10.3.2锁定放大器锁定放大器讨论讨论例：例：LIA极极高高Q值值的的跟踪跟踪滤波器滤波
23、器10.3.2锁定放大器锁定放大器应用举例应用举例1 1补偿法双通道测光装置的锁定放大器补偿法双通道测光装置的锁定放大器 思考：思考：输入信号与参考信号同频输入信号与参考信号同频10.3.2锁定放大器锁定放大器理论和实验表明：理论和实验表明：入射光功率恒定，入射光功率恒定，粗粗糙度糙度与与反向散射光反向散射光总总光功率之间的关系为光功率之间的关系为高反片高反片入射光入射光反射光反射光（0.9999）透射光透射光反向散射光反向散射光-激光陀螺高反片激光陀螺高反片表面粗糙度表面粗糙度检测检测应用举例应用举例2 210.3.2锁定放大器锁定放大器应用举例应用举例2 2积分球散射仪积分球散射仪散射光散
24、射光辐通量辐通量测量测量相关检测相关检测 光源光源波动补偿波动补偿10.3.2锁定放大器锁定放大器应用举例应用举例3 3反狙击主动探测系统反狙击主动探测系统 激光光源激光光源光学系统光学系统狙击系统狙击系统光电转换光电转换相敏检波相敏检波调制电路调制电路激激光光测测距距报警系统报警系统弱信号形式：被测弱信号形式：被测信号信号+背景噪声背景噪声+电路噪声电路噪声 10.3.2锁定放大器锁定放大器光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering10.3.3取样积分器取样积分器又称为又称为Boxcar平均器平均器 例例
25、1 1：信号：信号“样品样品”抽血抽血 信号信号“积分积分”样品多，反映区域病样品多，反映区域病情情例例2 2：火车站，噪声中有人喊：火车站，噪声中有人喊：“xxxx”“xxxx”多次多次 耳朵耳朵“积分积分”识别识别对周期重复信号，对周期重复信号，N N次取样平均次取样平均 信号：线性叠加噪声：矢量相加（+，-相消）光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering1.定点式取样积分器定点式取样积分器测量测量周期信号周期信号的的某一瞬态平均值某一瞬态平均值10.3.3取样积分器取样积分器2.扫描式取样积分器扫描式
26、取样积分器可以可以恢复恢复和和记录记录 被测周期性被测周期性信号波形信号波形10.3.310.3.3取样积分器取样积分器10.3.3取样积分器取样积分器又称为又称为Boxcar平均器平均器 定点式取样积分器定点式取样积分器扫描式取样积分器扫描式取样积分器测量定点测量定点信号信号平均值平均值恢复和记录恢复和记录信号波形信号波形LIA功能功能目前技术发展：目前技术发展：多点数字取样积分器多点数字取样积分器用用软件积分软件积分代替代替硬件积分硬件积分：快速、信息量大：快速、信息量大 光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engin
27、eering10.3.4 光子计数系统光子计数系统锁定放大器和取样积分器：锁定放大器和取样积分器：适应于适应于周期性周期性的信号检测的信号检测 更微弱光信号量子特征：更微弱光信号量子特征：u离散信号脉冲离散信号脉冲u不具有周期性重复特征不具有周期性重复特征量子极限：量子极限：用光电二极管难于实现单个用光电二极管难于实现单个光子的探测，原因？光子的探测，原因？2 2个光子的极限个光子的极限用光电倍增管易于实现单个用光电倍增管易于实现单个光子的探测，原因？光子的探测，原因？10.3.4光子计数系统光子计数系统2 2个光子的极限个光子的极限光电倍增管的内增益光电倍增管的内增益（M）、屏蔽、制冷）、屏
28、蔽、制冷 探测单个光子成为可能探测单个光子成为可能M2()M2量子极限：量子极限：10.3.4光子计数系统光子计数系统系统结构：系统结构：鉴别器鉴别器 阈值阈值 10.3.4光子计数系统光子计数系统探测量级：探测量级：没有清晰的脉冲没有清晰的脉冲 不适应不适应可分辨的可分辨的“负脉冲负脉冲”适应适应10.3.4光子计数系统光子计数系统应用系统举例：应用系统举例：紫外荧光大气紫外荧光大气SO2 SO2 浓度监测系统浓度监测系统吸收吸收213.8nm发射发射320nm化学原理：化学原理：2.45ppb；光子计数：；光子计数：0.5ppb030ppm10.3.4光子计数系统光子计数系统光电科学与工程
29、学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering探测量级：探测量级：目前，光子计数系统可以探测到目前，光子计数系统可以探测到每秒每秒10102020个光子个光子水平的极弱光信号水平的极弱光信号，已在荧光、磷光测量、喇曼散，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得到了应用。国外还研制出一种不仅可以探测单光单光子事件子事件的强度，还可以探测其位置的二维平面像探的强度，还可以探测其位置的二维平面像探测器，使得测器，使得
30、光子成像技术光子成像技术成为现实，用它可以拍摄成为现实，用它可以拍摄到人体的细胞，到人体的细胞，观察细胞的轮廓和细胞核观察细胞的轮廓和细胞核。10.3.4光子计数系统光子计数系统光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering微弱光电信号检测与处理小结微弱光电信号检测与处理小结锁定放大器锁定放大器取样积分器取样积分器光子计数器光子计数器互相关互相关自相关自相关探测量子限探测量子限周期性信号周期性信号离散脉冲离散脉冲信号幅度信号幅度幅度、波形幅度、波形周期性信号周期性信号信号幅度信号幅度理论基础理论基础适用信号形式
31、适用信号形式输出信号形式输出信号形式 S/N 1 微弱光电信号微弱光电信号光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第第1010章章 光电检测电路与信号处理光电检测电路与信号处理小结小结1 1光电检测电路：光电检测电路：光电探测器、偏置电路和前置放大器光电探测器、偏置电路和前置放大器 2.光电检测电路光电检测电路带宽带宽:f B 正弦调幅信号正弦调幅信号;正弦调频信号正弦调频信号;脉冲信号脉冲信号 3.光电检测电路光电检测电路噪声噪声 探测器噪声、偏置电路噪声和前放噪声探测器噪声、偏置电路噪声和前放噪声 最佳源电阻；噪声匹配最佳源电阻；噪声匹配4.微弱光电信号微弱光电信号检测与处理检测与处理 锁定放大器；取样积分器；光子计数器锁定放大器；取样积分器；光子计数器