微弱光电信号检测电路设计

微电子技术孙红兵等:微弱光电信号检测电路设计

微弱光电信号检测电路设计

孙红兵1, 莫永新2

(1. 淮阴师范学院　江苏淮安　223001;2. 江苏电大武进学院　江苏常州　213161)

摘　要:光电检测电路的性能对基于激光诊断技术的脉冲爆震发动机多参数测量系统有重要的影响。针对测量系统中光信号的特点, 从改善信噪比、提高带宽及稳定性入手, 设计了一种宽带低噪声光电信号放大电路, 具有电压增益高、上升沿短及噪声低的特点。该电路主要适用于探测快速变化的微弱光, 并在某型发动机多参数测量系统中得到了成功应用。

关键词:光电检测; 信噪比; 前置放大; 频率特性; 脉冲信号

中图分类号:TN710. 2　　　　　文献标识码:B　　　　　文章编号:10042373X (2007) 182156203

Design of Amplif ier Circuit of Photo 2electric Detection for Weak Signal

SUN Hongbing 1,MO Y ongxin 2

(1. Huaiyin Teachers College , Huaian ,223001,China ;2. Wujin College ,Jiangsu Broadcast University ,Changzhou ,213161,China )

Abstract :The multi 2parameter measurement system for pulse detonation based on laser 2technology is af 2fected by the performance of photo electric detecting circuit. In view the of the measurement system ,taking into account the improvement of signal to one kind of wide band and low noise photo 2electric It has and low noise. The circuit is fit for detecting fleetness parameter measurement system of an engine.

K eywords :photo2to 2noise ;pre 2amplifier ;f requency characteristic ;pulse signal

另一方面, 作为前置放大器, 还必须满足信号频率范围所

1　引　言

在研制基于激光诊断技术的脉冲爆震发动机多参数

自动测量系统过程中, 需要针对中心波长为1. 33μm ,

1. 55μm 的红外脉冲光进行测量, 而且该脉冲光是频率为1M Hz 的方波信号, 工作现场有很强的电磁干扰, 这给电

需的带宽、高稳定性和小增益误差, 以保证输出信号有高的信噪比。本文介绍的电路与PIN 光电二极管GT021配合使用, 可用于光学精密测量(如测量发动机燃油温度、燃烧产物组分浓度等参数) [1]。2　光电二极管及其特点

光电二极管的等效电路如图1

所示。

路设计带来了困难

[1]

。设计的光电检测电路要完成光信

号到电信号的转换, 然后对光电转换器件输出的微弱电压或电流信号进行放大、处理和整形。对于不同探测用途而采用的光电转换器件是不同的, 与之配合使用的光电探测器电路性能也因此而不同。光电二极管(PD ) 是一种把光能转换成电能的光电器件, 具有线性范围宽、体积小、可靠性高、光谱响应范围大等优点在光度、色度和光学精密测量中得到了广泛应用。

在光电检测电路中, 一般通过对光电二极管的微弱光电流的检测来获取有用信息(如温度、压力、气体浓度等) , 其原理是先将光信号转换为电信号, 再将调制到光载波上的有用信号解调出来。通常光电二极管接收到的光信号

很微弱, 转换后的电信号也非常小(μA 量级) , 由于背景噪声、电路噪声、元器件噪声的影响, 要做到精确测量有较大难度。因此, 光电检测放大电路的性能对整个检测系统的性能起决定作用, 是提高系统检测灵敏度和精度的关键。

收稿日期:2007204203

基金项目:国防预研项目(402030202)

图1　光电二极管等效电路

在图1中I s 由光电流I L 、暗电流I d 及噪声电流I n 组成; C j 是光电二极管的结电容, 约几p F 到几百p F , 其大小与管子尺寸、结构和偏压有关; R d 为结电阻, 约几兆欧姆;

R s 由接触电阻及未耗尽区的体电阻组成, 其大小与管子尺

寸、所加偏压及温度有关, 约几十欧姆到数百欧姆; R L , C L 分别是负载电阻、负载电容。

光电二极管特点:

(1) 反向电流随入射光照度的增加而变大, 在一定反

向电压范围内, 反向电流的大小几乎与反向电压无关;

(2) 在入射光照一定时, 光电二极管相当于恒流源,

156

《现代电子技术》2007年第18期总第257期其输出电压随负载电阻增大而升高;

(3) 光电二极管的暗电流I d 很小, 光电流I L 较大。

　 集成电路

声、热噪声等。放大器在放大光电二极管输出信号的同时将噪声也放大了, 从而影响系统的分辨率。反馈电阻R f 在输出端造成的噪声分量为[3]:

V nR =

f

不同的光电二极管, 其中心波长、响应时间也不同。选用GT021型PIN 光电二极管, 这是重庆光电技术研究所研制生产的高性能光电二极管, 由锗材料做成, 具有以下特点:光谱响应范围宽; 响应速度快; 灵敏度高; 与光纤的全金属化封装, 气密性好, 且有光窗封装。

光电二极管的光探测方式有2种结构:一是光伏模式, 在这种模式下, 光电二极管处于零偏状态, 不存在暗电流I d , 有较低的噪声, 线性好, 适合于比较精确的测量; 二是光导模式, 在这种模式下, 需给光电二极管加反向偏置电压, 存在暗电流I d , 由此会产生较大的噪声电流, 有非线性, 通常应用在高速场合。3　光电信号检测电路设计3. 1　设计的难点及解决方案

光电二极管的输出电流信号很小(在微安级) 、信号频率范围大(从直流到1M Hz 方波) [1]息, 放大。益、[2](1) 提高响应度与输出的线性

PIN 光电二极管没有内部增益(即只有单位增益) , 因

R d f

πf c =带宽Δf =2

4R f C f

可见, 采用R d 较大的光电二极

管, 反馈电阻R f 较小的运算放大电路将使输出噪声减小。随着频率的增加, C f 的作用开始表现出来, 信号电流的放

πR f C f 。大倍数开始下降, 转折频率为1/2而噪声电压与信号电流的幅频特性完全不同。在直流段和较低频率时噪声电压的放大倍数为1+R f /R d , 随着频率的增加, 噪声增益曲线首先由于C j 的作用开始升高, 直至由于电容C f 的作用而停止。在高频段, 噪声增益被限定在1+C j /C f 。由此可见, R d 越大, C j 越小, 噪声的影响越小。加入C f 可限制高频段的噪声增益。, 虽然失调电压和失调电,

, 需要算放大器, 同时选用R d 值大的光电二极管并尽量控制温度变化范围。

此他对光的响应度是不高的。在单位增益中一个入射光子只产生一个电子的光电流。根据波长, 其最高量子效率

(转换效率) 为92%。因此在使用时必须把光电二极管输

出的电信号放大。

典型的光电转换电路如图2所示。电路中光电二极管工作于光导模式, 可探测微弱的光, 另外运算放大器可以获得高达107～108或更高的增益; 因此, 图2可有效提高光响应度。实际上, 这也是一个I 2V 变换器, 由于负反馈的原因, 运算放大器的等效输入阻抗为:

R in =

1+A VO

1+A VO

图2　光电转换原理图

(3) 放大电路频带宽度与响应速度的提高

光电检测电路的响应速度与光电二极管、运算放大器及应用状况有关系:光电二极管的响应速度与他的有效工作区有关。有效工作区小的器件响应速度快。不同的运算放大器响应速度不同, 要提高电路的响应速度, 需要选择合适的运算放大器。在应用电路方面, 光导模式的响应速度比光伏模式快。另外负载的大小与性质对响应速度也有影响。负载电阻越大, 响应速度越慢。因此为提高电路的响应速度及带宽, 除了选择合适的元器件外, 还应在电路设计方面采取相关措施。3. 2　光电信号检测电路设计

图3是基于以上讨论而设计的光电信号调理电路原理图。该电路由3部分组成:前置放大(兼I/V 变换) 、推动放大及功率放大电路。在3部分电路中前置放大级电路对系统的性能, 特别是对系统的信噪比有重要的影响, 设计时要多加关注。下面结合图3对电路原理加以说明。

对前置放大级电路, 由于要完成电流2电压变换, 且要

157

‖R id λ(1)

　　式(1) 中R id 是运算放大器的开环输入阻抗, 对场效应

管输入的情形, R id >1010Ω。A VO 是开环放大倍数, 一般

A VO 大于10, 将这些值代入式(1) 可知R in 的值很小, 接近

6

于0Ω(此时光电流与辐照光功率成良好的线性关系) 。又由于运算放大器的开环输入阻抗R id 很大(虚断) , 光电二极管的电流都流入了反馈电阻, 故运放的输出电压为:

V out =R f ・I s

(2)

　　其中I s 是光电二极管的短路输出电流, 其值与辐照光功率成正比, 由此可见该电路的输出电压与入射光功率成良好线性关系。

(2) 降低噪声

光电二极管、电阻及运算放大器等器件都存在散粒噪

微电子技术孙红兵等:微弱光电信号检测电路设计

与采集卡相匹配。数据采集卡采用自制的8通道多功能数据采集卡, 其模拟输入信号的动态范围为±5V , 采样通过率10M Hz , A/D 转换分辨率为12b , 提供多种触发方

式。在控制器控制下对光电检测电路输出信号依次采集并送存储缓冲器, 然后由计算机读入内存并加以处理, 输出处理结果。

3. 3　优化PCB 设计

为了保证电路可靠工作, 降低噪声, 电路板的布线设计与制作工艺也是一个值得注意的问题。在制作PCB 板时, 元件布局要合理、分布均匀。

走线应该尽量短, 电源线远信号线, 电路板上下层, 整个电路周围要挖掉一定形状的铜皮, 从

图提高转换速度, 故采用了图2所示电路。为提高光电转换速度,D2选用了重庆光电技术研究所研制生产的GT021型PIN 光电二极管。R 9, R 10为反馈电阻, 完成电流2

电压

而可以有效地抑制由运算放大器输入端和输出端对地产生的

寄生电容所导致的频率响应峰和电路振荡。采取这些措施可以有效地改善电路的性能, 大大降低了噪声的影响[4]。4　结　语

本文针对动态变化的微弱光信号设计了光电检测电路, 电路从增益、信噪比、带宽等多个方面入手, 采取多种措施, 显著提高了电路的性能, 可满足多种光电检测场合的要求。该电路在某型脉冲爆震发动机多参数测量系统中得到了成功的应用, 主要性能指标达到了预期的结果。

参　考　文　献

[1]孙红兵, 丁万山. 基于激光诊断技术的高温火焰温度实时测

变换功能, 调节其大小可改变增益。为改善电阻产生的噪声, 必须选择噪声系数小的电阻, 另外在反馈电阻两端并联电容C 28, 以降低噪声频带, 提高高频时的信噪比。运算放大器U3选用了高输入阻抗的OPA627, 他的

参数如下:失调电压40μV , 失调电流0. 5pA , 温度漂移

0. 4μV/℃, 转换速率55V/μs , 带宽80M Hz 。他对提高

信号调理电路的信噪比及带宽有重要作用。为进一步降低运放失调电压及失调电流的影响, 电路设计时加了调零电路及平衡电阻。由于电源经常会受到干扰, 故设计了退耦电容C 16, C 17, C 18, C 19, 其中C 16, C 18为高频退耦电容。

推动放大电路设计成反相放大, 主要由U4及外围元件组成。他对前一级信号进行电压放大,U4可选用普通的运放, 但带宽应满足要求, 本电路选用OP37G 集成运放。

功率放大电路对前一级的信号进行电流放大, 以驱动后级电路。R 16, R 17用以调节Q 1的静态工作点。由于测量系统探测到的信号从直流到1M Hz 方波, 因此在电路设计时, 各级电路之间都要采用直流耦合。这给零点及静态工作点的调节带来了较大的难度。在实际调试时, 借助示波器反复进行调节, 直到输出信号的前后沿都符合要求, 且当没有光输入时输出信号为零。

光学信号经过光电转换及各级调理电路后, 经输出级送给计算机的数据采集卡。为此光电检测电路输出级要

量系统[J ].淮阴师范学院学报:自然科学版, 2002,

1(3) :30250.

[2]张建华. 微弱光电信号检测系统[J].光电子技术,2002,22

(2) :87289.

[3]高稚允, 高岳. 光电检测技术[M ].北京:国防工业出版

社,1991.

[4]刘铁安. 提高火焰温度测量精度的方法[J].红外技术,

1996,18(6) :42244.

作者简介　孙红兵　男,1970年出生, 江苏灌南人, 淮阴师范学院电子与电气工程系, 南京航空航天大学博士生。研究方向为计

算机测控、信号与信息处理。

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微电子技术孙红兵等:微弱光电信号检测电路设计

微弱光电信号检测电路设计

孙红兵1, 莫永新2

(1. 淮阴师范学院　江苏淮安　223001;2. 江苏电大武进学院　江苏常州　213161)

摘　要:光电检测电路的性能对基于激光诊断技术的脉冲爆震发动机多参数测量系统有重要的影响。针对测量系统中光信号的特点, 从改善信噪比、提高带宽及稳定性入手, 设计了一种宽带低噪声光电信号放大电路, 具有电压增益高、上升沿短及噪声低的特点。该电路主要适用于探测快速变化的微弱光, 并在某型发动机多参数测量系统中得到了成功应用。

关键词:光电检测; 信噪比; 前置放大; 频率特性; 脉冲信号

中图分类号:TN710. 2　　　　　文献标识码:B　　　　　文章编号:10042373X (2007) 182156203

Design of Amplif ier Circuit of Photo 2electric Detection for Weak Signal

SUN Hongbing 1,MO Y ongxin 2

(1. Huaiyin Teachers College , Huaian ,223001,China ;2. Wujin College ,Jiangsu Broadcast University ,Changzhou ,213161,China )

Abstract :The multi 2parameter measurement system for pulse detonation based on laser 2technology is af 2fected by the performance of photo electric detecting circuit. In view the of the measurement system ,taking into account the improvement of signal to one kind of wide band and low noise photo 2electric It has and low noise. The circuit is fit for detecting fleetness parameter measurement system of an engine.

K eywords :photo2to 2noise ;pre 2amplifier ;f requency characteristic ;pulse signal

另一方面, 作为前置放大器, 还必须满足信号频率范围所

1　引　言

在研制基于激光诊断技术的脉冲爆震发动机多参数

自动测量系统过程中, 需要针对中心波长为1. 33μm ,

1. 55μm 的红外脉冲光进行测量, 而且该脉冲光是频率为1M Hz 的方波信号, 工作现场有很强的电磁干扰, 这给电

需的带宽、高稳定性和小增益误差, 以保证输出信号有高的信噪比。本文介绍的电路与PIN 光电二极管GT021配合使用, 可用于光学精密测量(如测量发动机燃油温度、燃烧产物组分浓度等参数) [1]。2　光电二极管及其特点

光电二极管的等效电路如图1

所示。

路设计带来了困难

[1]

。设计的光电检测电路要完成光信

号到电信号的转换, 然后对光电转换器件输出的微弱电压或电流信号进行放大、处理和整形。对于不同探测用途而采用的光电转换器件是不同的, 与之配合使用的光电探测器电路性能也因此而不同。光电二极管(PD ) 是一种把光能转换成电能的光电器件, 具有线性范围宽、体积小、可靠性高、光谱响应范围大等优点在光度、色度和光学精密测量中得到了广泛应用。

在光电检测电路中, 一般通过对光电二极管的微弱光电流的检测来获取有用信息(如温度、压力、气体浓度等) , 其原理是先将光信号转换为电信号, 再将调制到光载波上的有用信号解调出来。通常光电二极管接收到的光信号

很微弱, 转换后的电信号也非常小(μA 量级) , 由于背景噪声、电路噪声、元器件噪声的影响, 要做到精确测量有较大难度。因此, 光电检测放大电路的性能对整个检测系统的性能起决定作用, 是提高系统检测灵敏度和精度的关键。

收稿日期:2007204203

基金项目:国防预研项目(402030202)

图1　光电二极管等效电路

在图1中I s 由光电流I L 、暗电流I d 及噪声电流I n 组成; C j 是光电二极管的结电容, 约几p F 到几百p F , 其大小与管子尺寸、结构和偏压有关; R d 为结电阻, 约几兆欧姆;

R s 由接触电阻及未耗尽区的体电阻组成, 其大小与管子尺

寸、所加偏压及温度有关, 约几十欧姆到数百欧姆; R L , C L 分别是负载电阻、负载电容。

光电二极管特点:

(1) 反向电流随入射光照度的增加而变大, 在一定反

向电压范围内, 反向电流的大小几乎与反向电压无关;

(2) 在入射光照一定时, 光电二极管相当于恒流源,

156

《现代电子技术》2007年第18期总第257期其输出电压随负载电阻增大而升高;

(3) 光电二极管的暗电流I d 很小, 光电流I L 较大。

　 集成电路

声、热噪声等。放大器在放大光电二极管输出信号的同时将噪声也放大了, 从而影响系统的分辨率。反馈电阻R f 在输出端造成的噪声分量为[3]:

V nR =

f

不同的光电二极管, 其中心波长、响应时间也不同。选用GT021型PIN 光电二极管, 这是重庆光电技术研究所研制生产的高性能光电二极管, 由锗材料做成, 具有以下特点:光谱响应范围宽; 响应速度快; 灵敏度高; 与光纤的全金属化封装, 气密性好, 且有光窗封装。

光电二极管的光探测方式有2种结构:一是光伏模式, 在这种模式下, 光电二极管处于零偏状态, 不存在暗电流I d , 有较低的噪声, 线性好, 适合于比较精确的测量; 二是光导模式, 在这种模式下, 需给光电二极管加反向偏置电压, 存在暗电流I d , 由此会产生较大的噪声电流, 有非线性, 通常应用在高速场合。3　光电信号检测电路设计3. 1　设计的难点及解决方案

光电二极管的输出电流信号很小(在微安级) 、信号频率范围大(从直流到1M Hz 方波) [1]息, 放大。益、[2](1) 提高响应度与输出的线性

PIN 光电二极管没有内部增益(即只有单位增益) , 因

R d f

πf c =带宽Δf =2

4R f C f

可见, 采用R d 较大的光电二极

管, 反馈电阻R f 较小的运算放大电路将使输出噪声减小。随着频率的增加, C f 的作用开始表现出来, 信号电流的放

πR f C f 。大倍数开始下降, 转折频率为1/2而噪声电压与信号电流的幅频特性完全不同。在直流段和较低频率时噪声电压的放大倍数为1+R f /R d , 随着频率的增加, 噪声增益曲线首先由于C j 的作用开始升高, 直至由于电容C f 的作用而停止。在高频段, 噪声增益被限定在1+C j /C f 。由此可见, R d 越大, C j 越小, 噪声的影响越小。加入C f 可限制高频段的噪声增益。, 虽然失调电压和失调电,

, 需要算放大器, 同时选用R d 值大的光电二极管并尽量控制温度变化范围。

此他对光的响应度是不高的。在单位增益中一个入射光子只产生一个电子的光电流。根据波长, 其最高量子效率

(转换效率) 为92%。因此在使用时必须把光电二极管输

出的电信号放大。

典型的光电转换电路如图2所示。电路中光电二极管工作于光导模式, 可探测微弱的光, 另外运算放大器可以获得高达107～108或更高的增益; 因此, 图2可有效提高光响应度。实际上, 这也是一个I 2V 变换器, 由于负反馈的原因, 运算放大器的等效输入阻抗为:

R in =

1+A VO

1+A VO

图2　光电转换原理图

(3) 放大电路频带宽度与响应速度的提高

光电检测电路的响应速度与光电二极管、运算放大器及应用状况有关系:光电二极管的响应速度与他的有效工作区有关。有效工作区小的器件响应速度快。不同的运算放大器响应速度不同, 要提高电路的响应速度, 需要选择合适的运算放大器。在应用电路方面, 光导模式的响应速度比光伏模式快。另外负载的大小与性质对响应速度也有影响。负载电阻越大, 响应速度越慢。因此为提高电路的响应速度及带宽, 除了选择合适的元器件外, 还应在电路设计方面采取相关措施。3. 2　光电信号检测电路设计

图3是基于以上讨论而设计的光电信号调理电路原理图。该电路由3部分组成:前置放大(兼I/V 变换) 、推动放大及功率放大电路。在3部分电路中前置放大级电路对系统的性能, 特别是对系统的信噪比有重要的影响, 设计时要多加关注。下面结合图3对电路原理加以说明。

对前置放大级电路, 由于要完成电流2电压变换, 且要

157

‖R id λ(1)

　　式(1) 中R id 是运算放大器的开环输入阻抗, 对场效应

管输入的情形, R id >1010Ω。A VO 是开环放大倍数, 一般

A VO 大于10, 将这些值代入式(1) 可知R in 的值很小, 接近

6

于0Ω(此时光电流与辐照光功率成良好的线性关系) 。又由于运算放大器的开环输入阻抗R id 很大(虚断) , 光电二极管的电流都流入了反馈电阻, 故运放的输出电压为:

V out =R f ・I s

(2)

　　其中I s 是光电二极管的短路输出电流, 其值与辐照光功率成正比, 由此可见该电路的输出电压与入射光功率成良好线性关系。

(2) 降低噪声

光电二极管、电阻及运算放大器等器件都存在散粒噪

微电子技术孙红兵等:微弱光电信号检测电路设计

与采集卡相匹配。数据采集卡采用自制的8通道多功能数据采集卡, 其模拟输入信号的动态范围为±5V , 采样通过率10M Hz , A/D 转换分辨率为12b , 提供多种触发方

式。在控制器控制下对光电检测电路输出信号依次采集并送存储缓冲器, 然后由计算机读入内存并加以处理, 输出处理结果。

3. 3　优化PCB 设计

为了保证电路可靠工作, 降低噪声, 电路板的布线设计与制作工艺也是一个值得注意的问题。在制作PCB 板时, 元件布局要合理、分布均匀。

走线应该尽量短, 电源线远信号线, 电路板上下层, 整个电路周围要挖掉一定形状的铜皮, 从

图提高转换速度, 故采用了图2所示电路。为提高光电转换速度,D2选用了重庆光电技术研究所研制生产的GT021型PIN 光电二极管。R 9, R 10为反馈电阻, 完成电流2

电压

而可以有效地抑制由运算放大器输入端和输出端对地产生的

寄生电容所导致的频率响应峰和电路振荡。采取这些措施可以有效地改善电路的性能, 大大降低了噪声的影响[4]。4　结　语

本文针对动态变化的微弱光信号设计了光电检测电路, 电路从增益、信噪比、带宽等多个方面入手, 采取多种措施, 显著提高了电路的性能, 可满足多种光电检测场合的要求。该电路在某型脉冲爆震发动机多参数测量系统中得到了成功的应用, 主要性能指标达到了预期的结果。

参　考　文　献

[1]孙红兵, 丁万山. 基于激光诊断技术的高温火焰温度实时测

变换功能, 调节其大小可改变增益。为改善电阻产生的噪声, 必须选择噪声系数小的电阻, 另外在反馈电阻两端并联电容C 28, 以降低噪声频带, 提高高频时的信噪比。运算放大器U3选用了高输入阻抗的OPA627, 他的

参数如下:失调电压40μV , 失调电流0. 5pA , 温度漂移

0. 4μV/℃, 转换速率55V/μs , 带宽80M Hz 。他对提高

信号调理电路的信噪比及带宽有重要作用。为进一步降低运放失调电压及失调电流的影响, 电路设计时加了调零电路及平衡电阻。由于电源经常会受到干扰, 故设计了退耦电容C 16, C 17, C 18, C 19, 其中C 16, C 18为高频退耦电容。

推动放大电路设计成反相放大, 主要由U4及外围元件组成。他对前一级信号进行电压放大,U4可选用普通的运放, 但带宽应满足要求, 本电路选用OP37G 集成运放。

功率放大电路对前一级的信号进行电流放大, 以驱动后级电路。R 16, R 17用以调节Q 1的静态工作点。由于测量系统探测到的信号从直流到1M Hz 方波, 因此在电路设计时, 各级电路之间都要采用直流耦合。这给零点及静态工作点的调节带来了较大的难度。在实际调试时, 借助示波器反复进行调节, 直到输出信号的前后沿都符合要求, 且当没有光输入时输出信号为零。

光学信号经过光电转换及各级调理电路后, 经输出级送给计算机的数据采集卡。为此光电检测电路输出级要

量系统[J ].淮阴师范学院学报:自然科学版, 2002,

1(3) :30250.

[2]张建华. 微弱光电信号检测系统[J].光电子技术,2002,22

(2) :87289.

[3]高稚允, 高岳. 光电检测技术[M ].北京:国防工业出版

社,1991.

[4]刘铁安. 提高火焰温度测量精度的方法[J].红外技术,

1996,18(6) :42244.

作者简介　孙红兵　男,1970年出生, 江苏灌南人, 淮阴师范学院电子与电气工程系, 南京航空航天大学博士生。研究方向为计

算机测控、信号与信息处理。

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