信噪比是探測器中信號功率與噪聲功率的比值。光學測量中通常將信號比（SNR,S/N比）作為一個特性參數?？梢岳斫鉃樘綔y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：平均像素值與其標準差的比值（恒定的照度下）。

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

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描述?？紤]簡單的白噪聲情況，這時功率譜密度與噪聲頻率無關，噪聲功率正比于探測帶寬。如果信號持續時間比較長，那么對長時間間隔取平均后，噪聲對測量的影響就變小了。這也可以理解為探測帶寬減?。ㄔ谠撻g隔內信號的改變不能被探測到），因此總噪聲功率減小，于是信噪比提高（見圖1）。最小探測帶寬約等于測量時間的倒數。



圖1：光信號波長為1043.4nm，包含一些白噪聲（來自于放大器中放大的自發輻射），采用兩個不同分辨率帶寬（RWB）值進行記錄得到的結果。帶寬會影響噪聲水平，但是不會影響信號。圖中顯示，分辨率帶寬小時得到的信噪比更高。

例1：受限于熱噪聲的光測量

如果入射到光二極管的信號光功率很低，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化為電壓信號，信號噪聲主要來自于電阻器的熱噪聲或者其它電子器件的附加噪聲。

如果是被調制的微弱正弦信號，探測的電子信號功率與信號振幅的平方成正比，也就是功率調制振幅的平方?？偣β始颖稌拐穹颖叮綔y信號功率變為原來的四倍，而噪聲功率仍保持常數。這時信噪比會提高4倍，變為6 dB。



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

例2：散粒噪聲限制的光測量

當進入探測器的信號光功率足夠高（例如，10 mW），并且采用很高質量的電子學器件，電子噪聲的影響可以忽略，光信號主要受散粒噪聲的影響。

下面仍然假設信號光為功率調制的微弱正弦光，總功率加倍還是會將探測信號的功率提高4倍，但是還會由于散粒噪聲而使噪聲功率加倍。然后，信噪比也會加倍，對應值為3 dB。

光學測量中提高信噪比的方法

在光學測量中，信噪比可以通過下面的測量方法提高：

消除任何可以避免的噪聲來源。例如，測量光束功率時會被環境光源影響，因此需要關掉光源，采用遮光窗簾關注窗戶，或者在光探測器前采用黑色套管或者光帶通濾波器。

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

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器（二極管或者電子器件）飽和效應所需的功率。在上面舉的例子中，當噪聲主要是探測器噪聲時，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，放大器的邊效應會產生附加噪聲，可以采用噪聲系數表示。如果只存在散粒噪聲的信號經過前置放大器多了附加噪聲，那么得到的探測信號信噪比會增大。

光外差探測是即使在很低功率信號時也可以實現散粒噪聲極限測量的技術。它涉及到弱信號光與強的本地振蕩器光束的疊加。

上面已經提到，可以通過在一段長測量時間內取平均來減小信號中的噪聲影響，這樣需要采用更小的探測帶寬。重復的脈沖信號可以對多個脈沖取平均。

簡單的取平均的缺點在于在低噪聲頻率時，測量對噪聲非常敏感，并且噪聲會比較強（1/f噪聲，粉紅噪聲）。一種解決方案是鎖定探測：對信號進行調制，例如將光束用斬波器斬波，然后轉換到更高頻率，在該頻率噪聲對功率譜密度的影響小。相位敏感的放大器通常采用調制信號，然后再提取信號。與簡單取平均方法相同，測量帶寬的減小受限于測量時間。

如果將包含噪聲的光信號（例如，在一些光譜吸收測量中）與激光光束結合，可以采用平衡探測方法。原始光束通過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（例如，將其通過一些吸收池）。然后探測兩束光的功率，探測裝置指反應光電流的差分值。這一方法可以很大程度上減小原始光束中噪聲的影響。

測量長波長光譜范圍的光比較困難，因為沒有合適工作在這一光譜范圍的高性能光探測器。一個解決方法是將信號光進行上轉換到短波長區域，這樣可以使用高性能光探測器。例如，利用非線性晶體產生和頻光可以實現頻率上轉換。

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審核編輯：劉清