CN115808192A - 极微弱近红外信号探测装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种极微弱近红外信号探测装置，包括：信号探测单元、信号处理单元、温控单元和电磁屏蔽单元；信号探测单元包括光电倍增管，光电倍增管用于采集入射光信号，并将入射光信号发送至信号处理单元；温控单元用于控制光电倍增管的温度；电磁屏蔽单元用于对信号探测单元进行电磁屏蔽；信号处理单元用于生成参考信号，并基于参考信号对入射光信号进行处理，输出目标信号。本申请的极微弱近红外信号探测装置，为了避免外部条件的影响，设计电磁屏蔽单元，同时采用TEC温控单元，调节光电倍增管维持在低温环境中，以避免光阴极面发热所射出的热电子产生的暗电流噪声，能够进一步提高光电倍增管的探测精度，同时可以让光电倍增管更稳定的工作。
Description
技术领域
本申请涉及近红外探测领域，具体地，涉及一种极微弱近红外信号探测装置。
背景技术
近年来，近红外波段光的应用与研究，逐渐成为人类社会发展中一片至关重要的领域。其中，极微弱近红外光探测技术，在航空航天、导弹制导、生物医学、雷达等领域扮演着重要角色，同时也是制约该领域发展的重要一环。
极微弱光信号，是指信号幅度绝对值很小、信噪比很低，相较于背景噪声极其微弱，甚至会被噪声淹没的一类信号。如何在复杂、凌乱的交织信号中将有用信号精确地探测出来，成为极微弱光信号探测领域内的关键问题。由于有用信号十分微弱，导致探测、特征提取、数据分析等十分困难。常规的极微弱光信号探测方法有加入滤波、放大电路等，通过搭建出带宽尽量窄的滤波放大结构，滤除噪声，达到检测信号的目的，但是效果往往不如人意。因为该方法会使部分噪声和信号一起通过，尤其当背景噪声较强时，该方法灵敏度有限，可探测信号频带窄，获得的信号质量不高。同时，光信号检测的探测器在近红外波段，响应率会直线下降，灵敏度急速降低，探测困难显著提升，且检测精度大幅下降，加之目标信号又极其微弱的情况下，探测更是难上加难。
发明内容
为了克服现有技术中的至少一个不足，本申请实施例提供一种极微弱近红外信号探测装置，以解决极微弱信号在近红外波段探测时，系统响应率直线下降，灵敏度急速降低，探测困难显著提升，且检测精度大幅下降，可探测信号频带窄，获得的信号质量较低的技术问题。
第一方面，提供一种极微弱近红外信号探测装置，包括：信号探测单元、信号处理单元、温控单元和电磁屏蔽单元；
信号探测单元包括光电倍增管，光电倍增管用于采集入射光信号，并将入射光信号发送至信号处理单元；
温控单元用于控制光电倍增管的温度；
电磁屏蔽单元用于对信号探测单元进行电磁屏蔽；
信号处理单元用于生成参考信号，并基于参考信号对入射光信号进行处理，输出目标信号。
在一个实施例中，信号探测单元还包括：前置电路、阻抗匹配和阻尼电阻分压系统，前置电路用于控制光电倍增管的电源模块和增益调控电路，阻抗匹配和阻尼电阻分压系统用于控制光电倍增管的各倍增极和阳极间的电压配置。
在一个实施例中，信号探测单元还包括依次连接的脉冲放大器、甄别器和I-V转换模块，脉冲放大器用于对光电倍增管输出的脉冲信号进行增益放大，甄别器用于对脉冲放大器放大的信号进行脉冲幅度的甄别选择，I-V转换模块用于对甄别器选择出的脉冲信号进行I-V转换，输出电压信号。
在一个实施例中，光电倍增管的末级和阳极间设置有齐纳二级管和瓷介电容。
在一个实施例中，信号处理单元包括：抗混滤波器、信号处理模块、相敏检波电路、第一低通滤波器、相位调制器和第二低通滤波器；
抗混滤波器用于接收信号探测单元发送的入射光信号，并对入射光信号进行抗混滤波处理，得到抗混滤波处理后的信号；将抗混滤波处理后的信号发送至信号处理模块；
信号处理模块用于对抗混滤波处理后的信号进行处理，得到相位信息并发送至相敏检波电路；
相敏检波电路用于根据相位信息，对抗混滤波处理后的信号进行整流和判别，以进行信号的选择接收，并将选择接收的信号发送至第一低通滤波器；
第一低通滤波器用于对接收到的信号进行处理，得到差频后的信号；
相位调制器用于对差频后的信号进行相位调制；
第二低通滤波器用于对相位调制后的信号进行滤波处理，并输入到信号处理模块；
信号处理模块用于生成参考信号，并基于参考信号对第二低通滤波器输出的信号进行处理，输出目标信号。
在一个实施例中，信号处理单元还包括数字模拟转换器，用于将信号处理模块输出的数字信号转换为模拟信号。
在一个实施例中，装置还包括杂光屏蔽单元，用于屏蔽外界杂光使得光电倍增管采集到的入射光为自然光。
在一个实施例中，入射光采用斜向入射的方式照射到光电倍增管。
相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：
(1)本申请设计了电磁屏蔽单元，并在内部采用TEC温控单元精确温控，因为光电倍增管的特性也会因为受到外部电磁场、温度和湿度的影响而发生变化。为了避免外部条件的影响，设计电磁屏蔽单元，同时采用TEC温控单元，调节光电倍增管维持在低温环境中，以避免光阴极面发热所射出的热电子产生的暗电流噪声，能够进一步提高光电倍增管的探测精度，同时可以让光电倍增管更稳定的工作。
(2)本申请在进行信号处理计算时，参考信号由信号处理系统从内部给出，只需要输入所需要的参考信号频率值，就可以在该频率上产生所需要的相位信号，这种方式不需要外部参考信号和模拟锁相放大器所需要的相位锁相环，因此不需要时间锁相就可以直接输出相位信号，降低了相位噪声；使用数字低通滤波器，输入输出皆为数字信号，通过数值运算处理高边输入信号所含频率成分的相对比例，通过数值运算实现滤波，可以减小模拟滤波器的截止频率不稳定所造成的误差，且不存在阻抗匹配问题，进一步提高了系统测量精度。
(3)本申请采用了阻抗匹配电路，由于是针对极微弱光信号探测，入射光强很低，输出信号很弱，因此后续回路噪声的影响会更加明显，此时必须考虑阻抗匹配特性，以降低回路噪声的影响；采用阻尼电阻式分压系统，并将后续回路的带宽限定在最小限度内，以获得最大的输出线性。
(4)本申请在光电倍增管的末级和阳极间，在相应的前后1-2级之间加入了齐纳二极管，并用与齐纳二极管并联的频率特性好的瓷介电容来吸收噪声，采用阻尼电阻式分压系统，并将后续回路的带宽限定在最小限度内，以获得最大的输出线性。在最后数级接上耦合电容，用以在脉冲期间，补充光电倍增管电荷，以抑制末级倍增极和阳极的电压下降，而大幅度改善脉冲线性。
(5)本申请采用了针对性设计的遮光罩，因为光电倍增管21具有很高的灵敏度，它可以检测出测试信号以外的杂散光，这是造成S/N变差的重要原因，故采用针对性设计的遮光罩，可以有效避免杂散光的干扰，提高探测精度。
(6)本申请入射光采用斜向入射的方式照射到光电倍增管，斜光入射时，输出电流曲线具有更高的灵敏度，尤其在长波方向，灵敏度增加幅度也更大。
附图说明
本申请可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分。在附图中：
图1示出了根据本申请实施例的极微弱近红外信号探测装置的原理图。
附图标记：
1-杂光屏蔽单元，2-信号探测单元，21-光电倍增管，22-前置电路，23-阻抗匹配和阻尼电压分压系统，24-脉冲放大器，25-甄别器，26-I-V转换模块，3-温控单元，4-信号处理单元，41-抗混滤波器，42-信号处理模块，43-相敏检波电路，44-第一低通滤波器，45-相位调制器，46-第二低通滤波器，5-电磁屏蔽单元。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本申请的示例性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施例的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中可以做出很多特定于实施例的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着实施例的不同而有所改变。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本申请，在附图中仅仅示出了与根据本申请的方案密切相关的装置结构，而省略了与本申请关系不大的其他细节。
应理解的是，本申请并不会由于如下参照附图的描述而只限于所描述的实施形式。在本文中，在可行的情况下，实施例可以相互组合、不同实施例之间的特征替换或借用、在一个实施例中省略一个或多个特征。
光电倍增管具备高增益、高光子探测效率、低噪声、快速响应等特性，在诸多领域中都有应用，特别是在微弱光信号的生命科学仪器中，它是首选的光信号传感器。极微弱光信号探测，从强噪声覆盖的复杂信号中提取出有用信号，要求光电转换元件必须有极小的暗电流和噪声。根据光电倍增管的性能，未经任何处理的光电倍增管输出噪声和暗电流较大，尤其在近红外波段，光电倍增管的性能急速下降，因此，极微弱近红外信号的探测成为领域内亟待解决的问题。
图1示出了根据本申请实施例的极微弱近红外信号探测装置的原理图。装置包括信号探测单元2、信号处理单元4、温控单元3和电磁屏蔽单元5；
信号探测单元2包括光电倍增管21，光电倍增管21用于采集入射光信号，并将入射光信号发送至信号处理单元4；
温控单元3用于控制光电倍增管21的温度；这里，可以采用TEC温控单元，设置在光电倍增管21后端，主要针对光电倍增管21各倍增极进行制冷控制，使光电倍增管21工作在需求状态；
电磁屏蔽单元5用于对信号探测单元2进行电磁屏蔽；
信号处理单元4用于生成参考信号，并基于参考信号对入射光信号进行处理，输出目标信号。
本申请的上述实施例设计了电磁屏蔽单元5，并在内部采用TEC温控单元精确温控，因为光电倍增管21的特性也会因为受到外部电磁场、温度和湿度的影响而发生变化。为了避免外部条件的影响，设计电磁屏蔽单元5，同时采用TEC温控单元，调节光电倍增管21维持在低温环境中，以避免光阴极面发热所射出的热电子产生的暗电流噪声，能够进一步提高光电倍增管21的探测精度，同时可以让光电倍增管21更稳定的工作。
在一个实施例中，信号探测单元2还包括：前置电路22、阻抗匹配和阻尼电阻分压系统23，这里，前置电路22设置在光电倍增管21后端，用于控制光电倍增管21的电源模块和增益调控电路，阻抗匹配和阻尼电阻分压系统23设置在前置电路22后端，用于控制光电倍增管21的各倍增极和阳极间的电压配置。
该实施例中，采用了阻抗匹配电路，由于是针对极微弱光信号探测，入射光强很低，输出信号很弱，因此后续回路噪声的影响会更加明显，此时必须考虑阻抗匹配特性，以降低回路噪声的影响；采用阻尼电阻式分压系统，并将后续回路的带宽限定在最小限度内，以获得最大的输出线性。
在一个实施例中，信号探测单元2还包括依次连接的脉冲放大器24、甄别器25和I-V转换模块26，脉冲放大器24用于对光电倍增管21输出的脉冲信号进行增益放大，甄别器25用于对脉冲放大器24放大的信号进行脉冲幅度的甄别选择，I-V转换模块26用于对甄别器25选择出的脉冲信号进行I-V转换，输出电压信号。
在一个实施例中，光电倍增管21的末级和阳极间设置有齐纳二级管和瓷介电容。
该实施例中，在光电倍增管21的末级和阳极间，在相应的前后1-2级之间加入了齐纳二极管，并用与齐纳二极管并联的频率特性好的瓷介电容来吸收噪声，采用阻尼电阻式分压系统，并将后续回路的带宽限定在最小限度内，以获得最大的输出线性。在最后数级接上耦合电容，用以在脉冲期间，补充光电倍增管电荷，以抑制末级倍增极和阳极的电压下降，而大幅度改善脉冲线性。
在一个实施例中，信号处理单元4包括：抗混滤波器41、信号处理模块42、相敏检波电路43、第一低通滤波器44、相位调制器45和第二低通滤波器46；
抗混滤波器41用于接收信号探测单元2发送的入射光信号，并对入射光信号进行抗混滤波处理，得到抗混滤波处理后的信号，将抗混滤波处理后的信号发送至信号处理模块42；这里，信号探测单元2发送的入射光信号首先进入抗混滤波器41，抗混滤波器41用于滤除不需要的频率信号，并将有用信号在不失真前提下将其频率上限限制在采样频率的二分之一以下，避免后续处理时出现虚假信号；
信号处理模块42用于对抗混滤波处理后的信号进行数字波形采集、傅里叶变换等相关运算处理，得到相位信息并发送至相敏检波电路43；
相敏检波电路43用于根据相位信息，对抗混滤波处理后的信号进行整流和判别，进行信号的选择接收，同时提高抗干扰能力，并将选择接收的信号发送至第一低通滤波器44；
第一低通滤波器44用于对接收到的信号进行处理，得到差频后的信号；
相位调制器用45于对差频后的信号进行相位调制；
第二低通滤波器46用于对相位调制后的信号进行滤波处理，并输入到信号处理模块42；
信号处理模块42用于生成参考信号，基于参考信号对第二低通滤波器46输出的信号(即待测信号)进行处理，输出目标信号。这里，参考信号为在所设定频率上产生的所需要的相位信号，用于进行信号探测；信号处理模块42利用待测信号和参考信号的相关性，将待测信号和参考信号进行相乘、积分处理，以对待测信号中的有用信号进行窄带化处理，有效抑制噪声，实现对有用信号的检测并输出，这里输出的信号为数字信号。进一步地，信号处理单元4还包括数字模拟转换器(DAC)，用于将数字信号转换为模拟信号，输出目标信号。
该实施例中，在进行信号处理计算时，参考信号由信号处理系统从内部给出，只需要输入所需要的参考信号频率值，就可以在该频率上产生所需要的相位信号，这种方式不需要外部参考信号和模拟锁相放大器所需要的相位锁相环，因此不需要时间锁相就可以直接输出相位信号，降低了相位噪声；使用数字低通滤波器，输入输出皆为数字信号，通过数值运算处理高边输入信号所含频率成分的相对比例，通过数值运算实现滤波，可以减小模拟滤波器的截止频率不稳定所造成的误差，且不存在阻抗匹配问题，进一步提高了系统测量精度。
在一个实施例中，装置还包括杂光屏蔽单元1，用于屏蔽外界杂光使得光电倍增管21采集到的入射光为自然光。进一步地，入射光采用斜向入射的方式照射到光电倍增管21。该实施例中，杂光屏蔽单元1可以为遮光罩，则入射光为自然光，光线采用斜入射的方式。斜光入射时，输出电流曲线具有更高的灵敏度，尤其在长波方向，灵敏度增加幅度也更大。该实施例中，采用了针对性设计的遮光罩，因为光电倍增管21具有很高的灵敏度，它可以检测出测试信号以外的杂散光，这是造成S/N变差的重要原因，故采用针对性设计的遮光罩，可以有效避免杂散光的干扰，提高探测精度。
综上，本申请提供的极微弱近红外信号探测装置基于极微弱光信号探测的原理和光电倍增管的特性，将极微弱光信号，尤其是那种信号幅度绝对值很小、信噪比很低，相较于背景噪声极其微弱，甚至会被噪声淹没的一类信号，从复杂、凌乱的交织信号中将有用信号精确地探测出来，以便于更准确的分析处理，提高极微弱近红外信号测量的准确性。此外，本申请采用针对性设计的遮光罩对外界杂散光干扰进行抑制，采用斜向光线入射的方式，配合以电磁屏蔽及TEC精确温控系统，加之后续电路及信号处理单元的相关发明，解决了当背景噪声较强时，传统方法灵敏度有限，可探测信号频带窄，获得的信号质量不高。尤其，光信号检测的探测器在近红外波段，响应率直线下降，灵敏度急速降低，探测困难显著提升，且检测精度大幅下降，加之目标信号又极其微弱的情况下，检测难上加难的问题，且本申请能够大幅度改善脉冲线性，降低暗电流噪声，多层级提升了系统探测灵敏度和探测精度。
以上所述，仅为本申请的各种实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种极微弱近红外信号探测装置，其特征在于，包括：信号探测单元(2)、信号处理单元(4)、温控单元(3)和电磁屏蔽单元(5)；
所述信号探测单元(2)包括光电倍增管(21)，所述光电倍增管(21)用于采集入射光信号，并将所述入射光信号发送至所述信号处理单元(4)；
所述温控单元(3)用于控制所述光电倍增管(21)的温度；
所述电磁屏蔽单元(5)用于对所述信号探测单元(2)进行电磁屏蔽；
所述信号处理单元(4)用于生成参考信号，并基于所述参考信号对所述入射光信号进行处理，输出目标信号。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号探测单元(2)还包括：前置电路(22)、阻抗匹配和阻尼电阻分压系统(23)，所述前置电路(22)用于控制所述光电倍增管(21)的电源模块和增益调控电路，所述阻抗匹配和阻尼电阻分压系统(23)用于控制所述光电倍增管(21)的各倍增极和阳极间的电压配置。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号探测单元(2)还包括依次连接的脉冲放大器(24)、甄别器(25)和I-V转换模块(26)，所述脉冲放大器(24)用于对所述光电倍增管(21)输出的脉冲信号进行增益放大，所述甄别器(25)用于对所述脉冲放大器(24)放大的信号进行脉冲幅度的甄别选择，所述I-V转换模块(26)用于对所述甄别器(25)选择出的脉冲信号进行I-V转换，输出电压信号。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电倍增管(21)的末级和阳极间设置有齐纳二级管和瓷介电容。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号处理单元(4)包括：抗混滤波器(41)、信号处理模块(42)、相敏检波电路(43)、第一低通滤波器(44)、相位调制器(45)和第二低通滤波器(46)；
所述抗混滤波器(41)用于接收所述信号探测单元(2)发送的入射光信号，并对所述入射光信号进行抗混滤波处理，得到抗混滤波处理后的信号；将所述抗混滤波处理后的信号发送至所述信号处理模块(42)；
所述信号处理模块(42)用于对所述抗混滤波处理后的信号进行处理，得到相位信息并发送至所述相敏检波电路(43)；
所述相敏检波电路(43)用于根据所述相位信息，对所述抗混滤波处理后的信号进行整流和判别，以进行信号的选择接收，并将选择接收的信号发送至所述第一低通滤波器(44)；
所述第一低通滤波器(44)用于对接收到的信号进行处理，得到差频后的信号；
所述相位调制器(45)用于对所述差频后的信号进行相位调制；
所述第二低通滤波器(46)用于对相位调制后的信号进行滤波处理，并输入到所述信号处理模块(42)；
所述信号处理模块(42)用于生成参考信号，并基于所述参考信号对所述第二低通滤波器(46)输出的信号进行处理，输出目标信号。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述信号处理单元(4)还包括数字模拟转换器，用于将所述信号处理模块(42)输出的数字信号转换为模拟信号。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括杂光屏蔽单元(1)，用于屏蔽外界杂光使得所述光电倍增管(21)采集到的入射光为自然光。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述入射光采用斜向入射的方式照射到所述光电倍增管(21)。
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