哈工大21系鞠教授《微弱信号与噪声》

1、课程名称：微弱光电信号检测技术鞠有伦鞠有伦微弱信号检测，高晋占，清华大学出版社激光实验方法，马祖光，上海科学技术出版社微弱信号检测，曾庆勇，浙江大学出版社光电探测技术，王清正，电子工业出版社军用光电系统，高稚允，北京理工大学出版社现代军用光学技术，王永仲，科学出版社激光光谱测量技术，陈扬骎，华东师范大学出版社光电信号检测，吴杰，哈尔滨工业大学出版社参考资料参考资料课程内容课程内容 微弱信号与噪声微弱信号与噪声 光辐射探测器光辐射探测器 光电信号的探测光电信号的探测 频域信号检测技术频域信号检测技术 时域信号检测技术时域信号检测技术 相关检测技术相关检测技术 自适应噪声抵消技术自适应噪声抵消技术

2、 微弱光电信号检测技术应用微弱光电信号检测技术应用 高灵敏度高灵敏度APD、光纤锁相环、光、光纤锁相环、光学锁相、单光子学锁相、单光子APD、条纹管、条纹管APD、探测方法、环境控制、探测方法、环境控制第一章第一章 微弱信号与噪声微弱信号与噪声第一节第一节 微弱信号的简要介绍微弱信号的简要介绍信号的基本概念：信号的基本概念： 信号是信息的表现形式，信息是信号的具体内容信号是信息的表现形式，信息是信号的具体内容信号的来源：信号的来源： 1、自然和物理信号。、自然和物理信号。 2、人工产生信号经自然的作用和影响而形成的信号、人工产生信号经自然的作用和影响而形成的信号信号的含义：信号的含义： 信号代

3、表一个实际的物理信号或数学上的函数和序列信号代表一个实际的物理信号或数学上的函数和序列一、信号与噪声一、信号与噪声信号的分类：信号的分类：确定信号与随机信号确定信号与随机信号周期信号与非周期信号周期信号与非周期信号时间连续信号和时间离散信号时间连续信号和时间离散信号模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号能量信号与功率信号能量信号与功率信号实信号与复信号实信号与复信号信号的描述方法：信号的描述方法： 数学描述：描述为一个或多个自变量的函数或数列数学描述：描述为一个或多个自变量的函数或数列的形式的形式 波形描述：按照函数随自变量的变化关系，描述信波形描述：按照函数随自变量的变化关系，描述信号的波形号

4、的波形10141013101210111010109108107106105104103102101110-110-210-310-410-510-610-710-810-910-10波长波长 / m长电磁振荡长电磁振荡波长：波长：10km以上以上频率：频率：3Hz-3kHz无线电波无线电波波长：波长：0.1m-10km频率：频率：3kHz-3GHz微波微波波长：波长：0.1mm-0.1m频率：频率：3GHz-3THzX射线射线波长：波长：0.001nm-100nm频率：频率：3 1014Hz-3 1020Hz千米波，千米波，波长：波长：1km频率：频率：30kHz40 m1000 m6 m3

5、 m760nm622nm597nm577nm492nm455nm380nm300nm200nm10nm远红外光远红外光中红外光中红外光近红外光近红外光红光红光橙光橙光黄光黄光绿光绿光蓝光蓝光紫光紫光近紫外光近紫外光远紫外光远紫外光极远紫外光极远紫外光极远红外光极远红外光红外线红外线可见光可见光紫外线紫外线信号与辐射谱信号与辐射谱光电信号光电信号光信号与电信号的关系光信号与电信号的关系米波，米波，波长：波长：1m频率：频率：30MHz毫米波，毫米波，波长：波长：1mm频率：频率：300GHz厘米波，厘米波，波长：波长：1cm频率：频率：30GHzTHz波波波长：波长：10 m-100 m频率：频

6、率：3THz-30THz 射线射线波长：波长：0.0001nm-0.1nm频率：频率：3 1018Hz-3 1022Hz宇宙宇宙射线射线波长：小于波长：小于6 10-13m频率：大于频率：大于3 1021Hz频率：频率：1014Hz频率：频率：1015Hz二、微弱信号二、微弱信号 微弱信号是相对于噪声而言的，主要指被噪声淹没微弱信号是相对于噪声而言的，主要指被噪声淹没的信号。的信号。微弱信号检测技术的主要任务是提高信噪比。微弱信号检测技术的主要任务是提高信噪比。其方法就是抑制噪声，提高信噪比。其方法就是抑制噪声，提高信噪比。 例如：例如：弱光、弱声、小位移、小电容、微电弱光、弱声、小位移、小电

7、容、微电流、微电压、微振动、微压力、微温差等流、微电压、微振动、微压力、微温差等信噪比信噪比SNR：SNR=S/NS：代表信号的有效值：代表信号的有效值N：代表噪声的有效值：代表噪声的有效值信噪改善比信噪改善比SNIR：SNIR=/SNRiSNRo：代表系统输出端的信噪比：代表系统输出端的信噪比SNRi：代表系统输入端的信噪比：代表系统输入端的信噪比检测方法检测方法检测量检测量电压电压/nV电流电流/nA温度温度/K电容电容/pFSNIR常规检测方法常规检测方法1e30.11e-40.110微弱信号检测方法微弱信号检测方法0.11e-55e-71e-51e5吉时利公司吉时利公司（从事微弱信号检

8、测）（从事微弱信号检测）1e-31e-81e-6检测分辨率检测分辨率：检测仪器示值可以分辨的最小输入量的变化值检测仪器示值可以分辨的最小输入量的变化值3、常规小信号检测方法、常规小信号检测方法滤波：窄带滤光片滤波：窄带滤光片调制放大与解调：无线电广播调制放大与解调：无线电广播零位法：欧姆表零位法：欧姆表反馈补偿法反馈补偿法第二节第二节 噪声及其功率谱密度噪声及其功率谱密度一、噪声的引入一、噪声的引入噪声噪声：由于材料或器件本身的物理原因所产生的扰动：由于材料或器件本身的物理原因所产生的扰动干扰干扰：可以减少或消除的外部扰动：可以减少或消除的外部扰动 。 1、干扰与噪声、干扰与噪声2、信号与噪声

9、、信号与噪声信号与噪声是相对的概念、定义信号与噪声是相对的概念、定义噪声噪声干扰噪声干扰噪声内部噪声内部噪声人为造成的：无线电发射、电火花人为造成的：无线电发射、电火花自然造成的：大气扰动、宇宙射线、雷电自然造成的：大气扰动、宇宙射线、雷电人为造成的：人为造成的：50Hz干扰、系统寄生反馈、自激干扰干扰、系统寄生反馈、自激干扰固有噪声：元器件固有噪声，热噪声、固有噪声：元器件固有噪声，热噪声、3、噪声的分类、噪声的分类二、噪声的统计特性二、噪声的统计特性222)(21)(axexP2xTTxdtTxa01limTTdtxTx02221lim噪声概率密度函数噪声概率密度函数噪声的均方值噪声的均方

10、值噪声的平均值噪声的平均值噪声的均方根值噪声的均方根值噪声的统计分布噪声的统计分布三、随即噪声的功率谱密度及相关函数三、随即噪声的功率谱密度及相关函数 随机过程：噪声电压不仅每一瞬间取值是随机的，随机过程：噪声电压不仅每一瞬间取值是随机的，且噪声电压随时间变化也是随机的且噪声电压随时间变化也是随机的 平稳随机过程：系统处于稳态时，不同时刻噪声平稳随机过程：系统处于稳态时，不同时刻噪声的概率分布规律是一样的，反应噪声的统计特性的概率分布规律是一样的，反应噪声的统计特性fffPfsf),(lim)(0),(ffPf是指频率f处，带宽为 的噪声平均功率 噪声功率谱密度：s(f)表示单位频带内噪声功率

11、随频率的变化情况 噪声功率谱曲线S(f)所覆盖的面积在数值上等于噪声的总功率21)(ffNdffSP白噪声白噪声限带白噪声限带白噪声窄带噪声窄带噪声红噪声红噪声蓝噪声蓝噪声 平稳随机过程的相关函数 TTTdttxtxTR)()(21)(lim相关函数的特点：相关函数的特点： 只与时间差有关，与计算的起点无关只与时间差有关，与计算的起点无关 由于绝大多数噪声相互独立，相关函数随时间差的增加而由于绝大多数噪声相互独立，相关函数随时间差的增加而衰减，衰减越快，表示随机过程在时间上相关性越小衰减，衰减越快，表示随机过程在时间上相关性越小 ，对噪声而言，时间差趋近于无穷大时对噪声而言，时间差趋近于无穷大

12、时 ，相关函数趋于，相关函数趋于0 时间差趋于时间差趋于0时，为噪声的自身相关，此时，相关函数具时，为噪声的自身相关，此时，相关函数具有最大值。也是噪声函数的平均值。有最大值。也是噪声函数的平均值。 2221)0(limxdtxTRTTT 从傅里叶变换可知，平稳随机过程中的功率谱函数S(f)与其自相关函数还存在着一对傅里叶变换关系，即是维纳一欣辛（WienerKhintchine）关系： dfefSdeSRdeRSfjjj2)()(21)()()(四、等效噪声带宽四、等效噪声带宽 等效噪声带宽是在相同的输入噪声功率情况下，与实际线性电路输出噪声功率相等的理想矩形通带系统的带宽。线性熊的等效噪声

13、带宽：功率增益曲线对频率的积分除以曲线的最大幅度。因此噪声带宽又可以代表噪声的大小。fN：噪声带宽，G0：噪声增益的最大值，G(f)：噪声增益频率谱函数。00)(1dtfGGfN 当噪声功率正比于噪声电压的平方，噪声功当噪声功率正比于噪声电压的平方，噪声功率带宽可表示为：率带宽可表示为：0220)(1dffKKfVVNKV0：噪声电压最大增益系数：噪声电压最大增益系数KV(f)：噪声电压增益系数频率谱函数：噪声电压增益系数频率谱函数000/NNiiiVffNSNSSNIR000/NNiiPiPPPPffNSNSSNIR电压信噪改善比 功率信噪改善比 2221212/1222121)()(21)(21)(21)()(21limlimuudttutuTdttuTdttuTdttutuCTTTTTTTTTTTTtTTTTTTtTTtdtuuTuudtuudtudtu