第9章-光电检测技术的典型应用1

9.1微弱光信号检测技术第9章光电检测技术的典型应用降低噪声、改善信噪比待测信号被噪声淹没原因方法采用压缩检测通道带宽采用取样平均处理的方法使信号多次同步取样累计检测通道输出白噪声正比于频带宽的平方根信号的增加取决于取样总数，而随机白噪声增加却仅由取样数的平方根决定9.1.1锁相放大器它是一种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相位关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）、同相的噪声分类有响应，故能大幅度抑制无用噪声，改善信噪比。特点：具有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单。选频锁相环移相器输入信号AC参考信号AC信号通道相敏检波输出信号DC前放混频乘法器低通滤波器图9-1锁相放大器的组成方框图参考通道VrV0Vs0V1.锁相放大器的构成2.锁相放大器的原理设乘法器的输入信号Vs：参考信号Vr：])cos[(0tVVsms0cosrrmVVt则输出信号V0为：001cos()cos(2)2srsmrmVVVVVtt01cos()2smrmVVVt0010;022smrmVVVV低通滤波器输出信号V'0为：图9-2通过相敏检波器实现的频谱变换输入信号单纯低通滤波光调制单纯带通滤波相敏检波检波后滤波信号谱噪声谱LPFBPFLPFω0fffffff2ω0图9-3方波控制的相敏放大器工作原理0V00V00V00V0VmtVmtVmtVmt图9-4波形图3方波控制的相敏放大器工作原理VSotVS-VStABV0Vr+1-1ABΔφ=0°Δφ=180°Δφ=90°Δφ=270°4.锁相放大技术的四个基本环节：通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的高频范围内。检测系统变成交流系统；在调制频率上对有用信号进行选频放大；在相敏检波中对信号解调。同步调制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范围内；通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。5.特点：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；极窄带高增益放大器，增益可达1011，带宽窄到0.0004Hz；交流－直流信号变换器，相敏输出正比于输入信号的幅度和它与参考电压的相位差；可以补偿光检测中的背景辐射噪声与前置放大器的固有噪声。信噪比改善可达1000倍。输入信号波形tBAO光束交替转镜（b）图9-5补偿法双通道测光装置的锁相放大器E（a）斩波器输入光样品测量光APMT锁相放大器信号输出参考信号参考电源伺服电机可变衰减器参考光B图9-6采用两个锁相放大器的双频双光束系统光电二极管样品PMTLIA2LIA1f1AB/ABf2f1-f2f1A输入光f2BjPD比例计9.1.2取样积分器（Boxcar平均器）利用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。1.取样积分器的工作原理它利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。因为信号提取(取样)是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的信号波形。图9-7固定位置取样及同步积累原理Ts：信号周期ΔT：取样间隔T：取样周期T=Ts+ΔT取样点的值，应是信号和噪声的和，我们以信号和噪声功率平均值来看积分前后信噪比的变化。若输入信号为Vsi，经过积分器M次积累后所得到的输出电压为1msissiiVVmV22sisPmV输出信号平均功率为噪声电压是随机量Vni，经过m次积累以后，相加所得值Vn仍为随机变量11mnniiVVm11()()0mnmiEVEVm2[()]ninnPPEVm通过累积以后获得的信噪比为通过累积以后信号噪声幅值比(SNIR)为22/sisisnniniPVVmPPmPssinniVVmVV即经过m次积累后，功率信噪比可提高m倍，信号噪声幅值比提高倍。m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RC积分器来实现，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(输出)保持到下一次取样。取样门和积分器完全积分器ViRcCc取样门不完全积分器ViRcCcTc=RcCcVo0.632Tg门脉冲Vo=Vi(1-e-t/Tc)(观察测量时间)Vo=Vi(0.632)Vo=Vi(1-e-t/Tc)TSRTctt图9-8取样门积分器的工作原理（a）取样门积分器（b）取样积累过程取样积分器通常有两种工作模式，即定点式和扫描式。定点式取样积分器是测量周期信号的某一瞬态平均值；扫描式取样积分器则可以恢复和记录被测信号的波形。下面分别讨论这两种模式。2．定点式取样积分器图9-9定点式取样积分器原理方框图VA信号延时电路取样脉冲放大K取样门RCAVo输出VB参考-+CC特点：定点式取样是对被噪声淹没的信号在固定点取样、平均，所以经m次取样平均后，其幅值信噪比改善为定点式取样积分器仅能在噪声中提取信号瞬时值，其功能与锁定放大器相同，不同的定点可通过手控延时电路来实现。m3．扫描式取样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样，可以恢复被测信号波形。它主要包括可变时延的取样脉冲和在取样脉冲控制下作同步积累这两个过程。扫描式取样积分器可得到形状与输入的被测信号相同，而在时间上大大放慢了的输出波形，故扫描式取样积分器能在噪声中提取信号并恢复波形。图9-10扫描式取样积分器原理方框图VA被测信号K触发电路时基电路慢扫描比较器取样脉冲放大取样门RC放大VoVB参考信号门脉冲图9-11扫描式取样脉冲形成过程(a)(b)(c)(d)(e)TSTBVSR1VSR2ΔT1ΔT2ABBCDEFTTgΔT2ΔTtt参考信号(触发信号)TS慢扫描电压(TSR)时基电压(TB)比较器输出负脉冲触发取样脉冲图9-12扫描式取样积分器取样积累过程VAVAVAVBVsPVdVoEACD定点式取样积分器按照定点取样m次的法则，不难理解幅值信噪比改善为的结论。对扫描式取样积分器由于可变时延的取样脉冲在取样过程中取样点是逐渐变化的，所以它的取样过程受到门脉冲宽度的限制，只有在门宽范围内才能被取样。信噪比改善m由于慢扫描电压相对于时基电压变化十分缓慢，因而取样脉冲相对于触发脉冲的移动也是十分缓慢的，以至在输入的被测信号波形上每一“点”依次可以掠过多个门宽的取样脉冲，从而对波形每个取样“点”进行多次积累平均。4.取样积分技术运行步骤：利用检测光脉冲的激励源取得和输入光脉冲同步的触发信号；利用门延时和门脉冲宽度控制单元形成与触发脉冲具有恒定时延或时延与时间成线性关系的可调脉宽取样脉冲串；取样脉冲控制取样开关对连续的周期性变化信号进行扫描取样；积分器对取样信号进行多次线性累加，经过滤波后获得输出信号。5.取样积分器的特点：适用于由脉冲光源产生的连续周期变化的信号波形测量或单个光脉冲的幅度测量。需要有与光脉冲同步的激励信号；是一个取样放大器，在每个信号脉冲周期内只取一个输入信号值；在多次取样过程中，门积分器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叠加，所以，对信号有恢复和提取作用；在测量占空比小于50％的窄脉冲光强度下，信噪比好于锁相放大器；用扫描方式测量信号波形时能得到100ns的时间分辨率；双通道系统能提供自动背景与辐射源补偿。图9-13用取样积分器组成的测光系统脉冲发生器PMT取样积分器X-Y记录仪锯齿波参考信号发光二极管图9-14使用双通道取样积分器的激光分析计样品检测器超导螺旋管单色器激光器电源脉冲发生器放大器参考检测器比例器ABA双通道取样积分器B9.1.3光子计数器一种利用光电倍增管能检测单个光子能量的功能，通过光电子计数的方法测量极微弱光脉冲信号的装置。类型：基本的光子计数系统；源补偿的光子计数系统；背景补偿的光子计数系统。PMT比例计计数器数模转换器放大器光子参考电压光子脉冲噪声计数脉冲鉴别器模拟输出数字输出模拟输出图9-15基本的光子计数系统1.基本的光子计数系统入射到光电倍增管阴极上的光子引起输出信号脉冲，经过放大器输送到一个脉冲高度鉴别器上，从中分离出单光子脉冲，再用计数器计数光子脉冲数。计算出一定时间间隔内的计数值，以数字和模拟形式输出。图9-16光电倍增管的输出脉冲和鉴别器工作波形第一倍增极阴极光子脉冲第二倍增极PMT输出脉冲鉴别器输出OOtt多光子信号Vs2Vs1图9-17计数器原理示意图事先由预置开关置入计数值N，设时钟脉冲频率为Rc，而计时器预置的计数时间为T=N/Rc,计数器A的累加计数值可计算为A=Rat=RAN/RcRA为平均光脉冲计数率启动预置数ARA计数器A计数器C时钟振荡器RC定时器B停止图9-18辐射源补偿的光子计数器（一）2.辐射源补偿的光子计数器实验样品光电倍增管放大鉴别器光子计数器光电倍增管放大鉴别器测量通道参考通道来自单色器RARC图9-19辐射源补偿的光子计数器（二）计数器A预置数N计数器C启动RARc停止A=N·RA/RC斩光器用来通断光束，分别产生交变的“信号十背景”和“背景”的光子计数率，同时为光子计数器A、B提供选通信号。这样在一定的测量时间内，经多次斩光后计算电路就给出了信号脉冲（A-B=S）和总脉冲(A+B=S+N+N)两个输出量。3.背景补偿的光子计数器图9-20有背景补偿能力的光子计数器信噪比为：ABSNRAB图9-21有斩光器的光子计数器工作波形图M个展光周期斩光器通断脉冲鉴别器输出脉冲选通脉冲计数器A选通计数器B选通通(S+N)断(N)通(S+N)断(N)tptptptstD4.光子计数技术的基本过程：用光电倍增管检测弱光的光子流，形成包括噪声信号在内的输出光脉冲；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；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；为补偿辐射源或背景噪声的影响，可采用双通道测量方法。5.光子计数方法的特点：只适合于极弱光测量，光子的速率限制在109/s左右,相当于1nW的功率，不能测量包含许多光子的短脉冲强度；不论是连续的、斩光的、脉冲的光信号都可以使用，能取得良好的信噪比；为了得到最佳性能，必需选择带有制冷器的光电倍增管；不用数模转换即可提供数字输出，可方便地与计算机连接。图9-22用光子计数器测量式样的磷光效应光子计数方法在荧光、磷光测量、喇曼散射测量、夜光测量和生物细胞分析等微弱光测量中得到了应用。光源分光器转速控制光子计数放大鉴别PMT分光器试件转桶ABC