西安电子科技大学：《光电探测技术与系统》课程电子教案（PPT课件讲稿）第05章 光电探测系统的信噪比

第五章 光电深测素统的信噪比 §5.1信噪比的概念 噪声对测量的影响、噪声的类型 §5.2噪声源 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、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、基于调制的改 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 2022/10/7 1

2022/10/7 1 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 §5.2 噪声源 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、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、基于调制的改 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

§5.1信噪比的概念 5.1.1噪声对测量的影响 测量仪器的精度取決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。 2022/10/7 2

2022/10/7 2 §5.1 信噪比的概念 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。 5.1.1 噪声对测量的影响

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 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次测量的标准偏 差。设第次测量的信号值为E,经过n次测量获得的信号均值为 E-EIn (5.1-2) 于是，方均根噪声 2m- (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)。 2022/10/7 3

2022/10/7 3 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 E n n i i = ∑ / =1 （5.1-2） 于是，方均根噪声 2 1 ( ) ( 1) n rms i i N E E n = = − −  （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）

5.1.2噪声的类型 噪声可分为 ()加性噪声和乘性噪声 (2)基本噪声和非基本噪声 (3)白噪声、频谱与频率成反比的1/噪声、干扰噪声 (④)外部噪声、内部噪声 2022/10/7 4

2022/10/7 4 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

§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。 2022/10/7 5

2022/10/7 5 §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

5.2.1几种典型的内部噪声 (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）。 其有效值为 1 =eiaAf,V =2eigAfR2 (5.2-2) 如果探测器具有内增益M,则上式还应乘以M。 (2)产生-复合噪声 对光电导探测器，载流子热激发的是电子-空穴对。因此，不仅有载流子产生的起伏， 而且还有载流子复合的起伏，这样就使起伏加剧，简称为产生-复合噪声，记为gr和Vg 即 1g-,=V4ei4M2，或Vg-,=V4ei,R2M2A/ (5.2-3) 式中，M是光电导的内增益。 2022/10/7 6

2022/10/7 6 5.2.1 几种典型的内部噪声

(3)光子噪声 光子噪声，全称光电子噪声，是由光的统计本质和光电传感器中光电转换过程引起的。 对于成像测量系统，在弱光照的情况下，光子噪声其影响更为严重，此时常用具有泊松 密度分布的随机变量作为光子噪声的模型。 (4)热噪声 热噪声存在于所有电子器件和传输介质中，又称为约翰逊噪声。热噪声的大小与阻性材 料的阻值、温度及工作带宽有关。例如，电阻R的热噪声电流为 i话=4KTy/R (5.2-4) 相应的热噪声电压为 话=R22=4KIR△f (5.2-5) 噪声的电压有效值和电流有效值分别为 =匠=4KR4,或I,=居=V4KRAf1R (5.2-6) 2022/10/7

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(5)1f噪声 1f噪声又称为闪烁噪声或低频噪声。实验发现，探测器表面的工艺状态（缺陷或不均 匀等)对这种噪声的影响很大，所以有时也称为表面噪声或过剩噪声。1f噪声的经验规 律为 in2=KI,f1f,或un=KI.R”·△f1f9 (5.2-7) 式中，K为与元件制作工艺、材料尺寸、表面状态等有关的比例系数；为系数，它与 流过元件的电流有关，其值通常取2；为与元件材料性质有关的系数，其值在0.8~1.3之间， 大部分材料的值取1；y与元件阻值有关，一般在1.4~1.7之间。 一般说，只要限制低频端的调制频率不低于1kHz,这种噪声就可以防止。 (6)温度噪 它是由于材料的温度起伏而产生的噪声。在热探测器件中必须考虑温度噪声的影响。 温度为T的物体的热流量噪声方均值为 △Φ2=4AT2△ (5.2-8) 式中，A为传热面积；h为传热系数，其单位为W/(K):k为玻尔兹曼常数：T为材 料温度；△f为通带宽度。 2022/10/7 8

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5.2.2典型传感器的噪声分析 5.2.2.1光电倍增管的噪声 光电倍增管的噪声主要由散粒噪声和负载电阻的热噪声组成。其中，负载电阻的热噪声为 4KTA (5.2-9) R 而散粒噪声主要由阴极暗电流I,背景辐射电流Ih以及信号电流【s的散粒效应所引起的。 阴极散粒噪声电流为 Ia=2g印kAf=2gAfL+bk+1） (5.2-10) 散粒噪声电流将被逐级放大，并在每一级都产生自身的散粒噪声。如第1级输出的散粒噪声 电流为 I1=uG)2+2gμ64f=61+6) (5.2-11) 2022/10/7 9

2022/10/7 9 5.2.2 典型传感器的噪声分析

第2级输出的散粒噪声电流为 ID2=(1)+2ql8+8) (5.2-12) 第级倍增极输出的散粒噪声电流为 Ia=66263…6n(1+6n+6n6n1+…+a6a1…d) (5.2-13) 为简化问题，设各倍增极的发射系数都等于δ（各倍增极的电压相等时发射系数相差很小） 时，则倍增管末倍增极输出的散粒噪声电流为 Tron =2qhG28 (5.2-14) 6-1 对光电管而言，δ通常在36之间，并且，8越大，。 越接近于1。光电倍增管输出的散 6-1 粒噪声电流简化为 IiDn =2qlxG2Af (5.2-15) 2022/10/7 10

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