光电探测系统噪声特性研究与降噪设计

李乐; 汪龙祺; 黄煜; 林冠宇; 王维彪; 张航; 宋悦铭

doi:10.37188/OPE.20202812.2674

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光电探测系统噪声特性研究与降噪设计

信息科学 | 更新时间：2021-01-04

- 光电探测系统噪声特性研究与降噪设计
- Study on noise characteristics of photoelectric detection system and noise reduction design
- 光学精密工程 2020年28卷第12期页码：2674-2683
- 作者机构：
  
  中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130023
- 作者简介：
  
  [ "李　乐（1985-），男，黑龙江哈尔滨人，博士，副研究员，分别于2007年、2012 年在吉林大学获得学士、博士学位，主要从事微弱信号检测及紫外遥感技术的研究。E-mail： liyue@ciomp.ac.cn" ]
  [ "汪龙祺（1978-），男，河南洛阳人，博士，研究员，2012年于中国科学院大学获得博士学位，主要从事高分辨率成像技术与光学设计方面的研究。E-mail： lixuyang2004@126.com" ]
  [ "黄　煜（1979-），男，山西朔州人，博士，研究员，硕士生导师，FY-3卫星太阳辐照度光谱仪主任设计师，主要从事空间紫外遥感技术与辐射计量方面的研究。E-mail：ssshycn@yahoo.com.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然基金重大科研仪器研制项目(41527806);吉林省重点科技研发项目资助(20180201054SF)
- DOI：10.37188/OPE.20202812.2674
  中图分类号： TN16;TN152
- 收稿日期：2020-05-09，
  
  修回日期：2020-06-12，
  
  纸质出版日期：2020-12-15
- 稿件说明：
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李乐,汪龙祺,黄煜等.光电探测系统噪声特性研究与降噪设计[J].光学精密工程,2020,28(12):2674-2683.

LI Yue,WANG Long-qi,HUANG Yu,et al.Study on noise characteristics of photoelectric detection system and noise reduction design[J].Optics and Precision Engineering,2020,28(12):2674-2683.
李乐,汪龙祺,黄煜等.光电探测系统噪声特性研究与降噪设计[J].光学精密工程,2020,28(12):2674-2683. DOI： 10.37188/OPE.20202812.2674.

LI Yue,WANG Long-qi,HUANG Yu,et al.Study on noise characteristics of photoelectric detection system and noise reduction design[J].Optics and Precision Engineering,2020,28(12):2674-2683. DOI： 10.37188/OPE.20202812.2674.

摘要

本文介绍了一种基于光电倍增管的锁相放大光电探测系统，并定量地对系统中光电倍增管、放大电路、高压电源的噪声特性进行研究，发现高压电源的纹波对系统噪声的影响很大。实验利用三台不同纹波的高压电源测试系统噪声，发现在无光条件下，系统噪声以光电倍增管暗噪声为主，高压纹波噪声近似线性地耦合进系统噪声中；在有光条件下，系统噪声以阳极电流散粒噪声为主，高压纹波贡献的噪声既随光电流增大而增大也与高压纹波正相关。基于以上研究，分析了高压电源的传递函数并优化反馈系数，设计了高稳定低纹波高压电源，高压纹波小于5 mV。系统整机信噪比测试表明，使用自研高压可显著提升系统信噪比，相比较于其他高压电源（纹波15 mV，50 mV），最大信号下分别提升了38%和125%。

Abstract

A photoelectric detection system based on a lock-in amplifier was developed. The noise characteristics of each part of the system， such as the photomultiplier， amplifier， and high-voltage power supply， were analyzed quantitatively. Research has shown that the ripple of the high-voltage power supply has a significant effect on system noise. Three high-voltage power supplies with different ripples were installed in the system， and the noise was analyzed. The results showed that in darkness， system noise was mainly contributed by photomultiplier anode dark noise and noise from the high-voltage power supply ripple linearly coupling into the system. In light， photomultiplier anode shot noise contributed the most to the system noise， and noise contributed by the high-voltage power supply ripple showed a positive correlation with both light current and ripple value. Based on the above findings， the transfer function of the high-voltage power supply was analyzed， and its feedback coefficient was optimized. A high-voltage power supply with high stability and low ripple （less than 5 mV） was designed. The signal-to-noise ratio test of the system showed that the signal-to-noise ratio could be significantly improved by applying self-developed high-voltage power supplies， which were 38% and 125% higher than those of other high-voltage power sources （ripples of 15 and 50 mV， respectively）.

关键词

Keywords

references

张锐，潘明忠，杨晋，等 . 基于数字微镜器件的中阶梯光栅光谱仪的光学系统设计［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 12 ）： 2994 - 3000 .

ZHANG R ， PAN M Z ， YANG J ， et al . Optical System of Echelle Spectrometer Based on DMD ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2017 ， 25 （ 12 ）： 2994 - 3000 . （in Chinese）

WANG M Y ， LI Z Y ， CAI Y H ， et al . Ultralow-Noise Single-Photon Detection Based on Precise Temperature Controlled Photomultiplier with Enhanced Electromagnetic Shielding ［J］. Chinese Optics Letters ， 2017 ， 15 （ 10 ）： 11 - 14 .

聂瑞杰，徐智勇，张启衡，等 . SiPM阵列电子特性建模和三维测深仪前端电子学优化［J］. 光学精密工程， 2012 ， 20 （ 8 ）： 1661 - 1668 .

NIE R J ， XU ZH Y ， ZHANG Q H ， et al . Model of Electrical Characteristics of Sipm Array and Optimization of Front-End Design for Three-Dimensional Depth Sounder ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2012 ， 20 （ 8 ）： 1661 - 1668 . （in Chinese）

安正华，赵小芸，李航旭，等 . 电磁监测试验卫星高能粒子探测器光电倍增管研究［J］. 核电子学与探测技术， 2017 ， 37 （ 11 ）： 1156 - 1160 .

AN ZH H ， ZHAO X Y ， LI H X ， et al . Study of the photomultiplier for the purpose of the high energy particle detector of seismic electro-magnetic satellite ［J］. Nuclear Electronics & Detection Technology ， 2017 ， 37 （ 11 ）： 1156 - 1160 . （in Chinese）

ZHANG H Y ， YU Y H ， Khuram T ， et al . Photomultiplier tube performance of the WCDA++ in the LHAASO experiment ［J］. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research， A， 2020， 958 .

KIM J H ， BACK H K ， JOO K S . Development of a wireless radiation detection backpack using array silicon-photomultiplier ［J］. Nuclear Engineering and Technology ， 2020 ， 52 （ 2 ）.

董丽芳，李永辉 . 大气压氩气射流等离子体放电发展速度研究［J］. 发光学报， 2014 ， 35 （ 04 ）： 476 - 480 .

DONG L F ， LI Y H . Propagation velocity in hollow needle to plate discharge ［J］. Chinese Journal of Luminescence ， 2014 ， 35 （ 4 ）： 476 - 480 . （in Chinese）

刘莹，董丽芳，牛雪姣 . 介质阻挡放电中点线超四边形发光斑图研究［J］. 发光学报， 2014 ， 35 （ 10 ）： 1210 - 1214 .

LIU Y ， DONG L F ， NIU X J . Study on dot-line square superlattice luminous pattern in dielectric barrier discharge ［J］. Chinese Journal of Luminescence ， 2014 ， 35 （ 10 ）： 1210 - 1214 . （in Chinese）

于广林，董丽芳，窦亚亚，等 . 介质阻挡放电系统中带晕蜂窝六边形发光斑图［J］. 发光学报， 2018 ， 39 （ 11 ）： 1527 - 1532 .

YU G L ， DONG L F ， DOU Y Y ， et al . Honeycomb superlattice pattern with hole in dielectric barrier discharge system ［J］. Chinese Journal of Luminescence ， 2018 ， 39 （ 11 ）： 1527 - 1532 . （in Chinese）

党向瑜 . 日盲型光电倍增管的制备及性能研究［J］. 光电工程， 2019 ， 46 （ 6 ）： 53 - 58 .

DANG X Y . Preparation and properties of solar-blind photomultiplier tube ［J］. Opto-Electronic Engineering ， 2019 ， 46 （ 6 ）： 53 - 58 . （in Chinese）

李寒霜，李博，王淑荣 . 紫外-真空紫外光电倍增管量子效率定标［J］. 中国激光， 2018 ， 45 （ 8 ）： 158 - 161 .

LI H S ， LI B ， WANG S R . Quantum efficiency calibration of UV-VUV photomultiplier tube ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2018 ， 45 （ 8 ）： 158 - 161 . （in Chinese）

郭乐慧，田进寿，卢裕，等 . 一种用于中微子探测的3-inch光电倍增管的优化设计［J］. 物理学报， 2016 ， 65 （ 22 ）： 228501 .

GUO L H ， TIAN J SH ， LU Y . Optimization of the 3-inch photomuliplier tube for the neutrino detection ［J］ Acta Phys. Sin . 2016 ， 65 （ 22 ）： 228501 . （in Chinese）

党向瑜 . 一种提高光电倍增器光电阴极量子效率的方法［J］. 半导体光电， 2018 ， 39 （ 02 ）： 221 - 224 .

DANG X Y . A Method of Improving Quantum Efficiency of PMT's Photocathode ［J］. Semiconductor Optoelectronics ， 2018 ， 039 （ 002 ）： 221 - 224 . （in Chinese）

郭从良，孙金军，方容川，等 . 光电倍增管的噪声分析和建模［J］. 光学技术， 2003 （ 5 ）： 636 - 640 .

GUO C L ， SUN C J ， FANG R CH ， et al . Noise Analysis and Modeling of Photo-multiplier ［J］. Optical Technique ， 2003 ，（ 5 ）： 636 - 640 . （in Chinese）

叶莉华，汪海洋，王文轩，等 . 基于光电倍增管的低噪声前置放大器的设计及其信号处理［J］. 电子器件， 2013 ， 36 （ 3 ）： 340 - 343 .

YE L H ， WANG H Y ， WANG W X ， et al . Low-noise Preamplifier Based on PMT and Its Signal Processing ［J］. Chinese Journal of Electron Devices ， 2013 ， 36 （ 3 ）： 340 - 343 . （in Chinese）

刘冬梅，张现乾，赵蓓蕾 . 基于光电倍增管模块的探测系统增益-噪声最优化研究［J］. 光电子技术， 2017 ， 37 （ 2 ）： 94 - 98 .

LIU D M， ZHANG X Q， ZHAO B L Research on Gain-noise Optimization of Detection System Based on Photomultiplier Tube Modules ［J］. Optoelectronic Technology ， 2017 ， 37 （ 2 ）： 94 - 98 . （in Chinese）

KAY ， ART . Operational Amplifier Noise： Techniques and Tips for Analyzing and Reducing Noise ［M］. Boston ： Newnes ， 2012 .

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