微弱光信號檢測方法研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

金夢軒+陳如清

摘 要：光電檢測技術(shù)憑借其獨特的優(yōu)勢，當(dāng)前已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、電力及生活等領(lǐng)域。微弱光檢測技術(shù)作為光電檢測技術(shù)的一項重要內(nèi)容，既是實現(xiàn)光電信息變換的起點也是光電檢測技術(shù)實現(xiàn)的一大難點。文章從不同角度介紹了現(xiàn)有微弱光信號檢測技術(shù)的基本原理和實現(xiàn)手段，并對不同方法的特點和應(yīng)用情況進行了簡要分析。最后對微弱光信號檢測方法的發(fā)展前景予以展望。

關(guān)鍵詞：微弱光信號；現(xiàn)代光電檢測技術(shù)；應(yīng)用現(xiàn)狀

1 概述

微弱光信號檢測技術(shù)及其相應(yīng)的光電檢測技術(shù)可應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如在軍事領(lǐng)域，用于隱形目標(biāo)偵查、武器制造和目標(biāo)距離檢測以及無線通信等；在工業(yè)領(lǐng)域，可用于檢測產(chǎn)品質(zhì)量、控制環(huán)境污染量及產(chǎn)品計量等方面；在化學(xué)分析領(lǐng)域，可用于鑒定物質(zhì)結(jié)構(gòu)、檢測分析藥物成分等：在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用于分析醫(yī)學(xué)電子圖像，通過回測微弱信號檢測疾病等[1]。微弱光信號檢測技術(shù)的研究意義重大。

2 微弱光信號檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀

對于微弱光信號檢測來說，其難點在于微弱信號采集部分的設(shè)計以及轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計。近些年來，隨著現(xiàn)代光電技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于微弱光信號的檢測、采集與處理技術(shù)的研究也取得巨大發(fā)展。在采集檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方面，眾多學(xué)者從不同角度進行了嘗試和探索。

如采通過在信號處理電路中設(shè)置信號通道和參考通道方式，利用微處理器將廣義白噪聲濾除，開發(fā)出“BHJ-400”型紅外測溫儀。該紅外測溫設(shè)備即使在強噪聲的背景下也能實現(xiàn)對微弱光的檢測[2]；文獻[3]基于信號的相關(guān)性原理，設(shè)計一鎖相放大器并用于檢測微弱光信號的測量系統(tǒng)中。從而研制出紅外多光譜輻射溫度測量系統(tǒng)，同時采用將方法與函數(shù)模型法相結(jié)合并根據(jù)自動化原理設(shè)計出雙向反射分布函數(shù)自動測量系統(tǒng)[3]；采用在同一測量裝置上集成非接觸式光學(xué)成像CCD傳感器和接觸式光纖傳感器方式測量工件的孔徑，由于測量技術(shù)的科學(xué)先進性，該測量設(shè)備的測量精度可以達微米級[4]；文獻[5]以采用高精度運算放大器及FLASH型芯片核心進行硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計，其測量輸出光功率的穩(wěn)定度可達±0.01nW，有效實現(xiàn)了在光纖通訊領(lǐng)域中對傳輸終端的微弱光信號功率的高精度測量[5]。

可以看出現(xiàn)有方法多數(shù)基于相關(guān)檢測原理設(shè)計鎖相放大器，實現(xiàn)對微弱光信號的檢測。然而這類方法都有實現(xiàn)成本高、流程和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜等不足。尋找一種精度較高、成本較低且結(jié)構(gòu)簡單的微弱光信號檢測系統(tǒng)十分必要。近期許多學(xué)者提出了一些改進的檢測方法，取得了較好檢測效果。

如文獻[6]對傳統(tǒng)的全部采用專用集成電路來檢測微弱光信號的方法進行改造，將傳統(tǒng)方法中不能適用于多變場合的缺點進行優(yōu)化。該系統(tǒng)采用部分集成電路與相對分立元件相結(jié)合的方式形成兩種放大器，系統(tǒng)中的光電轉(zhuǎn)換電路以低輸入偏置電流放大器AD549 為主。實驗證明，分立電路既保留了傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)抗干擾能力強等優(yōu)點，且具有可操作性強和測量方式多變等優(yōu)點[6]。文獻[7]采用S2387系列光電二極管，結(jié)合多級放大電路與T型反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了一種放大倍率可編程的微弱光強信號采樣電路。基于對實驗數(shù)據(jù)的分析，通過對前后級放大倍數(shù)的合理分配，實現(xiàn)對光強或波長變化比較大的微弱光信號的最優(yōu)放大，使得到的圖像波形更加便于分析、研究。同時該電路兼顧了提高響應(yīng)速度與降低噪聲的要求，簡潔可靠，測量精度高[7]。文獻[8]通過設(shè)計下位機將待測光信號進行光電轉(zhuǎn)換、放大和濾波等處理，下位機由光電轉(zhuǎn)換電路、前置放大電路、多級放大電路、有源濾波電路和數(shù)據(jù)傳輸電路構(gòu)成。通過采集卡將下位機采集到的信號送到上位機處理，提出一種自適應(yīng)窄帶功率譜濾波方法[8]。

此外，微弱光信號檢測方法的理論研究也得到了較快發(fā)展，如文獻[9]采用最優(yōu)混沌模型李亞普諾夫指數(shù)法定量檢測微弱光電信號幅值方法?；谧顑?yōu)混沌模型，解決了傳統(tǒng)混沌方法檢測時出現(xiàn)的可檢測信噪比高、檢測閾值誤差大等問題[9]。文獻[10]基于相關(guān)檢測理論，設(shè)計微弱光纖陀螺信號檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對開環(huán)背景噪聲中微弱光纖陀螺信號的精確檢測[10]。文獻[11]基于數(shù)字正交相關(guān)檢測方法，設(shè)計用于微弱激光信號檢測的光電檢測裝置，在數(shù)字相關(guān)檢測基本原理的基礎(chǔ)上完成對光電檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計開發(fā)。仿真和實驗結(jié)果驗證了該方法的有效性[11]。

3 結(jié)束語

綜上所述，國內(nèi)外科研領(lǐng)域?qū)ξ⑷豕庑盘枡z測技術(shù)的關(guān)注度較高，為開發(fā)高精度、低成本的微弱光信號檢測裝置，進行了探索并取得了顯著成效。另一方面眾多學(xué)者也將傳統(tǒng)集成元件檢測方法改進以適應(yīng)不同檢測場合，促進了微弱光信號檢測技術(shù)的發(fā)展。微弱光信號檢測技術(shù)在各個領(lǐng)域都占據(jù)著比較重要的地位，未來微弱光信號檢測技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣泛，同時也將向智能化、數(shù)字化方向發(fā)展。

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作者簡介：金夢軒（1996-），男，湖北天門人，嘉興學(xué)院在校本科生。