CN108007564B - 一种大动态范围光电信号测量系统及测量方法 - Google Patents

一种大动态范围光电信号测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大动态范围光电信号测量系统及测量方法，该系统包括光纤束单元、光电传感单元和分析判断单元；所述光纤束单元具有多个光纤输入端和多个光纤输出端，光电传感单元包含多个传感子单元，光纤束单元用光纤束重组的方法把任意一个输入端的光信号按比例同时传输到每一个输出端，每一输出端对应光电传感单元中一个光电传感子单元，每个光电传感子单元把光信号线性地转成电信号输出给分析判断单元，分析判断单元进行分析判断得到一个最终的光电信号测量值。本发明应用于前端光信号是分时选通道输入的场合，本发明不需改变电路或光学参数就可实现实时的线性大动态范围的光信号测量。

Description

一种大动态范围光电信号测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及的是一种大动态范围光电信号测量系统及测量方法。
背景技术
光电接收系统是许多现代光电测量仪器的关键部件。在有些高端测量仪器，光信号的动态范围非常大，因此，需要这样的光电接收系统，它要具有很大的实时动态范围，并且在这个动态范围内有具有线性的光电响应特性。虽然已有许多方法来增加动态范围，如用机械或光学的方法衰减光信号增加量程的上段，或用改变电学参数的方法改变电子电路的增益来适应光信号等，但是这些方法工作时有可能影响实时性，或带来额外的噪声等。目前，用普通光子计数器可以测量几个光子到107个光子的信号，大于107会明显偏离线性。电流模式的光电倍增管具有104～105的线性动态范围，它的光敏范围低端与光子计数器的响应上端可以匹配，而光电二极管的光敏范围低端可以与电流模式的光电倍增管的光敏范围高端匹配。因此，不同灵敏度的光电传感器配合使用，能够大大扩展光信号的线性动态范围。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足，提供一种大动态范围光电信号测量系统及测量方法，有很好的实时性。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种大动态范围光电信号测量系统，包括光纤束单元、光电传感单元和分析判断单元；所述光纤束单元具有多个光纤输入端和多个光纤输出端，光电传感单元包含多个传感子单元，光纤束单元用光纤束重组的方法把任意一个输入端的光信号按比例同时传输到每一个输出端，每一输出端对应光电传感单元中一个光电传感子单元，每个光电传感子单元把光信号线性地转成电信号输出给分析判断单元；
所述光电传感子单元工作在线性传感模式，各个光电传感子单元有不同光电传感灵敏度，在实时工作过程中不调整传感子单元的电气参数；
各个光电传感子单元的光灵敏度不同，组合后覆盖输入光电信号幅度全范围。
所述光电传感子单元由光电传感器和与其相连的线性光电输出电路组成。
本发明的另一目的是提供一种大动态范围光电信号测量方法，该方法包括如下步骤：
步骤(1)根据输入光电信号的大小及动态范围选择光电传感子单元的种类及个数，各个光电传感子单元的光灵敏度不同，组合后覆盖输入光信号幅度全范围；把最灵敏的传感器标识1，次灵敏的传感器标识2，以此类推；
步骤(2)根据输入通道要求和光电传感子单元个数确定光纤束单元的输入输出通道数，通过光纤束重组的方法把任意一个输入端的光信号按比例同时传输到每一个输出端，每一输出端对应光电传感单元中一个光电传感子单元；
步骤(3)每个光电传感子单元既输出光电信号Vi，还有输入过载指示Si，其中i为传感器标识；
步骤(4)所有光电传感子单元的电输出光电信号输到分析判断单元，分析判断单元首先根据最灵敏的传感器1输出的过载指示S1的状态判断传感器1的输出V1是否有效，如果没有过载，V1就代表最终的光信号强度，如果过载，则抛弃V1并判断传感器2的输出S2的状态，以此类推，从最灵敏的传感子单元开始，哪一级没有过载，那一级的输出Vi就代表最终的光电信号强度。
进一步的，所述光电传感子单元由光电传感器和与其相连的线性光电输出电路组成。
进一步的，所述线性光电输出电路既输出光电信号Vi，还有输入过载指示Si。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：由于采用了多入多出的光纤束传输光信号，并且有多个不同灵敏度的传感器同时工作和输出，以及根据多个传感器输出判断有效光电信号的方法，因此本发明的系统不需改变系统的任何参数即可实现实时的大动态范围的光电信号输出。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图中：1、光纤束单元，2、光电传感单元，3、分析判断单元。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参照图1所示，本发明提供的一种大动态范围光电信号测量系统，它包括光纤束单元1、光电传感单元2和分析判断单元3；所述光纤束单元1具有多个光纤输入端和多个光纤输出端，光电传感单元2包含多个传感子单元，光纤束单元1用光纤束重组的方法把任意一个输入端的光信号按比例(传输比例对各输入端来说可以相同或不同)同时传输到每一个输出端，每一输出端对应光电传感单元2中一个光电传感子单元，每个光电传感子单元把光信号线性地转成电信号输出给分析判断单元3，所述分析判断单元对多路输入电信号进行分析判断得到一个最终的光电信号测量值。
其中，所述光电传感子单元工作在线性传感模式，各个光电传感子单元有不同光电传感灵敏度，在实时工作过程中不调整传感子单元的电气参数；各个光电传感子单元的光灵敏度不同，组合后覆盖输入光电信号幅度全范围；所述光电传感子单元由光电传感器和与其相连的线性光电输出电路组成。
通过上述的测量系统对大动态范围光电信号进行测量的方法，包括以下步骤：
步骤(1)根据输入光电信号的大小及动态范围选择光电传感器的种类及个数，各个光电传感器的光灵敏度不同，组合后覆盖输入光信号幅度全范围；把最灵敏的光电传感器标识为1，次灵敏的光电传感器标识为2，以此类推；
步骤(2)根据输入通道要求和光电传感器个数确定光纤束单元的输入输出通道数，通过光纤束重组的方法把任意一个输入端的光信号按比例同时传输到每一个输出端，每一输出端对应一个光电传感器；
步骤(3)为每个光电传感器配置线性光电输出电路，线性光电输出电路既输出光电信号Vi，还有输入过载指示Si，其中i为传感器标识；
步骤(4)所有线性光电输出电路的电输出信号输到分析判断单元，分析判断单元首先根据最灵敏的光电传感器1输出的过载指示S1的状态判断光电传感器1的输出V1是否有效，如果没有过载，V1就代表最终的光电信号强度，如果过载，则抛弃V1并判断光电传感器2的输出S2的状态，以此类推，从最灵敏的光电传感器开始，哪一级没有过载，那一级的输出Vi就代表最终的光电信号强度。
本发明可用于多功能酶标仪，多功能酶标仪包含了发光测量、荧光测量等多种光学测量方法。对发光测量来说，光信号功率在10-17W到10-11W之间，动态范围约106。对荧光测量来说，荧光信号功率在10-12W到10-6W之间，动态范围约106。对于功率为10-17W到10-12W之间光信号，相应光子数在百级到数千万级之间，采用光子计数传感器较合适；对于功率在10- 11W到10-6W之间光信号，采用电流模式的光电倍增管传感器较合适；所以，无论是发光测量还是荧光测量都需要2个光电传感器，即光子计数传感器和光电倍增管传感器。在上述假设下，光纤束单元的输入输出通道数就各需2，从而构造一个2通道输入2通道输出的光纤束单元，光从任意1个输入端到2个输出端的分配比例是1:1。发光信号从输入通道1输入，荧光信号从输入通道2输入，且有其他机制保障发光/荧光这2种光信号是分时进入输入通道的。输出通道1接光子计数传感器子单元(传感器和配套电路)，输出通道2接光电倍增管传感器子单元(既由传感器和配套电路组成)。
对于通道1的发光输入信号，当功率小于10-11W时，光电传感器1的过载指示S1为假，这时就取V1代表发光信号强度；当功率大于10-11W时，S1为真，S2为假，这时就取V2代表发光信号强度。
对于通道2的荧光输入信号，当功率小于10-11W时，光电传感器1的过载指示S1为假，这时就取V1代表荧光信号强度；当功率大于10-11W时，S1为真，S2为假，这时就取V2代表荧光信号强度。
因此本发明的系统不需改变系统的任何参数即可实现实时的大动态范围的光电信号输出。

Claims (3)

1.一种大动态范围光电信号测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤（1）根据输入光电信号的大小及动态范围选择光电传感子单元的种类及个数，各个光电传感子单元的光灵敏度不同，组合后覆盖输入光信号幅度全范围；把最灵敏的传感器标识1，次灵敏的传感器标识2，以此类推；
步骤（2）根据输入通道要求和光电传感子单元个数确定光纤束单元的输入输出通道数，通过光纤束重组的方法把任意一个输入端的光信号按比例同时传输到每一个输出端，每一输出端对应光电传感单元中一个光电传感子单元；
步骤（3）每个光电传感子单元既输出光电信号Vi，还有输入过载指示Si，其中i为传感器标识；
步骤（4）所有光电传感子单元的电输出光电信号输到分析判断单元，分析判断单元首先根据最灵敏的传感器1输出的过载指示S1的状态判断传感器1的输出V1是否有效，如果没有过载，V1就代表最终的光信号强度，如果过载，则抛弃V1并判断传感器2的输出S2的状态，以此类推，从最灵敏的传感子单元开始，哪一级没有过载，那一级的输出Vi就代表最终的光电信号强度。
2.根据权利要求1所述的一种大动态范围光电信号测量方法，其特征在于：所述光电传感子单元由光电传感器和与其相连的线性光电输出电路组成。
3.根据权利要求2所述的一种大动态范围光电信号测量方法，其特征在于：所述线性光电输出电路既输出光电信号Vi，还有输入过载指示Si。
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