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第八章光电检测技术的典型应用;锁相放大器

取样积分器

光子计数器;8-1引言;微弱信号检测是一门新兴的技术学科，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的微弱信号。;噪声与干扰的定义;微弱检测信号的原理;测量技术的分类;用调制器将直流或渐变信号调制，进行交流放大，可以避免噪声的不利影响；

利用相敏检测器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声与信号同频又同相的概率很小；

利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大地提高。;典型锁相放大器原理;典型锁相放大器原理;和频信号分量被低通滤波器滤除，可以利用低通滤波器得到窄带的差频信号。;也就是说，在输入信号中，只有被测信号本身和参考信号有同频锁相关系而得到最大直流输出，其他噪声信号或者由于频率不同，造成Δω≠0的交流分量，被后接的低通滤波器滤除，或者由于相位不同而被相敏检波器截止。

那些与参考分量同频同相的噪声分量也能够输出直流分量，但它们只占白噪声的极小部分。

所以锁相放大器能以极高的信噪比由噪声中提取出有用信号;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范围内；

通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。;3、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；

可以补偿光检测中的背景辐射噪声＆前置放大器的固有噪声。信噪比改善可达1000倍。;*;8-3取样积分器;首先，微弱周期信号的周期是已知的，

这种信号一般是在主动测量中，源发出的周期性信号与被测物体作用后产生的，

被检测的微弱信号的周期和源发出的周期性信号的周期存在一定的关系，或者相等，或者存在某种函数关系。;如果我们能够很准确地对准周期信号的某一点（如图），在每个周期的这一时刻，都对信号进行取样，并把取样值保存在积分器中；

经过ｍ次取样后，信号得到了增强，而噪声由于随机性，相互抵消了一部分所以信号在噪声中显现出来。

如果对周期信号的每一点都这样处理，那就有可能将被噪声淹没的信号恢复波形。;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;通过累积以后功率信噪比为：;Boxcar工作原理;扫描取样积分器;3.多点信号平均器;多点信号平均器对于恢复被噪声淹没的重复信号是一个强有力的工具，由于Boxcar是单点步进多次取样平均，因此需要测量时间很长。

而多点信号平均器则是在信号的一个周期内对信号多点取样，在获得同样SNIR的情况下多点信号平均器所需时间只是单点平均器测一点的平均时间。所以可节省测量时间。

多点信号平均器是实时取样，不会使被恢复的弱信号变形（拉长），这是Boxcar所不能比拟的。;多点信号平均器有模拟式和数字式两种:

模拟式多点平均器的存贮器是电容，

数字式多点平均器的存贮器是半导体存贮器，模拟式多点信号平均器原理框图如图所示：;EGGPrincetonAppliedResearch

Model162BoxcarAverager;EGGPrincetonAppliedResearch

Model4100BoxcarAverager;SRSBoxcar;8-4光子计数;单光子探测技术的应用领域：

高分辨率的光谱测量、

非破坏性物质分析、

高速现象检测、

精密分析、大气测污、

生物发光、放射探测、

高能物理、天文测光、光时域反射、

量子密钥分发系统等。

由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，

已经成为各国光电子学界重点研究的课题之一;单光子探测技术和模拟检测技术相比有如下优点：

●测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以

及其它不稳定因素的影响较小；

●消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高

了测量结果的信噪比；

●有比较宽的线性动态区；

●输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字

数据处理。;单光子计数器的组成;系统工作原理;目前人们对单光子探测器将主要从两个方面去研究，

一方面，研制和开发有高灵敏度新型结构的光探测器，

另一方面，研究和改进探测器的外围控制驱动技术，利用现有的探测器进行单光子探测。

光子成像技术

下面以光电倍增管为例，介绍光子计数器的原理与方法。;二、光子计数器中的光电倍增管;1