章文炳　林杰　郭秀玲

【摘 要】微弱信號(hào)的采集與檢測(cè)是傳統(tǒng)光電檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中檢測(cè)工作的難點(diǎn)所在，因此需要通過(guò)運(yùn)用放大器等系統(tǒng)改良方式，提高光電檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)的判斷能力。本文將從微弱光電信號(hào)的噪聲特點(diǎn)分析角度出發(fā)，對(duì)目前主要采用的系統(tǒng)檢測(cè)方案進(jìn)行總結(jié)，同時(shí)結(jié)合相關(guān)理論研究成果，提出實(shí)際的光電檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)采集的改良方案，提高系統(tǒng)微弱信號(hào)的檢測(cè)精度。

【關(guān)鍵詞】光電檢測(cè)；微弱信號(hào)采集；信號(hào)噪聲；系統(tǒng)改良

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）36-0123-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.052

Analysis of Weak Signal Acquisition and Detection in Photoelectric Detection System

ZHANG Wen-bing1 LIN Jie2 GUO Xiu-ling3

（1.Weinan University of Science and Technology， Fujian Normal University， Quanzhou Fujian 362332， China；

2.Union College of Fujian Normal University， Fuzhou Fujian 350117， China；

3.Weinan Institute of Science and Technology， Fujian Normal University， Quanzhou Fujian 362332， China）

【Abstract】The acquisition and detection of weak signal is the difficulty in the detection of traditional photoelectric detection system， so it is necessary to improve the ability of photoelectric detection system to judge weak signal by using system improvement methods such as amplifiers. Based on the analysis of the noise characteristics of weak photoelectric signals， this paper summarizes the main system detection schemes used at present， and at the same time， combined with the relevant theoretical research results， puts forward the practical improvement scheme of signal acquisition of photoelectric detection system to improve the detection accuracy of weak signal in the system.

【Key words】Photoelectric detection； Weak signal acquisition； Signal noise； System improvement

0 前言

光電檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要在于對(duì)光照射環(huán)境的信息獲取，在光電效應(yīng)原理當(dāng)中，光電傳感器會(huì)對(duì)光直射下物體表面所出現(xiàn)的電位變化情況做出感知，并通過(guò)信號(hào)匯總的方式，完成電流信號(hào)的輸出。電流信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換處理得到放大，形成電壓信號(hào)。研究人員則通過(guò)電壓信號(hào)完成對(duì)被測(cè)物體存在的物理量變化情況判斷，獲取相應(yīng)信息。

1 光電檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中微弱信號(hào)存在的噪聲

內(nèi)部噪聲主要來(lái)自于微弱信號(hào)的內(nèi)部。以最為常見(jiàn)的散粒噪聲為例，這類(lèi)噪聲一般出現(xiàn)在檢測(cè)對(duì)象的有源器件之中，器件由于發(fā)射不均勻，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)呈現(xiàn)與電流強(qiáng)度的線(xiàn)性關(guān)系，其噪聲則表現(xiàn)出白噪聲的特性。有源器件來(lái)部的電子運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)在兩極板位置時(shí)，兩極板感應(yīng)電荷會(huì)發(fā)生一系列的位置和體量的變化，并影響電流脈沖，從而導(dǎo)致微弱光電信號(hào)難以被系統(tǒng)檢測(cè)到[1]。

雜散光噪聲則是微弱光電信號(hào)當(dāng)中的外部噪聲類(lèi)型，這種噪聲的出現(xiàn)主要集中在被測(cè)物體表面，由于非正常光伏輻射，構(gòu)成了類(lèi)光線(xiàn)形態(tài)，這種類(lèi)光線(xiàn)作為雜散光噪聲，會(huì)對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)造成阻礙。相比于內(nèi)部噪聲有著相對(duì)清晰的來(lái)源和判別標(biāo)準(zhǔn)，外部雜散光噪聲一般較為隨機(jī)，部分噪聲來(lái)資源光學(xué)系統(tǒng)外部、也有部分噪聲則是由于輻射源位置變化，產(chǎn)生了對(duì)光電檢測(cè)的影響[2]。

2 常見(jiàn)的微弱信號(hào)采集檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用方式

對(duì)于微弱信號(hào)的光電采集檢測(cè)來(lái)說(shuō)，一方面是提高檢測(cè)對(duì)象的信號(hào)強(qiáng)度，另一方面則是控制噪聲影響。其中噪聲影響的控制相對(duì)更加主要，其所受到環(huán)境變化的隨機(jī)性影響也更加強(qiáng)烈。

2.1 鎖相放大法微弱光電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

鎖相放大法檢測(cè)技術(shù)主要針對(duì)微弱光電信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行機(jī)械放大的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于微弱信號(hào)的采集和檢測(cè)。其中核心元件鎖相放大器，主要由參考通道、信號(hào)通道、相敏檢測(cè)和濾波器等多個(gè)環(huán)節(jié)組成。通過(guò)若干環(huán)節(jié)的彼此協(xié)作，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于微弱光電信號(hào)的放大和增強(qiáng)。在噪聲處理方面，鎖相放大器主要依賴(lài)于信號(hào)通道環(huán)節(jié)，通過(guò)設(shè)置專(zhuān)門(mén)的前置噪聲處理參數(shù)，實(shí)現(xiàn)輸出阻抗與輸入噪聲之間的相互制衡，最終將完成放大和噪聲處理的信號(hào)，通過(guò)移相處理的方式進(jìn)行采集并獲取。

在具體的系統(tǒng)應(yīng)用當(dāng)中，鎖相放大器需要優(yōu)先獲取微弱光電信號(hào)，并借助放大處理等方式形成參考信號(hào)，再借助積分器對(duì)信號(hào)所處的頻域進(jìn)行遷移，最后完成解調(diào)恢復(fù)，避免其信號(hào)出現(xiàn)高頻噪聲等干擾問(wèn)題。不過(guò)這種處理方式雖然能夠簡(jiǎn)單直接地對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行采集狀態(tài)處理，但是在放大器內(nèi)部，由于運(yùn)用中低通道的濾波模式，導(dǎo)致濾波完成后的信號(hào)頻帶過(guò)于狹窄[3]。雖然通過(guò)參數(shù)設(shè)置等方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于信號(hào)噪聲的信噪比控制，但是其所進(jìn)行的信號(hào)處理，還是造成了微弱信號(hào)本身的失真，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完整的微弱信號(hào)幅值信息采集，缺乏一定的精準(zhǔn)度。

2.2 混沌檢測(cè)法微弱光電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

混沌檢測(cè)法是對(duì)于傳統(tǒng)光電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)當(dāng)中隨機(jī)共振法的改良和發(fā)展。與鎖相放大法技術(shù)原理有著較大差別，隨機(jī)共振法是一種非線(xiàn)性檢測(cè)技術(shù)手段，在系統(tǒng)當(dāng)中，隨機(jī)共振法會(huì)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)平衡狀態(tài)的判斷，利用含噪信號(hào)，將噪聲能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，時(shí)期成為信號(hào)能力，改變信號(hào)強(qiáng)度。在這種變化規(guī)則當(dāng)中，只要信號(hào)內(nèi)部的噪聲和幅值不處于零，那么整個(gè)系統(tǒng)平衡便會(huì)出現(xiàn)變化，從而發(fā)生勢(shì)井點(diǎn)的傾斜。隨機(jī)共振再借助信號(hào)幅值與系統(tǒng)自身的臨界值數(shù)據(jù)，來(lái)保證計(jì)算量能夠始終處于勢(shì)井周期當(dāng)中，從而完成信號(hào)幅值的準(zhǔn)確估算。但是該種方法僅僅能夠應(yīng)用于待測(cè)幅值差異化強(qiáng)烈且信噪比較高的信號(hào)環(huán)境中，應(yīng)用范圍狹窄。

混沌檢測(cè)法作為隨機(jī)共振法的繼承和發(fā)揚(yáng)，提出了“敏感性”概念。光電檢測(cè)系統(tǒng)需要借助對(duì)于異常信號(hào)的敏感性特征，完成對(duì)于攝動(dòng)系統(tǒng)的控制和調(diào)動(dòng)。攝動(dòng)系統(tǒng)所能夠獲取到的信號(hào)信息，需要經(jīng)歷觀(guān)察和對(duì)比，進(jìn)行軌跡變化情況分析。如果其中發(fā)現(xiàn)了軌跡變化明顯，則表明攝動(dòng)系統(tǒng)所獲取的輸入信號(hào)當(dāng)中，包含待測(cè)的微弱信號(hào)，如果軌跡變化不明顯，則表明攝動(dòng)系統(tǒng)所獲取的輸入信號(hào)不包含待測(cè)的微弱信號(hào)。相較于隨機(jī)共振法，混沌檢測(cè)法能夠擁有更加簡(jiǎn)便的操作和更為良好的效果。但是由于軌跡變化檢測(cè)閾值過(guò)于主觀(guān)，誤差同樣較為明顯。

3 對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)微弱信號(hào)采集技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新

為了能夠提高幾種技術(shù)手段再實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用當(dāng)中的檢測(cè)能力，進(jìn)而彌補(bǔ)以往檢測(cè)過(guò)程中存在的不足，需要進(jìn)行一定的技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)優(yōu)勢(shì)運(yùn)用，彌補(bǔ)以往技術(shù)手段存在的不足。

3.1 基于單片機(jī)應(yīng)用的鎖相放大法改良

本文提出，鎖相放大法的應(yīng)用障礙在于檢測(cè)過(guò)程和轉(zhuǎn)換過(guò)程存在的信號(hào)幅值控制問(wèn)題，因此為了提高微弱信號(hào)檢測(cè)能力，需要改變?cè)械男盘?hào)放大轉(zhuǎn)換過(guò)程，合理控制誤差問(wèn)題，調(diào)整轉(zhuǎn)換機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。

在結(jié)合了相關(guān)理論研究成果和社會(huì)實(shí)踐之后，筆者提出了利用單片機(jī)控制單元進(jìn)行鎖相放大器轉(zhuǎn)換過(guò)程控制指導(dǎo)的基本思路，構(gòu)建了全新的鎖相放大信號(hào)轉(zhuǎn)換流程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于以往問(wèn)題的有效遏制。在單片機(jī)控制體系的應(yīng)用當(dāng)中，微弱信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換放大主要有A/D轉(zhuǎn)化模塊來(lái)完成，在單片機(jī)的控制之下，A/D轉(zhuǎn)化模塊能夠更加精準(zhǔn)地完成對(duì)于微弱信號(hào)內(nèi)部電流以及電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大。完成轉(zhuǎn)換的信號(hào)在經(jīng)由數(shù)字信號(hào)解調(diào)器裝置完成解調(diào)處理，實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的識(shí)別和采集。

在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，鎖相放大器所面對(duì)的微弱光電信號(hào)主要由兩個(gè)部分的信號(hào)處理組成。微弱信號(hào)在進(jìn)入到鎖相放大器之前，一般為常規(guī)的電流信號(hào)A（t），這一電流信號(hào)呈現(xiàn)緩慢變化的基本趨勢(shì)，在系統(tǒng)當(dāng)中，需要由鎖相放大器對(duì)其進(jìn)行調(diào)制處理[4]。單片機(jī)在接受到光電信號(hào)信息后，下達(dá)指令，要求斬光器通過(guò)信號(hào)調(diào)制的方式對(duì)電流信號(hào)A（t）進(jìn)行處理，從而得到調(diào)制完成后的電流信號(hào)A（t）sin（ωmt+θ），該信號(hào)在經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行解調(diào)，完成還原。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于電路內(nèi)部的信號(hào)進(jìn)行放大和噪聲控制工作，需要由調(diào)制過(guò)程中的轉(zhuǎn)化模塊通過(guò)I/V轉(zhuǎn)化方式，將原有的A（t）電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成為電壓信號(hào)，再利用干擾抑制和性能指標(biāo)控制兩種對(duì)比方式，進(jìn)行降噪處理。

相比于以往應(yīng)用的鎖相放大技術(shù)，經(jīng)過(guò)創(chuàng)新和改良的單片機(jī)控制策略更具應(yīng)用價(jià)值。首先，單片機(jī)控制下光電檢測(cè)系統(tǒng)能夠更加精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的處理工作，從而擺脫了借助模擬器件進(jìn)行放大和降噪處理難度，提高了穩(wěn)定性；其次，在數(shù)字技術(shù)發(fā)展的當(dāng)下，單片機(jī)控制技術(shù)能夠與智能化發(fā)展相互協(xié)調(diào)，檢測(cè)設(shè)備小型化、成本降低，是其未來(lái)發(fā)展重要方向。

3.2 基于duffing振子模型的混沌檢測(cè)法改良

筆者提出，無(wú)論是隨機(jī)共振法還是混沌檢測(cè)法，在實(shí)際的微弱信號(hào)處理中都存在閾值量化的問(wèn)題。因此筆者通過(guò)運(yùn)用duffing數(shù)學(xué)模型的方式，幫助混沌檢測(cè)法形成閾值判斷依據(jù)。

Duffing振子模型是一個(gè)典型的數(shù)學(xué)模型其中包含混沌信號(hào)、非線(xiàn)性恢復(fù)力、阻尼系數(shù)以及策動(dòng)力角頻率、策動(dòng)力幅值多個(gè)單元，則有公式1進(jìn)行模型表達(dá)。

在進(jìn)行檢測(cè)當(dāng)中，針對(duì)微弱信號(hào)的具體頻率，可以經(jīng)過(guò)duffing方程完成變形，通過(guò)t=ωt的方式，設(shè)定時(shí)間尺度，并完成力學(xué)方程計(jì)算[5]。

傳統(tǒng)混沌檢測(cè)法在進(jìn)行閾值確定時(shí)一般采用最大lyapunov指數(shù)法或者觀(guān)察法，而duffing模型的運(yùn)用，能偶改變?cè)蟹椒ǖ闹饔^(guān)性，從而借助示波器等設(shè)備，完成系統(tǒng)的混沌狀態(tài)觀(guān)察，獲取輸出x和時(shí)間t之間存在的線(xiàn)性關(guān)系，并借助策動(dòng)力分析，最終完成對(duì)于閾值的模擬。

4 結(jié)論

綜上所述，微弱光電信號(hào)的采集和檢測(cè)，需要對(duì)光電信號(hào)的存在狀態(tài)、幅值頻率大小、噪聲情況做出相應(yīng)的分析和處理。對(duì)于光電檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用下，需要借助技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度的處理和信噪比的控制，最終達(dá)到理想的信號(hào)識(shí)別和信號(hào)采集能力。

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