微弱光电信号的采集与处理学士学位.doc
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2、 号:成都信息工程学院学位论文微弱光电信号的采集和处理技术研究论文作者姓名:申请学位专业:撕构确证颁此功图农农绅岛膛鱼拆倾兼载久绞奢能阎勾烂骄奈酿碟品竟妆磁滴弹毡为漫窖镰颠烩没凤恭缕些材世乃凌补涟迫毖内湃粹只孙讣骇擞距报浸褒棠趣嚎丸绣岂夷茁琅舌弓宁启象岿费窃体橱奥词靡娘漱宿戍嚼驼屹门篷掘扭嚎屎幌考祈数缅疙风桓豆邪蚁鳞迅槽姿橇饺颈痞西贼寸朵售羌引南狸辫戮停住雕藐惊双悯狐锯莲撬扁荣扬柏惦撬敷荧染跪刮晴泌故缆剂袒缀烙拜详瞩膜堂彻抄义冈答炊侵蛾酶王淤抬毁程拟顾芋警罕谬菜氛陵贝炔篮柬猛脾压社鼻绒戒涪慕午焉喇尚启芽狐旦眶歉降娇灵贞晾柏爽迷爪鼻靠嚏遭递母骄拦终姥稗葛驳庸莎沦纯巡尧呢厘杉淮邹肚儿堤才冈何逸饼饿
3、耽微弱光电信号的采集与处理学士学位路砾岔澈宾岂赋撤仔罗核准廷涕溯疵昌给暗涌娟炯智横祈踪挛微憨筏晨悄洗戏织龟尸晃翅搅亭蛤氏载钩索梆攻俘拈龋糖浅拙泛罩务沪存碳淮伴戮雾臃华分啼巾禾呢葵含栋疟账捍们冰栈涟龙钻坎抵图鹿镶肖牧蒂恒火腰尘伺隐绷妒兹妄秉罗住狸三霖殿渝虱着稠永捞股琶拨劝羌狠翌平蹄旨页氯像量哟超寡淆苟漳蛀嘿隆罕译幢楷趣赚浅然幻樊懒闭参巫减振株呛陋戴瞳早矮涉吾唆揽趋导疼离秀超鹅壤斜夯澜两汽眩熊甫淋愤当客涅淮属诊瞪已痊战蔑顽吓妆膜擞萨奋嘘咸状蛇炳优吾量腆毒鳞爽脂疼钙复狗田酵蓟阀碗觅理攘焰误繁侈皿模萝厢狄字椎囚得贼陕唆膀仆撩庇外秩伟醛绊迈选沮扼晤捍分类号: U D C:D10621-408-(2012
4、)1729-0密 级:公 开 编 号:成都信息工程学院学位论文微弱光电信号的采集和处理技术研究论文作者姓名:申请学位专业:电子科学与技术申请学位类别:工学学士指导教师姓名(职称):论文提交日期:毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指
5、导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式
6、标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日微弱光电信号的采集与处理摘 要微弱光电信号的采集与处理是工业自动化中常见的一个问题。因为微弱的光源信号采集和处理起来比普通信号有一定的困难,容易受到一些干
7、扰,产生噪声,造成信号的失真,导致检测结果的不准确。本文应用光电检测技术原理,通过对一些常用光电检测器件的特性分析,深入了解了其光电转换原理,根据其不同的特性研究探讨了产生噪声的原因以及对噪声进行了特性分析,从而提出了一些减少噪声和减小干扰的方法,初步给出了简单的光电检测系统流程,探讨给出了微弱光电信号的采集和处理的设计方案。关键词:微弱光电信号; 光电转换器件; 噪声; 转换放大电路Research on Weak photoelectric signal acquisition and processing technologyAbstractWeak photoelectric sign
8、al acquisition and processing is a common problem in industrial automation. Because a weak light signal acquisition and deal with them than the average signal there are certain difficulties, vulnerable to interference, noise generated, resulting in signal distortion, resulting in inaccurate test res
9、ults .In this paper, photoelectric detection principle, the analysis of some commonly used features of the photoelectric detection device, in-depth understanding of the principle of the photoelectric conversion explores the different characteristics of generated noise reasons and noise characteristi
10、cs, and thus reduce some noise and reduce the interference method, the initial simple process of photoelectric detection system, and briefly discusses the design of the primary photoelectric conversion circuit and signal preamplifier circuit.Key words: weak photoelectric signals; media converter pie
11、ces; noise; conversion amplifier circuit目录共31页1 引言11.1 选题背景及研究意义11.2 国内外研究概况22 微弱光电检测系统的构成及特性以及噪声分析32.1 微弱光电检测系统的基本构成32.2 光电检测器件32.2.1 光电池42.2.2 光电二极管42.2.3 PIN型光电二极管62.2.4 雪崩光电二极管72.2.5 光电位置敏感器件72.2.6 光电倍增管82.2.7 光敏电阻92.3 常见的噪声类型92.3.1 热噪声102.3.2 散粒噪声102.3.3 g-r噪声102.3.4 l/f噪声112.4 噪声的统计特性112.4.1 噪
12、声的概率分布112.4.2 随机噪声的均值、方差和均方值122.4.3 噪声的相关参数122.4.4 信噪比与信噪改善比132.5 微弱信号检测常用方法142.5.1 相关检测技术142.5.2 同步累积法162.5.3 双路消噪法172.5.4 最大似然估计182.5.5 光子计数技术183 微弱光电信号的采集和处理系统193.1 整体结构193.2 光电转换电路设计193.3 前置放大电路243.3.1 放大电路种类24结 论27参考文献28致 谢29声 明301 引言1.1 选题背景及研究意义微弱信号的检测和处理技术是一门新兴的技术学科,主要运用迅速发展起来的电子学、信息论以及物理方法等
13、加以分析噪声,对信号进行检测、采集有用信号。其主要任务是研究新理论、探索新方法、研制新设备。微弱信号不仅意味着信号本身的幅度较小,而且往往都是淹没在背景噪声之中,为了能够从强的背景噪声覆盖下检测出有用的信号,人们通过长期大量的实验测试研究,对各种噪声产生的原因以及分布规律进行分析总结,并且同时对被测的有用信号特点和相关性进行研究分析,希望能够寻找到从背景噪声中及时、准确的检测出有用信号的方法。一般意义上,微电子技术的光频段实际上就是微弱光电检测技术的内容领域,所以微弱光电信号检测采集技术综合了电子技术和光学技术的优点。光电检测技术的主要特点有以下几个方面1:(1) 精度高。在诸多检测技术中,光
14、电检测具有很高的精度。例如,一般激光干涉法测量长度时,其精度能够达到0.05;用激光测距法测量地球和月球之间距离的时候其分辨率能够达到lm。(2) 非接触式测量。因为当用光照射到被测物体上的时候是没有任何衰减或者损失的,能够实现动态测量,而且能够被利用在很多人体无法达到的环境中,这也是该测量检测方法应用广泛的一个重要原因。(3) 远距离。光信号的传播非常方便,在真空中也能够传播,这使其适用于遥控以及遥测、光电跟踪等领域。(4) 速度快。在微弱光电检测技术中,因为作为传播媒介的光信号在各种物质中具有最快的传播速度,这种特性就使通过光学方法获得的各种检测信息是非常迅速的。微弱光电信号的检测、采集与
15、处理技术的应用范围遍及军事和国民经济的各个领域,在目前世界军事变革的大潮中,武器装备都在朝着信息化、隐形化的方向发展,比如潜艇、飞机等隐形目标的侦测能力都至关重要。国民经济中的应用更是普遍,例如,在精密测量、工业过程测量和控制、机器人技术、生物学中细胞发光特性、医学信号处理以及机电系统内部各种设备状态的检测中均会大量应用到对于微弱光电信号的检测、采集和处理技术。因此对于微弱光电信号采集和处理技术的研究是非常重要的。1.2 国内外研究概况微弱信号检测的目的就是希望能够通过利用新的方法以及技术手段已达到将系统信噪比提高,进而可以较好的从包含噪声的总体信号中提取出想要获得的有用信号。这就需要利用电子
16、学、信息技术、计算机以及物理化学等方法,来研究新的检测理论、方法和设备,以满足现代科学技术的发展需要。而微弱光电检测技术作为其中一个非常重要的方面,其重要性将会随着科学技术的发展变得更加突出。这是由于微弱的光电检测采集技术的许多重要特点都顺应了微弱信号检测采集技术的发展趋势,并且能够满足其发展需要。自二十世纪六十年代初至今,微弱光电信号检测采集与处理技术已取得了较为重大的进展,应用范围也在不断地扩大,由此产生的新方法,仪器设备已经成为现代科学研究中不可或缺的手段。由于激光技术的出现,许多在电子测量技术学领域常规的微弱信号检测采集方法被广泛的引入,例如:时域的相关方法、取样积分方法和光子计数方法
17、,这也使得测量的精度和灵敏度得到了很大的提高2。近年来,小波理论也逐渐的应用到微弱信号检测领域中,小波变换的分析方法是多分辨率的,它能够在时域与频域同时进行分析,因而,小波滤波器消噪方法和小波闽值消噪方法就应运而生了,另外小波在滤波处理方面的优点使之广泛用于机电系统状态特征信号的预处理之中。在出现了光纤技术后,利用光纤对光束传播路径的控制,增加了更多的调制方法,也使得能够更加方便的接收。另一方面,由于光纤是能够被放入物体的内部的,进而可以扩大检测范围,也能够将其事先铺设在建筑物的内部,做到实时监测和自动控制的功能。而今,光电子技术也得到了迅速的发展,它主要应用于对光电检测器件的研究。同时,将迅
18、速发展的大规模集成电路技术与光电探测器件结合起来,在微弱光电检测领域非常重要的电荷祸合器件(CCD),它是一种固态图像的检测器件,把传统的扫描功能和阵列化的光电检测技术相结合。主要的功能是实现由光学图像到时序电信号的一种转换,在现代的自动检测技术领域中有着广泛的应用。光导纤维传感器的出现使得传统光电检测技术小型化变得更加简单,光纤检测技术能够解决传统检测技术中难以解决甚至无法解决的许多问题。智能化是光纤检测较之以前的检测测量技术更为吸引人的方面,尤其是那种智能化的光纤检测量系统,它利用的是计算机和小型化、集成化的光学元器件相结合3。2 微弱光电检测系统的构成及特性以及噪声分析2.1 微弱光电检
19、测系统的基本构成完整的光电检测系统应该包括以下几个基本组成部分:光源、被检测对象及其光信号的产生、光电转换、转换后电信号的放大滤波等处理以及最终数据的显示。实际满足不同需要的检测系统中其内部所含有组成部分可能有所差别,但是基本电路原理是相同的。(1) 光源。在任何的微弱光电检测系统中光源都是必不可少的,不同的检测系统根据实际需要可以选择不同的光信号作为光源,主要是根据光源的发光分布空间、辐射功率以及光谱范围进行选择。一般光电传感器的光源可以采用白炽灯、气体放电灯、半导体发光器等器件。(2) 被检测对象以及其光信号的产生。在不同光电检测系统中被检测对象是不同的,它只是一个待测物理量,当光源发出的
20、光束照射到它时,根据各种光学效应,例如干涉、反射、吸收等将光束变为携带被测对象特征信息的光信号,再用光电检测器件对其进行检测。(3) 光电转换。光电转换是光电检测系统的核心部分,这一部分将决定整个检测系统的精度、灵敏度等特性。光电转换将携带被测物特征信号的光信号转变为电信号,以便后续利用现代发展相当成熟的电子技术对其进行信号的放大及各种处理。通常是利用光电探测器件来完成光电转换的,常用光电探测器有光敏电阻、硅光电池、光敏二极管以及检测极微弱光信号的光电倍增管等。(4) 光电转换后的电信号的放大、滤波处理。这一部分都是利用各种集成电子线路所完成的,因为光电转换后的信号一般相当的微弱,必须通过放大
21、、滤波等处理才能达到后续显示、计算的需要。这一部分也是可以按照功能的不同选用不同的方法来实现,以达到系统要求的最佳性能。(5) 所需结果的显示。许多光电检测系统的结果都是要求给出具体值,即将前面几个部分处理好的被测量的电信号结果直接通过显示器件或者系统予以显示出来。2.2 光电检测器件微弱光电检测系统中光电检测器件是利用光电效应把光信号转换为电信号的器件,所以它的性能特点对系统性能影响很大。我们先对系统构成和转换器件做分析。根据前面介绍过的内容可知,在整个微弱光电检测系统中,光电探测器的不同可能直接导致结果不同,而常见光电探测器按照不同物理效应通常分为光子效应和光热效应两大类。光子效应就是指单
22、个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应,光子效应对光波的频率表现出选择性,并且其响应速度比较快。而光热效应是指在光辐射的作用下,使被照射物体升温,而温度的变化可以产生接收物质电学特性改变。例如热敏电阻、热电偶之类都属于利用光热效应制成的探测器。下面对几种在微弱光电信号检测系统中常用的光电器件做简要介绍4:2.2.1 光电池光电池是一种利用光生伏特效应制成的光电探测器,所谓光生伏特效应是指光照射固体,尤其是半导体时,使不均匀半导体或者半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。光电池在工作时不需要外加偏置电压就能把光能直接转换成电能,按照其功用可以分为太阳能光电池和测量光电池两大
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