光电检测电路与信号处理

1、光电科学与工程学院光电科学与工程学院课程主要内容四大部分：课程主要内容四大部分：理论基础理论基础光电信号光电信号变换与处理变换与处理光辐射源光辐射源光电探测器光电探测器光电系统光电系统分析设计分析设计光电科学与工程学院光电科学与工程学院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电信号变换电学信号变换电学信号变

2、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

3、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%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

4、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: : 2fBF振幅调制振幅调制：21ffBmF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 f 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: : 2fBF脉冲波信号：脉冲波信号： 振幅调制振幅调制：21ffBmF频率调制频率调制：10.1

5、.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dmd2( )022tAtS ttTt，0n01( )cos 2nS tbbnf td0 dnm0 d2sin tn f tbATn f t3.3.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仿真信号仿真信号3.3.如何如何确定确定检测电

6、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 0n01( )cos 2nS tbbnf td0 dnm0 d2sin tn f tbATn f t主要频谱能主要频谱能量范围量范围0d1 /nf t 0d1/Bn ft3.3.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

7、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宽带宽？正弦调制信号正弦调制信号: : Ff2脉冲波信号：脉冲波信号： d1(0.25 0.75)fttd为脉冲宽度为脉冲宽度 振幅调制振幅调制：Fmff12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：d14ft（ 1 ）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

8、带宽d14ft（ 1 ）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td10.1.2 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

9、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p0L0m22222222cece(1)(1)(1)(1)IRUU10.1.3 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

10、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 10.2 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

11、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 22sdsd2222ndnsnbndnr(/)PehvSNRPiiii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OP27Hz1/2 Hz1/2 前置放大器的噪

12、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2s2n2n2ns2niRIEEE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 前置放大器的噪声前置放大器的噪声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

13、噪声系数 P0P0PiPi0i/NSNSNSNSF）放大器输出信噪比（）放大器输入信噪比（NF=10lgF （dB）用分贝表示：用分贝表示： 前置放大器的噪声前置放大器的噪声1nP2P1Pn2P1P31P21111KKKFKKFKFFF 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前置放大器的噪声前置放大器的噪声3.

14、最佳源电阻最佳源电阻率输入端源电阻热噪声功声功率放大器总的等效输入噪PiPP0/NKNF P0P0PiPi0i/NSNSNSNSF）放大器输出信噪比（）放大器输入信噪比（fkTRIfkTREERIEEERIEEEEF 4411s2ns2n2ns2s2n2ns2n2ns2s2n2n2ns2ns2ni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fkTRIfkTREF441s2ns2n0sRFnnsoptsIERRfkTIEF 21nnmin前置放大器的噪声前置放大器的噪声nnsoptIERfkTIEF21nnmin例如：例如：OP27Hz1/2 Hz1/2 Rsopt？3. 最佳源电

15、阻最佳源电阻前置放大器的噪声前置放大器的噪声nnsoptIERfkTIEF21nnmin3. 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。 前置放大器的噪声前置放大器的噪声noptnERI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 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

16、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放大器的噪声前置放大器的噪声光电检测电路的噪声光电检测电路的噪声光电检测电路的噪声估算光电检测电路的

17、噪声估算光电检测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N2222Nnnnsoptsoptn()(4)4I EIEkTfIRRkTfInnoptoptIERRnnoptoptIERR工程允许工程允许表达式推导：表达式推导：光电检测电路的噪声光电检测电路的噪声nnoptoptIERR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

18、院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10.2.1 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 5W 5W电流信噪比大于电流信噪比大于1212噪声估算噪声估算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 eP0P1dfAffA白噪声RCf41e 并联并联RC电路：电路： s3d12BffRC等效噪声带宽 信号带宽 噪声估算举例

19、：噪声估算举例：噪声等效电路图噪声等效电路图 光电检测电路的噪声估算光电检测电路的噪声估算噪声估算举例：噪声估算举例：根据噪声等效电路图根据噪声等效电路图 2222n3n2n1IIIIRCf41e 等效噪声带宽等效噪声带宽 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

20、.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 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）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：

21、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 iitx tSNt被测信号：被测信号： xy1limyd2TTTRx tttT xx1limd2TTTRx t x ttT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

22、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10.3.2 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

23、道信号通道、参考通道参考通道和和相敏检波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）锁定放大器锁定放大器基本原理基本原理ssm0rrm0coscosUUtUUt（）osrsmrm01coscos 22UU UU Ut（）osmrm1cos2UU U 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

24、大大抑制大大抑制os mrm1c o s2UUU LIA典型的典型的“互相关互相关”检测检测锁定放大器锁定放大器讨论讨论osmrm1c os2UUU 40.7100,2.55 10ssfKHzffHz 83.910ssfQf例：例：LIA极极高高Q值值的的跟踪跟踪滤波器滤波器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

25、2高反片高反片入射光入射光反射光反射光 （）（）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 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光测距激光测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

26、 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）NiSNRNSNR光电科学与工程学院光电科学与工程学院1. 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取样积分

27、器取样积分器2.扫描式取样积分器扫描式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取样积分器取样积分器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10.3.4 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

28、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1610W量子极限：量子极限：22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvPSNRPiiiid2hv fNEP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？ 光子计数系统光子计数系统22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvPSNRPiiiid2hv fNEP2 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）、屏蔽、制冷冷 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：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 光子计数系统光子计数系统探测量级：探测量级：8161010W,n个秒1 31 0W没有清晰的脉冲没有清晰的脉冲 不适应不适应1610W可分辨的可分辨的“负脉冲负脉冲” ” 适应适应光子计数系统光子计数系统