第四篇 光辐射探测2.ppt

主要分为:有形噪声和无规噪声 前者一般可以预知，因而总可以设法减少和消除。 后者来自物理系统内部，表现为一种无规则起伏。 例如，电阻中自由电子的热运动，真空臂中电子的随机发射，半导体中载流子随机的产生和复合等，这些随机因素把一种无规则起伏施加给有用信号。 起伏噪声对有用信号的影响。 假定入射光是正弦强度调制的，放大器是一个可以任意改变放大量的理想放大器。 当入射光强度较大时，在示波器上可以看到正弦变化的信号电压波形 。 降低入射光功率时，增大放大率，发现正弦电压信号上出现许多无规起伏，使正弦信号变得模糊不清(图(b))。 再降低入射光功率时，正弦波幅度越来越小，而杂乱无章的变化愈来愈大。最后只剩下了无规则的起伏，完全看不出什么正弦变化，这叫做噪声完全埋没了信号。当然这时探测器也失去了探测弱光信号的能力。 从上面讨论中，我们应该建立这样的观念： 上述现象并不是探测器不好所致。 它是探测器所固有的不可避免的现象。 任何一个探测器，都一定有噪声。也就是说，在它输出端总存在着一些毫无规律，事先无法预知的电压起伏。 这种无规起伏，在统计学中称为随机起伏，它是微观世界服从统计规律的反映。 从这个意义上说，实现微弱光信号的探测，就是从噪声中如何提取信号的问题，这是当今信息探测理论研究的中心课题之一。 二、噪声的描述 噪声电压随时间无规则起伏情况。 显然，无法用预先确知的时间函数来描述它。 然而，噪声本身是统计独立的，所以能用统计的方法来描述。 长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相等的，其时间平均值一定为零。所以用时间平均值无法描述噪声大小。 但是，如果我们先取噪声电压的平方，然后求这些平方值对时间的平均值，再开方，就得到所谓方均根噪声电压un，即 这正是我们用电压表所测量到的那种有效电压。 虽然噪声电压的起伏是毫无规则，无法预知的，但其方均根电压却具有确定值。 这就是噪声电压(噪声电流也一样)服从统计规律的反映。 由于产生探测器起伏噪声的因素往往很多，且这些因素又彼此独立，所以总的噪声功率等于各种独立的噪声功率之和，即 为此，把探测器输出的方均根噪声电压(电流)称为探测器的噪声电压(电流)。 显然，探测噪声的存在，就使得探测器对光信号的探测本领受到一个限制。 所以定量估计探测器的噪声大小就显得很重要了。 由于许多时域问题往往在频域中讨论可能更为方便，方法是付里叶变换。 若噪声电压为un(t)，则其付里叶变换对为 成立的条件是un(t)绝对可积，即 显然，无限延续的噪声电压并不能满足上式。 因此，无限延续的噪声电压的幅度付里叶谱不存在。 为了克服这个困难，但还要使用付里叶变换的方法，办法是引入噪声电压的自相关和功率谱。 自相关定义为： 意思是对噪声电压进行相关运算并求时间平均值。 显然它满足绝对可积条件，因而它的变换谱存在，即 在自相关定义中，令t＝0，则 式中 表示噪声电压平方的平均值， 它的物理意义：噪声电压消耗在1Ω电阻上的平均功率。 同样，在(3)式中令t＝0，则有： 式中使用了 的关系。 为了表述得更清楚一些，还可以从(4)式出发，并令 再应用付里叶变换对，可以证明： 比较(5)和(6)式，就有 或 它们是单位频带噪声电压消耗在1Ω电阻上的平均功率，称为噪声电压的功率谱。 实际上，探测器的测量带宽是有限的，用Δf表示，那么当g( f )＝常数(这种噪声又称为白噪声)时: 于是，求噪声 或Vn的问题就转化为求解噪声功率谱g(f)的问题了. 三、光电探测器的噪声源 依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、产生—复合噪声、热噪声和低频噪声。 是光电转换物理过程中固有的，是一种不可能人为消除的输出信号的起伏，是与器件密切相关的一个参量。 因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁到导带，或者电子逸出材料表面等过程，都是一系列独立事件，是一种随机的过程。每一瞬间出现多少载流子是不确定的，所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在信号较弱时，光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。 按噪声产生的原因，可分为以下几类 1.散粒噪声： 无光照下，由于热激发作用，而随机地产生电子所造成的起伏（以光电子发射为例）。 由于起伏单元是电子电荷量e，故称为散粒噪声，这种噪声存在于所有光电探测器中。 热激发散粒方均噪声电流为 其有效值为 相应的噪声电压为 如果探测器具有内增益M，则上式还应乘以M。 光电探测器是依靠内场把电子—