1、 一个实际系统部必然存在噪声，如果所测的信一个实际系统部必然存在噪声，如果所测的信号本身又相当微弱，如何把淹没于噪声中的有用信号本身又相当微弱，如何把淹没于噪声中的有用信号提取出来是十分重要的。号提取出来是十分重要的。在光电探测系统中，噪声来自光信号、背景光、在光电探测系统中，噪声来自光信号、背景光、光电控测器及电子电路。系统的干扰主要来自背景光电控测器及电子电路。系统的干扰主要来自背景光干扰私系统以外的市电、电火花、空间高频电磁光干扰私系统以外的市电、电火花、空间高频电磁场干扰等。通常抑制这些噪声和干扰的方法是：场干扰等。通常抑制这些噪声和干扰的方法是：第八章第八章 微弱光信号检测技术微弱光
2、信号检测技术q合理压缩系统视场，在光学系统结构上抑制背景合理压缩系统视场，在光学系统结构上抑制背景光光;加适当光谱滤波器、空间滤波器等以抑制背景干加适当光谱滤波器、空间滤波器等以抑制背景干扰扰;q合理选择光信号的调制频率，使信号频率远离市合理选择光信号的调制频率，使信号频率远离市电电(50Hz）频率和空间高频电磁波频率）频率和空间高频电磁波频率;偏离偏离1/f噪声噪声为主的区域，以使光电探测系统在工作波段范围内为主的区域，以使光电探测系统在工作波段范围内达到较高的信噪比。达到较高的信噪比。q在电子学信号处理系统中采用低噪声放大技术。在电子学信号处理系统中采用低噪声放大技术。q选取适当的电子滤波
3、器限制系统的带宽以抑制内选取适当的电子滤波器限制系统的带宽以抑制内部噪声及外部干扰。部噪声及外部干扰。但当信号非常微弱，甚至比噪声小几个数量级或但当信号非常微弱，甚至比噪声小几个数量级或者说信号被噪声深深淹没时，再采用上述的办法就不者说信号被噪声深深淹没时，再采用上述的办法就不会有效，必须利用信号和噪声在时间特性方面的差别，会有效，必须利用信号和噪声在时间特性方面的差别，也即利用信号和噪声在也即利用信号和噪声在统计特性上的差别统计特性上的差别去区分它们，去区分它们，来提取被噪声淹没的信号。这便是微弱光信号检测所来提取被噪声淹没的信号。这便是微弱光信号检测所要涉及的内容。要涉及的内容。即使是对较
4、强的光信号，为提高信号的抗干扰能即使是对较强的光信号，为提高信号的抗干扰能力，实现精确的检测，也都需要有从噪声中提取、恢力，实现精确的检测，也都需要有从噪声中提取、恢复和增强被测信号的技术措施。复和增强被测信号的技术措施。理想的微弱光信号检测后置处理器的构成要根理想的微弱光信号检测后置处理器的构成要根据信号最佳检测的某一判据进行原理设计，根据最据信号最佳检测的某一判据进行原理设计，根据最佳检测理论派生出的佳检测理论派生出的信号相关检测信号相关检测和和积累接收积累接收技术技术以及以及光子计数光子计数检测技术检测技术。第1节 相关检测原理 利用信号在时间上相关这一特性可把深埋于噪声利用信号在时间上
5、相关这一特性可把深埋于噪声中的周期信号提取出来，这种提取方法称为相关检测中的周期信号提取出来，这种提取方法称为相关检测或相关接收，是微弱信号检测的基础。或相关接收，是微弱信号检测的基础。从原则上讲，用通频带很窄的滤波器也可从噪声从原则上讲，用通频带很窄的滤波器也可从噪声中提取信号。但滤波器的中心频率必须调在信号频率中提取信号。但滤波器的中心频率必须调在信号频率上。对于周期不固定或者频率不能作到绝对恒定的信上。对于周期不固定或者频率不能作到绝对恒定的信号，滤波器的频带不能过窄，因此信噪比的改善不可号，滤波器的频带不能过窄，因此信噪比的改善不可能很大。相关检测器相当于一个跟踪滤波器，因而没能很大。
6、相关检测器相当于一个跟踪滤波器，因而没有这方面的限制。有这方面的限制。信号的相关性用相关函数来描述，它代表线性相信号的相关性用相关函数来描述，它代表线性相关的度量，是随机过程在两个不同时间相关性的一个关的度量，是随机过程在两个不同时间相关性的一个重要统计参量。重要统计参量。一、一、相关函数相关函数 1 1、自相关函数、自相关函数 自相关函数自相关函数Rxx()是度量一个变化量或随机过程是度量一个变化量或随机过程在在t和和t-两个时刻线性相关的统计参量。两个时刻线性相关的统计参量。1()lim()()2TxxTTRx t x tdtT 为延迟时间，为延迟时间，T为观测时间，为观测时间，x(t)为
7、随机过程的样为随机过程的样本函数。本函数。1()()exp()2xxxRSjd()xS 为为x(t)的功率谱密度的功率谱密度维纳肯欣维纳肯欣(Wiener-Khintchine)定理。定理。几种变化量的自相关函数几种变化量的自相关函数 1、正弦波：、正弦波：02000()sin()1()limsin()sin()cos22xxTx tAtARttdtT 2、白噪声、白噪声000()/21()exp()()222xxxSNNNRjd 00000000/2()01sin()exp()exp()222xxxNSNNRjdj 3、带通白噪声、带通白噪声自相关函数的性质自相关函数的性质q Rxx()=R
8、xx(-)q Rxx()在在0处最大；处最大；q 若若x(t)包括周期性分量，则包括周期性分量，则Rxx()将随将随 的增加逐的增加逐渐下降。渐下降。Rxx()衰减得越快，表示变化量衰减得越快，表示变化量x(t)相关相关性越小。性越小。q 由于白噪声在不同时刻是不相关的，或其相关性由于白噪声在不同时刻是不相关的，或其相关性很小，因此它的很小，因此它的Rxx()是是函数函数.q 若变化量若变化量x(t)为规则函数，即包含有周期信号分量，为规则函数，即包含有周期信号分量，则自相关函数则自相关函数Rxx()也将包含有周期分量。若也将包含有周期分量。若x(t)为一纯周期信号，则自相关函数将包含原信号的
9、为一纯周期信号，则自相关函数将包含原信号的基波与所有谐波。基波与所有谐波。2 2、互相关函数、互相关函数互相关函数互相关函数Rxy()是度量两个随机过程是度量两个随机过程x(t),y(t)间相关性的函数间相关性的函数自相关函数实际上是互相关函数的一个特例。自相关函数实际上是互相关函数的一个特例。1()lim()()2TxyTTRx t y tdtTq如果两个随机过程完全没有关系（例如信号与噪如果两个随机过程完全没有关系（例如信号与噪声），则其互相关函数将为一个常数，并等于两个声），则其互相关函数将为一个常数，并等于两个变化量平均值的乘积；变化量平均值的乘积；q若其中一个变化量平均值为零（例如噪
10、声），则若其中一个变化量平均值为零（例如噪声），则两个变化量的互相关函数两个变化量的互相关函数Rxy()将处处为零，即完将处处为零，即完全独立不相关。全独立不相关。q如果两个变化量是具有相同基波频率的周期函数，如果两个变化量是具有相同基波频率的周期函数，则它们的互相关函数将保存它们的基波频率以及两则它们的互相关函数将保存它们的基波频率以及两者所共有的谐波。互相关函数中基波及谐波的相位者所共有的谐波。互相关函数中基波及谐波的相位为两个原函数的相位差。为两个原函数的相位差。二、相关检测二、相关检测 相关检测的实质就是利用信号有良好的时间相相关检测的实质就是利用信号有良好的时间相关性和噪声的不相关性
11、（或在短时间内部分相关），关性和噪声的不相关性（或在短时间内部分相关），使信号进行积累而噪声不积累的原理，从而把被噪使信号进行积累而噪声不积累的原理，从而把被噪声淹没的信号提取出来。相关检测分为自相关检测声淹没的信号提取出来。相关检测分为自相关检测和互相关检测。和互相关检测。设混有随机噪声的信号设混有随机噪声的信号()()()iiix tS tn t)()(tntSii 待测信号；待测信号；噪声信号。噪声信号。1 1、自相关检测原理、自相关检测原理1()lim()()21lim()()()()21lim()()()()2()()()()TxxiiTTTiiiiTTTTiiiiTTTTTiiii
12、TTRx t x tdtTS tn tS tn tdtTS t S tdtn t n tdtTS t n tdtn t n tdt()()()()()()()xxSSnSSnnnSSnnRRRRRRR随着随着的增大，的增大，将趋于零。将趋于零。)(nnR()()xxSSRR2、互相关检测原理、互相关检测原理 互相关检测是利用一个与待测信号互相关检测是利用一个与待测信号si(t)同频率的同频率的信号信号y(t)，对被噪声干扰信号，对被噪声干扰信号()()()iiix tS tn t作互相关处理。作互相关处理。图中图中y(t)为参考信号。为参考信号。y(t)y(t)为参考信号，经过延迟电路后变为为
13、参考信号，经过延迟电路后变为y(t-y(t-)，将，将y(t-y(t-)与待测信号与待测信号x(t)x(t)同时输入到乘法器进行乘法同时输入到乘法器进行乘法运算，再经过积分运算，由于噪声与参考信号运算，再经过积分运算，由于噪声与参考信号y(t-y(t-)是不相关的，因此在输出端得到是不相关的，因此在输出端得到x(t)x(t)与与y(t)y(t)的互相关的互相关函数函数()()xysyRRq最后输出的信号只保留与参考信号最后输出的信号只保留与参考信号y(t-y(t-)相关相关的信号部分，嗓声却被完全抑制掉了。的信号部分，嗓声却被完全抑制掉了。但在实际测量中，由于测量时间有限，对短时间的互但在实际
14、测量中，由于测量时间有限，对短时间的互相关函数相关函数01()()()()()TxyxynyRx t y tdtTRRq噪声与参考信号的互相关遂数噪声与参考信号的互相关遂数Rny()不一定为零，不一定为零，从而使相关检测产生误差。从而使相关检测产生误差。q在有限时间测量中产生的干扰，互相关测量比自相在有限时间测量中产生的干扰，互相关测量比自相关测量要少两项。故互相关检测抑制噪声的能力比关测量要少两项。故互相关检测抑制噪声的能力比自相关检测强，这是互相关检测的优点。自相关检测强，这是互相关检测的优点。q相关检测要求用与被检测信号同频率的参考信号相关检测要求用与被检测信号同频率的参考信号y(t),
15、当被检测信号当被检测信号x(t)未知时，要取得与未知时，要取得与si(t)同频信号同频信号是困难的，这时一般不能采用互相关检测。是困难的，这时一般不能采用互相关检测。第第2 2节节 锁定放大器锁定放大器 锁定放大器（锁定放大器（LIA，Lock-in Amplifier）是同步）是同步相关检测技术的一种，是从强噪声中提取弱信号的重相关检测技术的一种，是从强噪声中提取弱信号的重要手段。要手段。锁定放大器是一种通用的对交变信号进行相敏检锁定放大器是一种通用的对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和锁相关波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和锁相关系的参考信号作为比较基准，只对
16、被测信号本身和那系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或倍频）、同相的噪声分量有响些与参考信号同频（或倍频）、同相的噪声分量有响应。因此能大幅度抑制无用噪声，提高检测灵敏度和应。因此能大幅度抑制无用噪声，提高检测灵敏度和信噪比，它是弱信号检测的一种有效仪器。信噪比，它是弱信号检测的一种有效仪器。锁定放大器锁定放大器 一般的一般的LIA都由三个部分组成：信号通道、参考通道都由三个部分组成：信号通道、参考通道和相关器。和相关器。相关检测采用了一个相敏检波器（相关检测采用了一个相敏检波器（PSD,Phase Sensitive Detector）及积分器来抑制噪声（或压缩等
17、）及积分器来抑制噪声（或压缩等效带宽），并检测出周期信号的幅值和相位，故锁效带宽），并检测出周期信号的幅值和相位，故锁定放大器通常又称相敏检波交流电压表。定放大器通常又称相敏检波交流电压表。1 1、锁定放大器的工作原理、锁定放大器的工作原理LIA的工作原理方框图 将待测信号与一个与待测信号同步的参考信号将待测信号与一个与待测信号同步的参考信号同时送入相敏检波器同时送入相敏检波器PSD。信号通道将伴有噪声的。信号通道将伴有噪声的待测信号待测信号VA进行放大，并经选频放大器对所包含的进行放大，并经选频放大器对所包含的噪声进行抑制，以满足噪声进行抑制，以满足PSD的要求；参考通道将与的要求；参考通道
18、将与待测信号待测信号VA同频的参考信号进行整形、选频、放大同频的参考信号进行整形、选频、放大和移相。输出与待测信号同相的方波，并送入和移相。输出与待测信号同相的方波，并送入PSD作为控制信号。作为控制信号。PSD是锁定的放大器的核心，由一个乘法器和一个是锁定的放大器的核心，由一个乘法器和一个低通滤波器组成，它直接检测出淹没在噪声中的待低通滤波器组成，它直接检测出淹没在噪声中的待测信号，输出一个与待测信号成正比的直流电压，测信号，输出一个与待测信号成正比的直流电压，其极性和相位与参考信号的相位有关。其极性和相位与参考信号的相位有关。相敏检波原理方框图相敏检波原理方框图设待测信号和参考信号分别为设
19、待测信号和参考信号分别为000sin()41sin(21)21AABRnVVtVntn0002102010001210002cos(21)1211(21)tan(21)ARnnRnRR VntVRnnR CnR C通过模拟乘法器输出电压及相位的一级近似表达式：通过模拟乘法器输出电压及相位的一级近似表达式：式中式中R0和和C0为低通滤波器参数。为低通滤波器参数。q相关器相关器PSD可以通过奇次谐波而抑制偶次谐波。可以通过奇次谐波而抑制偶次谐波。当信号频率当信号频率0 R时，并设基波初始相位时，并设基波初始相位0，相，相关器的输出电压关器的输出电压V0为为00012cosAR VVR式中式中V0为
20、直流电压，其大小正比于输入信号幅值为直流电压，其大小正比于输入信号幅值VA0和待测信号与参考信号之间的相位差的余弦。和待测信号与参考信号之间的相位差的余弦。q改变相位差改变相位差则可求得待测信号的幅值和相位。则可求得待测信号的幅值和相位。q相关检测利用了长时间对信号的积累原理，所以最相关检测利用了长时间对信号的积累原理，所以最终输出的信号不再是周期变化的信号，而是被终输出的信号不再是周期变化的信号，而是被PSD平平滑了的直流信号。滑了的直流信号。由于锁相放大器的同步检相作用，只允许和参考信由于锁相放大器的同步检相作用，只允许和参考信号同频同相的信号通过，所以它本身就是一个带通滤波号同频同相的信
21、号通过，所以它本身就是一个带通滤波器。它的器。它的Q值可达值可达108，通频带宽可达，通频带宽可达0.01Hz，因此，因此，锁相放大器有良好的改善信噪比的能力。由于噪声电压锁相放大器有良好的改善信噪比的能力。由于噪声电压正比于噪声带宽的平方根，所以信噪比的改善可表示为正比于噪声带宽的平方根，所以信噪比的改善可表示为式中，式中，SNRo和和SNRi是锁相放大器的输出、输入信噪比，是锁相放大器的输出、输入信噪比，fo、fi是对应的噪声带宽。是对应的噪声带宽。当当fi10kHz和和fo0.25Hz时，信噪比为原来的时，信噪比为原来的200倍。倍。先进的锁相放大器的可测频率从十分之几到先进的锁相放大器
22、的可测频率从十分之几到1MHz，电，电压灵敏度达压灵敏度达10-9V，信噪比可改善，信噪比可改善1000倍以上倍以上。00iifSNRSNRf2 2、利用锁相放大器测量弱光电信号、利用锁相放大器测量弱光电信号包括下列几个基本步骤：包括下列几个基本步骤：1）通过调制或斩光，将被测光信号由零频范围转移）通过调制或斩光，将被测光信号由零频范围转移到设定的高频范围内，使检测系统变为交流系统。到设定的高频范围内，使检测系统变为交流系统。2）用低噪声光电检测器将光信号转换成电信号，用）用低噪声光电检测器将光信号转换成电信号，用锁相放大器在调制频率上对有用电信号进行选频放大。锁相放大器在调制频率上对有用电信
23、号进行选频放大。3）在相敏检波器中对信号解调，同步解调作用截断）在相敏检波器中对信号解调，同步解调作用截断了非同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的了非同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范围内。范围内。4）通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波，获得）通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波，获得被放大的光电信号。被放大的光电信号。应用例子：双通道测量透过率的装置应用例子：双通道测量透过率的装置采用锁定放大器检测处理光电信号具有下列特点：采用锁定放大器检测处理光电信号具有下列特点：q要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅光信号的检测。光信
24、号的检测。q锁定放大器是极窄带高增益放大器，增益可高达锁定放大器是极窄带高增益放大器，增益可高达1011（220dB），滤波器带宽可窄到），滤波器带宽可窄到0.0004Hz，品质，品质因数因数Q值达值达108或更大。或更大。q锁定放大器是交流信号锁定放大器是交流信号/直流信号变换器。相敏输直流信号变换器。相敏输出正比于输入信号的幅度及其与参考电压的相位差。出正比于输入信号的幅度及其与参考电压的相位差。q可以补偿背景辐射噪声和前置放大器的固有噪声，可以补偿背景辐射噪声和前置放大器的固有噪声，信噪比改善可达信噪比改善可达1000倍。倍。第第3 3节节 取样积分器取样积分器 取样积分器又称取样积分器
25、又称Boxcar平均器。它是一种利用平均器。它是一种利用取样和平均化技术测定深埋在噪声中的周期性信号取样和平均化技术测定深埋在噪声中的周期性信号的测量装置。对于稳定的周期性电信号，若在每个的测量装置。对于稳定的周期性电信号，若在每个周期的同一相位处多次采集波形上某点的数值，其周期的同一相位处多次采集波形上某点的数值，其算术平均的结果与该点处的瞬时值成正比例，而随算术平均的结果与该点处的瞬时值成正比例，而随机噪声的长时间平均值将收敛为零。这是取样积分机噪声的长时间平均值将收敛为零。这是取样积分器能改善信噪比的原因。器能改善信噪比的原因。若信号值为若信号值为si，噪声值为，噪声值为ni，则其信噪比
26、，则其信噪比 /iiiSNRsn如果对这一值经如果对这一值经Ns次取样，并加以积累平均（假次取样，并加以积累平均（假设是线性的），则信号的值将增加设是线性的），则信号的值将增加Ns倍，即倍，即0s isN s但噪声是随机的，其平均后输出值但噪声是随机的，其平均后输出值0sinN n即经过即经过Ns次取样平均后信噪比改善次取样平均后信噪比改善0siSNRSNIRNSNRq取样点数取样点数Ns越多，信号恢复越精确，但需要的平均越多，信号恢复越精确，但需要的平均积累时间也越长。积累时间也越长。q取样积分器检测微弱信号是以牺牲时间为代价的，取样积分器检测微弱信号是以牺牲时间为代价的，实际上微弱信号检测
27、技术多是基于这一原理。实际上微弱信号检测技术多是基于这一原理。一个取样积分器的核心组件是取样门和积分器，通常一个取样积分器的核心组件是取样门和积分器，通常采用取样脉冲控制采用取样脉冲控制RC积分器来实现。它使在取样时间积分器来实现。它使在取样时间内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果（输内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果（输出）保持到下一次取样。出）保持到下一次取样。应用：主要用在脉冲光信号的光电系统中。应用：主要用在脉冲光信号的光电系统中。脉冲光信号在诸如荧光衰减的测量，动态反射率和脉冲光信号在诸如荧光衰减的测量，动态反射率和高分辨光谱测量等光度测量中得到了广泛的应用。高分辨光谱
28、测量等光度测量中得到了广泛的应用。在这些场合中，被测信息常常包含在光信号的波形在这些场合中，被测信息常常包含在光信号的波形持续时间或者是在占空系数很低的重复窄脉冲的幅持续时间或者是在占空系数很低的重复窄脉冲的幅值上。对这些光脉冲的测量，取样积分器比锁相放值上。对这些光脉冲的测量，取样积分器比锁相放大器能更好的改善信噪比。大器能更好的改善信噪比。1 1、定点式取样积分器、定点式取样积分器定点式取样积分器原理方框图定点式取样积分器原理方框图定点式取样积分器工作波形图定点式取样积分器中，取样脉冲在连续周期性信号定点式取样积分器中，取样脉冲在连续周期性信号的同一位置采集信号，积分器工作于稳态方式或称的
29、同一位置采集信号，积分器工作于稳态方式或称定点方式，适用于调幅信号或特定点的测量。定点方式，适用于调幅信号或特定点的测量。2 2、扫描式取样积分器、扫描式取样积分器若门延迟的时间借助慢扫描电压缓慢而连续地改变，若门延迟的时间借助慢扫描电压缓慢而连续地改变，使取样脉冲和相应触发脉冲之间的延时依次增加，于使取样脉冲和相应触发脉冲之间的延时依次增加，于是对每一个新的触发脉冲，取样脉冲缓慢移动，逐次是对每一个新的触发脉冲，取样脉冲缓慢移动，逐次扫描整个输入信号。这种情况下积分器的输出变成了扫描整个输入信号。这种情况下积分器的输出变成了信号波形的展开复制，这时积分器称作扫描测量取样信号波形的展开复制，这
30、时积分器称作扫描测量取样积分器。积分器。扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号波形上延时取扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号波形上延时取样。可以恢复待测信号波形。它主要包括可变时延的样。可以恢复待测信号波形。它主要包括可变时延的取样脉冲和在取样脉冲控制下做同步积累这两个过程。取样脉冲和在取样脉冲控制下做同步积累这两个过程。（1 1）扫描式取样脉冲的形成）扫描式取样脉冲的形成参考信号经整形电路变成触发脉冲。（见图参考信号经整形电路变成触发脉冲。（见图(a)）。）。用此脉冲去触发时基电路产生如图用此脉冲去触发时基电路产生如图(b)所示的时基电所示的时基电压，时基电压宽压，时基电压宽TB小于、等于或大于
31、待测信号周期小于、等于或大于待测信号周期Ts。触发信号在触发时基电路的同时，也触发慢扫。触发信号在触发时基电路的同时，也触发慢扫描电压发生器，产生慢扫描电压（图描电压发生器，产生慢扫描电压（图(b)），其宽度），其宽度为为TSR。时基电压与慢扫描电压同时输入到此比较器。时基电压与慢扫描电压同时输入到此比较器进行幅度比较，在图中两者的交点即是比较器的输进行幅度比较，在图中两者的交点即是比较器的输出。如图（出。如图（c）所示的矩形脉冲，该矩形脉冲的宽度）所示的矩形脉冲，该矩形脉冲的宽度将随慢扫描电压的增加而增加。因此矩形脉冲的后将随慢扫描电压的增加而增加。因此矩形脉冲的后沿形成的负尖脉冲（见图（沿
32、形成的负尖脉冲（见图（d）去触发整形电路，）去触发整形电路，从而得到如图从而得到如图e所示的可变时延的取样脉冲。所示的可变时延的取样脉冲。（2 2）扫描式取样积分器取样积累过程）扫描式取样积分器取样积累过程3 3、应用、应用 用取样积分器测量弱光电信号常按下列步骤进行。用取样积分器测量弱光电信号常按下列步骤进行。1）将弱光信号调制，形成周期性的光信号或脉冲，用）将弱光信号调制，形成周期性的光信号或脉冲，用低噪声光电检测器进行光电变换。低噪声光电检测器进行光电变换。2）利用产生光脉冲的激励源取得和输入光脉冲同步的）利用产生光脉冲的激励源取得和输入光脉冲同步的触发电信号。触发电信号。3）取样积分器
33、设置门延时和门脉冲宽度控制单元，以）取样积分器设置门延时和门脉冲宽度控制单元，以便形成与触发脉冲具有恒定延时或延时与时间成线性便形成与触发脉冲具有恒定延时或延时与时间成线性关系的可调脉宽取样脉冲串。关系的可调脉宽取样脉冲串。4）取样脉冲控制取样开关，对连续的周期性变化信号）取样脉冲控制取样开关，对连续的周期性变化信号进行定点取样或扫描取样。进行定点取样或扫描取样。5）积分器对取样信号进行多次线性累加或重复采集，）积分器对取样信号进行多次线性累加或重复采集，经滤波后获得输出信号。经滤波后获得输出信号。应用例子：使用双通道积分器的激光分析计应用例子：使用双通道积分器的激光分析计用取样积分器测量弱光
34、电信号的特点：用取样积分器测量弱光电信号的特点：q适用于由脉冲光源产生的连续周期性变化的信号波适用于由脉冲光源产生的连续周期性变化的信号波形测量或单个光脉冲的幅度测量。需要有与光脉冲同形测量或单个光脉冲的幅度测量。需要有与光脉冲同步而与噪声不同步的激励信号。步而与噪声不同步的激励信号。q取样积分器在每个信号脉冲周期内只取一个输入信取样积分器在每个信号脉冲周期内只取一个输入信号值。可以对输入波形的确定位置作重复测量，也可号值。可以对输入波形的确定位置作重复测量，也可以通过自动扫描再现出整个波形。以通过自动扫描再现出整个波形。q在多次取样过程中，门积分器对被测信号的多次取在多次取样过程中，门积分器
35、对被测信号的多次取样值进行线性叠加，而对随机噪声是矢量相加，所以，样值进行线性叠加，而对随机噪声是矢量相加，所以，对信号有恢复和提取的作用。对信号有恢复和提取的作用。q在测量占空比小于在测量占空比小于50%的窄脉冲（例如的窄脉冲（例如10ns）光强）光强度情况下，要比锁相放大器有更好的信噪比。度情况下，要比锁相放大器有更好的信噪比。q用扫描方式测量信号波形时能得到用扫描方式测量信号波形时能得到100ns的时间分辨的时间分辨力。力。q双通道系统能提供自动背景和辐射源补偿。双通道系统能提供自动背景和辐射源补偿。第3节 光子计数技术 光子计数系统是一种利用光电倍增管的检测单个光子计数系统是一种利用光
36、电倍增管的检测单个光子能量的能力，通过光电子计数的方法测量极微弱光子能量的能力，通过光电子计数的方法测量极微弱光脉冲信号的装置。光脉冲信号的装置。单个光子被光电倍增管阴极吸收后激发出光电子，单个光子被光电倍增管阴极吸收后激发出光电子，经过倍增系统的倍增，在阳极可收集到经过倍增系统的倍增，在阳极可收集到105108个电个电子，由于光电倍增管渡越时间的离散性和输出端的时子，由于光电倍增管渡越时间的离散性和输出端的时间常数，通过负载电阻和放大器将输出一个脉冲半宽间常数，通过负载电阻和放大器将输出一个脉冲半宽度为几到几十纳秒的电流或电压信号。这个信号再经度为几到几十纳秒的电流或电压信号。这个信号再经甄
37、别器后就可被计数器计数。甄别器后就可被计数器计数。当可见光的辐射功率低于当可见光的辐射功率低于10-1210-14W时，光电倍增时，光电倍增管光电阴极发射出的光电流就不再是连续的，此时，管光电阴极发射出的光电流就不再是连续的，此时，在倍增管的输出端会产生由光电子形成的离散的信号在倍增管的输出端会产生由光电子形成的离散的信号脉冲。可借助电子计数的方法检测到入射光子数，实脉冲。可借助电子计数的方法检测到入射光子数，实现极弱光强或光通量的测量。现极弱光强或光通量的测量。一、光子技术器工作原理一、光子技术器工作原理1 1、弱光下光电倍增管中的光电流、弱光下光电倍增管中的光电流光功率光功率/W信号特点信
38、号特点信号波形信号波形10-13在直流电平上叠加有在直流电平上叠加有散弹噪声散弹噪声10-14直流电平降低，脉冲直流电平降低，脉冲重叠减少，仍有起伏重叠减少，仍有起伏10-16基线趋于稳定，脉冲基线趋于稳定，脉冲重叠极少重叠极少10-18形线趋于零，脉冲无形线趋于零，脉冲无重叠重叠2 2、光子计数器的组成、光子计数器的组成 入射到光电倍增管阴极上的光子产生的输出信号入射到光电倍增管阴极上的光子产生的输出信号脉冲，经放大器输送到一个脉冲高度鉴别器上。由放脉冲，经放大器输送到一个脉冲高度鉴别器上。由放大器输出的信号除有用的光子脉冲之外尚包括器件噪大器输出的信号除有用的光子脉冲之外尚包括器件噪声和多
39、光子脉冲。后者是因时间上不能分辨的连续光声和多光子脉冲。后者是因时间上不能分辨的连续光子集合而形成的大幅度脉冲。峰值鉴别器的作用是从子集合而形成的大幅度脉冲。峰值鉴别器的作用是从中分离出单光子脉冲，再用计数器对光子脉冲进行计中分离出单光子脉冲，再用计数器对光子脉冲进行计数，计算出在一定时间间隔内的计数值，最终以数字数，计算出在一定时间间隔内的计数值，最终以数字或模拟形式输出。或模拟形式输出。除了单光子激励产生的信号脉冲外，光电倍增管还除了单光子激励产生的信号脉冲外，光电倍增管还输出热发射、倍增极电子热发射和多光子发射以及输出热发射、倍增极电子热发射和多光子发射以及宇宙线和荧光发射引起的噪声脉冲
40、，其中，多光子宇宙线和荧光发射引起的噪声脉冲，其中，多光子脉冲幅值最大，其它脉冲的高度相对要小些。因此脉冲幅值最大，其它脉冲的高度相对要小些。因此为了鉴别出各种不同性质的脉冲，可采用脉冲峰值为了鉴别出各种不同性质的脉冲，可采用脉冲峰值鉴别器。简单的单电平鉴别器具有一个阈值电平鉴别器。简单的单电平鉴别器具有一个阈值电平Us1，调整阈值位置可以除掉各种非光子脉冲而只对光子调整阈值位置可以除掉各种非光子脉冲而只对光子信号形成计数脉冲。对于多光子大脉冲，可以采用信号形成计数脉冲。对于多光子大脉冲，可以采用有两个阈值电平的双电平鉴别器（又称窗鉴别器）。有两个阈值电平的双电平鉴别器（又称窗鉴别器）。它仅仅
41、使落在两电平间的光子脉冲产生输出信号，它仅仅使落在两电平间的光子脉冲产生输出信号，而对高于第一阈值而对高于第一阈值Us1的热噪声和低于第二阈值的热噪声和低于第二阈值Us2的多光子脉冲没有反应。脉冲幅度的鉴别作用抑制的多光子脉冲没有反应。脉冲幅度的鉴别作用抑制了大部分的噪声脉冲，减少了光电倍增管由于增益了大部分的噪声脉冲，减少了光电倍增管由于增益随时间和温度漂移而造成的有害影响。随时间和温度漂移而造成的有害影响。3 3、背景补偿的光子计数系统、背景补偿的光子计数系统在光子计数系统中，在光电倍增管受杂散光或温度在光子计数系统中，在光电倍增管受杂散光或温度的影响引起比较大的背景计数率时，应该把背景计
42、的影响引起比较大的背景计数率时，应该把背景计数率从每次测量中扣除。数率从每次测量中扣除。斩光器用来通断光束，分别产生交变的斩光器用来通断光束，分别产生交变的“信号信号+背景背景”和和“背景背景”的光子计数率。同时为光子计数器的光子计数率。同时为光子计数器A、B提供选通信号。当斩光器叶片挡住输入光线时，放提供选通信号。当斩光器叶片挡住输入光线时，放大鉴别器输出的是背景噪声大鉴别器输出的是背景噪声N，这些噪声脉冲在定时，这些噪声脉冲在定时电路的作用下由计数器电路的作用下由计数器B收集。当斩光器叶片允许入收集。当斩光器叶片允许入射光通向光电倍增管时，鉴别器的输出包含了信号射光通向光电倍增管时，鉴别器
43、的输出包含了信号脉冲和背景噪声脉冲和背景噪声(S+N)。它们被计数器。它们被计数器A收集。这样收集。这样在一定的测量时间内，经多次斩光后计算电路给出在一定的测量时间内，经多次斩光后计算电路给出了两个输出量，即了两个输出量，即信号脉冲：信号脉冲：总脉冲：总脉冲：对于光电倍增管，随机噪声满足泊松分布，其标对于光电倍增管，随机噪声满足泊松分布，其标准偏差为准偏差为 于是信噪比即为于是信噪比即为 ()()ABSNNSABSNNABABSNRAB信号标准偏差光子计数器的运行过程可归纳如下：光子计数器的运行过程可归纳如下：1）用光电倍增管检测弱光的光子流，形成包括噪）用光电倍增管检测弱光的光子流，形成包括
44、噪声信号在内的输出光脉冲。声信号在内的输出光脉冲。2）利用脉冲幅度鉴别器鉴别噪声脉冲和多光子脉）利用脉冲幅度鉴别器鉴别噪声脉冲和多光子脉冲，只允许单光子脉冲通过。冲，只允许单光子脉冲通过。3）利用光子脉冲计数器检测光子数，根据测量目）利用光子脉冲计数器检测光子数，根据测量目的，折算出被测参量。的，折算出被测参量。4）为补偿辐射源或背景噪声的影响，可采用双通）为补偿辐射源或背景噪声的影响，可采用双通道测量方法。道测量方法。二、光子计数方法的特点和主要技术指标二、光子计数方法的特点和主要技术指标q只适合于极弱光的测量，光子的计数率限制在大只适合于极弱光的测量，光子的计数率限制在大约约109/s，相
45、当于，相当于1nW的功率，不能测量包含许多光的功率，不能测量包含许多光子的短脉冲强度。子的短脉冲强度。q不论是连续的、斩光的、脉冲的光信号都可以使不论是连续的、斩光的、脉冲的光信号都可以使用光子计数方法，能取得良好的信噪比。用光子计数方法，能取得良好的信噪比。q为了得到最佳性能，必需选择光电倍增管和装备为了得到最佳性能，必需选择光电倍增管和装备带致冷器的外罩。带致冷器的外罩。q不用数不用数/模转换即可提供数字输出。模转换即可提供数字输出。光子计数方法在荧光与磷光测量、喇曼散射测光子计数方法在荧光与磷光测量、喇曼散射测量、夜光测量以及生物细胞分析等微弱光测量中得量、夜光测量以及生物细胞分析等微弱光测量中得到应用。到应用。
