CN208818345U - 一种微弱信号探测系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种微弱信号探测系统，包括用于接收光信号的信号接收器；与信号接收器连接、用于对光信号进行转换得到对应的数字信号的转换模块；与转换模块连接、用于在控制器的闭环控制下对数字信号进行锁相干涉的数字锁相环；与数字锁相环连接、用于根据数字锁相环满足锁相干涉时的输出信号的强度计算光信号的强度的控制器。可见，本申请中信号接收器将接收到的光信号通过转换模块转换为对应的数字信号，数字锁相环对数字信号进行锁相干涉，当满足锁相干涉时，利用数字锁相环输出信号的强度计算光信号的强度，对于不同强度的光信号，本申请只需在线调整数字锁相环的参数即可，无需更换硬件器件，参数调整灵活，通用性好，降低了开发成本。

Description

一种微弱信号探测系统

技术领域

本申请涉及信号检测技术领域，特别是涉及一种微弱信号探测系统。

背景技术

微弱信号是指湮没在背景噪声中的极其微弱的有用信号，即为信噪比小于1的信号。由于这些微弱信号是非常有用的信号，对这些微弱信号强度变化的检测有着重要的意义。

目前，对于微弱信号的检测主要是模拟锁相相干检测的方式，这是基于模拟器件的硬件锁相电路的方式，但是，对于不同的微弱信号的检测，这种方式中模拟锁相环调整非常复杂，模拟器件也需要进行调整，相当于重新设计锁相环路，可见，目前的模拟锁相相干检测调整复杂，通用性差，导致开发成本高。

因此，如何提供一种能解决上述技术问题的方案，是本领域的技术人员目前需要解决的问题。

实用新型内容

本申请的目的是提供一种微弱信号探测系统，对于不同强度的光信号，只需在线调整数字锁相环的参数即可，无需更换硬件器件，参数调整灵活，微弱信号检测的通用性好，降低开发成本。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种微弱信号探测系统，包括：

用于接收光信号的信号接收器；

与所述信号接收器连接、用于对所述光信号进行转换得到对应的数字信号的转换模块；

与所述转换模块连接、用于在控制器的闭环控制下对所述数字信号进行锁相干涉的数字锁相环；

与所述数字锁相环连接、用于根据所述数字锁相环满足所述锁相干涉时的输出信号的强度计算所述光信号的强度的所述控制器。

优选地，所述信号接收器为菲涅尔透镜。

优选地，所述转换模块包括：

用于将所述光信号转换为电信号的光电探测器；

分别与所述信号接收器和所述光电探测器连接、用于将所述光信号传输至所述光电探测器的信号传输模块；

与所述光电探测器连接、用于将所述电信号转换为所述数字信号的模数转换模块。

优选地，所述数字锁相环包括：

用于产生同相调制信号的数控振荡器；

分别与所述转换模块和所述数控振荡器连接、用于将所述数字信号和所述同相调制信号相乘得到同相支路信号的第一乘法器；

与所述第一乘法器连接、用于对所述同相支路信号进行滤波得到同相信号的第一滤波器；

与所述数控振荡器连接、用于根据所述同相调制信号产生正交调制信号的移相器；

分别与所述转换模块和所述移相器连接、用于将所述数字信号和所述正交调制信号相乘得到正交支路信号的第二乘法器；

与所述第二乘法器连接、用于对所述正交支路信号进行滤波得到正交信号的第二滤波器；

分别与所述第一滤波器和所述第二滤波器连接、用于鉴别所述正交信号的相位和所述同相信号的相位的乘法鉴相器；

与所述乘法鉴相器连接、用于对所述正交信号与所述同相信号的相位差进行滤波的环路滤波器；

则所述控制器具体用于根据滤波后的相位差闭环控制所述同相调制信号直至所述数字锁相环满足所述锁相干涉，并根据当前的同相信号的强度和正交信号的强度计算所述光信号的强度。

优选地，所述光电探测器为PIN-FET光电探测器。

优选地，所述信号传输模块为多模光纤。

优选地，所述模数转换模块包括用于将所述电信号进行调整的调理电路和用于将调整后的电信号转换为所述数字信号的模数转换电路。

优选地，所述控制器为现场可编程门阵列FPGA。

本申请提供了一种微弱信号探测系统，包括用于接收光信号的信号接收器；与信号接收器连接、用于对光信号进行转换得到对应的数字信号的转换模块；与转换模块连接、用于在控制器的闭环控制下对数字信号进行锁相干涉的数字锁相环；与数字锁相环连接、用于根据数字锁相环满足锁相干涉时的输出信号的强度计算光信号的强度的控制器。

可见，本申请中信号接收器将接收到的光信号通过转换模块转换为对应的数字信号，控制器闭环控制数字锁相环对数字信号进行锁相干涉，当满足锁相干涉时，利用数字锁相环输出信号的强度计算光信号的强度，对于不同强度的光信号，本申请只需在线调整数字锁相环的参数即可，无需更换硬件器件，参数调整灵活，微弱信号检测的通用性好，降低了开发成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请所提供的一种微弱信号探测系统的结构示意图；

图2为本申请所提供的另一种微弱信号探测系统的结构示意图。

具体实施方式

本申请的核心是提供一种微弱信号探测系统，对于不同强度的光信号，只需在线调整数字锁相环的参数即可，无需更换硬件器件，参数调整灵活，微弱信号检测的通用性好，降低开发成本。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参考图1，图1为本申请所提供的一种微弱信号探测系统的结构示意图，该系统包括：

用于接收光信号的信号接收器1；

与信号接收器1连接、用于对光信号进行转换得到对应的数字信号的转换模块2；

与转换模块2连接、用于在控制器4的闭环控制下对数字信号进行锁相干涉的数字锁相环3；

与数字锁相环3连接、用于根据数字锁相环3满足锁相干涉时的输出信号的强度计算光信号的强度的控制器4。

具体地，为了解决现有技术中存在的问题，本申请的微弱信号探测系统包括信号接收器1、转换模块2、数字锁相环3和控制器4，其中，本申请的信号接收器1可以为大口径低畸变的接收光学透镜，这样，大口径可以接收较多的光信号，使得测量得到的光信号的强度更准确，低畸变可以防止光信号发生畸变，影响后续的转换和锁相干涉，最终导致计算的光信号的强度不准确，信号接收器1还可以提供光学增益。

相应地，本申请的转换模块2将光信号转换成方便进行锁相干涉的数字信号(电信号)，因此，转换模块2可以实现光信号到电信号的转换以及转换为数字信号时所需的信号放大和电平匹配等功能。本申请的数字锁相环3是为了让微弱信号的检测更精确、更灵敏。数字锁相环3采用锁相相干检测的原理，可以由科斯塔斯锁相环逻辑构成，可以提供很高的锁相带宽，能够大幅度提高信噪比，微弱信号的检测效果好，检测灵敏度高。

相应地，控制器4主要是用于控制数字锁相环3，特别是数字锁相环3的锁相干涉过程，具体来说，控制器4在锁相干涉时对数字锁相环3进行闭环控制。当数字锁相环3满足锁相干涉的条件时，数字锁相环3的输出信号的强度经过平方、求和以及开根号运算，得到光信号的强度。

此外，这里的控制器4可以为FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)控制器4，也可以为微控制器或者其他，本申请在此不做特别的限定。

本申请提供了一种微弱信号探测系统，包括用于接收光信号的信号接收器；与信号接收器连接、用于对光信号进行转换得到对应的数字信号的转换模块；与转换模块连接、用于在控制器的闭环控制下对数字信号进行锁相干涉的数字锁相环；与数字锁相环连接、用于根据数字锁相环满足锁相干涉时的输出信号的强度计算光信号的强度的控制器。

可见，本申请中信号接收器将接收到的光信号通过转换模块转换为对应的数字信号，控制器闭环控制数字锁相环对数字信号进行锁相干涉，当满足锁相干涉时，利用数字锁相环输出信号的强度计算光信号的强度，对于不同强度的光信号，本申请只需在线调整数字锁相环的参数即可，无需更换硬件器件，参数调整灵活，微弱信号检测的通用性好，降低了开发成本。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，信号接收器1为菲涅尔透镜。

具体地，本申请的信号接收器1可以为接收光学透镜，例如菲涅尔透镜，菲涅尔透镜是根据光的干涉、扰射、相对灵敏度和接收角度要求来设计的，利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，可以提高它的探测接收灵敏度。此外，菲涅尔透镜相对其他的光学透镜来说，效果较好，但成本比普通的光学透镜低很多。

当然，本申请的信号接收器1可以为菲涅尔透镜，也可以为其他的光学透镜，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，转换模块2包括：

用于将光信号转换为电信号的光电探测器；

分别与信号接收器1和光电探测器连接、用于将光信号传输至光电探测器的信号传输模块；

与光电探测器连接、用于将电信号转换为数字信号的模数转换模块。

具体地，本申请的转换模块2可以为由信号传输模块、光电探测器和模数转换模块组成的结构，信号传输模块与光电探测器相配合，信号传输模块将汇聚的光信号传递至光电探测器的靶面，光电探测器实现光信号到电信号的转换，此时的电信号为模拟量，还需要模数转换模块对光电探测器的输出信号，即电信号，进行进一步的转换，以实现模拟量到数字量的转换，模数转换模块将模拟的电信号转换为对应的数字信号。本申请的光电探测器可以为光纤耦合探测器，信号传输模块可以为光纤，与光电探测器相适应即可，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，数字锁相环3包括：

用于产生同相调制信号的数控振荡器31；

分别与转换模块2和数控振荡器31连接、用于将数字信号和同相调制信号相乘得到同相支路信号的第一乘法器32；

与第一乘法器32连接、用于对同相支路信号进行滤波得到同相信号的第一滤波器33；

与数控振荡器31连接、用于根据同相调制信号产生正交调制信号的移相器34；

分别与转换模块2和移相器34连接、用于将数字信号和正交调制信号相乘得到正交支路信号的第二乘法器35；

与第二乘法器35连接、用于对正交支路信号进行滤波得到正交信号的第二滤波器36；

分别与第一滤波器33和第二滤波器36连接、用于鉴别正交信号的相位和同相信号的相位的乘法鉴相器37；

与乘法鉴相器37连接、用于对正交信号与同相信号的相位差进行滤波的环路滤波器38；

则控制器4具体用于根据滤波后的相位差闭环控制同相调制信号直至数字锁相环3满足锁相干涉，并根据当前的同相信号的强度和正交信号的强度计算光信号的强度。

具体地，请参考图2，图2为本申请所提供的另一种微弱信号探测系统的结构示意图，考虑到微弱信号探测系统的精确性和灵敏性，本申请的数字锁相环3可以采用科斯塔斯锁相环逻辑，利用锁相环提取载频，数字锁相环3的误差信号是由两路相乘后通过低通滤波器的信号提供的。如图2中，数控振荡器31输出信号直接供给第一乘法器32以及经过移相器34变为正交调制信号的第二乘法器35，这两路信号输出均含有调制信号，两者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器38后得到仅与数控振荡器31输出和理想载波之间相位差有关的控制信号，从而准确地对数控振荡器31进行调整。

相应地，本申请的数字锁相环3对数字信号进行处理，数字信号与数控振荡器31产生的同相调制信号相乘(第一乘法器32)，经过第一滤波器33到达乘法鉴相器37，数字信号同时与移相器34产生的正交调制信号相乘(第二乘法器35)，经过第二滤波器36到达乘法鉴相器37，乘法鉴相器37鉴别同相通道和正交通道的相位，利用通过环路滤波器38的相位差，实时调整数控振荡器31输出的同相调制信号直至实现相位锁定，当满足干涉条件时，此时同相通道和正交通道的信号经过平方、求和以及开根号运算，得到光信号的强度。

需要说明的是，这里的移相器34可以为90度移相器，这里的第一滤波器33和第二滤波器36均可以为低通滤波器，本申请在此不做特别的限定；此外，本申请的数字锁相环3除了上述的结构外，还可以为其他的结构，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，光电探测器为PIN-FET光电探测器。

具体地，考虑到光电探测器的灵敏度，本申请可以采用PIN-FET光电探测器，PIN-FET光电探测器可以将光信号转换为电信号，还可以实现第一级跨阻放大，PIN-FET光电探测器是光纤耦合探测器，还具有可供选择的多种跨阻值以及高灵敏度，有利于微弱信号的探测。

需要说明的是，本申请的光电探测器可以为PIN-FET光电探测器，还可以为其他的探测器，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，信号传输模块为多模光纤。

具体地，考虑到信号接收器1和光电探测器距离较近，传输距离无需很长，本申请的信号传输模块可以为多模光纤，多模光纤是一种短距离传输，可以传输多种模式电磁波(这里是光波)的光纤，相对于单模光纤来说，与多模光纤配套的光端设备价格较低，采用多模光纤可以降低微弱信号探测系统的成本。

需要说明的是，本申请的信号传输模块可以为多模光纤，也可以为单模光纤或者其他，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，模数转换模块包括用于将电信号进行调整的调理电路和用于将调整后的电信号转换为数字信号的模数转换电路。

具体地，本申请的模数转换模块可以由调理电路和模数转换电路构成，其中，调理电路可以将模拟信号调理为适合转换的信号，模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、光强等，但由于传感器信号不能直接转换为数字信号，这是因为传感器的输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等过程，使其适合于模数转换电路的输入。然后，模数转换电路对模拟信号进行数字化，并把数字信号发送至数字锁相环3或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。

当然，本申请的模数转换模块除了上述介绍的结构外，还可以为其他结构，本申请在此不做特别的限定。

作为一种优选的实施例，控制器4为现场可编程门阵列FPGA。

具体地，考虑到微弱信号探测系统的处理效率和性能，本申请的控制器4可以为FPGA，当然，本申请的控制器4还可以为MCU(Micro Controller Unit，微控制单元)、STM32或者其他，本申请在此不做特别的限定。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个······”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种微弱信号探测系统，其特征在于，包括：

用于接收光信号的信号接收器；

与所述信号接收器连接、用于对所述光信号进行转换得到对应的数字信号的转换模块；

与所述转换模块连接、用于在控制器的闭环控制下对所述数字信号进行锁相干涉的数字锁相环；

与所述数字锁相环连接、用于根据所述数字锁相环满足所述锁相干涉时的输出信号的强度计算所述光信号的强度的所述控制器。

2.根据权利要求1所述的微弱信号探测系统，其特征在于，所述信号接收器为菲涅尔透镜。

3.根据权利要求1所述的微弱信号探测系统，其特征在于，所述转换模块包括：

用于将所述光信号转换为电信号的光电探测器；

分别与所述信号接收器和所述光电探测器连接、用于将所述光信号传输至所述光电探测器的信号传输模块；

与所述光电探测器连接、用于将所述电信号转换为所述数字信号的模数转换模块。

4.根据权利要求1-3任一项所述的微弱信号探测系统，其特征在于，所述数字锁相环包括：

用于产生同相调制信号的数控振荡器；

分别与所述转换模块和所述数控振荡器连接、用于将所述数字信号和所述同相调制信号相乘得到同相支路信号的第一乘法器；

与所述第一乘法器连接、用于对所述同相支路信号进行滤波得到同相信号的第一滤波器；

与所述数控振荡器连接、用于根据所述同相调制信号产生正交调制信号的移相器；

分别与所述转换模块和所述移相器连接、用于将所述数字信号和所述正交调制信号相乘得到正交支路信号的第二乘法器；

与所述第二乘法器连接、用于对所述正交支路信号进行滤波得到正交信号的第二滤波器；

分别与所述第一滤波器和所述第二滤波器连接、用于鉴别所述正交信号的相位和所述同相信号的相位的乘法鉴相器；

与所述乘法鉴相器连接、用于对所述正交信号与所述同相信号的相位差进行滤波的环路滤波器；

则所述控制器具体用于根据滤波后的相位差闭环控制所述同相调制信号直至所述数字锁相环满足所述锁相干涉，并根据当前的同相信号的强度和正交信号的强度计算所述光信号的强度。

5.根据权利要求3所述的微弱信号探测系统，其特征在于，所述光电探测器为PIN-FET光电探测器。

6.根据权利要求3所述的微弱信号探测系统，其特征在于，所述信号传输模块为多模光纤。

7.根据权利要求3所述的微弱信号探测系统，其特征在于，所述模数转换模块包括用于将所述电信号进行调整的调理电路和用于将调整后的电信号转换为所述数字信号的模数转换电路。

8.根据权利要求1所述的微弱信号探测系统，其特征在于，所述控制器为现场可编程门阵列FPGA。