什么是光學(xué)測(cè)量中的信噪比呢？

信噪比是探測(cè)器中信號(hào)功率與噪聲功率的比值。光學(xué)測(cè)量中通常將信號(hào)比（SNR,S/N比）作為一個(gè)特性參數(shù)?？梢岳斫鉃樘綔y(cè)功率的比值（不是振幅），通常用分貝值表示。定義中的功率在一些探測(cè)器中是指電功率。在圖像處理中，信噪比的定義是不同的：平均像素值與其標(biāo)準(zhǔn)差的比值（恒定的照度下）。

光測(cè)量中，常遇到的情況是一些光束入射到光探測(cè)器上，產(chǎn)生正比于光功率的光電流，并且加入了一些電子噪聲。這時(shí)，信噪比受限于光噪聲影響（包含散粒噪聲）或者探測(cè)電子裝置產(chǎn)生的噪聲。下面給出了一些例子。 信噪比通常限制測(cè)量的準(zhǔn)度。對(duì)于數(shù)字信號(hào)，會(huì)限制準(zhǔn)確探測(cè)的穩(wěn)定性，定量表示為誤碼率。后者在光纖通信中很常見(jiàn)，其中要求的誤碼率只能采用很高信噪比的探測(cè)器才能達(dá)到。

噪聲功率

拓展到一些噪聲頻率范圍的噪聲功率，可以采用功率譜密度來(lái)描述?？紤]簡(jiǎn)單的白噪聲情況，這時(shí)功率譜密度與噪聲頻率無(wú)關(guān)，噪聲功率正比于探測(cè)帶寬。如果信號(hào)持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，那么對(duì)長(zhǎng)時(shí)間間隔取平均后，噪聲對(duì)測(cè)量的影響就變小了。這也可以理解為探測(cè)帶寬減?。ㄔ谠撻g隔內(nèi)信號(hào)的改變不能被探測(cè)到），因此總噪聲功率減小，于是信噪比提高（見(jiàn)圖1）。最小探測(cè)帶寬約等于測(cè)量時(shí)間的倒數(shù)。



圖1：光信號(hào)波長(zhǎng)為1043.4nm，包含一些白噪聲（來(lái)自于放大器中放大的自發(fā)輻射），采用兩個(gè)不同分辨率帶寬（RWB）值進(jìn)行記錄得到的結(jié)果。帶寬會(huì)影響噪聲水平，但是不會(huì)影響信號(hào)。圖中顯示，分辨率帶寬小時(shí)得到的信噪比更高。

例1：受限于熱噪聲的光測(cè)量

如果入射到光二極管的信號(hào)光功率很低，約為1微瓦，并且光二極管施加了反向偏壓還有電阻器用于將光電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，信號(hào)噪聲主要來(lái)自于電阻器的熱噪聲或者其它電子器件的附加噪聲。

如果是被調(diào)制的微弱正弦信號(hào)，探測(cè)的電子信號(hào)功率與信號(hào)振幅的平方成正比，也就是功率調(diào)制振幅的平方?？偣β始颖稌?huì)使振幅加倍，探測(cè)信號(hào)功率變?yōu)樵瓉?lái)的四倍，而噪聲功率仍保持常數(shù)。這時(shí)信噪比會(huì)提高4倍，變?yōu)? dB。



圖2：與圖1相同，對(duì)10個(gè)軌跡取平均，平均噪聲功率（功率譜密度）可以更好的擬合。進(jìn)行平均并不能提高信噪比，只會(huì)降低噪聲的不確定性，而不會(huì)降低噪聲水平。

例2：散粒噪聲限制的光測(cè)量

當(dāng)進(jìn)入探測(cè)器的信號(hào)光功率足夠高（例如，10 mW），并且采用很高質(zhì)量的電子學(xué)器件，電子噪聲的影響可以忽略，光信號(hào)主要受散粒噪聲的影響。

下面仍然假設(shè)信號(hào)光為功率調(diào)制的微弱正弦光，總功率加倍還是會(huì)將探測(cè)信號(hào)的功率提高4倍，但是還會(huì)由于散粒噪聲而使噪聲功率加倍。然后，信噪比也會(huì)加倍，對(duì)應(yīng)值為3 dB。

光學(xué)測(cè)量中提高信噪比的方法

在光學(xué)測(cè)量中，信噪比可以通過(guò)下面的測(cè)量方法提高：

消除任何可以避免的噪聲來(lái)源。例如，測(cè)量光束功率時(shí)會(huì)被環(huán)境光源影響，因此需要關(guān)掉光源，采用遮光窗簾關(guān)注窗戶(hù)，或者在光探測(cè)器前采用黑色套管或者光帶通濾波器。

正確選取合適類(lèi)型的光探測(cè)器。不同環(huán)境下需要考慮不同的性質(zhì)。例如，在低功率水平測(cè)量中，光二極管的暗電流很重要，但是在受限于散粒噪聲測(cè)量的高功率時(shí)就不重要了。

提高入射光功率通常也是有利的。但是，光功率必須小于探測(cè)器（二極管或者電子器件）飽和效應(yīng)所需的功率。在上面舉的例子中，當(dāng)噪聲主要是探測(cè)器噪聲時(shí)，提高光功率是非常有效的方法。

一種提高入射光功率的方法是采用光前置放大器，例如光纖放大器。但是，放大器的邊效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生附加噪聲，可以采用噪聲系數(shù)表示。如果只存在散粒噪聲的信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器多了附加噪聲，那么得到的探測(cè)信號(hào)信噪比會(huì)增大。

光外差探測(cè)是即使在很低功率信號(hào)時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)散粒噪聲極限測(cè)量的技術(shù)。它涉及到弱信號(hào)光與強(qiáng)的本地振蕩器光束的疊加。

上面已經(jīng)提到，可以通過(guò)在一段長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間內(nèi)取平均來(lái)減小信號(hào)中的噪聲影響，這樣需要采用更小的探測(cè)帶寬。重復(fù)的脈沖信號(hào)可以對(duì)多個(gè)脈沖取平均。

簡(jiǎn)單的取平均的缺點(diǎn)在于在低噪聲頻率時(shí)，測(cè)量對(duì)噪聲非常敏感，并且噪聲會(huì)比較強(qiáng)（1/f噪聲，粉紅噪聲）。一種解決方案是鎖定探測(cè)：對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，例如將光束用斬波器斬波，然后轉(zhuǎn)換到更高頻率，在該頻率噪聲對(duì)功率譜密度的影響小。相位敏感的放大器通常采用調(diào)制信號(hào)，然后再提取信號(hào)。與簡(jiǎn)單取平均方法相同，測(cè)量帶寬的減小受限于測(cè)量時(shí)間。

如果將包含噪聲的光信號(hào)（例如，在一些光譜吸收測(cè)量中）與激光光束結(jié)合，可以采用平衡探測(cè)方法。原始光束通過(guò)1:1的分束器后分成兩束功率相等的光，只有一束光能得到信號(hào)（例如，將其通過(guò)一些吸收池）。然后探測(cè)兩束光的功率，探測(cè)裝置指反應(yīng)光電流的差分值。這一方法可以很大程度上減小原始光束中噪聲的影響。

測(cè)量長(zhǎng)波長(zhǎng)光譜范圍的光比較困難，因?yàn)闆](méi)有合適工作在這一光譜范圍的高性能光探測(cè)器。一個(gè)解決方法是將信號(hào)光進(jìn)行上轉(zhuǎn)換到短波長(zhǎng)區(qū)域，這樣可以使用高性能光探測(cè)器。例如，利用非線性晶體產(chǎn)生和頻光可以實(shí)現(xiàn)頻率上轉(zhuǎn)換。

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審核編輯：劉清