光辐射探测过程的噪声

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1、光电系统与信号处理第四章光电信号处理第四章光电信号处理4.1光辐射探测过程的噪声4.2光电探测器的偏置电路4.3光电探测器的放大电路4.4微弱信号检测4.5锁定放大器4.6取样积分器4.7光子计数器4.1光辐射探测过程的噪声4.1.1光子噪声4.1.2放大器的噪声4.1.3噪声的测量4.1.1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：辐射体发射光子速率起伏的噪声功率谱密度为：•根据统计理论，可以计算出辐射体辐射功率起

2、伏的方差为：辐射体发射功率起伏的功率谱密度为：二、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。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。但对于相干辐射，则完全可忽略波动噪声，从而

3、将光子噪声视为一个严格的泊松过程。在通常处理的光谱范围内，满足λ<

4、电压——电流（En-In）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。•为了简化分析，通常采用En-In模型来描述放大器的总的噪声特性。•根据网络理论，任何四端网络内的电过程均可等效地用连接在输入端的一对电压电流发生器来表示。因而一个放大器的内部噪声可以用串联在输入端的具有零阻抗的电压发生器En和一个并联在输入端具有无穷大阻抗的电流发生器In来表示。两者相关系数为r。这个模型称为放大器的En-In噪声模型。一、放大器的En-In噪声模型Vs为信号源电压；Rs为

5、信号源内阻；Ens为信号源内阻上的热噪声电压：；Zi为放大器输入电阻Av为放大器电压增益，即对输入端的电压放大倍数；Vso、Eno分别为总的输出信号和输出噪声。~RsEnsVsInrZiAv无噪声放大器VsoEn利用En-In模型的优点：放大器便可看成是无噪声的，对放大器噪声的研究归结为只要分析En、In在整个电路中所起的作用。简化了电路系统的噪声的计算。模型的实验基础：能够通过实验测量得出En、In的具体大小等效输入噪声•利用En-In模型，一个放大系统的噪声简化为三个噪声即En、In和Ens。•进一步考虑这三个噪

6、声源的共同效果，我们将它们统统等效地归结到信号源位置上，用等效输入噪声Eni这个物理量来表示它们。根据叠加原理，考虑各噪声源在放大器输出端的贡献。Ens的贡献为：En的贡献为：In的贡献为：•若En、In不相关，将上述各项均方相加便得总的输出噪声为：•在上式中，有一个公共因子即放大系统对信号源的电压放大倍数。•当输入信号为Vs时，输出信号为因此等效输入噪声为：•意义：单一噪声源位于Vs位置上，代替了原系统的所有噪声源。称为等效输入噪声。•如果En、In是相关的，则：式中r为相关系数。宽带等效输入噪声窄带等效输入噪声放

7、大器En和In的实验方法测量1）Rs很小，En2占优势，输入端短路测量。2）Rs很大，In2占优势，取很大的源电阻测量。二、放大器的噪声系数NF在实际工作中常常需要考虑放大器、元件及系统的噪声性能。对于系统来说，其噪声性能不仅仅是指系统本身元器件产生噪声的大小，还包括它对信号影响的程度。因此，在噪声分析中通常是用噪声系数NF（NoiseFactor）作为衡量放大器、元件或系统噪声性能的指标。•等效输入噪声Eni的表示式中含有源电阻Rs及其热噪声项，故不宜用Eni作为衡量的指标。•另一方面，同时用En、In来表示又比较

8、麻烦。•先定义信噪比：电路信号功率与噪声功率之比，称为信号噪声比，简称信噪比，用符号S/N或Ps/Pn表示。•对于放大器来说，要求它们的输出端有足够高的信噪比。定义噪声系数：用分贝表示则写成：放大器的噪声系数的定义表示信号通过放大器后，信噪比变坏的程度。信号通过放大器后，假定放大器无滤波功能，则信号和噪声都同样放大了，放大器本身也有噪声，信噪比