一種極弱光信號探測裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型屬于信號探測領域，尤其涉及一種基于數(shù)字信號處理器(DSP)的高精度極弱光信號探測裝置。該裝置包括機械快門，光電倍增管，低噪聲前置放大器，高通濾波電路，高分辨率A/D轉換電路，DSP處理電路，快門驅(qū)動電路和計算機；通過上述裝置對極弱光信號進行調(diào)制、消本底噪聲和數(shù)字取樣積分的處理，實現(xiàn)了極弱入射光的精確探測。同時，本實用新型的裝置生產(chǎn)成本低，結構簡單，便于使用。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬光信號探測領域，涉及一種極弱光信號探測裝置，尤其涉及一種基 于數(shù)字信號處理器（DSP)的高精度極弱光信號探測裝置。 一種極弱光信號探測裝置

【背景技術】
[0002] 極弱光信號測量中常常會出現(xiàn)背景噪聲或干擾很大而被測信號卻十分微弱、甚至 被噪聲湮沒的情況。這種情況下，通過光電探測器將弱光信號轉換成微弱電信號，再通過低 噪聲前置放大器對微弱電信號進行放大的傳統(tǒng)方法是無法從噪聲中提取和恢復被測信號 的。目前常用的方法是通過鎖相放大器或取樣積分器實現(xiàn)對極弱光信號的探測和提取。
[0003] 鎖相放大器利用噪聲與信號的頻率和相位不相關特性，通過壓縮檢測通道帶寬實 現(xiàn)了對噪聲的大幅度抑制，從而改善信號的信噪比。取樣積分器是利用一個與信號重復頻 率一致的參考信號，對含有噪聲的信號進行取樣處理，經(jīng)過多次重復取樣提取，使噪聲的統(tǒng) 計平均趨于零，實現(xiàn)對信號的提取。
[0004] 這兩種方法在實際使用時存在著以下幾個方面的缺點：
[0005] 1)利用鎖相放大器對弱光信號進行探測時，需要在探測器前端加裝一個斬波器。 斬波器的作用是將入射光信號調(diào)制成正弦交流信號并輸出一個與調(diào)制信號同頻同相的參 考信號給鎖相放大器。這對斬波器提出了很高的要求，既能將光信號在時域上調(diào)制成正弦 信號，且輸出的參考信號與調(diào)制信號同頻同相，還要求參考信號具備很高的頻率穩(wěn)定度以 免漂移出窄帶以外。通常，一個能滿足上述要求的斬波器十分昂貴，增加了研制任務成本。
[0006] 2)由于鎖相放大器與斬波器為兩個獨立工作的設備，參考信號在通過線纜傳輸至 鎖相放大器參考端時可能會因線纜分布參數(shù)的影響而導致信號的相移。另外，參考信號在 傳輸過程中若受到電磁干擾，其頻率和相位會被干擾信號調(diào)制。這無疑會造成最終測試的 不準確，特別是在長距離傳輸或電磁環(huán)境較差時，這些影響非常明顯。
[0007] 3)取樣積分器是測量噪聲中微弱的周期重復信號的一種儀器，因此在測量極弱光 信號時同樣需要對被測光進行周期性的調(diào)制，和鎖相放大器存在相似的問題。
[0008] 4)取樣積分器的核心是取樣模擬開關和RC積分電路，其中取樣模擬開關在門脈 沖的控制下通過對微弱模擬信號進行間隔采樣，而RC積分電路是在模擬開關接通的時間 內(nèi)對采樣的模擬信號值進行積分，再經(jīng)末級放大后輸出。模擬開關屬于半導體器件，存在漏 電流，并不能實現(xiàn)真正意義上的關斷，會引入額外的噪聲。RC積分電路決定了積分時間常數(shù) τ，通常電容C的容值是確定的，通過調(diào)節(jié)電阻R的阻值便實現(xiàn)了對τ的調(diào)節(jié)，但由于R的 阻值并不能被精確的測量，因此對積分時間常數(shù)τ不能實現(xiàn)精確調(diào)節(jié)。
[0009] 5)鎖相放大器和取樣積分器均需要將探測器輸出信號經(jīng)低噪聲前放電路放大后 再對極弱有用信號進行提取。通常要求探測器輸出與前置放大器輸入端盡量靠近，并且盡 量縮短前置放大器輸出與鎖相放大器或取樣積分器輸入端間的傳輸距離。一方面，可以減 少信號衰減，另一方面可以減少長距離傳輸受到外部電磁環(huán)境的干擾。然而這樣會限制一 些特殊場合的應用，特別是當探測器安放位置距前置放大器較遠時或前置放大器距測試儀 器較遠時，信號衰減和外部電磁環(huán)境的干擾會嚴重影響測試結果。
[0010] 6)通常在使用鎖相放大器或取樣積分器時，往往不能確定信號前置放大器自身的 噪聲，因為這部分噪聲是沒有通過調(diào)制的，與被測信號不相關，屬于電路的本底噪聲。 實用新型內(nèi)容
[0011] 為了解決技術背景中常用方法所存在的不足和局限性，本實用新型提出了一種成 本低、操作簡單、能夠?qū)崿F(xiàn)對極弱光信號的進行精確探測的極弱光信號探測裝置。
[0012] 本實用新型的具體技術方案是：
[0013] 一種極弱光信號探測裝置，其特征在于：包括機械快門，光電倍增管，低噪聲前置 放大器，高通濾波電路，高分辨率A/D轉換電路，DSP處理電路，快門驅(qū)動電路和計算機；
[0014] 光電倍增管和入射極弱光之間設置有機械快門，光電倍增管的輸出端與低噪聲前 置放大器的輸入端連接，低噪聲前置放大器的輸出端與高通濾波電路的輸入端連接，高通 濾波電路的輸出端與高分辨率A/D轉換電路的輸入端連接，高分辨率A/D轉換電路的輸出 端與DSP處理電路的輸入端連接，DSP處理電路與計算機相互連接；所述機械快門和DSP處 理電路之間設置有快門驅(qū)動電路。
[0015] 上述低噪聲前置放大器為低電流轉電壓型前置放大器；所述低噪聲前置放大器的 偏置電流小于2pA，在10 6I/V轉換增益時噪聲< 2mVp_p ;;所述高通濾波電路濾除能滿足濾 除小于100Hz的低頻成分；所述高分辨率A/D轉換電路的分辨等級為16bit。
[0016] 上述計算機與DSP處理電路之間通過屏蔽型網(wǎng)線相互連接。
[0017] 本實用新型的優(yōu)點在于：
[0018] 1、本實用新型通過機械快門對入射的弱光進行調(diào)制，所有工作通過DSP處理電路 進行時序控制，使調(diào)制電路與采集電路之間時序關系明確，具有相關性，調(diào)制方式簡單且成 本低廉；
[0019] 2、本實用新型在機械快門CLOSE狀態(tài)下能夠確定低噪聲前置放大器的本底噪聲， 并可通過DSP處理電路減去本底噪聲的影響，使結果更加真實、可信；
[0020] 3、本實用新型采用高分辨率的A/D轉換電路，使采樣結果更加接近真實值；
[0021] 4、本實用新型使用DSP處理電路對數(shù)據(jù)進行采樣時間和采樣間隔的確定，避免了 取樣模擬開關自身引入的噪聲和RC積分電路帶來的不準確性；
[0022] 5、本實用新型采用高通濾波電路對數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，減少了由電路硬件濾波引 入的噪聲；
[0023] 6、本實用新型采用DSP處理電路對采樣后的數(shù)據(jù)進行數(shù)字積分，處理速度快；
[0024] 7、本實用新型中的DSP處理電路和計算機通過屏蔽型網(wǎng)線連接，輸出數(shù)據(jù)為數(shù)字 型，抗干擾能力強，通過屏蔽型網(wǎng)線可實現(xiàn)最長90m的數(shù)據(jù)傳輸距離；
[0025] 8、本實用新型實現(xiàn)成本低，重復性好，操作簡便，便于系統(tǒng)的集成。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為本實用新型的結構簡圖。
[0027] 1-機械快門、2-高壓電源、3-光電倍增管、4-低噪聲前置放大器、5-高通濾波電 路、6-高分辨率A/D轉換電路、7-DSP處理電路、8-快門驅(qū)動電路、9-計算機。

【具體實施方式】
[0028] 本實用新型提出了一種能對極弱光信號進行精準探測的探測裝置。
[0029] 以下結合圖1對該裝置的結構進行描述：
[0030] 該探測裝置包括機械快門1，光電倍增管3,低噪聲前置放大器4,高通濾波電路5， 高分辨率A/D轉換電路6, DSP處理電7路，快門驅(qū)動電路8和計算機9 ;
[0031] 光電倍增管3和入射極弱光之間設置有機械快門1，光電倍增管3的輸出端與低噪 聲前置放大器4的輸入端連接，低噪聲前置放大器4的輸出端與高通濾波電路5的輸入端 連接，高通濾波電路5的輸出端與高分辨率A/D轉換電路6的輸入端連接，高分辨率A/D轉 換電路6的輸出端與DSP處理電路7的輸入端連接，DSP處理電路7與計算機9相互連接； 機械快門1和DSP處理電路7之間設置有快門驅(qū)動電路8。
[0032] 其中，本領域技術人員都知道，在使用光電倍增管的時候，必須要給光電倍增管3 連接一個高壓電源2才能滿足其正常工作。
[0033] 低噪聲前置放大器4為低電流轉電壓型前置放大器；低噪聲前置放大器的偏置電 流小于2pA，在10 6I/V轉換增益時噪聲彡2mVp_p ;高通濾波電路5濾除能滿足濾除小于100Hz 的低頻成分；高分辨率A/D轉換電路6的分辨等級為16bit。
[0034] 另外，該裝置工作時，為了避免外界干擾，計算機9和DSP處理電路7之間通過屏 蔽型網(wǎng)線連接，而且屏蔽型網(wǎng)線可實現(xiàn)最長90m的數(shù)據(jù)傳輸距離，實現(xiàn)了無干擾、長距離的 數(shù)據(jù)傳輸。
[0035] 通過上述對裝置結構的描述，該裝置的具體工作過程是，包括以下步驟：
[0036] 步驟1)在計算機上對極弱光信號的調(diào)制周期、采樣時間、采樣間隔和采樣次數(shù)等 參數(shù)進行設定；
[0037] 步驟2)計算機將步驟1)設定的參數(shù)傳輸至DSP處理電路；
[0038] 步驟3)DSP處理電路根據(jù)設定的調(diào)制周期控制快門驅(qū)動電路使機械快門對極弱 光信號進行調(diào)制；
[0039] 步驟4)光電倍增管對調(diào)制后的極弱光信號進行探測并輸出微弱電流信號；
[0040] 步驟5)低噪聲前置放大電路（偏置電流小于2pA，在106I/V轉換時噪聲彡2mV p_p) 接收光電倍增管輸出微弱電流信號轉換成電壓信號并放大，然后將該放大的電壓信號輸 出；
[0041] 步驟6)高通濾波電路接收放大的電壓信號并對該信號進行高通濾波，濾除低頻 成分，然后將過濾后的電壓信號輸出；（注：通常情況下我們采用的高通濾波電路將100Hz 以下的低頻成分過濾掉，這樣確保采樣結果更加準確）
[0042] 步驟7)高分辨率A/D轉換電路接收濾波后的電壓信號轉換數(shù)字信號并將該信號 傳輸至DSP處理電路；
[0043] 步驟8)DSP處理電路對數(shù)字信號進行采集、去本底噪聲、數(shù)字取樣、帶通濾波和數(shù) 字積分得到得到最終極弱光的信號數(shù)據(jù)，再通過屏蔽型網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳輸至計算機；
[0044] 其中，所述去本底噪聲為去除低噪聲前置放大電路噪聲。
[0045] 步驟8)中具體去本底噪聲的步驟如下：
[0046] 步驟8. 1)機械快門處于關閉狀態(tài)，沒有光信號輸入；
[0047] 步驟8. 2)低噪聲前置放大電路將本體的微弱電壓信號放大并輸出至高通濾波電 路；放大后的微弱電壓信號經(jīng)高通濾波電路濾除低頻成分，將過濾后的電壓信號傳輸至高 分辨率A/D轉換電路；高分辨率A/D轉換電路將過濾后的電壓信號轉換成數(shù)字信號并將該 數(shù)字信號傳輸至DSP處理電路；
[0048] (注：通常情況下我們采用的高通濾波電路將100Hz以下的低頻成分過濾掉，這樣 確保采樣結果更加準確）
[0049] 步驟8. 3)DSP處理電路將機械快門閉合時的數(shù)據(jù)記錄為前置放大電路的本底噪 聲；
[0050] 步驟8. 4) DSP處理電路將接收到的入射極弱光的數(shù)字信號減去DSP處理電路接收 到的低噪聲前置放大電路本體噪聲的數(shù)字信號。
【權利要求】
1. 一種極弱光信號探測裝置，其特征在于：包括機械快門，光電倍增管，低噪聲前置放 大器，高通濾波電路，高分辨率A/D轉換電路，DSP處理電路，快門驅(qū)動電路和計算機； 光電倍增管和入射極弱光之間設置有機械快門，光電倍增管的輸出端與低噪聲前置放 大器的輸入端連接，低噪聲前置放大器的輸出端與高通濾波電路的輸入端連接，高通濾波 電路的輸出端與高分辨率A/D轉換電路的輸入端連接，高分辨率A/D轉換電路的輸出端與 DSP處理電路的輸入端連接，DSP處理電路與計算機相互連接；所述機械快門和DSP處理電 路之間設置有快門驅(qū)動電路。
2. 根據(jù)權利要求1所述的極弱光信號探測裝置，其特征在于：所述低噪聲前置放大器 為低電流轉電壓型前置放大器；所述低噪聲前置放大器的偏置電流小于2pA，在10 6I/V轉 換增益時噪聲< 2mVp_p ;所述高通濾波電路濾除能滿足濾除小于100Hz的低頻成分；所述高 分辨率A/D轉換電路的分辨等級為16bit。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的極弱光信號探測裝置，其特征在于：所述計算機與DSP處 理電路之間通過屏蔽型網(wǎng)線相互連接。
【文檔編號】G01J1/42GK203908675SQ201420316603
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權日:2014年6月13日
【發(fā)明者】龍江波, 趙建科, 段亞軒, 劉峰, 李坤, 曹昆 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所