付小宁版“光电检测技术与系统”第五章-光电探测系统的信噪比

第5章主要讨论改善和提高光电探测系统信噪比的技术。

第五章 光电探测系统的信噪比§5.1 信噪比的概念噪声对测量的影响、噪声的类型 噪声对测量的影响、

§5.2 噪声源几种典型的内部噪声、 几种典型的内部噪声、典型传感器的噪声分析

§5.3 信噪比与系统参数探测系统放大器的噪声系数、噪声等效带宽、 探测系统放大器的噪声系数、噪声等效带宽、红外成像系统的温 度分辨率

§5.4 信噪比改善技术频域处理、背景和信号的水平调整、光子计数、 频域处理、背景和信号的水平调整、光子计数、基于调制的改 善技术、双光束&双通道技术 时域滤波技术、 双通道技术、 善技术、双光束 双通道技术、时域滤波技术、基于多阵列信号处理 的技术、其他技术118 的技术、其他技术

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§5.1 信噪比的概念5.1.1 噪声对测量的影响 测量仪器的精度取决于测量原理和测量方法。对于具体光电探测 系统，测量精度最终受信号噪声的限制。所谓噪声，指探测器所接收 到的、对信号有明显干扰作用的一切信息。事实上，噪声对探测系统 性能的影响是如此之大，以至于系统开发过程中的参数优化的一项重 要的工作就是降低噪声的相对量或增加信噪比。 对光电探测系统而言，引入噪声的途径很多，如光源、直接进入 或散射漏入光路中的其它辐射，光路器件本身的干扰(如像差、平面 度误差),辐射换能器的多种噪声、信号数字化的量化误差、信号处 理电路自身的噪声，等等。这里，噪声的概念不包括操作失误、读数 误差等因素。

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在实际测量过程中，真实信号(真值)是不可知的，信号和噪声也是不可分离的，但有 一点是明确的，大的噪声产生大的测量标准偏差，方均根噪声就是信号 n 次测量的标准偏 差。设第 i 次测量的信号值为 Ei,经过 n 次测量获得的信号均值为

E =∑ i / n Ei= 1

n

(5.1-2)

于是，方均根噪声Nrms =

∑ (E E)i= 1 i

n

2

(n 1 )

(5.1-3)

当测量误差的分布规律可以知道或可以被合理地近似处理(例如采用正态分布 代替)时，就可以利用测量得到的信号均值、标准偏差来估计一定概率下真值 的取值范围(可靠范围，或称置信区间),其概率则称为置信概率或置信度 (置信水平)。

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5.1.2 噪声的类型 噪声可分为 ⑴ 加性噪声和乘性噪声 ⑵ 基本噪声和非基本噪声 ⑶ 白噪声、频谱与频率成反比的1/f噪声、干扰噪声⑷ 外部噪声、内部噪声

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§5.2 噪声源

光电探测系统的噪声来自光源、光路、光电探测器、放大、A/D转换 及处理电路等各个环节。

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5.2.1 几种典型的内部噪声

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5.2.2 典型传感器的噪声分析

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5.2.2.2 光电二极管的噪声

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信号部分：光生电流信号信号功率为P(t)的调制光信号落在检测器上，则产生的 初级光电流为： ηq P (t ) = I DC + i p (t ) i ph (t ) = hv 对于pin,均方信号电流为：2 i s2 = σ s2, pin = i p (t )

对于APD,均方信号电流为：2 is2 = σ s2, APD = i p (t ) M 2

对于一个调制指数为m的正弦输入信号，信号成分为：m2 2 2 2 i p (t ) = σ p = Ip 2 2012-3-113

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光电检测器的噪声包括量子噪声 量子噪声、光电二极管材料引起的 量子噪声 暗电流噪声和由倍增过程产生的倍增噪声 倍增噪声。 暗电流噪声 倍增噪声 量子噪声是光电子产生和收集过程具有的统计特性。对于接 量子噪声 收带宽为B的接收机，量子噪声均方根电流和光电流Ip的平均 值成正比。其中F(M) ≈ Mx是噪声系数，它与雪崩过程的随机 特性有关。 i 2 = σ 2 = 2qI BM 2 F ( M )Q Q P

光检测器暗电流 暗电流是指没有光入射时流过检测器的偏置电路的 暗电流 电流，它是体暗电流和表面暗电流之和： 体暗电流：pn结区热产生的电子和(或)空穴。2 2 i DB = σ DB = 2qI D M 2 F (M )B

表面暗电流：表面缺陷、清洁程度等引起的漏电流。2 2 i DS = σ DS = 2qI L B2012-3-1 14

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雪崩倍增噪声APD中的雪崩过程具有统计特性，不同的光生载流子 的放大倍数可能不同，给放大后的信号带来了幅度上的随机 噪声。这里定义F(M)为过剩噪声因子，它近似等于：F (M ) ≈ M x

因子F(M)用于衡量由于倍增过程的随机性导致的检测器噪声 的增加。参数x称为过剩噪声指数，一般取决于材料，并在 0~1之间变化，x对于Si APD为0.3,对InGaAs APD为0.7, 对Ge APD 为1.0。 对于pin光电二极管，F(M)和M都等于1。2012-3-1 15

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总噪声光检测器的总均方噪声电流为：2 2 2 2 2 iN = σ N = iQ + iDB + iDS 2 2 2 = σ Q + σ DB + σ DS

= 2q ( I P + I D ) M 2 F (M )B + 2qI L B

放大器输入阻抗一般远大于负载电阻RL,因此检测器的负载 热噪声由RL的热噪声决定：2 2 iT = σ T =

4k B T B RL16

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其中KB为波尔兹曼常数，T是绝对温度。

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§5.3 信噪比与系统参数

在光电探测系统中，与信噪比有关的系统参数主要有噪声系数、噪声等效带 宽、等等；在红外成像系统中，主要有温度分辨率参数。

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5.3.1 探测系统放大器的噪声系数

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5.3.2 噪声等效带宽

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5.3.3 红外成像系统的温度分辨率

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