光電檢測電路噪聲分析與噪聲處理

文/胡波

在采用光電檢測技術(shù)對電路噪聲進行檢測的過程中存在一些問題，最大的影響因素便是電路所致，在產(chǎn)生噪音的過程中電路器件是主要影響因素，此外還與器械設(shè)備運行有較大關(guān)系。由此可以看出，在進行光電檢測電路時，需要對光電檢測電路進行有效的分析，只有這樣才能解決電路噪音問題，這就需要在光電檢測電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，對噪聲產(chǎn)生噪聲原因?qū)嵤┥钊敕治?，并采取有效措施實施解決。

1 光電檢測電路概述

光電檢測電路主要是由輸入電路、光電探測器以及前置放大器等部件構(gòu)成，其中光電探測器主要是對光電信號實施有效轉(zhuǎn)換，可將光信號轉(zhuǎn)化為電信號；輸入電路一般情況下能夠為光器件順利工作提供基礎(chǔ)，與前置放大器相匹配；前置放大器最大作用便是對信號進行放大，主要是因為電信號相對較弱，需要通過放大器進行放大，并在此基礎(chǔ)上與后置處理電路實時匹配。在光電檢測電路中，光電探測器是整個檢測過程中的重要部分，可對光信號實時轉(zhuǎn)換，由此可以看出，光電探測器性能直接決定檢測精確度，但是因市場中光電探測器種類較多，并且性能參差不齊，因此在選擇的過程中，需要根據(jù)實際情況選擇高質(zhì)量、高性能的產(chǎn)品，只有這樣才能確保檢測結(jié)果質(zhì)量。

2 光電檢測系統(tǒng)的組成

光電檢測器系統(tǒng)作用是對需檢測設(shè)備的物理量實施全面檢測，在對線路進行檢測的過程中，需要通過光電探測器將設(shè)備信號轉(zhuǎn)化為光信號，再采取有效措施，將光信號變?yōu)殡娦盘枺源送瓿蓹z測過程。光電檢測系統(tǒng)主要包括以下幾個方面：

（1）光源光電檢測系統(tǒng)在檢測的過程中，需要對被檢測物體采集信號信息，這就需要以光源為基礎(chǔ)，對不同設(shè)備進行檢測的過程中，需要通過不同的光源來完成，比如自然光源、人工光源等。

（2）信號光。在檢測的過程中出現(xiàn)光源后，會形成化學(xué)、物理效應(yīng)，此基礎(chǔ)上將檢測物體信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘枴?/p>

（3）匹配處理。在檢測的過程中出現(xiàn)光源后，物理性質(zhì)會產(chǎn)生不同程度的改變，這就需要對光源進行匹配，其作用是能夠匹配處理光電檢測器與被檢測物體光源，以此可對被檢測物體中的光源物理信息進行有效的轉(zhuǎn)化。

（4）光信號轉(zhuǎn)換為電信號，光電檢測系統(tǒng)最為重要的便是電信號的轉(zhuǎn)換，通過光電探測器將物體信號、光源轉(zhuǎn)化為電信號，能夠起到提高系統(tǒng)準確性與靈敏性的目的。此外，為了提高轉(zhuǎn)換效率需要通過先進科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，只有這樣才能確保檢測效率的提升。

（5）放大處理電信號。在對電信號放大的過程中，主要使用到前置放大器對物體電信號將微弱光電信號實時放大在進行數(shù)字濾波。

3 光電檢測電路設(shè)計

PIN光電二極管、具有恒流源，在對光通量與飽和光電量進行輸入的過程中呈現(xiàn)正比，以此形成信號電壓，若在負載電阻中與反向偏置光電二極管進行連接，會因阻抗失配出現(xiàn)信號幅度過熱問題。在對光電進行轉(zhuǎn)換的過程中，需要將互阻抗型放大器應(yīng)用其中，具有較好的線性度與噪聲特性，可有效使光電噪聲水平得到保持，最終使信噪比得到較好提高。此外，在對光電檢測電路進行設(shè)計的過程中，應(yīng)當根據(jù)實際情況應(yīng)用互阻抗型放大器，在對起設(shè)置期間，需要對放大器增益、帶寬以及噪音強度等進行深入分析，并在此基礎(chǔ)上提升信號帶寬，在此過程中使等效噪音增加，也會提升信號帶寬。因此提升前置放大器帶寬，會使噪音有不同程度的提升，在選擇低噪音前置放大器的過程中，電阻的選擇尤為重要，需要根據(jù)第一級放大器元件，對電阻大小進行選擇，由于光電二極管具有較高的特殊性，會使電阻增加，并且將輸入光增加，也會提升通過量，飽和光、電流在此過程中也會有不同程度的升高。為此，通過高電阻負載運行電路，能夠使信號電壓最大化，但若光電二極管在反向偏置的過程中運行會形成一定阻抗，最終使信號強度降低。由此可以看出，應(yīng)當利用過阻抗變換器，將高阻抗電源轉(zhuǎn)換為低阻抗電源，再進行連接負載。

4 光電檢測電路的基本噪音類型

光電檢測電路構(gòu)成主要為輸入電路、前置放大器以及光電器件，在對電路進行檢測的過程中易出現(xiàn)噪聲，主要有散粒噪聲、熱噪聲、以及1/f噪聲等，會對電路運行造成不同程度的影響。

4.1 散粒噪聲

散粒噪聲主要是與晶體管有較大關(guān)系，是因PN接電流會隨著單位時間中載流子數(shù)量變化形成不規(guī)則平均值的變化。此外，隨機發(fā)射空學(xué)或者不規(guī)則運行電子，在平均值附近變化導(dǎo)致散粒噪聲的發(fā)生，除此之外，光電檢測散粒噪聲會在所有電路檢測的過程中出現(xiàn)，其中在對光電器件進行檢測期間會形成不連續(xù)性光電載流子以及隨機變化。

4.2 1/f噪聲

在光電檢測電路的過程中，出現(xiàn)幾率相對較高，此噪聲主要是產(chǎn)生正比關(guān)系的頻率與功率、頻譜密度以及相對較低的頻率范圍，主要是因該噪聲頻率范圍是在以1KHZ以下，因此檢測光電系統(tǒng)壞死后，極易出現(xiàn)1/f噪聲。為此，在對此進行控制的過程中，需要對小于1KHZ平帶噪聲采取有效措施實施把控，這種方式效果明顯。但是在操作期間，探測器表面不均勻，也會使噪聲頻率提升，所以該噪聲也叫做表面噪聲。

4.3 熱噪聲

光電檢測器在光電檢測的過程中尤為重要，實質(zhì)上也是一種電流源，同時也是等效電阻，等效電阻會通過改變得到電信號，在等效電阻兩側(cè)會形成噪聲電壓，主要是由電流變化引起熱噪聲，一般情況下是因電子微熱運動所致，任何導(dǎo)體均會形成電阻，所以在檢測電路中會形成電阻載流子，從而形成熱噪聲。熱噪聲是光電檢測電路噪聲中影響最大的一種噪聲，具有廣泛的電阻頻率范圍，該噪聲通過放大器能夠?qū)χ挥袧M足放大機頻率的噪聲進行處理，在此過程中能夠形成較小噪聲。此外，放大器還會對放大電信號量產(chǎn)生影響，但是也會對有用的小信號產(chǎn)生影響，實際運行中形成越寬的頻帶便會在較大程度上提升溫度，增加電阻值，導(dǎo)致熱噪聲的發(fā)生。

4.4 放大器噪聲

由于光電探測器在對信號進行轉(zhuǎn)換的過程中獲得的電信號較弱，為了提升檢測準確性，需要對此信號進行放大處理。但是，在放大的過程中，信號噪聲依然較大，若信號較弱，會被放大器本身噪聲掩蓋，為此在設(shè)計光電檢測電路的過程中，需要采用兩級放大方式，前置放大器+主放大，其中前置放大器能夠有效控制輸出噪聲，該前置放大器主要有不同元件構(gòu)成，在此器件中每個元件均能夠獨立運行，并且彼此相連。在運行期間會形成噪聲源，主要是因放大原件相對較多，無法對噪聲種類、來源進行深入分析，為此需要采用放大器噪聲模型。

5 光電檢測電路噪音的處理

5.1 LMS自適應(yīng)濾波算法

5.1.1 自適應(yīng)濾波器

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自適應(yīng)濾波技術(shù)是一種新型的濾波方法，該技術(shù)研究目標主要是對不確定性信號的處理過程，其中不確定性一般情況下是在對信號進行處理的過程中，時常會產(chǎn)生隨機噪聲，對此種不確定性因素，能夠通過自適應(yīng)方式對濾波器結(jié)構(gòu)與參數(shù)實施有效改變，并在此基礎(chǔ)上確保在規(guī)定指標中得到最優(yōu)性能，以此對產(chǎn)生的問題進行有效解決。此外，自適應(yīng)濾波器可對自身參數(shù)進行調(diào)整，在對輸入信號進行改變期間，通過自適應(yīng)方式對濾波器系數(shù)進行更改，以此提升濾波效果。自適應(yīng)系統(tǒng)分類形式主要有閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)，其中開環(huán)系統(tǒng)能夠?qū)斎胄盘柵c環(huán)境進行測量，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)數(shù)據(jù)信息形成一定算法；閉環(huán)自適應(yīng)系統(tǒng)不但能夠?qū)斎胄盘柵c環(huán)境進行測量，而且還可對系統(tǒng)進行調(diào)整，反饋相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

5.1.2 自適應(yīng)濾波器構(gòu)成

自適應(yīng)濾波器能夠?qū)ο到y(tǒng)參數(shù)進行調(diào)解，數(shù)據(jù)濾波器主要有可調(diào)節(jié)數(shù)字濾波器與自適應(yīng)算法兩個部分，其中可調(diào)節(jié)數(shù)字濾波器主要是通過輸入信號形成輸出信號，能夠?qū)?shù)信號與輸出信號進行對比形成誤差信號，并在濾波器中反饋，最后通過自適應(yīng)算法對濾波系數(shù)進行調(diào)整，從而得到輸出信號。其中，自適應(yīng)算法主要有最小均方算法與最小二乘算法，能夠?qū)V波系數(shù)進行調(diào)解，通過對自適應(yīng)濾波器外界信號特征進行改變，以此對系統(tǒng)參數(shù)實時變動。除此之外，自適應(yīng)濾波器主要有硬件濾波設(shè)施與相關(guān)算法兩個部分，普通濾波器只具備硬件設(shè)備。

5.2 LMS自適應(yīng)濾波器性能和原理

5.2.1 自適應(yīng)算法

LMS自適應(yīng)算法具有一定優(yōu)勢，比如簡單、計算量小以及濾波性能高等，能夠?qū)V波系數(shù)進行有效調(diào)節(jié)，是在最小均方誤差基礎(chǔ)上應(yīng)用的一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)方式，能夠確保系統(tǒng)中具備區(qū)域較小的參數(shù)信號與輸出信號的均方誤差，從而得到濾波效果，有效提升LMS自適應(yīng)算法步驟，主要有以下三個方面：

（1）時刻t濾波器。具備適量值為WT的濾波系數(shù)，通過參考信號與輸入信號，對物質(zhì)信號進行有效的計算。

（2）通過遞歸方式對濾波系數(shù)實時計算，再進行更新評估，以此得到濾波系數(shù)。

（3）時刻T+1的過程中，需要重復(fù)迭代步驟，直至系統(tǒng)穩(wěn)定為止。其計算公式如下：

在進行迭代計算、自適應(yīng)算法的過程中，需要計算梯度、矢量值，以此得到最佳濾波系數(shù)，從而確保最小誤差信號均為方值，能夠使自適應(yīng)過程得到滿足。

5.2.2 Lms自適應(yīng)濾波原理

在對濾波器濾波運算過程進行分析的過程中，需要通過算法迭代公式來完成，一般情況下在進行濾波計算期間，應(yīng)利用卷積形式在迭代運行期間應(yīng)有效調(diào)整濾波系數(shù)，原理為系統(tǒng)中出現(xiàn)兩個等效濾波電路，在不同通道中把噪聲信號與信號源信號實施放大與傳輸，在此過程中會產(chǎn)生一定噪聲，在進行操作的過程中通道性能不同，因此信號達到自適應(yīng)濾波器時會產(chǎn)生差距。

5.2.3 自適應(yīng)濾波器性能

在進行光電檢測電路的過程中采用自適應(yīng)濾波對系統(tǒng)性能分析期間，其關(guān)鍵是穩(wěn)態(tài)誤差以及收斂性等。首先主要對收斂性以及穩(wěn)態(tài)誤差進行分析：

（1）收斂性。在進行自適應(yīng)運行期間，需要獲得較好輸出，并且在此基礎(chǔ)上進行濾波器濾波系數(shù)的調(diào)整，其中自適應(yīng)濾波系數(shù)具備適量初始值。在對濾波系數(shù)評估期間，因系統(tǒng)具有隨機性，導(dǎo)致濾波系數(shù)產(chǎn)生不平穩(wěn)性，為了確保算法的有效性，需要滿足必要的迭代條件，比如樣本與輸入信號樣本適量相互獨立、全部參考信號與輸入信號樣本適量相互獨立等。

（2）穩(wěn)態(tài)誤差與失調(diào)。自適應(yīng)濾波器在運行過程中，失調(diào)能夠?qū)ο到y(tǒng)濾波性能指標進行有效的衡量，能夠體現(xiàn)逼近最小誤差的均方差誤差精確度。在對LMS算法關(guān)鍵指標進行衡量的過程中，失調(diào)可提供測度，并且會因濾波系數(shù)的改變，數(shù)目線性增加，其中失調(diào)數(shù)值能夠達到任意最小值。由此可以看出，性能參數(shù)之間會產(chǎn)生不同矛盾，會對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差產(chǎn)生不同程度的降低，其中算法精確在增加的過程中會使失調(diào)量減小，但在實際操作中，也會使收斂速度降低，導(dǎo)致無法及時調(diào)整最優(yōu)值。

6 結(jié)語

綜上所述，光電檢測技術(shù)在應(yīng)用的過程中具有較大優(yōu)勢，比如抗干擾能力強、精度高以及檢測距離遠等，在較多領(lǐng)域均有較好的應(yīng)用效果。但是，因光電檢測電路中會產(chǎn)生噪聲，這在較大程度上會導(dǎo)致檢測準確度有不同程度的降低，這就需要對產(chǎn)生噪音因素進行深入分析，只有這樣才能找出針對性措施予以解決，從而為消除光電檢測電路噪聲奠定良好的基礎(chǔ)。