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4.5锁定放大器4.5.1锁定放大器原理4.5.2相关器4.5.3同步积分器4.5.4旋转电容滤波器4.5.5双相锁定放大器4.5.1锁定放大器原理一、窄带滤波原理●理想的窄带滤波器：滤波器的带宽可以无限窄，趋近于零，即滤波器的带宽可以做到点频，那么这个滤波器就可以极大地改善信噪比。●实际的窄带滤波器：带通滤波器的品质因数Q：中心频率f0和带宽Δf之比（或ω0⁄Δω），Q的定义为：ω0为中心频率，Δω为带宽。品质因数是衡量带通滤波器性能的指标。●一般的窄带滤波器其Q值达到104已很不容易，中心频率的稳定度要求达到10-6以上也难做到。0Q●锁定放大器：Q值为108以上，而频率稳定度可以达10-8以，锁定放大器不仅可以滤除带外的噪声和干扰，而且对带内的噪声也有一定的滤除作用。因为锁定放大器利用了信号的相位特征，对于同频且同相的可以顺利通过，对于同频而不同相的，则有一定的衰减作用，对于同频的噪声，也是如此。●注意：锁定放大器最终的输出是直流量。这就是说，锁定放大器虽然能把深埋于噪声之中的微弱的交流信号检测出来，但是它不能将微弱信号不失真地放大，它不是一个普通意义（电子技术中）所讲的放大器，实际上它是一个微弱信号检测计。习惯上，称锁定放大器。●性能优异的锁定放大器能把幅值小到0.1nV且信噪比小于1/103的周期信号检测出来，并放大到10V。锁定放大器实际上是完成了窄带放大并检波的功能。二、典型锁定放大器的原理●典型的锁定放大器的原理框图如图典型的锁定放大器主要由三大部分组成：信号通道、参考通道、相关器Vo(t)低噪声前放各类滤波器陷波器组合放大×∫触发移相驱动信号通道参考通道相关器相敏检波衰减、调谐放大含噪声的信号参考信号Vs(t)+ni(t)VR(t)1.信号通道从探测器输出的信号或源发出的信号经过被测物体后十分微弱，其信噪比甚至低于1/103。——信号被噪声和干扰所淹没首先经过低噪声前置放大器进行放大；然后再通过各类滤波器和陷波器将信号进行初步的预处理，将带外噪声和干扰尽量排除；然后再作进一步的放大，以便送到相关器进行检测；若被检测信号的频率不稳定，频率改变或漂移了，参考信号的频率也必须跟着改变，总是保持着两种信号的频率相等。2.参考通道参考通道的信号是和被检测信号频率相同的周期信号。参考信号必须和被检测信号频率相同，这是进行锁定放大的一个必要条件，因此又称为频域相干检测。●参考信号送入参考通道后首先进入触发电路，产生和被检信号同频的方波。再经过移相电路进行移相，然后经过驱动电路功率放大后，再送达相关器去控制相关器的乘法器。相关器是锁定放大器的核心部件，锁定放大器之所以有很强的抑噪能力，主要是靠相关器的消除噪声和干扰。相关器主要是由一个乘法器和一个积分器组成。4.5.2相关器1.相关器及其性能分析（1）开关型乘法器原理性电路●相敏检波器（PhaseSensitiveDetector）简称PSD，是相干检测的心脏。PSD实际上是一个乘法器，是相关器的重要组成部分。经常使用的是开关乘法器。典型的相敏检波电路及波形如图：相敏检波器电路输入输出波形V01为未接C1、C2;V02为接C1、C2的输出电路分析：●信号Vs和参考信号VR同频同相正半周时，VR使G3、G2导通，（G1、G4截止）信号Vs通过G3、R3加到运放同相输入端，输出为正；负半周时，VR使G1、G4导通，而G2、G3截止，信号通过G1、R1加到运放的反相输入端，输出仍然是正。●若不接电容C1、C2，则输出信号波形不平滑，此时为脉冲输出；接上电容C1、C2，则输出信号经积分后波形平滑，且输出为与输入幅度成正比的直流信号。（2）特性分析为了分析PSD的特性，用简图表示如下：PSD开关型乘法器VR(t)VS(t)VO(t)设VR是如图所示的周期矩形方波：222TVEER12VR(t)t0T2E/2-E/2T2/2-T2/2根据傅里叶级数展开式，有：])12sin[(121420tnnVnR011201210121041sin()sin[(21)]212cos{[(21)]}(21)2cos{[(21)]}(21)sRsnsnsnVVVEtntnEntnEntn...
