CH6光信号的变换及检测技术

LOGO现代检测技术第6章光电信号的变换及检测技术光电信号检测电路的噪声-2-噪声的分类及性质一个系统的噪声可分为来自外部的干扰噪声和内部噪声。来自系统外部的干扰噪声，就其产生原因又可分为人为造成的和自然造成的干扰两类。噪声是随机过程，噪声电压的瞬时值可取不同值E1，E2，…Ei，而对应出现的概率P(E1)，P(E2)，…，P(Ei)，…，其分布规律符合高斯分布。n次采样的算术平均值E为均方值为概率分布函数P(E)为nEEEEEni/][21nEEEEEEn/])()()[(222212222)(exp21)(EEEP光电信号检测电路的噪声-3-主要的噪声类型1.电阻热噪声当某电阻处于环境温度高于绝对零度的条件下，由于内部杂乱无章的自由电子的热运动，形成起伏变化的噪声电流。其大小与极性均在随机地变化着，且长时间的平均值等于零。常用噪声电流的均方值表示2nTIRfkTInT422/1)4(RfkTInT对应该电阻两端产生的噪声电压均方值为fkTRRIEnTnT42222/1)4(fkTREnT式中R—所讨论元件的电阻值；k—玻尔兹曼常数；T—电阻所处环境的绝对温度；f—所用测量系统的频带宽度。光电信号检测电路的噪声-4-1.电阻热噪声电阻噪声电阻热噪声的等效电路52.散弹噪声散弹噪声的电流均方值为fqIIDCnsh22式中：q为电子电荷；IDC为流过电流的直流分量。在光电器件中，光电流的直流分量Ip,也同样引起散弹噪声,即fqIIPnp22散弹噪声的顺势变化光电信号检测电路的噪声63.噪声f1噪声有以下经验公式：f1ffIkIn12k1—与元件有关的参数；—与流过元器件电流有关的常数，通常取＝2—与元器件材料性质有关的系数，约在0.8~1.3之间，常取＝1。上式可以改写为ffIkIn212可知噪声的电流均方值与电路频率f成反比，所以称之为1/f噪声。光电信号检测电路的噪声7该噪声的电流均方值为4.产生–复合噪声(g—r噪声)22224(/)14cnqIfIfI—流过光电导器件的平均电流；—载流子的平均寿命；e—载流子在光电导器件两电极间的平均漂移时间；F—测量电路的带宽。在相对低频的条件下，即时，公式可简化为14222ffqIIcn)/(42光电信号检测电路的噪声8这是热敏器件因其温度起伏所引起的噪声，该噪声用温度起伏的均方值表示式中k一波尔兹曼常数；T—热敏器件的绝对温度；GQ—器件的热导。5.温度噪声)1(42222wGfkTTQn6.背景辐射的光子噪声探测器在接收目标辐射的同时，也接收到目标以外其它物体的辐射，这些辐射也是一种不连续的起伏过程。这种因背景辐射起伏引起探测器产生的噪声叫做背景辐射的光子噪声。光电信号检测电路的噪声9噪声等效参量1.等效噪声带宽等效噪声带宽是噪声量的一种等效表示形式，可定义为带通型网络中等效带宽的物理意义0)()(1dffDfAAfPP式中，f为等效噪声带宽；AP(f)为放大器或网络的相对功率增益，是频率f的函数；AP为放大器或网络功率增益的最大值；D(f)为等效于网络输入端的归一化噪声功率谱。对于白噪声的情况，即D(f)＝1，当网络的频率响应为带通型时，则有0)(dffAfAPP光电信号检测电路的噪声10各种噪声可能不属于同一起因与类型，但是为了计算和分析的方便，可以用一个电阻的热噪声来等效，这个电阻就叫作等效噪声电阻。2.等效噪声电阻用电阻的热噪声来等效放大器的噪声，负载电阻RL的热噪声为，等效到输入端为，对应等效电阻为。所以总等效电阻为fkTRELnL420fARkTEVLnL)/(42202/VLAR2/VLeqieqARRRReqR放大器等效噪声电阻对应总输入噪声为对应总输出噪声为fARRRkTfkTREVLeqieqni)/(44222220)/(4VVLeqinfAARRRkTE光电信号检测电路的噪声11这是一种将各噪声等效为放大器输入源电阻因等效升温而附加热噪声的方法。Rs为源电阻，用Rs的热噪声表示输入源的噪声3.等效噪声温度fRkTEsnT024式中,T0为参考温度(工作室温)。放大器等效噪声温度光电信号检测电路的噪声12假设放大器的噪声也等效到电阻RS上，相当于附加一个温差Teq在RS产生的热噪声,把Teq叫作等效噪声温度。于是等效在输入端的总噪声为fRTTkfRkTfRkTEseqseqsni)(444002对应输出端的总噪声为202)(4VfARTTkEseqno如把放大器噪声等效为等效噪声电阻Rq的热噪声fRkTfRkTseqeq440所以seqeqRTRT0或0//TTRReqseq光电信号检测电路的噪声13前置放大器的噪声Rs是信号源内阻；Es是信号源电动势；RL是输出负载；Pi，P0分别是输入、输出的信号功率；Ni是加到输入端的噪声功率；No是输出端的总噪声功率；于是噪声系数可定义为1.噪声系数(F)00//NPNPFii线性四端网络下面对其有关特性进行讨论：(1)对于理想无噪声的网络有P0／N0＝Pi／Ni，即F＝1。当网络存在噪声时，P0／N0Pi／Ni，即F＞1，所以网络的噪声系数F1。光电信号检测电路的噪声14(2)噪声系数常用其分贝数FdB来表示ooiidBNPNPFF//lg10lg10(3)将网络功率增益AP引入上式，并设Ni经网络后输出噪声为Nio=APNi，则有iooiPoiooiNNNANNPNPF(4)用噪声等效温度Teq表示网络内部引起的噪声，则等效输入噪声功率为)/(/44000TTNTfRTkTfRkTeqiieqieq经网络对应输出的噪声功率为PioeqnANTTN/)/(光电信号检测电路的噪声15放大器可以由单级或多级组成，由半导体三极管或场效应管组成的单级放大器可视为一个有源四端网络。由单级联合构成多级放大器，可把级间器件视为—个无源四端网络。多级放大器可视为有源和无源四端网络的组合。按照定义该系统的总噪声系数为，而，于是有两有源四端网络的串联2.多级放大器的噪声系数)/(pioANNF21pppAAA22121npnppioNANAANNipnNAFN111)1(ipnNAFN222)1(光电信号检测电路的噪声16采用相同的方法可获得n级串联四端网络的噪声系数关系。)1(21211111321nPPPnPPPAAAFAAFAFFF所以2221121)1()1(pppppioAFAAFAANN12112121/)1(/)1()1(1)/(ppppioAFFAFFAANNF光电信号检测电路的噪声17选频放大器在检测系统中，为突出信号和抑制噪声，常采用选频放大器。将放大器的选放频率与光电信号的调制频率一致，同时限制带宽，使所选频率间隔外的噪声尽可能滤除，达到提高信噪比的目的。常用电路介绍相敏检波器相敏检波器,顾名思义,就是对两个信号之间的相位进行检波。在实际应用中,这两个信号往往是同频的,或者是互为倍数。18相位检测器相位检测器框图常用电路介绍19鉴频器鉴频器原理框图常用电路介绍20脉冲宽度鉴别器常用电路介绍在光电检测技术中，有时需要在不同宽度的脉冲中，选出脉宽在某个特定值T附近的控制脉冲，即T＝TP±ΔTP。TP为特定的持续期，ΔTP为允许偏差。实现该功能的方案之一如图6-36所示。相应的工作波形如图6-37所示。图6-36脉宽鉴别器21脉冲宽度鉴别器常用电路介绍图6-37脉宽鉴别器各环节的波形22积分微分运算器1.积分运算器输出信号u0与输入信号ui的关系为dttuCRtuiff)(1)(0这时输出电压正比于输入电压对时间的积分，比例常数与反馈电路的时间常数有关而与运算放大器的参数无关。fffCR积分运算器常用电路介绍23按需要还可接成同相积分运算器，输出信号和输入信号ui间的关系为dttuCRtui)(2)(0差动积分器的电路输出信号u0输入信号ui间的关系为：dttutuRCtuii)]()([1)(120同相积分运算器差动积分运算器常用电路介绍242.微分运算器基本微分运算器的电路输出信号u0与输入信号ui间的关系为基本微分运算器dttduCRtuiff)()(0差动微分运算器输出与输入间的关系为：dttutudCRtuiiff/)]()([)(210差动微分运算器常用电路介绍25锁相环自动相位控制是使一个简谐波自激振荡的相位受基准振荡的控制，即自激振荡器振荡的相位和基准振荡的相位保持某种特定的关系，叫作“相位锁定”，简称“锁相”。锁相环方框图常用电路介绍26锁相环的应用举例常用电路介绍锁相倍频器图6-45锁相倍频器锁相倍频器是将压控振荡器的频率锁定于基准频率的谐波上，其原理如图6-45所示。27锁相环的应用举例常用电路介绍频率变换器图6-47频率变换器采用锁相环进行频率变换或频率搬移，可将弱信号转换为高稳定、高纯度的强信号输出。频率变换原理如图6-47所示。输入信号频率f1与压控振荡器信号频率f0经混频以后，产生和频f1十f0和差频f0－f1分量，用低通滤波器滤去和频，只取差频f0－f1分量和偏移信号频率f2送给鉴相器。当环路锁定时有f0－f1＝f2，f0＝f1＋f2(6-55)28一般光电信号的调制光电技术中的调制技术1．调制检测光信号的优点(1)调制检测光信号可以减少自然光或杂散光对检测结果的影响。(2)调制检测光信号可以消除光电探测器暗电流对检测结果的影响。(3)调制检测光信号的方法提供了多种形式的信号处理方案，可达到最佳检测的设计。通常交流电路处理信号方便、稳定，而没有直流放大器零点漂移的问题。(4)调制检测光信号的方法还提供了多种调制方案，如调幅、调频和调相等，从而扩大了应用范围。29光电技术中的调制技术2.光电信号调制的途径（1）对光源发光进行调制（2）对光电器件产生的光电流进行调制（3）在光电器件输出至放大器间进行光电信号的调制（4）在光源与光电器件的途径中进行调制30光电技术中的调制技术3.常用的机械调制法（1）调制盘及调制波形最简单的调制盘，有时叫做斩波器，如图6-51所示。在圆形的板上由透明和不透明相间的扇形区构成。当以圆盘中心为轴旋转时，就可以对通过它的光束M进行调制。经调制后的波形是由光束的截面形状和大小，以及调制盘图形的结构决定。图6-51调制盘31光电技术中的调制技术（2）利用电磁感应的机械调制利用电磁感应产生运动完成调制的方案也很多，图6-54所示是一种原理图。图6-54电磁感应调制器32光电技术中的调制技术（3）受抑全反射调制器利用全反射条件成立与否可实现光调制。它还可将一束入射光分解为两束调制光输出，其原理如图6-56所示。图6-56受抑全反射调制器33光电技术中的调制技术（4）移动光轴的调制器移动光轴调制器是由固定狭缝和运动反射镜构成。图6-57所示是两种调制器的原理图，一种是通过旋转反射镜完成调制；另一种是通过摆镜实施调制。图6-57移动光轴的调制器LOGO