CN203908675U - 一种极弱光信号探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于信号探测领域，尤其涉及一种基于数字信号处理器(DSP)的高精度极弱光信号探测装置。该装置包括机械快门，光电倍增管，低噪声前置放大器，高通滤波电路，高分辨率A/D转换电路，DSP处理电路，快门驱动电路和计算机；通过上述装置对极弱光信号进行调制、消本底噪声和数字取样积分的处理，实现了极弱入射光的精确探测。同时，本实用新型的装置生产成本低，结构简单，便于使用。

Description

一种极弱光信号探测装置

技术领域

本实用新型属光信号探测领域，涉及一种极弱光信号探测装置，尤其涉及一种基于数字信号处理器(DSP)的高精度极弱光信号探测装置。

背景技术

极弱光信号测量中常常会出现背景噪声或干扰很大而被测信号却十分微弱、甚至被噪声湮没的情况。这种情况下，通过光电探测器将弱光信号转换成微弱电信号，再通过低噪声前置放大器对微弱电信号进行放大的传统方法是无法从噪声中提取和恢复被测信号的。目前常用的方法是通过锁相放大器或取样积分器实现对极弱光信号的探测和提取。

锁相放大器利用噪声与信号的频率和相位不相关特性，通过压缩检测通道带宽实现了对噪声的大幅度抑制，从而改善信号的信噪比。取样积分器是利用一个与信号重复频率一致的参考信号，对含有噪声的信号进行取样处理，经过多次重复取样提取，使噪声的统计平均趋于零，实现对信号的提取。

这两种方法在实际使用时存在着以下几个方面的缺点：

1)利用锁相放大器对弱光信号进行探测时，需要在探测器前端加装一个斩波器。斩波器的作用是将入射光信号调制成正弦交流信号并输出一个与调制信号同频同相的参考信号给锁相放大器。这对斩波器提出了很高的要求，既能将光信号在时域上调制成正弦信号，且输出的参考信号与调制信号同频同相，还要求参考信号具备很高的频率稳定度以免漂移出窄带以外。通常，一个能满足上述要求的斩波器十分昂贵，增加了研制任务成本。

2)由于锁相放大器与斩波器为两个独立工作的设备，参考信号在通过线缆传输至锁相放大器参考端时可能会因线缆分布参数的影响而导致信号的相移。另外，参考信号在传输过程中若受到电磁干扰，其频率和相位会被干扰信号调制。这无疑会造成最终测试的不准确，特别是在长距离传输或电磁环境较差时，这些影响非常明显。

3)取样积分器是测量噪声中微弱的周期重复信号的一种仪器，因此在测量极弱光信号时同样需要对被测光进行周期性的调制，和锁相放大器存在相似的问题。

4)取样积分器的核心是取样模拟开关和RC积分电路，其中取样模拟开关在门脉冲的控制下通过对微弱模拟信号进行间隔采样，而RC积分电路是在模拟开关接通的时间内对采样的模拟信号值进行积分，再经末级放大后输出。模拟开关属于半导体器件，存在漏电流，并不能实现真正意义上的关断，会引入额外的噪声。RC积分电路决定了积分时间常数τ，通常电容C的容值是确定的，通过调节电阻R的阻值便实现了对τ的调节，但由于R的阻值并不能被精确的测量，因此对积分时间常数τ不能实现精确调节。

5)锁相放大器和取样积分器均需要将探测器输出信号经低噪声前放电路放大后再对极弱有用信号进行提取。通常要求探测器输出与前置放大器输入端尽量靠近，并且尽量缩短前置放大器输出与锁相放大器或取样积分器输入端间的传输距离。一方面，可以减少信号衰减，另一方面可以减少长距离传输受到外部电磁环境的干扰。然而这样会限制一些特殊场合的应用，特别是当探测器安放位置距前置放大器较远时或前置放大器距测试仪器较远时，信号衰减和外部电磁环境的干扰会严重影响测试结果。

6)通常在使用锁相放大器或取样积分器时，往往不能确定信号前置放大器自身的噪声，因为这部分噪声是没有通过调制的，与被测信号不相关，属于电路的本底噪声。

实用新型内容

为了解决技术背景中常用方法所存在的不足和局限性，本实用新型提出了一种成本低、操作简单、能够实现对极弱光信号的进行精确探测的极弱光信号探测装置。

本实用新型的具体技术方案是：

一种极弱光信号探测装置，其特征在于：包括机械快门，光电倍增管，低噪声前置放大器，高通滤波电路，高分辨率A/D转换电路，DSP处理电路，快门驱动电路和计算机；

光电倍增管和入射极弱光之间设置有机械快门，光电倍增管的输出端与低噪声前置放大器的输入端连接，低噪声前置放大器的输出端与高通滤波电路的输入端连接，高通滤波电路的输出端与高分辨率A/D转换电路的输入端连接，高分辨率A/D转换电路的输出端与DSP处理电路的输入端连接，DSP处理电路与计算机相互连接；所述机械快门和DSP处理电路之间设置有快门驱动电路。

上述低噪声前置放大器为低电流转电压型前置放大器；所述低噪声前置放大器的偏置电流小于2pA，在10⁶I/V转换增益时噪声≤2mV_p-p；；所述高通滤波电路滤除能满足滤除小于100Hz的低频成分；所述高分辨率A/D转换电路的分辨等级为16bit。

上述计算机与DSP处理电路之间通过屏蔽型网线相互连接。

本实用新型的优点在于：

1、本实用新型通过机械快门对入射的弱光进行调制，所有工作通过DSP处理电路进行时序控制，使调制电路与采集电路之间时序关系明确，具有相关性，调制方式简单且成本低廉；

2、本实用新型在机械快门CLOSE状态下能够确定低噪声前置放大器的本底噪声，并可通过DSP处理电路减去本底噪声的影响，使结果更加真实、可信；

3、本实用新型采用高分辨率的A/D转换电路，使采样结果更加接近真实值；

4、本实用新型使用DSP处理电路对数据进行采样时间和采样间隔的确定，避免了取样模拟开关自身引入的噪声和RC积分电路带来的不准确性；

5、本实用新型采用高通滤波电路对数据进行数字滤波，减少了由电路硬件滤波引入的噪声；

6、本实用新型采用DSP处理电路对采样后的数据进行数字积分，处理速度快；

7、本实用新型中的DSP处理电路和计算机通过屏蔽型网线连接，输出数据为数字型，抗干扰能力强，通过屏蔽型网线可实现最长90m的数据传输距离；

8、本实用新型实现成本低，重复性好，操作简便，便于系统的集成。

附图说明

图1为本实用新型的结构简图。

1-机械快门、2-高压电源、3-光电倍增管、4-低噪声前置放大器、5-高通滤波电路、6-高分辨率A/D转换电路、7-DSP处理电路、8-快门驱动电路、9-计算机。

具体实施方式

本实用新型提出了一种能对极弱光信号进行精准探测的探测装置。

以下结合图1对该装置的结构进行描述：

该探测装置包括机械快门1，光电倍增管3，低噪声前置放大器4，高通滤波电路5，高分辨率A/D转换电路6，DSP处理电7路，快门驱动电路8和计算机9；

光电倍增管3和入射极弱光之间设置有机械快门1，光电倍增管3的输出端与低噪声前置放大器4的输入端连接，低噪声前置放大器4的输出端与高通滤波电路5的输入端连接，高通滤波电路5的输出端与高分辨率A/D转换电路6的输入端连接，高分辨率A/D转换电路6的输出端与DSP处理电路7的输入端连接，DSP处理电路7与计算机9相互连接；机械快门1和DSP处理电路7之间设置有快门驱动电路8。

其中，本领域技术人员都知道，在使用光电倍增管的时候，必须要给光电倍增管3连接一个高压电源2才能满足其正常工作。

低噪声前置放大器4为低电流转电压型前置放大器；低噪声前置放大器的偏置电流小于2pA，在10⁶I/V转换增益时噪声≤2mV_p-p；高通滤波电路5滤除能满足滤除小于100Hz的低频成分；高分辨率A/D转换电路6的分辨等级为16bit。

另外，该装置工作时，为了避免外界干扰，计算机9和DSP处理电路7之间通过屏蔽型网线连接，而且屏蔽型网线可实现最长90m的数据传输距离，实现了无干扰、长距离的数据传输。

通过上述对装置结构的描述，该装置的具体工作过程是，包括以下步骤：

步骤1)在计算机上对极弱光信号的调制周期、采样时间、采样间隔和采样次数等参数进行设定；

步骤2)计算机将步骤1)设定的参数传输至DSP处理电路；

步骤3)DSP处理电路根据设定的调制周期控制快门驱动电路使机械快门对极弱光信号进行调制；

步骤4)光电倍增管对调制后的极弱光信号进行探测并输出微弱电流信号；

步骤5)低噪声前置放大电路(偏置电流小于2pA，在10⁶I/V转换时噪声≤2mV_p-p)接收光电倍增管输出微弱电流信号转换成电压信号并放大，然后将该放大的电压信号输出；

步骤6)高通滤波电路接收放大的电压信号并对该信号进行高通滤波，滤除低频成分，然后将过滤后的电压信号输出；(注：通常情况下我们采用的高通滤波电路将100Hz以下的低频成分过滤掉，这样确保采样结果更加准确)

步骤7)高分辨率A/D转换电路接收滤波后的电压信号转换数字信号并将该信号传输至DSP处理电路；

步骤8)DSP处理电路对数字信号进行采集、去本底噪声、数字取样、带通滤波和数字积分得到得到最终极弱光的信号数据，再通过屏蔽型网线将数据传输至计算机；

其中，所述去本底噪声为去除低噪声前置放大电路噪声。

步骤8)中具体去本底噪声的步骤如下：

步骤8.1)机械快门处于关闭状态，没有光信号输入；

步骤8.2)低噪声前置放大电路将本体的微弱电压信号放大并输出至高通滤波电路；放大后的微弱电压信号经高通滤波电路滤除低频成分，将过滤后的电压信号传输至高分辨率A/D转换电路；高分辨率A/D转换电路将过滤后的电压信号转换成数字信号并将该数字信号传输至DSP处理电路；

(注：通常情况下我们采用的高通滤波电路将100Hz以下的低频成分过滤掉，这样确保采样结果更加准确)

步骤8.3)DSP处理电路将机械快门闭合时的数据记录为前置放大电路的本底噪声；

步骤8.4)DSP处理电路将接收到的入射极弱光的数字信号减去DSP处理电路接收到的低噪声前置放大电路本体噪声的数字信号。

Claims (3)

1.一种极弱光信号探测装置，其特征在于：包括机械快门，光电倍增管，低噪声前置放大器，高通滤波电路，高分辨率A/D转换电路，DSP处理电路，快门驱动电路和计算机；

光电倍增管和入射极弱光之间设置有机械快门，光电倍增管的输出端与低噪声前置放大器的输入端连接，低噪声前置放大器的输出端与高通滤波电路的输入端连接，高通滤波电路的输出端与高分辨率A/D转换电路的输入端连接，高分辨率A/D转换电路的输出端与DSP处理电路的输入端连接，DSP处理电路与计算机相互连接；所述机械快门和DSP处理电路之间设置有快门驱动电路。

2.根据权利要求1所述的极弱光信号探测装置，其特征在于：所述低噪声前置放大器为低电流转电压型前置放大器；所述低噪声前置放大器的偏置电流小于2pA，在10⁶I/V转换增益时噪声≤2mV_p-p；所述高通滤波电路滤除能满足滤除小于100Hz的低频成分；所述高分辨率A/D转换电路的分辨等级为16bit。

3.根据权利要求1或2所述的极弱光信号探测装置，其特征在于：所述计算机与DSP处理电路之间通过屏蔽型网线相互连接。