1、微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)微弱信號檢測微弱信號檢測徐公杰徐公杰2013-12-23微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章第五章 取樣積分與數(shù)字式平均取樣積分與數(shù)字式平均微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均 信號平均器（也稱取樣積分器或信號平均器（也稱取樣積分器或BoxcarBoxcar）是用于處理脈沖信號的儀器，是用于處理脈沖信號的儀器，是一種微弱信號檢測系統(tǒng)。它利用周期

2、性信號的重復(fù)特性，在每個周是一種微弱信號檢測系統(tǒng)。它利用周期性信號的重復(fù)特性，在每個周期內(nèi)對信號的一部分取樣一次，然后經(jīng)過積分器算出平均值，于是各期內(nèi)對信號的一部分取樣一次，然后經(jīng)過積分器算出平均值，于是各個周期內(nèi)取樣平均信號的總體便展現(xiàn)了待測信號的真實波形。因為信個周期內(nèi)取樣平均信號的總體便展現(xiàn)了待測信號的真實波形。因為信號提取號提取( (取樣取樣) )是經(jīng)過多次重復(fù)的，而噪聲多次重復(fù)的統(tǒng)計平均值為零，是經(jīng)過多次重復(fù)的，而噪聲多次重復(fù)的統(tǒng)計平均值為零，所以可大大提高信噪比，再現(xiàn)被噪聲淹沒的信號波形。所以可大大提高信噪比，再現(xiàn)被噪聲淹沒的信號波形。微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Sign

3、al Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均對一個攜帶有噪聲的輸入脈沖信號可記為對一個攜帶有噪聲的輸入脈沖信號可記為 f f( (t t)=)=S S( (t t)+)+N N( (t t) ) 其中，具有重復(fù)頻率的脈沖信號其中，具有重復(fù)頻率的脈沖信號S S( (t t) ) 可以表達(dá)為可以表達(dá)為S S( (t t)=)=S S( (t t+ +nTnT) )，式中，式中n n=1,2,3,=1,2,3, 為整數(shù)，為整數(shù)，T T為脈沖的重

4、為脈沖的重復(fù)周期。復(fù)周期。N N( (t t) )為隨機噪聲，可用它的有效值來表征：為隨機噪聲，可用它的有效值來表征：)(2)(tNtN信號平均器的基本原理信號平均器的基本原理微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均 信噪比定義為信號峰值與噪聲的有效值之比。如果對輸入脈信噪比定義為信號峰值與噪聲的有效值之比。如果對輸入脈沖信號進(jìn)行多次取樣累加，其輸出信號沖信號進(jìn)行多次取樣累加，其輸出信號)()()2(2)(2)(1)11()()(tNmtmSTtNTtNtmSmnTmnmnntNnTtSnTtfof微弱信號檢測

5、微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均信噪比的改善度信噪比的改善度 (signal to noise improved ratio(signal to noise improved ratio，指輸出信噪比與輸入信，指輸出信噪比與輸入信噪比之比，簡寫為噪比之比，簡寫為SNIRSNIR) ) mtStNtNmtmSinSNRoutSNRSNIR)()()()()()(也就是說，經(jīng)過也就是說，經(jīng)過 m m 次采樣后，信噪比的改善度與采樣次數(shù)次采樣后，信噪比的改善度與采樣次數(shù)m m的的平方根成正比。這就是信號平均技術(shù)的基本原理

6、平方根成正比。這就是信號平均技術(shù)的基本原理 法則。法則。m微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均 信號平均技術(shù)信號平均技術(shù)信噪比改善與采樣次數(shù)信噪比改善與采樣次數(shù)m m 的關(guān)系的關(guān)系V VS S，V Vn nV VS SmmV Vn nmm1/21/2采樣次數(shù)采樣次數(shù) m m微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均信號平均器的基本工作原理信號平均器的基本工作原理輸入信號輸入信號前置放大器前置放大器采樣門采樣門積分器積分器延時延

7、時門驅(qū)動門驅(qū)動門寬門寬t tg g時基時基t tb b比較器比較器觸發(fā)觸發(fā)慢掃描慢掃描t ts s觸發(fā)信號觸發(fā)信號輸出信號輸出信號K K掃描掃描定點定點微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均取樣積分器通常有取樣積分器通常有兩種工作模式兩種工作模式，即，即定點式和掃描定點式和掃描式式: : 定點式取樣積分器是測量周期信號的某一瞬態(tài)平定點式取樣積分器是測量周期信號的某一瞬態(tài)平均值；均值； 掃描式取樣積分器則可以恢復(fù)和記錄被測信號的掃描式取樣積分器則可以恢復(fù)和記錄被測信號的波形。波形。下面分別討論這兩種模式下面分別

8、討論這兩種模式微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均定點方式工作波形圖定點方式工作波形圖t tp p觸發(fā)信號觸發(fā)信號輸入信號輸入信號采樣門信號采樣門信號t tg g輸出信號累加輸出信號累加t t微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均用定點模式測量光譜用定點模式測量光譜樣品樣品分束片分束片激光束激光束PMTPMT觸發(fā)觸發(fā)BoxcarBoxcar記錄儀記錄儀激光波長激光波長熒光強度熒光強度微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak S

9、ignal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均 信號的累加是靠采樣保持電路的功能來實現(xiàn)信號的累加是靠采樣保持電路的功能來實現(xiàn)t tg gADAD門脈沖門脈沖發(fā)生器發(fā)生器前放前放輸入信號輸入信號觸發(fā)信號觸發(fā)信號門脈沖門脈沖R RC C積分器積分器采樣門采樣門微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均 指數(shù)累加過程是在一個指數(shù)累加過程是在一個RCRC積分器中按下式對電容進(jìn)行充電：積分器中按下式對電容進(jìn)行充電：累加過程累加過程)1 (CTtioeVV 但是由于充電過程是脈沖式的，門

10、脈沖的周期為但是由于充電過程是脈沖式的，門脈沖的周期為t tp p（也即（也即輸入信號的周期），而每個脈沖充電時間只有輸入信號的周期），而每個脈沖充電時間只有t tg g，還要考慮，還要考慮到脈沖的占空比。到脈沖的占空比。T TC C=RC=RC為時間常數(shù)，當(dāng)為時間常數(shù)，當(dāng)t t= =T TC C時，時，V Vo o=0.632=0.632V Vi i 。微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均 指數(shù)累加過程以及指數(shù)累加過程以及OTCOTC的概念的概念V0/Vi10.632TCOTCttPtg微弱信號檢測微弱信

11、號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均 考慮到脈沖的占空比，真正達(dá)到輸入脈沖幅度的考慮到脈沖的占空比，真正達(dá)到輸入脈沖幅度的0.6320.632所需所需要的時間應(yīng)為：要的時間應(yīng)為：gpCttTOTCOTCOTC（observing time constantobserving time constant）稱為表觀時間常數(shù)，）稱為表觀時間常數(shù)，t tg g/ /t tp p 為脈沖的占空比。為脈沖的占空比。 在實際情況中積分器的輸出符合以下規(guī)律：在實際情況中積分器的輸出符合以下規(guī)律：)1 (OTCtioeVV微弱信號檢測微弱信號

12、檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均 一般以二倍一般以二倍OTCOTC時間內(nèi)的采樣次數(shù)來計算信噪比的改善程時間內(nèi)的采樣次數(shù)來計算信噪比的改善程度。二倍度。二倍OTCOTC時間的采樣次數(shù)時間的采樣次數(shù)( (V Vo o 已達(dá)到已達(dá)到V Vi i 的的0.865)0.865)：gCtTm22信噪比的改善為：信噪比的改善為：gCtTmSNIR22 反過來根據(jù)信噪比改善（反過來根據(jù)信噪比改善（SNIRSNIR）的要求對時間常數(shù)）的要求對時間常數(shù)T Tc c或門或門脈沖寬度脈沖寬度t tg g進(jìn)行選擇。進(jìn)行選擇。微弱信號檢測微弱信號檢測

13、 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均YAGYAG激光泵浦激光泵浦染料激光器染料激光器掃描掃描單色儀單色儀PMTPMT光探測器光探測器信號平均器信號平均器(Boxcar)(Boxcar)觸發(fā)信號觸發(fā)信號輸入信號輸入信號聚焦透鏡聚焦透鏡熒光樣品池?zé)晒鈽悠烦胤质质瑴?zhǔn)直透鏡組準(zhǔn)直透鏡組記錄儀記錄儀 采用采用BoxcarBoxcar測量發(fā)射測量發(fā)射 熒光光譜熒光光譜( (定點模式定點模式) )微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均定點掃描所需時間定點

14、掃描所需時間 選擇選擇SamplesSamples（相當(dāng)平均次數(shù)）為（相當(dāng)平均次數(shù)）為300300，使信噪比的改善達(dá)到，使信噪比的改善達(dá)到1717倍。如果激光脈沖的重復(fù)頻率為倍。如果激光脈沖的重復(fù)頻率為10/s10/s（即周期為（即周期為0.1s0.1s），每），每個采樣點上的時間為：個采樣點上的時間為：0.1s0.1s300=30s300=30s，即有效時間常數(shù)為，即有效時間常數(shù)為30s,30s,就要求掃描非常緩慢。掃描時間可以由下式?jīng)Q定：就要求掃描非常緩慢。掃描時間可以由下式?jīng)Q定：(10(1020)T20)TC C= =譜線頻寬譜線頻寬一次掃頻寬度一次掃頻寬度掃描時間掃描時間Tc- Vo=

15、0.632 Vi Tc- Vo=0.632 Vi 時的時間常數(shù)時的時間常數(shù)微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均BoxcarBoxcar的掃描工作方式的掃描工作方式 BoxcarBoxcar的掃描方式用于微弱脈沖信號的時域（的掃描方式用于微弱脈沖信號的時域（time domaintime domain）測量，即測量光脈沖信號幅度隨時間的演變過程，亦稱為時測量，即測量光脈沖信號幅度隨時間的演變過程，亦稱為時間譜（可以短到間譜（可以短到nsns級的時間測量）。例如測量發(fā)射熒光隨時級的時間測量）。例如測量發(fā)射熒光隨

16、時間的衰減，這個過程可以是間的衰減，這個過程可以是ss或者或者nsns數(shù)量級，一般的機械數(shù)量級，一般的機械記錄儀無法對這種快速信號進(jìn)行記錄。記錄儀無法對這種快速信號進(jìn)行記錄。BoxcarBoxcar的掃描方式可的掃描方式可以把這個快速變化過程進(jìn)行記錄。以把這個快速變化過程進(jìn)行記錄。微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均信號平均器的掃描工作模式信號平均器的掃描工作模式輸入信號輸入信號前置放大器前置放大器采樣門采樣門積分器積分器延時延時門驅(qū)動門驅(qū)動門寬門寬t tg g時基時基t tb b比較器比較器觸發(fā)觸發(fā)慢掃描

17、慢掃描t ts s觸發(fā)信號觸發(fā)信號輸出信號輸出信號K K掃描掃描定點定點微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均BoxcarBoxcar掃描工作方式下的波形圖掃描工作方式下的波形圖3 t4 t5tt觸發(fā)信號觸發(fā)信號輸入信號輸入信號慢掃描波慢掃描波時基波時基波門脈沖門脈沖輸出信號輸出信號tp t2 2 t微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與

18、數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均掃描模式中采樣門脈沖移動掃描模式中采樣門脈沖移動采樣門脈沖采樣門脈沖被測脈沖信號被測脈沖信號tg t慢掃描波的周期遠(yuǎn)大于時慢掃描波的周期遠(yuǎn)大于時基波的周期。通常一個慢基波的周期。通常一個慢掃描波的時間內(nèi)有掃描波的時間內(nèi)有10103 310105 5個時基波。個時基波。微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均掃描式取樣掃描式取樣積分器利用取樣脈沖在信號波形

19、上延積分器利用取樣脈沖在信號波形上延時取樣，可以恢復(fù)被測信號波形。它主要包括可時取樣，可以恢復(fù)被測信號波形。它主要包括可變時延的取樣脈沖和在取樣脈沖控制下作同步積變時延的取樣脈沖和在取樣脈沖控制下作同步積累這兩個過程。累這兩個過程。定點式取樣定點式取樣是對被噪聲淹沒的信號在固定點取樣、是對被噪聲淹沒的信號在固定點取樣、平均，所以經(jīng)平均，所以經(jīng)m m次取樣平均后，其幅值倍噪比改善次取樣平均后，其幅值倍噪比改善為為 . . 定點式取樣積分器僅能在噪聲中提取信號瞬定點式取樣積分器僅能在噪聲中提取信號瞬時值，其功能與鎖定放大器相同，不同的定點可時值，其功能與鎖定放大器相同，不同的定點可通過手控延時電路

20、來實現(xiàn)。通過手控延時電路來實現(xiàn)。m微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均BoxcarBoxcar的有關(guān)參數(shù)的有關(guān)參數(shù)（1 1）時基波）時基波(time base ramp)(time base ramp)或稱門脈沖延時范圍或稱門脈沖延時范圍 (aperture delay range(aperture delay range，ADR)ADR) 在測量過程中，門脈沖逐漸向后移動，在一次測量中在測量過程中，門脈沖逐漸向后移動，在一次測量中（一個慢掃描波的時間），移動的時間范圍就是時基波的寬（一個慢掃描波的時間），

21、移動的時間范圍就是時基波的寬度，所以時基波也被稱為門延時范圍度，所以時基波也被稱為門延時范圍(ADR)(ADR)。它的選取要稍。它的選取要稍大于被測信號寬度，小于觸發(fā)周期大于被測信號寬度，小于觸發(fā)周期t tP P，這樣便可以把整個信，這樣便可以把整個信號隨時間的變化過程記錄下來。號隨時間的變化過程記錄下來。微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均（2 2）慢掃描時間）慢掃描時間 慢掃描波的周期，為門脈沖掃過一個時基波（慢掃描波的周期，為門脈沖掃過一個時基波（ADRADR）所需）所需要的時間，即為一次實際測量的時

22、間。要的時間，即為一次實際測量的時間。（3 3）總的采樣次數(shù)）總的采樣次數(shù) 如果重復(fù)信號頻率為如果重復(fù)信號頻率為f fp p（周期為（周期為t tp p），在一次掃描時間），在一次掃描時間t ts s內(nèi)，內(nèi)，總的采樣次數(shù)為：總的采樣次數(shù)為： pspsttftm/微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均（4 4）相鄰脈沖的延時間隔）相鄰脈沖的延時間隔 t t 是指每次采樣后，采樣門脈沖是指每次采樣后，采樣門脈沖(AD)(AD)向后推移的延遲向后推移的延遲時間（例如時間（例如0.1ns)0.1ns)。對選定的。對選

23、定的ADRADR來說：來說：ttADR/ADR/m m，由于，由于t t 遠(yuǎn)小于門脈沖寬度遠(yuǎn)小于門脈沖寬度t tg g，因此相鄰門脈沖之間有很大的重，因此相鄰門脈沖之間有很大的重疊，這樣在每個采樣點上能重復(fù)采樣疊，這樣在每個采樣點上能重復(fù)采樣m mi i次，從而達(dá)到改善信次，從而達(dá)到改善信噪比的目的。噪比的目的。微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均掃描模式中采樣門脈沖移動掃描模式中采樣門脈沖移動采樣門脈沖采樣門脈沖被測脈沖信號被測脈沖信號t tg gt t微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal

24、Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均（5 5）最小采樣脈沖占空因子（）最小采樣脈沖占空因子（droopdroop） BoxcarBoxcar在工作時兩次采樣之間，積分器必須保持前一次采在工作時兩次采樣之間，積分器必須保持前一次采樣后的結(jié)果。但實際電路中總有漏電的存在，限制了脈沖占空樣后的結(jié)果。但實際電路中總有漏電的存在，限制了脈沖占空因子因子D Dt tg g/ /t tp p的最小值。積分器的保持能力可以用的最小值。積分器的保持能力可以用“保持時間保持時間” t tp p(max)(max)來衡量，定義為誤差不超過來衡量，定義為誤差不超過1%1%的最大觸發(fā)

25、周期：的最大觸發(fā)周期：CgTtpeCAt1(max)微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均小結(jié)：小結(jié)： 掃描式取樣積分器利用取樣脈沖在信號波形上掃描式取樣積分器利用取樣脈沖在信號波形上延時取樣，可以恢復(fù)被測信號波形。它延時取樣，可以恢復(fù)被測信號波形。它主要包括可主要包括可變時延的取樣脈沖和在取樣脈沖控制下作同步積累變時延的取樣脈沖和在取樣脈沖控制下作同步積累這兩個過程這兩個過程。 掃描式取樣積分器可掃描式取樣積分器可得到形狀與輸入的被測信號得到形狀與輸入的被測信號相同，而在時間上大大放慢了的輸出波形相同，而在

26、時間上大大放慢了的輸出波形，故掃描，故掃描式取樣積分器能在噪聲中提取信號并恢復(fù)波形。式取樣積分器能在噪聲中提取信號并恢復(fù)波形。微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均EG&G Princeton Applied Research Model 162 Boxcar Averager微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均EG&G Princeton Applied Research Model 4100 Boxca

27、r Averager微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均SRS Boxcar微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均4100 4100 型型BoxcarBoxcar系統(tǒng)測量熒光光譜系統(tǒng)測量熒光光譜激激光光10%10%反射反射分束片分束片樣品池樣品池波長計波長計PMTPMTPDPD示波器示波器414441

28、444121B4121B4161A4161A計算機計算機前放前放透鏡透鏡Y Y1 1Y Y2 2trig.trig.trig.trig.trig.trig.inin微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均 我們要記錄寬度為我們要記錄寬度為100ns100ns的熒光輻射的時間譜，可的熒光輻射的時間譜，可以選擇以選擇GATE WIDTH=5nsGATE WIDTH=5ns，這是根據(jù)分辨率要求選擇的，這是根據(jù)分辨率要求選擇的，如果分辨率還要高，采樣門寬度還可以窄一些；選擇如果分辨率還要高，采樣門寬度還可以窄一些；選擇

29、A STEP=5nsA STEP=5ns；選擇；選擇STEPS/SCAN=24STEPS/SCAN=24，這就表示一次掃，這就表示一次掃描的范圍為描的范圍為24245ns=120ns5ns=120ns，可以覆蓋，可以覆蓋100ns100ns寬度的信寬度的信號；選擇號；選擇TRIGGERS/STEP=40TRIGGERS/STEP=40，使信噪比的改善為，使信噪比的改善為6.36.3倍。如果激光重復(fù)周期為倍。如果激光重復(fù)周期為0.1s0.1s，則可以計算出一次掃，則可以計算出一次掃描所需要的時間為描所需要的時間為96s96s。 微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detectio

30、n)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均數(shù)字多點信號平均器數(shù)字多點信號平均器信號信號觸發(fā)觸發(fā) 采樣時間順序控制系統(tǒng)采樣時間順序控制系統(tǒng)t t1 1t t2 2t t10241024微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均光子計數(shù)器光子計數(shù)器 微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均光子計數(shù)器光子計數(shù)器SR400 SR400 門控光子計數(shù)器（雙通道）門控光子計數(shù)器（雙通道）微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Si

31、gnal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均光子計數(shù)器光子計數(shù)器 (photon counter)(photon counter) 基本概念基本概念：在弱光信號檢測中，當(dāng)光強微弱到一定程度時，：在弱光信號檢測中，當(dāng)光強微弱到一定程度時，光的量子特征開始突出起來，光電倍增管的輸出呈現(xiàn)出脈光的量子特征開始突出起來，光電倍增管的輸出呈現(xiàn)出脈沖序列的特點。光子計數(shù)器就是利用這種特性，以及信號沖序列的特點。光子計數(shù)器就是利用這種特性，以及信號脈沖和噪聲脈沖之間的差異，通過一定的鑒別手段對信號脈沖和噪聲脈沖之間的差異，通過一定的鑒別手段對信號進(jìn)行甄別，并且對被測光子進(jìn)

32、行計數(shù)來達(dá)到提高信噪比的進(jìn)行甄別，并且對被測光子進(jìn)行計數(shù)來達(dá)到提高信噪比的目的。光子計數(shù)方法是目前測量連續(xù)的微弱光信號最靈敏目的。光子計數(shù)方法是目前測量連續(xù)的微弱光信號最靈敏的方法。的方法。微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均 波長為波長為632.8nm632.8nm的的He-NeHe-Ne激光光源，每個光子的能量為激光光源，每個光子的能量為3.193.191010-19-19焦耳，當(dāng)光功率小于焦耳，當(dāng)光功率小于1010-11-11瓦以下時，相當(dāng)光子的瓦以下時，相當(dāng)光子的發(fā)射率為發(fā)射率為10108 8光子數(shù)

33、光子數(shù)/ /秒，即光子的發(fā)射周期約為秒，即光子的發(fā)射周期約為1010-8-8秒，剛秒，剛好是光電倍增管輸出脈沖可分辨的極限寬度（即為好是光電倍增管輸出脈沖可分辨的極限寬度（即為PMTPMT的響的響應(yīng)時間）。這樣，光電倍增管的輸出呈現(xiàn)出脈沖序列的特點。應(yīng)時間）。這樣，光電倍增管的輸出呈現(xiàn)出脈沖序列的特點。 舉例舉例微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均光子計數(shù)原理光子計數(shù)原理微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均光功率非常微弱

34、時，形成單光子發(fā)射。光功率非常微弱時，形成單光子發(fā)射。微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均 光子計數(shù)方法是目前測量連續(xù)的微弱光信號最光子計數(shù)方法是目前測量連續(xù)的微弱光信號最靈敏的方法，通?？梢杂糜趯`敏的方法，通?？梢杂糜趯?010-14-14瓦的弱光進(jìn)行瓦的弱光進(jìn)行探測，相當(dāng)于光子發(fā)射率為探測，相當(dāng)于光子發(fā)射率為10104 4光子數(shù)光子數(shù)/ /秒，達(dá)到秒，達(dá)到單光子探測的水平。單光子探測的水平。靈敏的光探測方法靈敏的光探測方法微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取

35、樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均 這種方法提高信噪比的原因是因為由光電倍增管探這種方法提高信噪比的原因是因為由光電倍增管探測到的信號脈沖（注意：這里的信號脈沖是由于光強測到的信號脈沖（注意：這里的信號脈沖是由于光強處于非常微弱的狀態(tài)，光的量子特性變得明顯而產(chǎn)生處于非常微弱的狀態(tài)，光的量子特性變得明顯而產(chǎn)生的光子脈沖，實際上光子計數(shù)器是用于連續(xù)的微弱光的光子脈沖，實際上光子計數(shù)器是用于連續(xù)的微弱光信號檢測）和噪聲脈沖，在幅度統(tǒng)計分布上是不同的。信號檢測）和噪聲脈沖，在幅度統(tǒng)計分布上是不同的。信號脈沖由于增益相近，其幅度相當(dāng)好地集中在一個信號脈沖由于增益相近，其幅度相當(dāng)好地集中在一個特

36、定的范圍內(nèi)，而噪聲脈沖則隨機分散。特定的范圍內(nèi)，而噪聲脈沖則隨機分散。 微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均光子計數(shù)器的基本原理光子計數(shù)器的基本原理模擬輸出模擬輸出PMTPMT前置前置放大器放大器幅度幅度鑒別器鑒別器計數(shù)器計數(shù)器D/AD/A數(shù)字輸出數(shù)字輸出 光電倍增管檢測到的弱光信號，經(jīng)前置放大器放大后，由鑒光電倍增管檢測到的弱光信號，經(jīng)前置放大器放大后，由鑒別器對幅度進(jìn)行鑒別，鑒別后

37、的信號經(jīng)整形后計數(shù)輸出，數(shù)字別器對幅度進(jìn)行鑒別，鑒別后的信號經(jīng)整形后計數(shù)輸出，數(shù)字可直接送計算機處理，也可以通過可直接送計算機處理，也可以通過D/AD/A轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。 微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均 在極其微弱的光信號情況下，光量子特性開始明顯時，光在極其微弱的光信號情況下，光量子特性開始明顯時，光子的發(fā)射所遵循的統(tǒng)計規(guī)律是泊松分布。用泊松分布來描述子的發(fā)射所遵循的統(tǒng)計規(guī)律是泊松分布。用泊松分布來描述“光子速率光子速率” ，即在時間間隔，即在時間間隔tt內(nèi)，平均發(fā)射內(nèi)，平均

38、發(fā)射m m個光子的幾個光子的幾率：率：!)(),(meMmetRtmPMmtRm式中式中R R為光子速率（光子數(shù)為光子速率（光子數(shù)/ /秒），秒），tt為測量時間間隔（秒），為測量時間間隔（秒），為光電倍增管的量子效率，為光電倍增管的量子效率，M MRtRt為在時間為在時間tt內(nèi)內(nèi)PMTPMT輸輸出的平均計數(shù)。出的平均計數(shù)。微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均 在泊松分布中，平均計數(shù)的偏差用均方根偏差來估計，表在泊松分布中，平均計數(shù)的偏差用均方根偏差來估計，表示為：示為： MtR上式可以作為測量過程中的隨機

39、誤差，因此信噪比表示為：上式可以作為測量過程中的隨機誤差，因此信噪比表示為：MMSNR微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均 如果考慮了光電倍增管在無光照射時的暗計數(shù)，暗計數(shù)的如果考慮了光電倍增管在無光照射時的暗計數(shù)，暗計數(shù)的隨機平均計數(shù)率為隨機平均計數(shù)率為R Rd d，此時所記錄的噪聲應(yīng)包括暗計數(shù)率，此時所記錄的噪聲應(yīng)包括暗計數(shù)率tRtRd因此，信噪比為因此，信噪比為ddRRtRtRtRtRSNR微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分

40、與數(shù)字式平均（1 1）通過幅度鑒別的方法對大部分噪聲進(jìn)行抑制。）通過幅度鑒別的方法對大部分噪聲進(jìn)行抑制。（2 2）對鑒別后的信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化整形，以光子發(fā)射率為檢）對鑒別后的信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化整形，以光子發(fā)射率為檢測結(jié)果，因此系統(tǒng)的增益非常穩(wěn)定。測結(jié)果，因此系統(tǒng)的增益非常穩(wěn)定。（3 3）采用數(shù)字處理方式，可以減少零點漂移和外界的干擾。）采用數(shù)字處理方式，可以減少零點漂移和外界的干擾。光子計數(shù)器的主要特點光子計數(shù)器的主要特點微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均脈沖高度鑒別和計數(shù)方式脈沖高度鑒別和計數(shù)方式1 10 0

41、1 10 00 01 10 02 2(a)(a)單電平鑒別單電平鑒別(b)(b)雙電平鑒別雙電平鑒別(c)(c)脈沖堆積校正鑒別脈沖堆積校正鑒別微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均通過幅度甄別和單光子記數(shù)方法提高測量信噪比通過幅度甄別和單光子記數(shù)方法提高測量信噪比微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均計數(shù)計數(shù)脈沖幅度脈沖幅度S SN N1 1N N2 2V V1 1V V2 2脈沖高度分布圖脈沖高度分布圖微弱信號檢測微弱信

42、號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均正常計數(shù)方式正常計數(shù)方式計數(shù)器計數(shù)器A A預(yù)置數(shù)預(yù)置數(shù)M M計數(shù)器計數(shù)器C C 時鐘振蕩器時鐘振蕩器R RC C來自鑒別器來自鑒別器R RA A啟動信號啟動信號外時鐘信號外時鐘信號開關(guān)開關(guān)K K停止停止信號信號MARtARCA微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均光子計數(shù)器中的光電倍增管光子計數(shù)器中的光電倍增管 1 1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu) 光電倍增管由光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍光電倍增管由光窗、光電陰極

43、、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極等五個主要部分組成，其外形如圖。增系統(tǒng)和陽極等五個主要部分組成，其外形如圖。入射光入射光窗口窗口光電陰極光電陰極電子倍增器電子倍增器陽極陽極聚焦極聚焦極管腳管腳微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均2 2、工作原理、工作原理光子透過入射窗口入射到光電陰極上。光子透過入射窗口入射到光電陰極上。光電陰極的電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中。光電陰極的電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中。光電子通過電場加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增極光電子通過電場加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射

44、到第一倍增極D D1 1上，倍增上，倍增 極將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入射電子經(jīng)極將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入射電子經(jīng)N N級倍增極倍級倍增極倍 增后，光電子就放大增后，光電子就放大N N次。次。經(jīng)過倍增后的二次電子有陽極經(jīng)過倍增后的二次電子有陽極A A收集起來，形成陽極光電流，在負(fù)載收集起來，形成陽極光電流，在負(fù)載R RL L上上 產(chǎn)生信號電壓。產(chǎn)生信號電壓。微弱信號檢測微弱信號檢測 (Weak Signal Detection)第五章取樣積分與數(shù)字式平均第五章取樣積分與數(shù)字式平均例：同步（鎖定）模式例：同步（鎖定）模式光子通量的微小變化可以通過同步探測進(jìn)行測量。如果一個信號具有固定頻率并且占光子通量的微小變化可以通過同步探測進(jìn)行測量。如果一個信號具有固定頻率并且占空比為空比為5050，那么就可以使用同步光子計數(shù)或以，那么就可以使用同步光子計數(shù)或以“鎖定鎖定”模式進(jìn)行光子計數(shù)。光學(xué)斬模式進(jìn)行光子計數(shù)。光學(xué)斬波器用來調(diào)制連續(xù)光源