科普:什么是光学测量中的“信噪比”?

信噪比是探测器中信号功率与噪声功率的比值。光学测量中通常将信号比(SNR,S/N比)作为一个特性参数。可以理解为探测功率的比值(不是振幅),通常用分贝值表示。定义中的功率在一些探测器中是指电功率。在图像处理中,信噪比的定义是不同的:平均像素值与其标准差的比值(恒定的照度下)。

 

光测量中,常遇到的情况是一些光束入射到光探测器上,产生正比于光功率的光电流,并且加入了一些电子噪声。这时,信噪比受限于光噪声影响(包含散粒噪声)或者探测电子装置产生的噪声。下面给出了一些例子。

 

信噪比通常限制测量的准度。对于数字信号,会限制准确探测的稳定性,定量表示为误码率。后者在光纤通信中很常见,其中要求的误码率只能采用很高信噪比的探测器才能达到。

 

噪声功率

 

拓展到一些噪声频率范围的噪声功率,可以采用功率谱密度来描述。考虑简单的白噪声情况,这时功率谱密度与噪声频率无关,噪声功率正比于探测带宽。如果信号持续时间比较长,那么对长时间间隔取平均后,噪声对测量的影响就变小了。这也可以理解为探测带宽减小(在该间隔内信号的改变不能被探测到),因此总噪声功率减小,于是信噪比提高(见图1)。最小探测带宽约等于测量时间的倒数。

 

 

图1:光信号波长为1043.4nm,包含一些白噪声(来自于放大器中放大的自发辐射),采用两个不同分辨率带宽(RWB)值进行记录得到的结果。带宽会影响噪声水平,但是不会影响信号。图中显示,分辨率带宽小时得到的信噪比更高。

 

例1:受限于热噪声的光测量

 

如果入射到光二极管的信号光功率很低,约为1微瓦,并且光二极管施加了反向偏压还有电阻器用于将光电流转化为电压信号,信号噪声主要来自于电阻器的热噪声或者其它电子器件的附加噪声。

 

如果是被调制的微弱正弦信号,探测的电子信号功率与信号振幅的平方成正比,也就是功率调制振幅的平方。总功率加倍会使振幅加倍,探测信号功率变为原来的四倍,而噪声功率仍保持常数。这时信噪比会提高4倍,变为6dB。

 

 

图2:与图1相同,对10个轨迹取平均,平均噪声功率(功率谱密度)可以更好的拟合。进行平均并不能提高信噪比,只会降低噪声的不确定性,而不会降低噪声水平。

 

例2:散粒噪声限制的光测量

 

当进入探测器的信号光功率足够高(例如,10 mW),并且采用很高质量的电子学器件,电子噪声的影响可以忽略,光信号主要受散粒噪声的影响。

下面仍然假设信号光为功率调制的微弱正弦光,总功率加倍还是会将探测信号的功率提高4倍,但是还会由于散粒噪声而使噪声功率加倍。然后,信噪比也会加倍,对应值为3 dB。

 

光学测量中提高信噪比的方法

 

在光学测量中,信噪比可以通过下面的测量方法提高:

 

消除任何可以避免的噪声来源。例如,测量光束功率时会被环境光源影响,因此需要关掉光源,采用遮光窗帘关注窗户,或者在光探测器前采用黑色套管或者光带通滤波器。

 

正确选取合适类型的光探测器。不同环境下需要考虑不同的性质。例如,在低功率水平测量中,光二极管的暗电流很重要,但是在受限于散粒噪声测量的高功率时就不重要了。

 

提高入射光功率通常也是有利的。但是,光功率必须小于探测器(二极管或者电子器件)饱和效应所需的功率。在上面举的例子中,当噪声主要是探测器噪声时,提高光功率是非常有效的方法。

 

一种提高入射光功率的方法是采用光前置放大器,例如光纤放大器。但是,放大器的边效应会产生附加噪声,可以采用噪声系数表示。如果只存在散粒噪声的信号经过前置放大器多了附加噪声,那么得到的探测信号信噪比会增大。

 

光外差探测是即使在很低功率信号时也可以实现散粒噪声极限测量的技术。它涉及到弱信号光与强的本地振荡器光束的叠加。

 

上面已经提到,可以通过在一段长测量时间内取平均来减小信号中的噪声影响,这样需要采用更小的探测带宽。重复的脉冲信号可以对多个脉冲取平均。

 

简单的取平均的缺点在于在低噪声频率时,测量对噪声非常敏感,并且噪声会比较强(1/f噪声,粉红噪声)。一种解决方案是锁定探测:对信号进行调制,例如将光束用斩波器斩波,然后转换到更高频率,在该频率噪声对功率谱密度的影响小。相位敏感的放大器通常采用调制信号,然后再提取信号。与简单取平均方法相同,测量带宽的减小受限于测量时间。

 

如果将包含噪声的光信号(例如,在一些光谱吸收测量中)与激光光束结合,可以采用平衡探测方法。原始光束通过1:1的分束器后分成两束功率相等的光,只有一束光能得到信号(例如,将其通过一些吸收池)。然后探测两束光的功率,探测装置指反应光电流的差分值。这一方法可以很大程度上减小原始光束中噪声的影响。

 

测量长波长光谱范围的光比较困难,因为没有合适工作在这一光谱范围的高性能光探测器。一个解决方法是将信号光进行上转换到短波长区域,这样可以使用高性能光探测器。例如,利用非线性晶体产生和频光可以实现频率上转换。

 

来源:光电资讯

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