一種新型微弱激光檢測系統(tǒng)

  引言

       隨著激光在科學(xué)技術(shù)研究、醫(yī)療衛(wèi)生、國防科技、精細(xì)加工等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對微弱激光檢測愈加顯得重要 , 通常的微弱激光檢測系統(tǒng)主要由光電倍增管或調(diào)制盤斬波器加光電探測器構(gòu)成光電轉(zhuǎn)換部分。前者體積較大、需要高壓電源,并且使用條件苛刻;后者隨著使用過程中軸承的不斷磨損，馬達(dá)軸的徑向抖晃不斷增大，影響了測試系統(tǒng)的精度。此外,一般微弱激光檢測系統(tǒng)都存在非線性及探測器的性能隨溫度變化等缺點(diǎn)。這些都使得微弱激光檢測技術(shù)的應(yīng)用受到了很大的限制。我們采用光電探測器作為系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換元件,利用音叉進(jìn)行機(jī)械斬波，使入射的恒定(或緩變)光信號直接轉(zhuǎn)化為受調(diào)制的交流電信號,對其先進(jìn)行交流耦合放大，克服了用光電探測器的隨溫度漂移的影響，再進(jìn)行鎖相放大，用單片機(jī)對系統(tǒng)的模擬輸出信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并進(jìn)行非線性補(bǔ)償,克服了一般微光探測系統(tǒng)的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點(diǎn)。

       系統(tǒng)設(shè)計

       微光探測系統(tǒng)主要由內(nèi)調(diào)制光電探測器、信號處理系統(tǒng)和單片機(jī)補(bǔ)償系統(tǒng)組成。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微弱激光檢測系統(tǒng)總體原理框圖

       溫控電路系統(tǒng)

       由于溫度變化對光電探測器存在著影響，所以我們利用了橋式電路，通過鉑電阻采集溫度信號進(jìn)行與設(shè)定值進(jìn)行比較，從而利用半導(dǎo)體制冷器對光電探測器進(jìn)行主動控溫，溫度控制在+10_C ，控制精度為0.5 _C。這樣大大減小了光電探測器隨著溫度變化帶來的負(fù)面影響。

       信號采集和信號調(diào)理系統(tǒng)

       首先選取光電探測器作為光電轉(zhuǎn)換器件,通過有電感三點(diǎn)式起振帶動音叉的諧振，從而實(shí)現(xiàn)了對入射微弱激光的斬波調(diào)制,可將入射的恒定(或緩變)光信號轉(zhuǎn)化為受調(diào)制的交流電信號。然后通過交流耦合，濾除了直流和低頻溫漂噪聲，從而克服了因溫度漂移給系統(tǒng)帶來的影響。實(shí)際設(shè)計中系統(tǒng)的信號處理部分包括前置放大器和AD630芯片的鎖相放大。 前置放大器將探測器輸出的微弱交流電信號進(jìn)行預(yù)放大。ADI公司的AD630芯片，可以根據(jù)該公司提供的器件手冊很容易組成一個鎖相放大器，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)從+100dB噪聲中提取出信號，本設(shè)計就是利用該電路進(jìn)行提取微弱信號，參考信號從諧振線圈的中心抽頭引出，然后通過移相后作為鎖相放大器的參考信號，這樣實(shí)現(xiàn)了對給定頻率的交流信號進(jìn)行放大而大大抑制其他頻率的噪聲信號，從而得到與光強(qiáng)成正比的電壓信號,并將此信號交由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行非線性補(bǔ)償。

       單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

       在微弱激光檢測系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中,發(fā)現(xiàn)激光較強(qiáng)或較弱時,信號處理電路輸出信號的非線性度有一定程度的增加,使輸出線性度變差,影響了系統(tǒng)測量的動態(tài)范圍及測量精度。為此,我們采用單片機(jī)系統(tǒng)對其輸出信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并做線性補(bǔ)償。單片機(jī)系統(tǒng)的框圖如圖2所示?！?

圖2 單片機(jī)補(bǔ)償和顯示系統(tǒng)硬件框圖

       在EEPROM中存放查表數(shù)據(jù)，然后利用單片機(jī)從A/D轉(zhuǎn)換器讀取出測量值，然后進(jìn)行查表，校正，最后通過8255并行口在LED顯示系統(tǒng)上顯示測量值。

       由于微弱激光探測系統(tǒng)的輸出信號非線性特性跟光敏元本身特性有關(guān)，沒有一個很好的數(shù)學(xué)模型，因此我們采用查表法對其測量值進(jìn)行線性補(bǔ)償。程序采用ＭＣＳ51匯編語言編寫,主要包括Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換模塊、線性補(bǔ)償模塊和顯示模塊。 程序流程圖如圖3所示。

圖3  程序流程圖

       實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

       在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn),在入射激光能量較弱時,系統(tǒng)的響應(yīng)偏離線性,因此需要對其測量結(jié)果進(jìn)行非線性補(bǔ)償。系統(tǒng)修正結(jié)果對比使用單片機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行線性補(bǔ)償時,必需得到用于修正的表格數(shù)據(jù),將其存放在外部EEPROM中。我們用標(biāo)準(zhǔn)激光源作為信號光源，對應(yīng)于不同光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)激光源,記錄其輸出結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)采用了音叉斬波技術(shù)能夠有效地克服了探測器隨溫度變化而漂移，經(jīng)過單片機(jī)系統(tǒng)修正后的輸出信號,其線性也有很大改善,說明該系統(tǒng)取得了比較理想的檢測效果。