华中科技大学《光电探测》10.1光电信号处理资料
光电探测与信号处理期末复习资料总结
一、主要的光源（1）1、热辐射源 太阳白炽灯2、气体放电光源 汞灯 氙灯 空心极灯 氘灯 利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。
制作时在灯中充入发光用的气体，如氢、氦、氘、氙、氪等，或金属蒸气，如汞、镉、钠、铟、铊、镝等。
在电场作用下激励出电子和离子，气体变成导电体。
当离子向阴极、电子向阳极运动时，从电场中得到能量，当它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。
由于这一过程中有些内层电子会跃迁到高能级，引起原子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出可见辐射或紫外、红外辐射。
这样的发光机制被称为气体放电原理。
气体放电光源具有下列共同的特点：（1）发光效率高。
比同瓦数的白炽灯发光效率高2~10倍，因此具有节能的特点；（2）结构紧凑。
由于不靠灯丝本身发光，电极可以做得牢固紧凑，耐震、抗冲击；（3）寿命长。
一般比白炽灯寿命长2~10倍；（4）光色适应性强，可在很大范围内变化。
3、固体发光源 场致发光:固体在电场的作用下将电能直接转换为光能的发光现象，也称电致发光,其有三种形态：粉末场致发光源薄膜场致发光源结型场致发光源（二极管）LED 的特性参数 (1)量子效率。
发光二极管一般用量子效率来表示表征器件这一性能的参数就是外量子效率，表示如下，其中， NT 为器件射出的光子数。
4、激光器 1.气体激光器：氦-氖激光器、 氩离子激光器、 二氧化碳激光器2.固体激光器3.染料激光器4.半导体激光器（2）光源的颜色 光源的颜色包含了两方面的含义，即色表和显色性。
色表：用眼睛直接观察光源时所看到的颜色，称为光源的色表。
显色性：当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。
光源选择的基本要求：光源发光强度，稳定性及其它方面的要求；光源发光光谱特性的要求。
二、光电二极管1、正常运用时，光电二极管要加反向电压，Rsh 很大，Rs 很小，所以图b 中的V 、Rsh 、Rs 都可以不计，因而有图c 的形式；图d 又是从图c 简化来的，因为Cf 很小，除了高频情况要考虑它的分流作用外，在低频情况下，它的阻抗很大，可不计。
《光电探测与信号处理》课程教学大纲
《光电探测与信号处理》课程教学大纲课程编号：ABJD0518课程中文名称：光电检测技术课程英文名称:Photoe1ectricDetectionandSigna1Processing课程性质：专业选修课课程学分数：3学分课程学时数：48学时授课对象：电子科学与技术专业本课程的前导课程：半导体物理学、光电子学、数字电路、模拟电路一、课程简介介绍光电检测系统的构成和应用基础知识。
重点叙述了光电检测过程中常用的光源和各种性能的探测器，并对目前光电子学的前沿技术作了简单介绍。
二、教学基本内容和要求第一章光电探测基础主要教学内容：(I)x光电系统描述；(2)、光电探测器的物理效应；(3)、光电探测器性能参数；(4)、探测器主要性能参数测试。
教学要求：掌握光的概念及有关参量，了解物体热辐射，理解辐射度参量与光度参量的关系。
理解光电技术中涉及的光学基本定律，掌握光强、光通量和照度的单位。
重点：光电探测器的物理效应难点：光电探测器的噪声第二章点探测器主要教学内容：(1)、光电检测器件概念和特点；(2)、光电检测器件基本特性参数；(3)、光电管、光电倍增管；(4)、半导体光电器件■光敏电阻，光电池，光敏二极管，光敏三极管；(5)、光电象限探测器和位敏探测器；(6)、光热探测器。
教学要求：掌握光电检测器件的特性参数，光电倍增管及半导体光电检测器件的原理、特性和应用。
重点：各种半导体光电器件的工作原理。
难点：光电象限探测器和位敏探测器的工作原理°第三章直接探测和外差探测主要教学内容：(1)、直接探测系统的性能分析；(2)、提高输入信噪比的光学方法；(3)、光频外差探测的基本原理；(4)、光频外差探测的信噪比分析；(5)、光频外差探测系统。
教学要求：了解直接探测系统和外差探测系统的特点，熟悉提高信噪比的方法，掌握维纳滤波器和匹配滤波器的结构和设计原理。
重点：提高输入信噪比的光学方法难点：取样积分器和光子计数的工作原理，第四章像探测器主要教学内容：（I）x真空摄像管；（2）、自扫描光电二极管阵列；（3）、CCD摄像器件；（4）、电荷注入器件CID；（5）、CMe）S图像传感器；（6）、固体图像传感器主要特性参数。
光电探测基础全面讲解
1 m
1 nm
。
1A
1 X射 线 单 位
。
1 A
图 1.1-1 电磁波谱图
第1章 光电探测基础
表1.1-1 光波段单光子能量表
第1章 光电探测基础
1.1.1 光电系统的基本模型
与电子系统载波相比， 光电系统载波的频率提高了几个量级。
这种频率量值上的变化使光电系统在实现方法上发生了质变， 在功能上
第1章 光电探测基础
第1章 光电探测基础
1.1 光电系统描述 1.2 光接收机视场 1.3 光电探测器的物理效应 1.4 光电转换定律和光电子计数统
计 1.5 光电探测器的性能参数 1.6 光电探测器的噪声
第1章 光电探测基础
1.7 辐度学与光度学 1.8 背景辐射 1.9 探测器主要性能参数测试 习题与思考题
第1章 光电探测基础
均匀光源当发光面积为As， 辐射角为Ωs时， 所辐射的总功率为
Ps=LAsΩs
(1.1-1)
对于辐射对称型光源， 立体角Ωs与平面辐射角θs的关系为(参见
图1.1-5)
Ωs=2π［1-cos(θs/2)］
(1.1-2)
第1章 光电探测基础
光束形 成系统
光源
dt
透 镜 直径
光束角
Gr
4 b
4d
t
2
(1.1-6)
第1章 光电探测基础
14 0
13 0
0.5 m
12 0
10 m
122 dB
11 0
光 束 /角rad 4
增 益 / dB 1 GHz
10 0
40
95 dB
90
80
光电探测与信号处理（1）
光电探测与信号处理第1章绪论一、光电技术1.光电子技术:主要内容是利用光电结合的原理和方法，实现信息的获取、发送、探测、传输、变换、存储、处理和重现等。
主要包括集成光学技术、光计算技术、信息光存储技术和光显示技术等领域。
微电子技术是以电子运动为基础，电子在电路中传输时，由于受到回路分布电气参数的影响，会产生传输延迟效应，往往难于突破纳秒的速度限制。
光电子技术是以光子运动为基础，光子无论在自由空间传播或者沿波导传输时，都能保持30万公里/秒的传播速度，以它作为信息载体能够大大提高信息流的传输速度2.光电子技术独特的优点：(1)光波波长比电波波长短(2) 光波的频谱范围比电波的频谱范围宽(3)光波与人类视觉有直接关系(4)光波抗电磁干扰二、光电技术主要应用领域1.光电能量技术主要是有关大容量、高功率光辐射能的产生、控制、利用以及向其他能量形式的转换。
1)激光核武器2)核原料的激光同位素分离3)激光核聚变4)太阳能电池和太阳能利用5)光加工6)光化学反应等2.光电信息:技术:以光电子器件为主体，研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。
6)激光、红外、微光探测、定向和制导7)光电精密测试、在线检测和控制技术8)光电混合信息处理、识别和图像分析9)机器视觉及人工智能10)光电逻辑运算、光计算及光存储11)生物医学光学三、当前光电子产业:1.光电子材料和元器件2.光子学及光通信器件3.光存储器件4.光传感器件5.光显示器件6.光能量转换器件7.能量光电子应用四光电探测系统的概念 1.光学变换;时域变换：调制振幅、频率、位相、脉宽;空域变换：光学扫描、电学扫描;光学参量调制：光强、波长、位相、偏振.任务：形成能被光电探测器接收、便于后续电学处理的光学信息。
2.光电变换：光电器件、变换电路、前置放大。
任务：将光信息变为能够驱动电路处理系统的电信息。
3.电路处理：放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、计算和接口。
光电探测系统的信号处理与分析研究
光电探测系统的信号处理与分析研究随着现代科技的发展，光电技术已经广泛应用于各个领域。
在光电探测方面，为了获取更加精确的信号，信号处理与分析的技术显得尤为重要。
光电探测系统通常由光源、物体、光电传感器以及信号处理器构成。
其中，信号处理的过程是将光信号转换为电信号，然后对电信号进行处理和分析。
因此，信号处理的质量和效率直接影响光电探测系统的性能。
信号处理的过程中，首先需要进行信号的放大，以便更好地识别出信号中的细微变化。
信号放大的方式主要有模拟放大和数字放大两种。
模拟放大是将信号直接通过放大电路进行放大，而数字放大则是先将信号转换为数字信号，然后再进行数字放大。
由于数字放大具有更高的精度和可调性，因此在现代光电探测系统中，数字放大已成为主流技术。
在信号放大之后，需要进行信号的滤波处理。
信号的滤波处理是对信号中的噪声进行过滤，使得信号更加纯净。
滤波处理的方式主要有低通滤波和高通滤波两种。
低通滤波可以过滤掉高频噪声，而高通滤波则可以过滤掉低频噪声。
在实际应用中，根据信号的特点和需求，可以选择不同的滤波方式。
随着技术的不断进步，信号处理技术也在不断发展。
目前，一些先进的信号处理技术已经被应用到光电探测系统中。
例如，小波变换、时频分析、自适应滤波等技术都可以使得信号处理更加精确和高效。
除了信号处理之外，分析也是光电探测系统中非常重要的一个环节。
信号分析可以帮助人们更好地理解信号的特征和含义，从而提高光电探测系统的性能。
常用的信号分析方法包括时域分析、频域分析、时频分析等。
时域分析是对信号在时间轴上的变化进行分析。
常用的时域分析方法有峰值检测、均值滤波、微分和积分等。
峰值检测可以用于检测信号中的极大值和极小值，均值滤波可以用于过滤掉信号中的细小波动，微分和积分则可以用于求取信号的变化率和变化量。
频域分析是对信号在频率轴上的特征进行分析。
常用的频域分析方法有傅里叶变换和功率谱分析等。
傅里叶变换可以将信号从时域转换为频域，并且可以分析信号中各个频率成分的贡献，功率谱分析则是求取信号在各个频率上的功率。
光电信号处理
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第一章 绪 论
§1.1 光电探测器概述 §1.2 噪声的基本知识 §1.3 噪声的关联与相加 §1.4 含多个噪声源的电路及其计算法则 §1.5 等效噪声带宽 §1.6 噪声的基本属性
由于光电探测器的相关知识与本 课程有重要关系，
所以，首先介绍有关探测器的基 本知识。
§1.1 光电探测器概述
●光电子发射效应也称外光电效应。入射辐射的作 用是使电子从光电阴极表面发射到周围的空间中， 即产生光电子发射。
●产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴 极的逸出功。因此，光电子发射存在长波限，
●光子能量hc／λ低于阴极材料逸出功就不能产生 光电子发射。
●阳极接收光电阴极发射的光电子所产生的光电流 正比于入射辐射的功率。
●利用光电子发射效应的探测器： 光电子发射探测器
典型器件： 光电管 光电倍增管PMT
●真空光电管 由光电阴极和阳极构成， 用于响应要求极快的场合。
●光电倍增管 它的内部有电子倍增系统， 因而有很高的电流增益， 能检测极微弱的光辐射信号。
光电倍增管（PMT）
光电倍增管由
五个主子倍增系统 阳极
所用的材料：大多数为半导体。
●光电效应器件： 外光电效应器件：器件材料中的电子吸收了入射光的 光子能量以后．逸出材料表面，产生了光电子发射， 这种器件称为外光电效应器件。 内光电效应器件：光电导效应、光生伏特效应的器件， 吸收了入射光的光子能量以后，器件材料中出现光生 自由电子和空穴。
1 光电子发射探测器
光电探测器的分类
真空器件
光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强器
光子探测器
光
光敏电阻 光电池 光电二极管
电
固体器件
《光电探测与信号处理》教学大纲
《光电探测与信号处理》教学大纲一、课程基本信息1、课程名称:光电探测与信号处理全称（英文）Photoelectric detection and signal processing2、课程代码：B13090163、课程管理：数理学院应用物理教研室4、教学对象：应用物理5、教学时数：总时数48学时，其中理论教学32学时，实验实训16学时。
6、课程学分：37、课程性质：专业选修课程8、课程衔接：（1）先修课程：工程光学、电磁学、原子物理学、量子力学、模拟电子技术（2）后续课程：光电子技术二、课程简介《光电探测与信号处理》课程为一门主要专业方向课程，是从事光学工程、仪器仪表、测量与控制研究人员所必须具备的专业基础，是一门与现代科学技术紧密相连的正在发展的新兴学科。
本课程主要讲述光电检测理论基础知识以及光电检测的结构组成、设计思路和应用特点。
通过本课程的学习，使学生了解和掌握光电转换的基本原理及光电检测技术所必须的各种知识，了解和掌握常用光电测量方法及常用测量仪器的使用，具备进行各种基本光电测量所需技能和设计光电检测电路的能力。
三、教学内容及要求第一章绪论（一）教学目标掌握光电检测系统的组成及特点；了解信息技术及光电检测技术的概念。
（二）教学节次及要求第一节信息技术及光电检测技术了解信息技术及光电检测技术的概念。
第二节光电检测与光电传感器概念了解光电检测与光电传感器概念及各自的作用。
第三节光电检测系统的组成及特点了解光电检测系统的基本模型及光电系统框图。
第四节光电检测方法及应用发展趋势1、掌握光电检测的基本作用法、差动测量法补偿测量法和脉冲测量法；2、了解光电检测系统的及应用发展趋势。
（三）教学重点与难点1、教学重点：光电传感器、光电检测系统的组成及特点2、教学难点：光电检测系统的组成及特点（四）教学方法与手段课堂讲授、多媒体辅助教学。
（五）教学时数4学时第二章光电检测器件工作原理及特性（一）教学目标了解光电检测器件的特性参数；掌握光电导效应、光生伏特效应和热释电效应。
光电信号处理方法
输入信号
单击此处添加正文。
噪声谱
单击此处添加正文。
LPF
单击此处添加正文。
LPF
单击此处输入你的正文
f
单击此处添加正文。
锁相放大技术包括下列四个基本环节： 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范围内。 通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。
通常的噪声在时间和幅度变化上都是随机发生的，分布在宽的频谱范围内，与信号频谱大部分不重叠，也没有同步关系。因此，可以采用压缩检测通道带宽的方法。此外采用取样平均处理方法可使信号多次同步取样积累，也可以抑制噪声。
输入信噪比小于1，说明信号淹没在噪声之中。这时仅仅靠简单地压缩系统噪声带宽的办法是无济于事的。对微弱信号的探测常采用锁相放大器、取样积分器和光子计数器等。以锁相放大器为例介绍。 锁相放大器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)、同相的噪声分量有响应。因此能大幅度抑制无关噪声，改善检测信噪比。 此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。
放大器的噪声可以用比较法测量。把放大器的未知噪声电平同噪声发生器的已知噪声电平进行比较。比较的基准是噪声发生器，因此测量的准确度主要决定于噪声发生器的校准。 具体测量步骤如下： 输入端不接噪声电压发生器，测量输出端总噪声。 输入端接入一个经校正的噪声电压发生器，使输出噪声电压提高一倍。 读取噪声发生器的电压，它等于放大器的等效输入噪声。
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●一个光电探测系统的极限探测能力往往由探测 系统的噪声所限制。 在精密测量、通讯、自动控制、核探测等领域 ，减小和消除噪声是十分重要的问题，是提高 光电系统性能指标的关键。
●噪声是一种随机信号，它实质上就是物理量
围绕其平均值的涨落现象。
电阻的热噪声
●所以研究噪声一般采用长周期测定其均方值( 即噪声功率 )的方法，在数学上用随机量的起 伏方差来计算。 ●由于噪声是一种独立的平稳的随机过程， 因此，在任何时刻它的幅度及相位都是不可 预先知道的，即是随机的。 但每一种噪声都遵从独立的平稳的随机过程 的共同的统计规律。
（1）噪声电压幅值的大小vn（t）服从一定 的统计分布规律 由于噪声电压在任何时刻都是一个连续的随机 变量。因此，可以根据统计得出它的概率密 度函数 f（x）。 实验表明，大多数噪声（如热噪声、散粒噪声） 其瞬时值的概率密度函数符合正态分布。即：
f ( x) 1 2 e
( x a )2 2 2
= 0 ，即 vn ： (t ) 0
T 0 2 vn (t ) dt
σ 2为噪声电压的均方值，即 ：
x
2 2
lim 1 T T
vn (t )
2 2 vn En
噪声电压的瞬时值
噪声功率的大小， 电压作用在 1Ω的电阻上的噪声功 率的大小， En方均根值代表了噪声电压的有效值。 电阻上的噪声功率的大小。 In代表了噪声电流的有效值
光电探测与信号处理
第10章 光电信号处理
第10章
光电信号处理
前置放大器电路设计 ——低噪声
显示 存储 传输 控制
目标 + 背景
光学 系统
调 制
探测器
偏置 电路
前 置 放大器
电学 信号 处理
Ｃ Ｐ Ｕ
微弱信号检测方法
光电信号处理的内容
前置放大器： 低噪声放大器——如何将噪声降到最低？ 微弱信号检测： 噪声太大，信噪比很小
光子噪声有两部分组成： 1）量子噪声：完全独立的光子发射产生的起伏引起 的。严格的泊松分布。 2）波动噪声：它与发射的光子的频率有关。增加了 光子发射过程中的波列的相关性。 在光辐射探测的过程中，光子噪声是一个准泊松过 程。对于相干辐射，则可完全忽略波动噪声，从而 将光子噪声视为一个严格的泊松过程。
10.1.2 光子噪声
一、辐射场的涨落 光子是玻色子，光子数按能量符合玻色—爱因斯坦 统计分布。 •根据统计理论，可以计算出辐射源单位时间内总光 子数起伏的均方值为：
2.085 AsT 10
2 n 3
11
•辐射体发射光子速率起伏的噪声功率谱密度为：
Sn 2
2 n
•根据统计理论，可以计算出辐射体辐射功率 起伏的方差为：
降低了信噪比。 •为了尽量减少噪声的引入，需要研究放大器的
噪声性能及与探测器参数的关系。
10.2.1 放大器的噪声的噪声模型
•一个放大器是由若干个元件构成的，而每个 元件都会产生噪声，这样一个放大器内部的 噪声是很复杂的。
4 As kT
2 P
5
•辐射体发射功率起伏的功率谱密度为：
S p 2
2 p
光子噪声的近似处理
辐射体辐射功率的涨落引起探测过程的噪声叫 做光子噪声。 光子噪声的来源应归结为玻色—爱因斯坦统计 分布的起伏。根据光子的微粒性，光子的发射 是一个一个独立发生的事件，因而具有泊松分 布的规律；在此基础上考虑光子的波动性。
均值： E ( x)
方差：
x
1 2
e
( x a )2 2 2
dx a
D( x)
( x a) 2 f ( x)dx
( x a) 2 1 2
( x a )2
e
2
2
dx
2
对于正态分布， a
2 2 vn En
2 2 2 in (t ) in In 电流同样是认为它作用在 1Ω的
和正弦交流电中有效值的定义是完全一致。
（2）随机噪声的功率谱密度
研究信号有两种方法: 一种是在时域中分析和研究， 一种是在频域中分析和研究。 两种方法互为补充，各有优缺点。 噪声是一种随机信号，不能用确定的时间函数 表达式来描述，因此也无法用幅度谱来表示。
光子噪声
探测器 噪 声
电路噪声
10.1.1
噪声的基本知识
光电系统是光信号的变换、传输及处理的系统 。 包含光学系统、光电探测器、电子系统。 系统在工作时，总会受到一些无用信号的干扰 ， 例如：光电变换中光电子随机起伏的干扰； 辐射光场在传输过程中受到通道的影响 背景光的干扰； 放大器引入的干扰等等。 这些非信号的成分统称为噪声
光电系统内部的噪声
●系统内部的材料、器件或固有的物理过程的 自然扰动。 例如： 导体中带电粒子无规则运动引起的热噪声， 光探测过程中光子计数引起的散粒噪声等。 ●这些过程是随机过程，它既不能预知其精确 大小及规律，也不能完全消除， 但其遵循的统计规律、也可以通过一些措施 来控制。
●噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。 由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响 对信号特别是微弱信号的正确探测。Leabharlann ●噪声是一个平稳随机过程。
只要产生噪声过程的宏观条件不变，噪声 功率在给定时间内的能量就不变， 因此，可以用平稳随机过程的理论定义噪 声的功率谱密度S（f ）来研究噪声的频谱 分布：
S( f )
lim P( f , f ) f 0 f
式中：P（ f ，Δ f ）代表频率为 f 处，带宽为 Δ f 的噪声的平均功率。
第10章 光电信号处理
10.1 光辐射探测过程的噪声 10.2 低噪声放大器 10.3 微弱信号检测原理 10.4 锁定放大器 10.5 取样积分器 10.6 光子计数器
10.2
低噪声放大器
•在光电系统中，探测器输出的信号往往很小， 需要放大后才能做进一步的处理。 •放大器在放大信号的同时也放大了噪声， 而 且放大器本身也存在噪声，因此放大器的引入
——如何将微弱的信号从很强的噪声中提取出来？
微弱信号检测的原理与方法
分析信号与噪声的特点 围绕噪声展开
第10章
光电信号处理
10.1 光辐射探测过程的噪声 10.2 低噪声放大器 10.3 微弱信号检测原理 10.4 锁定放大器 10.5 取样积分器 10.6 光子计数器
10.1 光辐射探测过程的噪声