內調制微光檢測技術(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、便于遠距離傳輸和在線(xiàn)測量等特點(diǎn)。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(lèi)實(shí)驗室極為重要的設備。
　　在微光檢測系統中，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上，提出了“間接耦合光電探測”新概念〔1〕。根據“間接耦合光電探測”新概念研制的內調制光電探測器（簡(jiǎn)稱(chēng)內調制光電管或內調制光敏管）能使入射的光信號直接轉化為受調制的交流電信號輸出而不用機械斬波器。我們利用這種內調制光電探測器件作為微光檢測系統的光電轉換部分，使檢測系統不需要機械斬波器就可以得到受調制的交流信號，克服了微弱直流電信號放大的困難，為提高系統信噪比和可靠性奠定了基礎。而且，內調制光電探測器的工作條件相對光電倍增管要簡(jiǎn)單得多，使用壽命也相對更長(cháng)。因此，利用內調制光電探測器作為光電變換器件的微光檢測系統代表了一種新的微光測量技術(shù)〔2〕。
2　內調制光電檢測原理
　　微弱光信號經(jīng)過(guò)內調制光電探測器轉換成電信號以后，還要經(jīng)過(guò)放大、濾波等各種信號處理〔3〕。而在微弱光的檢測過(guò)程中，光電檢測系統在工作時(shí)總會(huì )受到一些無(wú)用信號的干擾。例如，光電轉換中光電子隨機起伏的干擾，輻射光場(chǎng)在傳輸過(guò)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。光電檢測系統的噪聲如圖1所示。

　　這些噪聲主要來(lái)自?xún)煞矫妫海?）來(lái)自研究系統的外部，通常由電、磁、機械等因素引起，這些干擾多具有一定的規律性，采取適當的措施可以將其減小或消除。（2）來(lái)自被研究系統內部的材料、器件和固有的物理過(guò)程的自然干擾。例如，任何電導體中帶電粒子無(wú)規則運動(dòng)引起的熱噪聲，光探測過(guò)程中光子計數引起的散粒噪聲。這些過(guò)程是隨機過(guò)程，不能精確預知其大小及規律，不能完全消除，但可以得知其統計規律，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－復合噪聲（g－r噪聲）、溫度噪聲等。噪聲在實(shí)際的光電探測系統中是極其有害的。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(gè)光電檢測系統的極限探測能力往往受探測系統的噪聲所限制。如何減少噪聲的影響是檢測系統的一個(gè)重要問(wèn)題。
2．1　最大信噪比原理
　　當檢測的信號光非常微弱時(shí)，通過(guò)光電探測器轉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(lái)〔4〕。為了從信號處理系統獲得最大的信噪比，系統的　　頻率函數和輸入信號之間應滿(mǎn)足一定的關(guān)系?！　≡O，信號處理系統如圖2所示。其H（jω）為系統的頻率函數；h（t）為系統的脈沖響應；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(shí)域表達式

根據圖2，輸出噪聲功率譜密度為

這樣，就可以得到td時(shí)刻系統輸出的功率信噪比為

利用Schwartz不等式對其化簡(jiǎn)，整理后為

當滿(mǎn)足


　　由上述分析可知，為了獲得最大的輸出信噪比，信號處理系統的頻率響應函數與輸出信號的頻譜之間需要滿(mǎn)足式（8）。滿(mǎn)足這一關(guān)系的信號處理系統稱(chēng)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(diǎn)，是微弱信號檢測的一種常用方法。定義互相關(guān)函數：

它是描述t時(shí)刻的x（t）和t－l時(shí)刻的y（t）之間的相關(guān)程度。如果兩個(gè)函數（過(guò)程）的發(fā)生互相完全沒(méi)有關(guān)系（例如信號與隨機噪聲），則它們的互相關(guān)函數是一常數，這個(gè)常數等于兩函數平均值的積。若一個(gè)函數（如噪聲）的平均值為零，則它們的互相關(guān)函數為零。如果兩函數具有相同的基波頻率，則互相關(guān)函數保留了原函數的幅度和相位信息。

　　互相關(guān)檢測的原理如圖3所示。已知輸入信號S（t）的重復周期或頻率，用一重復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

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(lái)。
3　模擬電路的設計與結構
　　內調制微光檢測系統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(dòng)換檔和精密穩壓電路組成。
　　內調制探測器輸出的交流電流信號經(jīng)I－V轉換后成為交流電壓信號，其數學(xué)表達式為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為：

由上式可知，選頻放大電路的頻率函數為沖擊脈沖，可以用窄帶帶通濾波器來(lái)實(shí)現，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構如圖5所示。其中心角頻率通過(guò)適當的調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(guò)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成正比。

　　從實(shí)驗結果來(lái)看，內調制微光檢測系統利用探測器的內調制光電特性，將光信號轉變?yōu)槭苷{制的交流電信號，方便了后級電路的處理，克服了傳統微弱光檢測的缺點(diǎn)。這種內調制微光檢測技術(shù)是一項基礎性技術(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)、農業(yè)、國防、科技、環(huán)保、醫療衛生、食品衛生檢查等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的用途。利用該技術(shù)研制出的內調制光纖比色溫度儀，已用于冶金行業(yè)中的在線(xiàn)測溫。