內(nèi)調(diào)制微光檢測技術(shù)

1 引 言
　　光是攜帶和傳遞信息的重要載體，光電信號作為信息的一種重要載體，具有信息容量大、易于控制、便于遠(yuǎn)距離傳輸和在線測量等特點。目前，微弱光的檢測技術(shù)已成為生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、食品科學(xué)以及航天科學(xué)等眾多領(lǐng)域內(nèi)的一種非常重要的研究手段，與之相關(guān)的各種儀器已成為各類實驗室極為重要的設(shè)備。
　　在微光檢測系統(tǒng)中，光電變換是其核心部分，我們研究光電探測器件20年，在充分分析光電探測器基本功能的基礎(chǔ)上，提出了“間接耦合光電探測”新概念〔1〕。根據(jù)“間接耦合光電探測”新概念研制的內(nèi)調(diào)制光電探測器（簡稱內(nèi)調(diào)制光電管或內(nèi)調(diào)制光敏管）能使入射的光信號直接轉(zhuǎn)化為受調(diào)制的交流電信號輸出而不用機(jī)械斬波器。我們利用這種內(nèi)調(diào)制光電探測器件作為微光檢測系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換部分，使檢測系統(tǒng)不需要機(jī)械斬波器就可以得到受調(diào)制的交流信號，克服了微弱直流電信號放大的困難，為提高系統(tǒng)信噪比和可靠性奠定了基礎(chǔ)。而且，內(nèi)調(diào)制光電探測器的工作條件相對光電倍增管要簡單得多，使用壽命也相對更長。因此，利用內(nèi)調(diào)制光電探測器作為光電變換器件的微光檢測系統(tǒng)代表了一種新的微光測量技術(shù)〔2〕。
2　內(nèi)調(diào)制光電檢測原理
　　微弱光信號經(jīng)過內(nèi)調(diào)制光電探測器轉(zhuǎn)換成電信號以后，還要經(jīng)過放大、濾波等各種信號處理〔3〕。而在微弱光的檢測過程中，光電檢測系統(tǒng)在工作時總會受到一些無用信號的干擾。例如，光電轉(zhuǎn)換中光電子隨機(jī)起伏的干擾，輻射光場在傳輸過程中受到通道的影響及
背景光的干擾、放大器引入的干擾噪聲等等。光電信號處理的主要目的是最大限度地抑制噪聲，提取信號攜帶的有用信息。光電檢測系統(tǒng)的噪聲如圖1所示。

　　這些噪聲主要來自兩方面：（1）來自研究系統(tǒng)的外部，通常由電、磁、機(jī)械等因素引起，這些干擾多具有一定的規(guī)律性，采取適當(dāng)?shù)拇胧┛梢詫⑵錅p小或消除。（2）來自被研究系統(tǒng)內(nèi)部的材料、器件和固有的物理過程的自然干擾。例如，任何電導(dǎo)體中帶電粒子無規(guī)則運(yùn)動引起的熱噪聲，光探測過程中光子計數(shù)引起的散粒噪聲。這些過程是隨機(jī)過程，不能精確預(yù)知其大小及規(guī)律，不能完全消除，但可以得知其統(tǒng)計規(guī)律，可以采取一些措施予以控制。
　　在光電探測器中固有噪聲主要有熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生－復(fù)合噪聲（g－r噪聲）、溫度噪聲等。噪聲在實際的光電探測系統(tǒng)中是極其有害的。由于噪聲總是與有用信號混在一起，因而影響對信號特別是微弱信號的正確檢測。一個光電檢測系統(tǒng)的極限探測能力往往受探測系統(tǒng)的噪聲所限制。如何減少噪聲的影響是檢測系統(tǒng)的一個重要問題。
2．1　最大信噪比原理
　　當(dāng)檢測的信號光非常微弱時，通過光電探測器轉(zhuǎn)換后得到的光電信號的信噪比（S／N）很小，這就需要一些特殊的微弱信號檢測方法將信號從噪聲中提取出來〔4〕。為了從信號處理系統(tǒng)獲得最大的信噪比，系統(tǒng)的　　頻率函數(shù)和輸入信號之間應(yīng)滿足一定的關(guān)系?！　≡O(shè)，信號處理系統(tǒng)如圖2所示。其H（jω）為系統(tǒng)的頻率函數(shù)；h（t）為系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)；Si（t）為輸入信號；So（t）為輸出信號；Wi（ω）為輸入白噪聲的功率譜密度，且Wi（ω）＝No；PN（t）為輸出噪聲功率；Wo（t）為輸出噪聲的功率譜密度；Si（jω）為輸入信號頻譜；So（jω）為輸出信號頻譜。

根據(jù)信號的頻域分析方法，可得輸出信號的頻譜為：

將式（1）作傅立葉變換，可得輸出信號的時域表達(dá)式

根據(jù)圖2，輸出噪聲功率譜密度為

這樣，就可以得到td時刻系統(tǒng)輸出的功率信噪比為

利用Schwartz不等式對其化簡，整理后為

當(dāng)滿足


　　由上述分析可知，為了獲得最大的輸出信噪比，信號處理系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)與輸出信號的頻譜之間需要滿足式（8）。滿足這一關(guān)系的信號處理系統(tǒng)稱為匹配濾波器，匹配濾波技術(shù)是微弱信號檢測的一種重要的方法。
2．2　互相關(guān)檢測原理
利用信號和噪聲在相關(guān)特性上具有不同的特點，是微弱信號檢測的一種常用方法。定義互相關(guān)函數(shù)：

它是描述t時刻的x（t）和t－l時刻的y（t）之間的相關(guān)程度。如果兩個函數(shù)（過程）的發(fā)生互相完全沒有關(guān)系（例如信號與隨機(jī)噪聲），則它們的互相關(guān)函數(shù)是一常數(shù)，這個常數(shù)等于兩函數(shù)平均值的積。若一個函數(shù)（如噪聲）的平均值為零，則它們的互相關(guān)函數(shù)為零。如果兩函數(shù)具有相同的基波頻率，則互相關(guān)函數(shù)保留了原函數(shù)的幅度和相位信息。

　　互相關(guān)檢測的原理如圖3所示。已知輸入信號S（t）的重復(fù)周期或頻率，用一重復(fù)周期與輸入信號相同的參考信號y（t）與混有噪聲n（t）的輸入信號進(jìn)行相關(guān)。則互相關(guān)函數(shù)

Rsy（l）包涵了信號S（t）所攜帶的信息，這樣就能把信號S（t）檢測出來。
3　模擬電路的設(shè)計與結(jié)構(gòu)
　　內(nèi)調(diào)制微光檢測系統(tǒng)的信號處理部分的基本原理如圖4所示，主要由信號通道、參考脈沖、乘法器、采樣保持電路、量程自動換檔和精密穩(wěn)壓電路組成。
　　內(nèi)調(diào)制探測器輸出的交流電流信號經(jīng)I－V轉(zhuǎn)換后成為交流電壓信號，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為Vi＝Vm cosωt，由于信號的信噪比很小，因此，選頻放大電路必須改善信號的信噪比。由最大信噪比原理可知，選頻放大電路的頻率函數(shù)為：

由上式可知，選頻放大電路的頻率函數(shù)為沖擊脈沖，可以用窄帶帶通濾波器來實現(xiàn)，我們采用巴特沃茲（Butterworth）二階帶通濾波器，巴特沃茲二階濾波器在通帶內(nèi)具有最平坦的頻幅特性，能夠很好地改善探測器輸出信號的信噪比。二階巴特沃茲濾波器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中心角頻率通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整使其中心角頻率和探測器輸出信號的頻率相同，使得探測器輸出信號經(jīng)過濾波器后幅度增益最大。這樣，選頻放大器輸出信號的峰值和光強(qiáng)成正比。

　　從實驗結(jié)果來看，內(nèi)調(diào)制微光檢測系統(tǒng)利用探測器的內(nèi)調(diào)制光電特性，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)槭苷{(diào)制的交流電信號，方便了后級電路的處理，克服了傳統(tǒng)微弱光檢測的缺點。這種內(nèi)調(diào)制微光檢測技術(shù)是一項基礎(chǔ)性技術(shù)，能檢測從紫外到中紅外的微光，也可檢測微弱的脈沖光。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科技、環(huán)保、醫(yī)療衛(wèi)生、食品衛(wèi)生檢查等領(lǐng)域有著廣泛的用途。利用該技術(shù)研制出的內(nèi)調(diào)制光纖比色溫度儀，已用于冶金行業(yè)中的在線測溫。