滕 岳，呂 勇，陳青山，牛春暉，劉力雙

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激光頻率上轉換回波信號探測技術研究

滕 岳，呂 勇，陳青山，牛春暉，劉力雙

( 北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京 100192 )

激光與物體相互作用產生的頻率轉換特性，對于目標探測具有重要的意義。頻率上轉換回波信號具有強度弱、脈沖展寬、有相移等特性。根據(jù)這種回波特性，論文以PIN光電二極管為探測器件，采用鎖定放大技術進行回波信號檢測。通過前置放大電路、交流信號放大電路完成回波信號的轉換放大，運用相敏檢波器實現(xiàn)回波信號提取，并搭建了回波探測系統(tǒng)。實驗測試表明，基于鎖定放大器的探測系統(tǒng)能夠抑制雜波信號，從強噪聲背景中提取有效回波信號，針對探測系統(tǒng)前方1.5 m處的探測靶標，系統(tǒng)的輸出信噪比為16.9 dB。

頻率上轉換；回波探測；PIN光電二極管；鎖定放大

0 引 言

目前，激光與物體相互作用后的散射回波信號分為兩種：一種為彈性散射回波信號，另一種為非彈性散射回波信號。長期以來，空間激光回波探測技術研究大多集中在彈性散射回波信號，而對于非彈性散射回波信號的探測近些年雖然得到了人們高度重視，但是其研究還是相對較少，比如基于布里淵散射的回波信號檢測、基于拉曼散射的回波信號檢測以及頻率轉換材料的回波信號檢測等。然而這種激光與物體相互作用后的頻率轉換特性，在目標檢測、隱身與反隱身等領域具有重要的應用前景。

就國內外研究現(xiàn)狀來看，期刊報道中對于頻率轉換后的回波信號的探測大部分是以CCD作為探測器件，該種方式很難做到高集成度和小型化設計，例如2002年F. Grisch等利用CCD為探測器件，運用拉曼散射技術對超音速飛機的動態(tài)火焰溫度和濃度進行了測量研究[1]，2009年張毅等以CCD作為探測器件，運用激光水下傳輸?shù)牟祭餃Y散射理論，以布里淵散射頻移的空間分布替代場景反射光強度的空間分布進行水下成像探測[2]；2012年夏婷婷等對基于上轉換材料的短波紅外數(shù)字成像組件設計進行了研究，通過CCD實現(xiàn)了對轉換后的回波信號的采集，驗證了上轉換材料在短波紅外波段成像的可行性[3]；2014年張振榮等利用355 nm激光激發(fā)振動拉曼散射建立了自發(fā)拉曼散射實驗系統(tǒng)，并利用CCD與單色儀實現(xiàn)了煤油燃燒場主要成分的摩爾分數(shù)測量[4]等。還有少部分是運用像APD這樣的光敏器件來進行探測，然而其探測距離一般偏短，例如2007年李斌等通過對紙幣上紅外上轉油墨的研究，利用光電池實現(xiàn)了對百元新版人民幣上的紅外上轉換油墨的檢測，測試檢測距離為2~3 mm[5]等。

論文以頻率上轉換回波信號為探測目標，采用高靈敏度、高增益的PIN光電二極管為探測器件，利用鎖定放大技術進行探測信號的提取檢測。通過前置放大電路實現(xiàn)光電信號的轉換放大，然后利用交流信號放大器進行回波信號放大提取，最后運用相敏檢波器實現(xiàn)回波信號的檢測，進而實現(xiàn)探測器的高集成度和小型化設計。

1 激光頻率上轉換回波信號特性

激光頻率上轉換是指激光與摻有稀土離子的轉換材料相互作用，稀土離子吸收激光能量發(fā)生能級躍遷后而產生的頻率高于激發(fā)激光頻率的信號，當激光照射到涂有轉換材料的物體上時，材料中的稀土粒子經過多步光子吸收，在較高能級上產生輻射躍遷，輻射的光子能量高于抽運光子能量。

經過變換后的輻射光子信號，在能量上，比瑞利散射后的激光回波信號小2~3個數(shù)量級；對于脈沖激光信號，在相位上，回波信號較激發(fā)信號會產生10°左右的相移；在脈沖寬度上，由于從信號能量吸收到信號輻射有一定能量躍遷過程，因此回波信號較激發(fā)信號具有一定脈寬展寬特性，展寬在毫秒量級，特性示意圖如圖1所示。

對分離出的7株產蛋白酶菌株的菌落形態(tài)進行觀察鑒定。通過革蘭氏染色和霉菌的乳酸石碳酸棉藍染色，觀察菌株的個體形態(tài)，并確定有6株菌為革蘭氏陽性菌，觀察結果見表4。

圖1 頻率上轉換回波信號特性示意圖

2 回波探測系統(tǒng)基本原理

回波探測系統(tǒng)主要是針對激光頻率上轉換回波信號，利用PIN光電二極管實現(xiàn)光電信號轉換，運用鎖定放大技術進行回波信號的檢測，最后通過LED、蜂鳴器等器件實現(xiàn)探測響應，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 回波探測系統(tǒng)框圖

2.1 回波探測光路系統(tǒng)

回波探測光路系統(tǒng)主要由激光器、聚光透鏡、濾光片、PIN光電二極管等組成，激光器發(fā)出探測激光照射到探測靶標上，經過探測靶標上的轉換材料實現(xiàn)激光信號的頻率上轉換，產生激光回波信號，然后經過聚焦透鏡聚焦、濾光片濾波，最終到達PIN光電二極管實現(xiàn)光電轉換。

2.2 鎖定放大器

由于頻率上轉換回波信號具有信號強度弱、脈沖展寬、有相移等特性，并且信號中會混有瑞麗散射信號、日光燈信號、自然光等干擾信號，因此采用了鎖定放大技術。運用高增益帶寬積、低噪聲的運算放大器，采用兩級放大進行了小信號提取，通過調節(jié)參考信號的脈寬、相位來提取展寬相移后的回波信號。鎖定放大器的原理框圖如圖3所示，鎖定放大器能夠放大提取與參考信號同頻同相的回波信號，抑制大部分的雜波信號。

圖3 鎖定放大器原理框圖

3 實驗分析

本刊訊 2016年6月15日，“我們的學?！む徏业膶W校”暨第四屆小學教育國際研討會在北京市海淀區(qū)中關村第三小學舉行。本次研討會由北京市海淀區(qū)教委國際交流與合作辦公室、全國小學教育聯(lián)盟、真實的學習研究院、現(xiàn)代學校發(fā)展研究院、全球教育共同體主辦，美國斯坦福評價、學習、公平中心（SCALE）、芬蘭赫爾辛基大學、創(chuàng)新學校聯(lián)盟協(xié)辦。

實驗測試裝置如圖4所示，為了減少噪聲的干擾，將信號處理電路集成于40 mm′60 mm的PCB板；為了方便目標對準和檢測，采用紅色可見激光作為指示激光，LED燈為目標探測告警，在固定探測裝置的前提下，通過移動探測靶標，測試不同距離下回波信號的波形。

圖4 實驗場景

通過對頻率上轉換回波信號探測技術的研究，搭建了回波探測系統(tǒng)，利用脈沖信號發(fā)生器產生激光調制信號，接收信號為探測靶標位于探測系統(tǒng)前1.5 m處時，頻率上轉換后的回波信號，噪聲為探測電路中的高斯白噪聲，通過示波器觀察放大器的輸出波形，輸出結果如圖5所示，圖5(a)為前置放大電路輸出波形，圖5(b)為交流信號放大器輸出波形，從波形圖中可以看出，前置放大電路接收到的回波信號已經淹沒在噪聲信號中，而經過交流信號放大器后回波信號被成功的從噪聲中提取出來。由此可以看出，交流信號放大器具有較好的濾波放大選頻特性。

圖5 探測電路輸出波形

將探測靶標放置于不同的探測位置，分別測量在有無濾光片的情況下，交流信號放大器輸出波形的峰峰值電壓，測量結果如表1所示。從測量數(shù)據(jù)中可以看出，在有濾光片的情況下，隨著測量距離的增加，輸出信號的峰峰值電壓逐漸減少，測量結果基本符合了幾何光學的光功率傳輸衰減特性；而如果沒有濾光片，由于激發(fā)激光經物體反射的能量遠遠大于經材料轉換后的激光能量，且信號放大器的放大倍數(shù)很大，最終在測量范圍內，探測信號峰峰值電壓始終維持在滿量程狀態(tài)。由此可以看出，濾光片能夠有效的抑制激發(fā)激光的干擾，提高對轉換回波信號的辨識能力。

表1 隨著距離增加探測回波信號強度

Table 1 Echo signal intensity with the increase of distance

相敏檢波電路為鎖定放大器的重要組成部分，其性能直接關系著回波探測系統(tǒng)的檢測能力和信噪比。在2.2的實驗基礎上，分別測量在照射探測靶標和不照射探測靶標兩種情況下，乘法器和低通濾波的輸出波形，如圖6所示，經過多次測量表明：

當不照射探測靶標時，乘法器輸出波形如圖6(a)所示，由于低頻噪聲信號與參考信號相位不匹配，信號波形周期性的分布于零點上下，低通濾波輸出波形如圖6(c)虛線所示，電壓約為100 mV。

當照射探測靶標時，乘法器輸出波形如圖6(b)所示，探測信號與參考信號的頻率與相位匹配，信號波形基本保持在零點的上方，低通濾波輸出波形如圖6(c)實線所示，電壓約為700 mV。

圖6 照射探測靶標前后波形圖

由此可以看出在照射靶標前后，信號輸出具有明顯的變化，根據(jù)測試結果計算探測系統(tǒng)的輸出信噪比為

由于探測系統(tǒng)的輸入信號已經淹沒在噪聲中，則探測系統(tǒng)的輸入信噪比SNR_in<0，由此可以看出信號經過探測系統(tǒng)后信噪比得到了很大的改善。

結束語

1.7.5 抑瘤率測定實驗 荷瘤小鼠給藥30 d后，停藥24 h頸椎脫臼處死，固定于手術蠟板上，將小鼠右前肢腋下腫瘤剖出，稱量腫瘤重量并計算腫瘤抑制率，計算公式為：

實際的回波信號中不可避免的會含有瑞利散射信號、日光燈信號以及其他外界信號，這些信號會對頻率上轉換回波信號的探測帶來干擾，因此在探測系統(tǒng)的設計中，必須對這些干擾信號進行抑制，特別是低頻干擾。本文運用鎖定放大技術對頻率上轉換回波信號的探測系統(tǒng)進行了設計，為頻率轉換回波信號的探測提供了一種方法。根據(jù)回波信號的強度弱、脈沖展寬、有相移等特性，通過對鎖定放大參考信號脈寬和相位的調節(jié)，實現(xiàn)了回波信號的準確探測。實驗測試表明基于鎖定放大的回波探測技術能夠有效的提取頻率上轉換回波信號，并且和系統(tǒng)輸入信噪比相比，輸出信噪比得到了很大改善。在實際應用中，可以通過提高發(fā)射激光的功率、增大接收透鏡的面積來提高探測系統(tǒng)的探測距離，遠距離目標探測將會是該技術的發(fā)展趨勢。

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綜上所述，對肝膽胰疾病合并糖尿病患者實施圍手術期護理，能夠提高患者的手術耐受力，消除患者不良情緒，挺高患者的治療依從性，能夠更好的保障患者的生命安全，保證手術效果。

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Echo Signal Detection Technology of Laser Frequency Up-conversion

TENG Yue，Lü Yong，CHEN Qingshan，NIU Chunhui，LIU Lishuang

( School of Instrumentation Science & Optoelectronic Engineering, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100192, China )

Frequencyconversion characteristics, produced by interact between laser and the object, are of great significance for target detection. The echo signal of frequency up-conversion has weakstrength, pulse stretching, phase shift characteristics etc.According to thisechofeature, we use the PIN photodiode as detector, and extract echo signal using lock-in amplification technology. With the help of the preamplifier circuit and AC signal amplifier circuit, the transformation and amplification of echo signal can be achieved, as well as phase sensitive detector, which is used to realize echo signal extraction. Echo detection system is set up and experimental tests show that detection system based on lock-in amplifier can suppress noise signal, as a consequence, the system can extract echo signal from background of big noise. When target at 1.5 meters in front of detection system, the output signal-noise ratio (SNR) of the system is 16.9 dB.

frequency up-conversion; echo detection; PIN photodiode; lock-in amplifier

TN215

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.04.014

2015-07-17；

2015-10-09

國防“十二五”預研項目；北京市屬高等學校青年拔尖人才培育計劃項目(CIT&TCD201404124)

滕岳(1988-)，男(漢族)，河北滄州人。碩士研究生，主要研究工作是光電檢測技術。E-mail: d591156786@126.com。