微弱光信号检测电路的实现

微弱光信号的光电探测放大电路的设计

微弱光信号的光电探测放大电路的设计对于各种微弱的被测量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动和微温差等，一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压，再经放大器放大其幅值以反映被测量的大小。

但是，由于被测量的信号很微弱，传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰往往比有用信号的幅值大的多，同时，放大被测信号的过程也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和外部干扰的影响，因此，只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅值，才能提取出有用信号。

本文针对检测微弱光信号的光电二极管放大电路，综合分析了其电路噪声、信号带宽及电路稳定性，在此基础上设计了一种低噪声光电信号放大电路，并给出电路参数选择方法。

1 基本电路光电二极管作为光探测器有两种应用模式如图1所示。

(1)光伏模式，如图1 (a)。

此时，光电二极管处于零偏置状态，不存在暗电流，低噪声，线性度好，因而适于精密领域。

本文就是以这种模式为例进行分析，实际应用中，这个电路一般还需在Rf上并联一个小电容Cs，从而使电路稳定。

(2)光导模式，如图1(b)。

这种模式需要给光电二极管加反向偏置电压，因而存在暗电流，产生噪声电流，同时因为非线性，一般应用在高速场合。

当光照射到光电二极管时，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流Ip，该电流流过跨接在放大器负输入端和输出端的反馈电阻Rf，将运算放大器视为理想放大器，根据理想运算放大器输入端的“虚断”特性，从而有E0=IpRf。

可以看出，光电二极管放大电路实际上是一个I／V转换电路。

这个电路看起来非常简单，只需一个反馈电阻，一个光电二极管和一个放大器便可实现。

从输出电压的线性表达式很容易推出，使反馈电阻Rf增大，将使得输出电压也成比例的增大。

经之前分析时，一般给出其典型值为100MΩ。

在下面的分析我们将看到，反馈电阻不但影响信号的带宽，而且影响整个电路噪声。

一种微弱光信号相关检测方法的硬件实现

一种微弱光信号相关检测方法的硬件实现李炳新;祖海娇【摘要】利用伪随机序列的良好随机性可以测量淹没在噪声和干扰中的微弱光信号,这是一种相关检测方法.在阐明测量原理的基础上,设计了采用该方法的测量系统,采用FPGA实现FFT算法从而完成测量所必需的信号相关处理.实验结果表明,完全由硬件实现的测量系统可以近于实时地完成微弱光信号的测量.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2010(029)012【总页数】4页(P30-33)【关键词】微弱光信号;伪随机序列;相关;FPGA【作者】李炳新;祖海娇【作者单位】燕山大学,信息学院,河北,秦皇岛,066004;燕山大学,信息学院,河北,秦皇岛,066004【正文语种】中文【中图分类】TN247光纤通信技术是信息领域十分引人瞩目的课题，微弱信号检测是光通信领域中不可缺少的环节。

微弱光信号检测是利用光电信息技术、电子学、物理学、信息论、计算机等各种知识的综合技术,它是在认识噪声与光信号的物理特性和相关性的基础上,把被噪声淹没的有用信号提取出来的一种技术。

目前常用的微弱信号检测方法有频域信号的相干检测、时域信号的积累平均、离散信号的计数技术、并行检测方法等[1]。

伪随机序列是一种具有良好随机性的二进制序列，其许多特性都与白噪声接近，且能够由确定的方法产生，伪随机序列在许多领域都得到了应用[2,3]。

利用伪随机序列的良好随机性可以测量淹没在噪声和干扰中的微弱光信号。

测量系统的输入光信号用伪随机序列调制，调制的光信号注入测量系统，输出光信号经过光电探测器后与调制所用伪随机序列进行相关运算。

其相关函数的峰值正比于输入信号强度，且有很高的信噪比，因此可以检测到混在噪声与干扰中的微弱光信号,提高测量的准确性和精度。

1 测量系统组成微弱光信号检测的硬件电路主要由三部分组成:信号的产生与调制、信号的接收、信号的相关处理。

伪随机序列相关检测原理如图1所示。

由FPGA产生伪随机序列p(t)，用它调制光源，调制的光信号经过测量系统后到达接收端，光电转换后得到的光输出信号为x(t)，若测量过程仅影响输入光信号的强度，则x(t)=ap(t)+n(t),其中a为输出信号幅度，n(t)为噪声和干扰。

一种微弱光信号相关检测方法的硬件实现

光纤通信技术是信息领域十分引入瞩目的课题，微弱信号检测是光通信领域中不可缺少的环节。弱光信微
号检测是利用光电信息技术、子学、理学、息论、电必需的信号相关处理。实验结果表明，完全由硬件实现的测量系统可以近于实时地
完成微弱光信号的测量。
关键词：微弱光信号；伪随机序列；相关；ＦＧＰＡ
中图分类号：Ｔ２７Ｎ４文献标识码：Ａ文章编号：１７ — ７０２１）２０３ — ４６４７２（００１ — ０００
ｓｓｅｃｎｂｏｌｔｄｎａ－ｅｌｔａｕｅｎｆｗｅｋｏｔａｉｎｌ．ｙｔｍａｅｃｍｐｅｅｅｒｒａ — ｉｍｅｍｅｓｒｍｅｔｏａｐｉｌｓｇａｓｃＫｅｒｓ：ｗａｐｉａｉｎｌｓｕｏｒｎｏｓｑｅｃ；ｃｒｅａｉｎ；ＦＧＡｙｗｏｄｅｋｏｔｌｇａ；ｐｅｄ — ａｄｍｅｕｎｅｏｌｔｃｓｏＰ
Ａａｐｉａｉｎｌｄｔｃｉｎｍｅｈｄｒｌｔｄｔａｄｒｍｐｅｎａｉｎｗｅｋｏｔｃｌｓｇａｅｅｔｏｔｏｅａｅｏｈｒｗａｅｉｌｔｔｍｅｏ
ＬｉｇＸｉＩＢｎｎ，ＺｉＪａＵＨａｉｏ
微弱光信号检测的硬件电路主要由三部分组成：信

基于HgCdTe红外探测器的微弱信号检测电路设计

表明：系统中运行的检测电路具有较高ห้องสมุดไป่ตู้信噪比和较好的稳定性，量精度高，实现对大气在测可
环境的红外遥感。
关键词：测电路；外探测器；弱信号；噪声设计检红微低
中图分类号：ＴＮ２６；０ＴＰ７２２３．文献标志码：Ａ
ｓｌｔｍｐｒｔｒｒｔａｄｓｒｎｎｉａｍａｌｅｅａｕｅｄｉｎｔｏｇａｔｊｍｍｉｇｃｐｂｌｙｆ — ｎａａｉｔ．Ｕｓｎｉｅｅｏｒｓｐｌｎｉｉｇａｆｔｒｄｐｗｅｕｐｙ，ａｄｌ
ｏｈｅｉｎｃｎｅｔｏｉｃｉ，ｉｒｑｉｅｉｈｓｇａｏｎｉｅｒｔｏ（ＮＲ），ｈｇｅｓｔｉｙ，ｎｔｅｄｓｇｏｃｐｆｃｒｕｔｔｅｕｒｓｈｇｉｎｌｏｓａｉＳｔｉｈｓｎｉｖｔｉ
ＡｂｔａｔＰａｓｖｎａｉｓｒｃ：ｓｉｅｄｙｍｃＦＴＩｓｅｔｏｍｅｅａｅｕｅｏｒｔｐｅｔａｎａｙｉｎｖｒｎ— Ｒｐｃｒｔｒｃｎｂｓｄｆｈｅｓｃｒｌａｌｓｓｏｆｅｉｏｍｅｔｌｒｄｉｔｏｎａａａｉｎ，ａｎｒｒｄｓｇｎｌｄｔｃｉｎｐａｎｉｐｔｎｔｒｅｉｐｅｔｏｍｅｒ．Ｂａｅｎｄｉｆａｅｉａｅｅｔｏｌｙｓａｍｏｒａｏｌｎｓｃｒｔｙｓｄ
电路设计原理，用滤波电源供电，用高速低噪声高精度的运算放大器，采使通过合理的电路布局和元器件选择来设计红外信号检测电路。在大气环境和室内气室的实验条件下，外信号检测红

微弱光强信号采样电路设计

图Q !@ 型反馈电阻网络放大器电路 9 # ; Q L * % ) 6 " + J" . . % % ! 3 & 4 J+ % # ) & * 4 % !@ :
"` 2 3 ) + & 4 ) B C : I5 I C E B 6D C : B 6M ; I ; E I C 5 :E C L E 9 C IC D9 D ; MC : A B : L ; E C D C 5 : A ; B D 9 L C : R G NR G ! C : D I L 9 A ; : I D 7 ) 5D 5 6 O ; I H ;R L 5 S 6 ; A5 K B A 6 C K C E B I C 5 :B : MD B A 6 C : 5 L K B C : I5 I C E B 6 D C : B 6 I H C D R R GK R G ! M ; D C : D BX C : M5 K B ; L B : B 6 U ; D I H ; D H 5 L I E 5 A C : D5 K I L B M C I C 5 : B 6 H 5 I 5 ; 6 ; E I L C EM ; I ; E I C 5 :E C L E 9 C I G R R N G R ! H 5 I 5 ; 6 ; E I L C EM ; I ; E I C 5 :E C L E 9 C IF C I HR L 5 L B AA B S 6 ;A B : C K C E B I C 5 : S B D ; M5 :I H ;B 6 C E B I C 5 : D5 K R G G R R ) = : ; I F 5 L X5 KK ; ; M S B E XL ; D C D I B : E ;B : MA 9 6 I C D I B ;B A 6 C K C ; LE C L E 9 C I 7) H L 5 9 HI H ;L B I C 5 : B 6 G R G ! B 6 6 5 E B I C 5 :5 KS ; K 5 L ;B : MB K I ; LE 6 B D DA B : C K C E B I C 5 : I H C DD B A 6 C : C L E 9 C II H B IC A L 5 O ; DI H ; G R GE R !C DD 9 C I B S 6 ;K 5 LI H ;M ; I ; E I C 5 :5 KK B C : I L ; D 5 : D ;D ; ; MB : ML ; M 9 E ; D: 5 C D ;L ; 9 C L ; A ; : I D R R b ! E B I I ; L ; M 6 C H I B : ML ; K 6 ; E I ; M 6 C H IF C I H 6 B L ; L B : ;5 K C : I ; : D C I : MF B O ; 6 ; : I H 7 K 6 9 5 L ; D E ; : E ;D G G G G NB G " ' ' ' 5 % " + ! K B C : I 5 I C E B 6 D C : B 6 ) = : ; I F 5 L X5 K K ; ; M S B E X L ; D C D I B : E ; A 9 6 I C D I B ; B A 6 C K C ; L E C L E 9 C I R G G R ,6 L 5 L B AA B S 6 ;A B : C K C E B I C 5 : R G G

适用于光纤传感微弱信号检测的A／D转换芯片接口电路设计

ＷＥＮｉｏｗｅＨＥｉＳ，Ｍａ — ｎ，Ｒｕ — ｉＰＥＩＬｉ
（ｎｔｕｅＬｇｔｖｅｎｌｙＢｉｎａｔｎｉｒｉＢｉｎ００４ＣｉａＩｓｔｔｉｉ￣ｅｃｏｏｅｉｇＪｏｏｇＵｎｚｓｙ，ｅｉ１０４，ｈｎ）ｋＴｈｇｊｉ￣ｔｊｇ
ＡｂｔａｔＳｒｎｔｉｅｐｉｅｓｒｄｔｃｉｎｉｏｓｄｒｄｂｃｕｅｏｔｘｅｌｎｉｅｒｔｓｒｃ：ｔｅｇｈｆｒｏｔｓｎｏｅｅｔｓｃｎｉｅｅｅａｓｆｉｅｃｌｔｌａｉｂｃｏｓｅｎｙ，ｈｇｅｉａｃｏｉｈｒｓｔｎｅｔｓｅｅｔｏｇｅｉｉｔｒｅｅｃｎｔｅｈｒｃｅｉｔｓＩｒｅｏｕｉｚａｉｕｃａｉｎ，ａｄｆｒｈｒｅｈｎｌｃｒｍａｎｔｎｅｆｒｎｅａｄｏｈｒｃａａｔｒｓｉ．ｎｏｄｒｔｔｉｅｉｖｒｓｏｃｓｓｎｕｔｅｎａ — ｃｃｌｎｏｏｃｎｈｅｓｔｉｙｏｈｅｅｔｎｏｗ— ｏｒｉｎｌｅｄｌｔｎｉｏｔｎ．Ｔｈ／ｃｎｅｔｒｃｉｓｆｒｉｇｔｅｓｎｉｉｔｆｔｅｄｔｃｉｆｏｐｗｅｇａｄｍｏｕａｉｉｖｏｌｓｏｓｍｐｒａｔｅＡＤｏｖｒｅｈｐｏａｗｅｋｓｎｌｅｅｔｎｉｈｉｅｐｉｅｓｎｎｒｇａａｉａｔｃｉｔｅｆｒｔｓｎｉｇａｄｐｏｒｍｍａｌｌｇｃｄｖｃｔｒａｅｃｒｕｔｅｉｎａｅｉｔｏｇｄｏｎｂｏｃｂｅｏｉｅｉｅｉｅｆｃｉｃｉｄｓｇｒｒ — ｎｎｄｃｄｈｄａｔｇｓａｄｄｓｄａｔｇｓｏａｉｕｐｉｎｒｎｌｓｄａｄｓｍｍａｉｄａｄａｐｒｆｔｅｐｏｕｅ，ｔｅａｖｎａｅｎｉａｖｎａｅｆｖｒｓｏｔｓａｅａａｙｅｎｕｏｏｒｅｎａｔｏｈｒ —

光纤光栅微弱信号检测的解调电路_贾振安

文献标识码： A
文章编号： 1002 － 1841（ 2012） 05 － 0079 － 03
Demodulation Electric Circuit of Optical Fiber Grating Weak Signal Detection
JIA Zhen-an，ZHENG De-lin （ Xi'an Petrolenu University Key Laboratory of Photoelectricity Gas-oil Logging and Detecting of EMC，Xi'an 710065，China）
大器的输出通常需要匹配到 50Ω，以便能够与下一级电路级联［4］。由于光电信号相对比较微弱，因此互阻放大器和前置放
大部分需采用失调电压和偏置电流小的运算放大器，以减少噪
声。运算放大器 OPA2277PA 工作电压为 4 ～ 36 V，失调电压 Vio = ± 50 μV，偏置电流 Ib = ± 2. 8 nA，噪声电压 En = 8 nV / Hz － 2 ，噪声电流 In = 0. 2 pA / Hz － 2 。根据等效输入噪声模型由放大器提供的噪声由式（ 1）计算；
号速率相适应，通常为 0. 7 倍的信号速率，以同时获得较好的噪声和码间干扰性能［3］。此外，从时域上看，带宽还影响输出
电压波形的上升和下降时间；等效输入噪声电流谱密度决定着
最小能够检测到的光电流；而当输入电流增大时，互阻放大器
又会进入饱和，因此，电压余度决定着动态范围的大小；互阻放图 1 光电解调电路原理图
工作，接收光信号形成光生载流子并雪崩倍增，形成放大的电信号作为前置放大电路的输入信号，在经过固定的雪崩增益的前放电路后，进入后续电路。由于雪崩管的特性（雪崩效应和雪崩击穿效应）对温度变化非常敏感，所以需要通过温度监控电路自动调整雪崩管的偏置电压，以达到温度补偿的目的。 GT322 InGaAs PIN 光电二极管，其光敏面积为 60 μm，光谱响应范围为 900 ～ 1 700 nm，暗电流为 0. 11 nA，响应度为 0. 94 μA / μW，响应速度约 0. 3 ns． APD 需要的偏置电压高达 60 V，因此需要专门的升压电路，可采用 DC － DC 开关升压的方法，将 2. 7 ～ 11 V 的直流电压最大升高到 70 V．升压电路芯片采用 MAX15031，输出电压通过反馈电阻进行调节。APD 偏置电路如图 2 所示。

微弱光电信号检测与采集技术研究

微弱光电信号检测与采集技术研究微弱光电信号检测与采集技术研究一、引言光是一种重要的信息载体，存在于自然界和人类活动的方方面面。

然而，许多重要的光源都非常微弱，例如，红外线、荧光、低亮度星光等。

为了更好地实现对这些微弱光信号的检测和采集，微弱光电信号检测与采集技术得到了广泛的研究。

本文将深入探讨微弱光电信号检测与采集技术的研究进展。

二、微弱光电信号检测技术微弱光电信号的检测是一项具有挑战性的任务。

目前，常用的微弱光电信号检测技术主要包括增益放大、光增强技术、超高灵敏度探测器等。

其中，增益放大技术是最常用的一种方法。

通过利用放大器对微弱光信号进行放大，可以提高信噪比，从而更好地检测信号。

光增强技术利用光学器件将微弱光信号转化为明亮图像，以增加信号强度。

超高灵敏度探测器利用其在低光条件下的高灵敏度，可以提高光信号的检测效果。

三、微弱光电信号采集技术微弱光电信号的采集是将检测到的微弱光信号转化为数字信号或模拟信号的过程。

常用的微弱光电信号采集技术主要有模数转换技术、频率调制技术和时间插值技术等。

模数转换技术是将连续的模拟光信号转换为数字信号的过程。

通过提高模数转换器的分辨率和采样速率，可以更准确地采集微弱光信号。

频率调制技术是将微弱光信号的频率调制到可检测范围内，以提高信号强度。

时间插值技术是利用插值算法对微弱光信号进行时间上的插值，从而提高信号采样率和灵敏度。

四、微弱光电信号检测与采集技术的应用微弱光电信号检测与采集技术在许多领域中得到广泛应用。

以生物医学为例，微弱光电信号检测与采集技术在光动力疗法、荧光成像和生物标记等领域中发挥了重要作用。

在光动力疗法中，通过对微弱光信号的检测和采集，可以实现对癌细胞的精确照射，提高治疗效果。

在荧光成像中，微弱光电信号检测与采集技术可以实现对生物组织中的荧光信号的高灵敏度检测，以获得更准确的生物信息。

此外，在生物标记中，微弱光电信号检测与采集技术可以用于快速准确地检测生物标记的存在与浓度。

微弱信号检测技术的原理及应用(含卡尔曼滤波与维纳滤波)

微弱信号检测技术的原理及应用2018年1月一、微弱信号检测的基本原理、方法及技术在自然现象和规律的科学研究和工程实践中，经常会遇到需要检测诸如地震的波形和波速、材料分析时测定荧光光强、卫星信号的接收、红外探测以及生物电信号测量等。

这些测量量被强背景噪声或检测电路的噪声所淹没，无法用传统的测量方法检测出来。

微弱信号，为了检测被背景噪声淹没的微弱信号，人们进行了长期的研究工作，分析背景噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点、相关性以及噪声的统计特性，以寻找出从背景噪声中检测出目标信号的方法。

微弱信号检测技术的首要任务是提高信噪比，这就需要采用电子学、信息论和物理学的方法，以便从强噪声中检测出有用的微弱信号。

微弱信号检测技术不同于一般的检测技术，主要是考虑如何抑制噪声和提高信嗓比，因此可以说，微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。

抑制噪声的现代信号处理手段的理论基础是概率论、数理统计和非线性科学。

1、经典检测与估计理论时期这一时期检测理论主要是建立在统计学家工作的基础上的。

美国科学家WienerN .将随机过程和数理统计的观点引入到通信和控制系统中，提出了信息传输和处理过程的统计本质，建立了最佳线性滤波理论，即维纳滤波理论。

NorthD.O.于1943年提出以输出最大信噪比为准则的匹配滤波器理论；1946年卡切尼科夫(BA.K)提出了错误判决概率为最小的理想接收机理论，证明了理想接收机应在其输出端重现出后验概率为最大的信号，即是将最大后验概率准则作为一个最佳准则。

1950年在仙农信息理论的基础上，WoodwardP.M.把信息量的概念用于雷达信号的检测中，提出了理想接收机应能从接收到的信号加噪声的混合波形中提取尽可能多的有用信息。

但要知道后验概率分布。

所以，理想接收机应该是一个计算后验概率分布的装里。

1953年以后，人们直接利用统计推断中的判决和统计理论来研究雷达信号检测和参盘估计。

密德尔顿(Middleton D)等用贝叶斯准则(最小风险准则)来处理最佳接收问题，并使各种最佳准则统一于风险理论。

微弱信号检测

光电检测技术——微弱光检测一、相关检测原理 (2)1 相关函数 (2)2、相关检测 (3)二、锁定放大器 (6)1、基本原理 (6)2、锁定放大器的主要参数 (8)三、光子计数技术 (10)1、基本原理 (10)2、光子计数器的组成 (13)3、光电倍增管 (14)4、光子计数系统的测量误差 (15)在许多研究和应用领域中,都涉及到微弱信号的精密测量.然而，由于任何一个系统部必然存在噪声，而所测量的信号本身又相当微弱，因此，如何把淹没于噪声中的有用信号提取出来的问题具有十分重要的意义。

在光电探测系统中，噪声来自信号光、背景光、光电探测器及电子电路。

通常抑制这些光学噪声和干扰的方法是：合理压缩系统视场,在光学系统结构上抑制背景光，加适当光谱滤波器，空间滤波器等以抑制背景光干扰。

合理选择光信号的调制频率，使信号频率远离市电（50Hz)频率和空间高频电磁波频率，偏离l／f噪声为主的区域，以使光电探测系统在工作的波段范围内达到较高的信噪比。

此外，在电子学信号处理系统中采用低噪声放大技术,选取适当的电子滤波器限制系统带宽，以抑制内部噪声及外部干扰。

保证系统的信噪比大大改善，即使信号较微弱时，也能得到S/N>1的结果。

但当信号非常微弱，甚至比噪声小几个数量级或者说信号完全被噪声深深淹没时，再采用上述的办法，就不会有效,必须利用信号和噪声在时间特性方面的差别，也即利用信号和噪声在统计特性上的差别去区分它们，来提取被噪声淹没的极微弱信号，即采用相关检测原理来提取信号。

一、相关检测原理利用信号在时间上相关这一特性，可以把深埋于噪声中的周期信号提取出来,这种摄取方法称为相关检测或相干接收，是微弱信号检测的基础。

信号的相关性用相关函数采描述，它代表线性相关的度量,是随机过程在两个不同时间相关性的一个重要统计参量。

1 相关函数相关函数R xy是度量两个随机过程x(t），y（t)间的相关性函数，定义为（1）式中τ为所考虑时间轴上两点间的时间间隔.如果两个随机过程互相完全没有关系(例如信号与噪声,则其互相关因数将为一个常数，并等于两个变化量平均值的乘积；若其中一个变化量平均值为零(例如噪声），则两个变化量互相关函数R xy将处处为零，即完全独立不相关.如果两个变化量是具有相同基波频率的周期函数，则它们的互相关函数将保存它们基波频率以及两者所共有的谐波。