第五章光电探测系统的信噪比

第五章

光电探测系统的信噪比§5.1信噪比的概念噪声对测量的影响、噪声的类型§5.2噪声源几种典型的内部噪声、典型传感器的噪声分析§5.3信噪比与系统参数探测系统放大器的噪声系数、噪声等效带宽、红外成像系统的温度分辨率§5.4信噪比改善技术频域处理、背景和信号的水平调整、光子计数、基于调制的改善技术、双光束&双通道技术、时域滤波技术、基于多阵列信号处理的技术、其他技术1185/3/20231§5.1信噪比的概念测量仪器的精度取决于测量原理和测量方法。对于具体光电探测系统，测量精度最终受信号噪声的限制。所谓噪声，指探测器所接收到的、对信号有明显干扰作用的一切信息。事实上，噪声对探测系统性能的影响是如此之大，以至于系统开发过程中的参数优化的一项重要的工作就是降低噪声的相对量或增加信噪比。对光电探测系统而言，引入噪声的途径很多，如光源、直接进入或散射漏入光路中的其它辐射，光路器件本身的干扰（如像差、平面度误差），辐射换能器的多种噪声、信号数字化的量化误差、信号处理电路自身的噪声，等等。这里，噪声的概念不包括操作失误、读数误差等因素。5.1.1噪声对测量的影响5/3/20232当测量误差的分布规律可以知道或可以被合理地近似处理（例如采用正态分布代替）时，就可以利用测量得到的信号均值、标准偏差来估计一定概率下真值的取值范围（可靠范围，或称置信区间），其概率则称为置信概率或置信度（置信水平）。5/3/202335.1.2噪声的类型噪声可分为⑴加性噪声和乘性噪声⑵基本噪声和非基本噪声⑶白噪声、频谱与频率成反比的1/f噪声、干扰噪声⑷外部噪声、内部噪声

5/3/20234§5.2噪声源光电探测系统的噪声来自光源、光路、光电探测器、放大、A/D转换及处理电路等各个环节。5/3/202355.2.1几种典型的内部噪声

5/3/202365/3/202375/3/202385.2.2典型传感器的噪声分析5/3/202395/3/2023105/3/2023115.2.2.2光电二极管的噪声

5/3/202312信号功率为P(t)的调制光信号落在检测器上，则产生的初级光电流为：对于pin，均方信号电流为：对于APD，均方信号电流为：信号部分：光生电流信号对于一个调制指数为m的正弦输入信号，信号成分为：5/3/202313光电检测器的噪声包括量子噪声、光电二极管材料引起的暗电流噪声和由倍增过程产生的倍增噪声。量子噪声是光电子产生和收集过程具有的统计特性。对于接收带宽为B的接收机，量子噪声均方根电流和光电流Ip的平均值成正比。其中F(M)Mx是噪声系数，它与雪崩过程的随机特性有关。光检测器暗电流是指没有光入射时流过检测器的偏置电路的电流，它是体暗电流和表面暗电流之和：表面暗电流：表面缺陷、清洁程度等引起的漏电流。体暗电流：pn结区热产生的电子和（或）空穴。5/3/202314因子F(M)用于衡量由于倍增过程的随机性导致的检测器噪声的增加。参数x称为过剩噪声指数，一般取决于材料，并在0~1之间变化，x对于SiAPD为0.3，对InGaAsAPD为0.7，对GeAPD为1.0。对于pin光电二极管，F(M)和M都等于1。雪崩倍增噪声

APD中的雪崩过程具有统计特性，不同的光生载流子的放大倍数可能不同，给放大后的信号带来了幅度上的随机噪声。这里定义F(M)为过剩噪声因子，它近似等于：5/3/202315光检测器的总均方噪声电流为：

放大器输入阻抗一般远大于负载电阻RL，因此检测器的负载热噪声由RL的热噪声决定：总噪声其中KB为波尔兹曼常数，T是绝对温度。5/3/202316在光电探测系统中，与信噪比有关的系统参数主要有噪声系数、噪声等效带宽、等等；在红外成像系统中，主要有温度分辨率参数。§5.3信噪比与系统参数5/3/2023175.3.1探测系统放大器的噪声系数5/3/2023185.3.2噪声等效带宽5/3/2023195.3.3红外成像系统的温度分辨率5/3/2023205/3/2023215/3/202322理论研究及实践表明，采用一定的技术手段可以使系统的信噪比相关参数获得改善。例如，采用相干检测系统比采用直接检测系统可获得更高的信噪比；通过对传感器本身的改良，也可获得更高的信噪比。这里，我们集中讨论信噪比改善的一般技术。§5.4信噪比改善技术5/3/2023235.4.1频域处理5/3/2023245/3/2023255.4.3光子计数双光束辐射源补偿双电路【单光束】背景补偿5/3/2023265.4.4