一種新型微弱激光檢測系統

一種新型微弱激光檢測系統

A Novel Detecting System for Low Laser

中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所   翁東山 危峻

摘　要：本文介紹了一種使用以光電探測器為光敏元的、高精度的微弱激光檢測系統，利用音叉斬波技術(shù)和單片機對系統的模擬信號進(jìn)行數據采集、校正，從而實(shí)現了對微弱激光探測系統的溫度漂移特性和非線(xiàn)性有了較大的改善。

關(guān)鍵詞：斬波調制；檢測系統；單片機；非線(xiàn)性補償

本文2005年2月28日收到。翁東山，博士生，從事空間遙感及其模擬技術(shù)研究。

引言

　　隨著(zhù)激光在科學(xué)技術(shù)研究、醫療衛生、國防科技、精細加工等領(lǐng)域的廣泛應用，對微弱激光檢測愈加顯得重要 , 通常的微弱激光檢測系統主要由光電倍增管或調制盤(pán)斬波器加光電探測器構成光電轉換部分。前者體積較大、需要高壓電源,并且使用條件苛刻;后者隨著(zhù)使用過(guò)程中軸承的不斷磨損，馬達軸的徑向抖晃不斷增大，影響了測試系統的精度。此外,一般微弱激光檢測系統都存在非線(xiàn)性及探測器的性能隨溫度變化等缺點(diǎn)。這些都使得微弱激光檢測技術(shù)的應用受到了很大的限制。我們采用光電探測器作為系統的光電轉換元件,利用音叉進(jìn)行機械斬波，使入射的恒定(或緩變)光信號直接轉化為受調制的交流電信號,對其先進(jìn)行交流耦合放大，克服了用光電探測器的隨溫度漂移的影響，再進(jìn)行鎖相放大，用單片機對系統的模擬輸出信號進(jìn)行數據采集,并進(jìn)行非線(xiàn)性補償,克服了一般微光探測系統的缺點(diǎn)。該系統具有結構簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)。

系統設計

　　微光探測系統主要由內調制光電探測器、信號處理系統和單片機補償系統組成。其總體結構如圖1所示。

溫控電路系統

　　由于溫度變化對光電探測器存在著(zhù)影響，所以我們利用了橋式電路，通過(guò)鉑電阻采集溫度信號進(jìn)行與設定值進(jìn)行比較，從而利用半導體制冷器對光電探測器進(jìn)行主動(dòng)控溫，溫度控制在+10_C ，控制精度為0.5 _C。這樣大大減小了光電探測器隨著(zhù)溫度變化帶來(lái)的負面影響。

信號采集和信號調理系統

　　首先選取光電探測器作為光電轉換器件,通過(guò)有電感三點(diǎn)式起振帶動(dòng)音叉的諧振，從而實(shí)現了對入射微弱激光的斬波調制,可將入射的恒定(或緩變)光信號轉化為受調制的交流電信號。然后通過(guò)交流耦合，濾除了直流和低頻溫漂噪聲，從而克服了因溫度漂移給系統帶來(lái)的影響。實(shí)際設計中系統的信號處理部分包括前置放大器和AD630芯片的鎖相放大。 前置放大器將探測器輸出的微弱交流電信號進(jìn)行預放大。ADI公司的AD630芯片，可以根據該公司提供的器件手冊很容易組成一個(gè)鎖相放大器，該電路能夠實(shí)現從+100dB噪聲中提取出信號，本設計就是利用該電路進(jìn)行提取微弱信號，參考信號從諧振線(xiàn)圈的中心抽頭引出，然后通過(guò)移相后作為鎖相放大器的參考信號，這樣實(shí)現了對給定頻率的交流信號進(jìn)行放大而大大抑制其他頻率的噪聲信號，從而得到與光強成正比的電壓信號,并將此信號交由單片機系統進(jìn)行非線(xiàn)性補償。

單片機系統設計

　　在微弱激光檢測系統實(shí)際應用中,發(fā)現激光較強或較弱時(shí),信號處理電路輸出信號的非線(xiàn)性度有一定程度的增加,使輸出線(xiàn)性度變差,影響了系統測量的動(dòng)態(tài)范圍及測量精度。為此,我們采用單片機系統對其輸出信號進(jìn)行數據采集并做線(xiàn)性補償。單片機系統的框圖如圖2所示?！?BR>　　在EEPROM中存放查表數據，然后利用單片機從A/D轉換器讀取出測量值，然后進(jìn)行查表，校正，最后通過(guò)8255并行口在LED顯示系統上顯示測量值。

　　由于微弱激光探測系統的輸出信號非線(xiàn)性特性跟光敏元本身特性有關(guān)，沒(méi)有一個(gè)很好的數學(xué)模型，因此我們采用查表法對其測量值進(jìn)行線(xiàn)性補償。程序采用ＭＣＳ51匯編語(yǔ)言編寫(xiě),主要包括Ａ/Ｄ轉換模塊、線(xiàn)性補償模塊和顯示模塊。 程序流程圖如圖3所示。

實(shí)驗結果與討論

　　在實(shí)驗中我們發(fā)現,在入射激光能量較弱時(shí),系統的響應偏離線(xiàn)性,因此需要對其測量結果進(jìn)行非線(xiàn)性補償。系統修正結果對比使用單片機對系統進(jìn)行線(xiàn)性補償時(shí),必需得到用于修正的表格數據,將其存放在外部EEPROM中。我們用標準激光源作為信號光源，對應于不同光強的標準激光源,記錄其輸出結果。實(shí)驗結果表明該系統采用了音叉斬波技術(shù)能夠有效地克服了探測器隨溫度變化而漂移，經(jīng)過(guò)單片機系統修正后的輸出信號,其線(xiàn)性也有很大改善,說(shuō)明該系統取得了比較理想的檢測效果。

結語(yǔ)

　　調制微弱激光探測系統利用音叉斬波技術(shù)，克服了一般光探測系統的缺點(diǎn)。采用單片機系統對其進(jìn)行測量結果并做線(xiàn)性,提高了系統的測量精度。該系統具有較強的通用性，采用不同的光敏探測器可以用于不同波段的微光探測，并且在探測器前放置不同的濾波片,該系統可用做不同場(chǎng)合的單波長(cháng)能量計,在環(huán)保，工業(yè)，科研等領(lǐng)域有廣泛的用途。

參考文獻：

1.  張建華等.應用磁芯調制器高分辨率偏振消光測量系統[C].光電子.激光.2001,12(10):1041-1043