金夢(mèng)軒+陳如清

摘 要：光電檢測(cè)技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(cè)技術(shù)作為光電檢測(cè)技術(shù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，既是實(shí)現(xiàn)光電信息變換的起點(diǎn)也是光電檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一大難點(diǎn)。文章從不同角度介紹了現(xiàn)有微弱光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的基本原理和實(shí)現(xiàn)手段，并對(duì)不同方法的特點(diǎn)和應(yīng)用情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。最后對(duì)微弱光信號(hào)檢測(cè)方法的發(fā)展前景予以展望。

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

1 概述

微弱光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)及其相應(yīng)的光電檢測(cè)技術(shù)可應(yīng)用于各個(gè)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(cè)以及無線通信等；在工業(yè)領(lǐng)域，可用于檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量、控制環(huán)境污染量及產(chǎn)品計(jì)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(cè)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(cè)微弱信號(hào)檢測(cè)疾病等[1]。微弱光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的研究意義重大。

2 微弱光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

對(duì)于微弱光信號(hào)檢測(cè)來說，其難點(diǎn)在于微弱信號(hào)采集部分的設(shè)計(jì)以及轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。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(hào)的檢測(cè)、采集與處理技術(shù)的研究也取得巨大發(fā)展。在采集檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面，眾多學(xué)者從不同角度進(jìn)行了嘗試和探索。

如采通過在信號(hào)處理電路中設(shè)置信號(hào)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(cè)溫儀。該紅外測(cè)溫設(shè)備即使在強(qiáng)噪聲的背景下也能實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱光的檢測(cè)[2]；文獻(xiàn)[3]基于信號(hào)的相關(guān)性原理，設(shè)計(jì)一鎖相放大器并用于檢測(cè)微弱光信號(hào)的測(cè)量系統(tǒng)中。從而研制出紅外多光譜輻射溫度測(cè)量系統(tǒng)，同時(shí)采用將方法與函數(shù)模型法相結(jié)合并根據(jù)自動(dòng)化原理設(shè)計(jì)出雙向反射分布函數(shù)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)[3]；采用在同一測(cè)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(cè)量工件的孔徑，由于測(cè)量技術(shù)的科學(xué)先進(jìn)性，該測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度可以達(dá)微米級(jí)[4]；文獻(xiàn)[5]以采用高精度運(yùn)算放大器及FLASH型芯片核心進(jìn)行硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其測(cè)量輸出光功率的穩(wěn)定度可達(dá)±0.01nW，有效實(shí)現(xiàn)了在光纖通訊領(lǐng)域中對(duì)傳輸終端的微弱光信號(hào)功率的高精度測(cè)量[5]。

可以看出現(xiàn)有方法多數(shù)基于相關(guān)檢測(cè)原理設(shè)計(jì)鎖相放大器，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱光信號(hào)的檢測(cè)。然而這類方法都有實(shí)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(jiǎn)單的微弱光信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)十分必要。近期許多學(xué)者提出了一些改進(jìn)的檢測(cè)方法，取得了較好檢測(cè)效果。

如文獻(xiàn)[6]對(duì)傳統(tǒng)的全部采用專用集成電路來檢測(cè)微弱光信號(hào)的方法進(jìn)行改造，將傳統(tǒng)方法中不能適用于多變場(chǎng)合的缺點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。該系統(tǒng)采用部分集成電路與相對(duì)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(shí)驗(yàn)證明，分立電路既保留了傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且具有可操作性強(qiáng)和測(cè)量方式多變等優(yōu)點(diǎn)[6]。文獻(xiàn)[7]采用S2387系列光電二極管，結(jié)合多級(jí)放大電路與T型反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種放大倍率可編程的微弱光強(qiáng)信號(hào)采樣電路。基于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，通過對(duì)前后級(jí)放大倍數(shù)的合理分配，實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)或波長(zhǎng)變化比較大的微弱光信號(hào)的最優(yōu)放大，使得到的圖像波形更加便于分析、研究。同時(shí)該電路兼顧了提高響應(yīng)速度與降低噪聲的要求，簡(jiǎn)潔可靠，測(cè)量精度高[7]。文獻(xiàn)[8]通過設(shè)計(jì)下位機(jī)將待測(cè)光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、放大和濾波等處理，下位機(jī)由光電轉(zhuǎn)換電路、前置放大電路、多級(jí)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(jī)采集到的信號(hào)送到上位機(jī)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(hào)檢測(cè)方法的理論研究也得到了較快發(fā)展，如文獻(xiàn)[9]采用最優(yōu)混沌模型李亞普諾夫指數(shù)法定量檢測(cè)微弱光電信號(hào)幅值方法?；谧顑?yōu)混沌模型，解決了傳統(tǒng)混沌方法檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)的可檢測(cè)信噪比高、檢測(cè)閾值誤差大等問題[9]。文獻(xiàn)[10]基于相關(guān)檢測(cè)理論，設(shè)計(jì)微弱光纖陀螺信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)開環(huán)背景噪聲中微弱光纖陀螺信號(hào)的精確檢測(cè)[10]。文獻(xiàn)[11]基于數(shù)字正交相關(guān)檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)用于微弱激光信號(hào)檢測(cè)的光電檢測(cè)裝置，在數(shù)字相關(guān)檢測(cè)基本原理的基礎(chǔ)上完成對(duì)光電檢測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)開發(fā)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性[11]。

3 結(jié)束語

綜上所述，國(guó)內(nèi)外科研領(lǐng)域?qū)ξ⑷豕庑盘?hào)檢測(cè)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(hào)檢測(cè)裝置，進(jìn)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(cè)方法改進(jìn)以適應(yīng)不同檢測(cè)場(chǎng)合，促進(jìn)了微弱光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。微弱光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都占據(jù)著比較重要的地位，未來微弱光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，同時(shí)也將向智能化、數(shù)字化方向發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：金夢(mèng)軒（1996-），男，湖北天門人，嘉興學(xué)院在校本科生。