微弱信号检测.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,微弱信号检测就是将实验中要测量的微弱物理量从强于数千甚至数十万倍的噪声背景中提取出来。,第三章 微弱信号检测技术,相干检测,是频域信号的窄带化处理方法，它利用信号与外加参考信号的相干特性，而相干性是随机噪声所不具备的。典型仪器：,锁相放大器,。,重复信号的时域平均,适于波形恢复的测量。利用取样技术，在重复信号出现的期间取样，并重复n次，则测量结果的信噪比可改善 倍。典型仪器：,BOXCAR,平均器,离散信号的统计处理,对极弱光，光子流具有离散信号的特征，使用离散信息处理方法检测极弱光信号。分单道和多道检测。前者典型仪器为,单光子计数器,；后者典型仪器为,光学多道分析器,。,第一节 信号与噪声,1、信号与噪声概念,信号是携带了某种被测信息的某个物理量。在光谱测量中，可以是电流、电压或光波的各个参数等。,一般来说，一个信号中除了有用的信号以外，总还伴随着噪声。噪声是一种无规的随机涨落。除噪声外，还可能由环境造成的干扰。,光谱检测的时候，常常是信号淹没于噪声之中。,为了评价有用的信号在一个总信号中所占的份额，引进,信噪比,SNR：,S/N越高，测量误差越小。,通常使信号通过一个系统（放大器或滤波网络等）来提高信噪比，,信噪比改善,SNIR（Signal to Noise Improvememnt）：,2 噪声的统计特性,（1）概率分布,随机噪声是一种前后独立的平稳随机过程，瞬时幅度的概率分布是正态的，即高斯分布，,称噪声电压的均方根值，衡量系统噪声的基本量。,瞬时噪声的幅度,基本上在 范围之内.,噪声功率谱密度,S(f):,为在频率f处，带宽为,内的1电阻上的噪声平均功率.,噪声平均功率,:,常把在很宽的频率范围内具有恒定的噪声功率谱密度的噪声称为白噪声。,(2)自相关函数,随机变量x(t)的自相关函数,表示随机过程在,和,两个不同时刻的相关性,白噪声功率谱密度与自相关函数,自相关函数,3 噪声来源,（1）热噪声,由导体内自由电子的随机运动引起的。运动电荷的随机运动表现为电流的涨落。属白噪声。,一个阻值为R的电阻的热噪声的均方根值为,一个阻值为1k的,光导元件，在室温（290K）下热噪声电压为4nV。,(2),散粒噪声,(shot noise),在晶体管中当载流子越过PN结时，或者，真空器件中电子越过阴极表面的势垒时，由于各别载流子的运动速度差异，使电流发生波动，形成散粒噪声。属白噪声。,散粒噪声电流的均方根值为：,为了减小散粒噪声需要压缩系统带宽以及降低工作电流,噪声,(3),主要存在于电子器件中，它与元器件的制造工艺有关，特别是与表面的处理有关。,特点：随频率的降低而增加，所以又称为低频噪声,第二节 锁相放大器,锁相放大器是一种高性能的通用测量仪器，它能精确测量被掩埋在噪声中的微弱信号。随着科学技术的飞速发展，在电子学、信息科学、光学、磁学、力学、低温物理、声学、生物学等许多领域，越来越需要测量深埋在噪声中的微弱信号。,1 模拟相关器,锁相放大器(Lock-in amplifier-LIA)是利用信号与噪声的互不相关性来抑制噪声的。核心部件是模拟相关器。相关器由乘法器与积分器组成，乘法器也称相敏检波器。,3 锁相放大器的性能指标,最小可分辩信号电平(MDS)：输出端能够辩别的最小输入无噪声信号电压,；,满刻度信号输入电平(FS)：输出端满刻度时所需的输入电压,大小,最大过载电平(OVL)：不造成仪器过载的最大输入噪声电压,总动态范围：,反映锁相放大器整体性能的重要指标，定义为不引起仪器过载的最大输入噪声电压与最小可分辩的信号电压之比,4 调制技术,在光谱测量中，为了使被测信号变成锁相放大器可以测量的交变信号，同时获得与被测信号交变信号相干的参考信号，需要对被测的光信号进行调制。进行光信号调制一般利用随机的光斩波器附件。,机内都有一组小光源，它们对准地照在光电管上，当斩波盘对小光源的光束进行斩波，光电管的输出信号通过整形，输出0-5V的TTL信号，它们用作为参考信号。,第三节 取样平均器（BOXCAR),取样也称抽样，是一种信息的提取方法，取样平均即对取出的样本采用平均的方法去除噪声与干扰，以获取有用的信息,1 取样原理,取样的基本过程,:一个被测信号f(t)经适当放大后加到场效应管开关电路的输入端，而在场效应管的栅极加上一个窄矩形门脉冲。当门脉冲到来时，场效应管导通，被测信号在门的持续时间内通过，场效应管的输出端出现一个该信号的取样脉冲。如果连续改变门脉冲与被测信号的相对时间，就可以完成对整个被测信号的取样。,光谱测量中往往需要测量十分微弱的重复的短脉冲信号，脉宽短至来不及对其进行多次取样。采用变换取样方法来完成对短脉冲信号的取样与处理。,变换取样,重新组合的新脉冲在时间上有了扩展,对样本信号的累加平均,如果取样门的宽度不是很窄，取样门移动很慢，上一次取样区与下一次取样区就会有产生某些重迭，信号脉冲上的同一点将会进行多次取样，,有用的信号将因多次取样而增强，而噪声只因多次累加而减弱，从而使信号的信噪比增加。,2 BOXCAR平均器,对微弱的,重复脉冲信号,进行逐点取样和同步积分的光谱测量仪器,有,单点,与,扫描,两种工作方式,单点工作方式,特点：取样点相对于信号起始时刻是固定延时，门宽不变，所测量的是离原点为固定延时的重复信号的某点瞬时平均值，而不是观察波形。,在激光诱导荧光谱中，用激光脉冲作boxcar的外触发，改变相对于激光触发时刻的延时，积分一定的次数后输出，与某一波长相应的荧光信号上该固定位置的值。波长扫描，则得到在确定延时下被测荧光信号的谱线。,扫描工作方式,时基电路产生慢斜波，T,b,=T。扫描时间为T,s。,取样门脉冲相对于触发脉冲的延时在增大，实现了在输入信号波形上取样位置从前向后的扫描过程。恢复后信号波形的宽度为扫描时间,Ts.,变换取样方法。,3、boxcar参数的选择,门宽,决定Boxcar的时间分辨率，门宽大对改善信噪比有好处，但它会影响时间分辩率，即对复现原信号的精细部位有影响。,时基宽度T,b,：,应稍大于被测信号宽度(信号周期T)。,积分时间,在SR250中，需选择的是有效取样次数m,慢扫描时间,Ts：,完成一个波形恢复的实际测量时间.,门宽,时间内取样次数:,输出达到稳定电压值的时间为,第四节 单光子计数器,非常微弱的光信号，如被测光的强度仅有,W以下,时,入射的光子流,将出现离散的状态，每秒几百个光子，即光以粒子的形式分离地到达光检测器。,于是光电倍增管的输出将是一个个分立的脉冲，而非连续信号。,1、原理,已知光阴极在入射光波长的量子效率，就可以采用计数电脉冲数的方法推算出光子流的强度,一个光子入射时，光电倍增管输出一个电脉冲,关于PMT中的噪声：,（1）热噪声,光阴极和倍增极热电子发射产生。光阴极造成的热噪声脉冲幅值与单光电子脉冲相当，倍增极的小于,单光电子脉冲；,（2）内部残余气体电离形成的噪声脉冲幅值一般大于单光电子脉冲的2倍。,（3）宇宙射线等辐射脉冲幅度大于5倍的单光电子脉冲,峰谷比：,分辨率：,峰谷比越大，分辨率越小的PMT越适合作光子计数用。,E1或EV可做第一甄别幅度,E2作第二甄别幅度。,脉冲计数率,V,（甄别电平）,单光电子峰,光电倍增管噪声,脉冲幅度V,光电倍增管输出脉冲幅度分布（微分）曲线,测量弱光时光电倍增管的输出特性,：,2 光子计数系统,甄别器的作用是去除低幅度的高幅度的噪声脉冲，降低背景计数率，提高检测信噪比。,甄别器一般有两个甄别电平，分别称为第一甄别电平(下阈值)和第二鉴别电平(上阈值)，它们分别抑制脉冲幅度低的暗噪声与脉冲幅度高的有宇宙射线和天电干扰等造成的外来干扰脉冲。,3、光子计数的噪声与计数误差,(1)统计涨落噪声 (4)为提高信噪比应加大计数时间,(2)暗计数,(3)脉冲堆积与计数误差,第五节 光学多道分析仪,1 光学多道分析仪的结构,光学多道分析仪(Optical Mutichannel Analyzer)简称OMA，是一种采用多道方法对被测光谱区光谱进行同时检测的方法。,光学多道分析仪由,光学多色仪,、,光学多通道检测器,、,探头控制器,和,数据处理器,等部分组成,多色仪通过色散将复合光按波长在空间排列，聚焦后成象在多通道检测器的光敏面上,。,光电探测器是光学多道分析仪的核心部件，现在主要是 CCD或增强型CCD。,有选通工作方式，用于进行时间分辩光谱测量,在信号入射到检测器的光敏面后，信号的光电信息在靶面上存贮下来，经读取转换成相应的光电流信号，控制器控制着检测器的扫描及信号读出等功能。信号经/D转换后送计算机存贮处理。,2 CCD光电列阵,CCD光电列阵有线阵，面阵两种,线阵,面阵,CCD列阵被置于摄谱仪焦平面上，在专用驱动电源产生的驱动脉冲作用下，CCD中光电信号被移出该器件，经放大和采样保存后，光谱信号被送入模数变换器（A/D），计算机用于采集A/D变换器输出电信号，并对光谱数据进行处理，给出所要数据,。,