光電檢測系統(tǒng)的微弱信號采集與檢測的分析

章文炳　林杰　郭秀玲

【摘 要】微弱信號的采集與檢測是傳統(tǒng)光電檢測系統(tǒng)當中檢測工作的難點所在，因此需要通過運用放大器等系統(tǒng)改良方式，提高光電檢測系統(tǒng)對微弱信號的判斷能力。本文將從微弱光電信號的噪聲特點分析角度出發(fā)，對目前主要采用的系統(tǒng)檢測方案進行總結，同時結合相關理論研究成果，提出實際的光電檢測系統(tǒng)信號采集的改良方案，提高系統(tǒng)微弱信號的檢測精度。

【關鍵詞】光電檢測；微弱信號采集；信號噪聲；系統(tǒng)改良

中圖分類號： TN911.23 文獻標識碼： A 文章編號： 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

光電檢測系統(tǒng)的技術實現(xiàn)主要在于對光照射環(huán)境的信息獲取，在光電效應原理當中，光電傳感器會對光直射下物體表面所出現(xiàn)的電位變化情況做出感知，并通過信號匯總的方式，完成電流信號的輸出。電流信號經過轉換處理得到放大，形成電壓信號。研究人員則通過電壓信號完成對被測物體存在的物理量變化情況判斷，獲取相應信息。

1 光電檢測系統(tǒng)當中微弱信號存在的噪聲

內部噪聲主要來自于微弱信號的內部。以最為常見的散粒噪聲為例，這類噪聲一般出現(xiàn)在檢測對象的有源器件之中，器件由于發(fā)射不均勻，會導致信號呈現(xiàn)與電流強度的線性關系，其噪聲則表現(xiàn)出白噪聲的特性。有源器件來部的電子運動出現(xiàn)在兩極板位置時，兩極板感應電荷會發(fā)生一系列的位置和體量的變化，并影響電流脈沖，從而導致微弱光電信號難以被系統(tǒng)檢測到[1]。

雜散光噪聲則是微弱光電信號當中的外部噪聲類型，這種噪聲的出現(xiàn)主要集中在被測物體表面，由于非正常光伏輻射，構成了類光線形態(tài)，這種類光線作為雜散光噪聲，會對系統(tǒng)檢測造成阻礙。相比于內部噪聲有著相對清晰的來源和判別標準，外部雜散光噪聲一般較為隨機，部分噪聲來資源光學系統(tǒng)外部、也有部分噪聲則是由于輻射源位置變化，產生了對光電檢測的影響[2]。

2 常見的微弱信號采集檢測技術應用方式

對于微弱信號的光電采集檢測來說，一方面是提高檢測對象的信號強度，另一方面則是控制噪聲影響。其中噪聲影響的控制相對更加主要，其所受到環(huán)境變化的隨機性影響也更加強烈。

2.1 鎖相放大法微弱光電信號檢測技術

鎖相放大法檢測技術主要針對微弱光電信號強度進行機械放大的方式，來實現(xiàn)對于微弱信號的采集和檢測。其中核心元件鎖相放大器，主要由參考通道、信號通道、相敏檢測和濾波器等多個環(huán)節(jié)組成。通過若干環(huán)節(jié)的彼此協(xié)作，能夠實現(xiàn)對于微弱光電信號的放大和增強。在噪聲處理方面，鎖相放大器主要依賴于信號通道環(huán)節(jié)，通過設置專門的前置噪聲處理參數(shù)，實現(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，通過移相處理的方式進行采集并獲取。

在具體的系統(tǒng)應用當中，鎖相放大器需要優(yōu)先獲取微弱光電信號，并借助放大處理等方式形成參考信號，再借助積分器對信號所處的頻域進行遷移，最后完成解調恢復，避免其信號出現(xiàn)高頻噪聲等干擾問題。不過這種處理方式雖然能夠簡單直接地對微弱信號進行采集狀態(tài)處理，但是在放大器內部，由于運用中低通道的濾波模式，導致濾波完成后的信號頻帶過于狹窄[3]。雖然通過參數(shù)設置等方式，能夠實現(xiàn)對于信號噪聲的信噪比控制，但是其所進行的信號處理，還是造成了微弱信號本身的失真，無法實現(xiàn)完整的微弱信號幅值信息采集，缺乏一定的精準度。

2.2 混沌檢測法微弱光電信號檢測技術

混沌檢測法是對于傳統(tǒng)光電信號檢測技術當中隨機共振法的改良和發(fā)展。與鎖相放大法技術原理有著較大差別，隨機共振法是一種非線性檢測技術手段，在系統(tǒng)當中，隨機共振法會通過對系統(tǒng)平衡狀態(tài)的判斷，利用含噪信號，將噪聲能量進行轉化，時期成為信號能力，改變信號強度。在這種變化規(guī)則當中，只要信號內部的噪聲和幅值不處于零，那么整個系統(tǒng)平衡便會出現(xiàn)變化，從而發(fā)生勢井點的傾斜。隨機共振再借助信號幅值與系統(tǒng)自身的臨界值數(shù)據(jù)，來保證計算量能夠始終處于勢井周期當中，從而完成信號幅值的準確估算。但是該種方法僅僅能夠應用于待測幅值差異化強烈且信噪比較高的信號環(huán)境中，應用范圍狹窄。

混沌檢測法作為隨機共振法的繼承和發(fā)揚，提出了“敏感性”概念。光電檢測系統(tǒng)需要借助對于異常信號的敏感性特征，完成對于攝動系統(tǒng)的控制和調動。攝動系統(tǒng)所能夠獲取到的信號信息，需要經歷觀察和對比，進行軌跡變化情況分析。如果其中發(fā)現(xiàn)了軌跡變化明顯，則表明攝動系統(tǒng)所獲取的輸入信號當中，包含待測的微弱信號，如果軌跡變化不明顯，則表明攝動系統(tǒng)所獲取的輸入信號不包含待測的微弱信號。相較于隨機共振法，混沌檢測法能夠擁有更加簡便的操作和更為良好的效果。但是由于軌跡變化檢測閾值過于主觀，誤差同樣較為明顯。

3 對于檢測系統(tǒng)微弱信號采集技術的改進和創(chuàng)新

為了能夠提高幾種技術手段再實際系統(tǒng)應用當中的檢測能力，進而彌補以往檢測過程中存在的不足，需要進行一定的技術創(chuàng)新和技術優(yōu)勢運用，彌補以往技術手段存在的不足。

3.1 基于單片機應用的鎖相放大法改良

本文提出，鎖相放大法的應用障礙在于檢測過程和轉換過程存在的信號幅值控制問題，因此為了提高微弱信號檢測能力，需要改變原有的信號放大轉換過程，合理控制誤差問題，調整轉換機制，從而實現(xiàn)技術突破。

在結合了相關理論研究成果和社會實踐之后，筆者提出了利用單片機控制單元進行鎖相放大器轉換過程控制指導的基本思路，構建了全新的鎖相放大信號轉換流程，實現(xiàn)了對于以往問題的有效遏制。在單片機控制體系的應用當中，微弱信號的光電轉換放大主要有A/D轉化模塊來完成，在單片機的控制之下，A/D轉化模塊能夠更加精準地完成對于微弱信號內部電流以及電壓信號的轉換和放大。完成轉換的信號在經由數(shù)字信號解調器裝置完成解調處理，實現(xiàn)微弱信號的識別和采集。

在實際運行當中，鎖相放大器所面對的微弱光電信號主要由兩個部分的信號處理組成。微弱信號在進入到鎖相放大器之前，一般為常規(guī)的電流信號A（t），這一電流信號呈現(xiàn)緩慢變化的基本趨勢，在系統(tǒng)當中，需要由鎖相放大器對其進行調制處理[4]。單片機在接受到光電信號信息后，下達指令，要求斬光器通過信號調制的方式對電流信號A（t）進行處理，從而得到調制完成后的電流信號A（t）sin（ωmt+θ），該信號在經過數(shù)字信號處理技術進行解調，完成還原。為了能夠實現(xiàn)對于電路內部的信號進行放大和噪聲控制工作，需要由調制過程中的轉化模塊通過I/V轉化方式，將原有的A（t）電流信號轉化成為電壓信號，再利用干擾抑制和性能指標控制兩種對比方式，進行降噪處理。

相比于以往應用的鎖相放大技術，經過創(chuàng)新和改良的單片機控制策略更具應用價值。首先，單片機控制下光電檢測系統(tǒng)能夠更加精準地實現(xiàn)數(shù)字信號的處理工作，從而擺脫了借助模擬器件進行放大和降噪處理難度，提高了穩(wěn)定性；其次，在數(shù)字技術發(fā)展的當下，單片機控制技術能夠與智能化發(fā)展相互協(xié)調，檢測設備小型化、成本降低，是其未來發(fā)展重要方向。

3.2 基于duffing振子模型的混沌檢測法改良

筆者提出，無論是隨機共振法還是混沌檢測法，在實際的微弱信號處理中都存在閾值量化的問題。因此筆者通過運用duffing數(shù)學模型的方式，幫助混沌檢測法形成閾值判斷依據(jù)。

Duffing振子模型是一個典型的數(shù)學模型其中包含混沌信號、非線性恢復力、阻尼系數(shù)以及策動力角頻率、策動力幅值多個單元，則有公式1進行模型表達。

在進行檢測當中，針對微弱信號的具體頻率，可以經過duffing方程完成變形，通過t=ωt的方式，設定時間尺度，并完成力學方程計算[5]。

傳統(tǒng)混沌檢測法在進行閾值確定時一般采用最大lyapunov指數(shù)法或者觀察法，而duffing模型的運用，能偶改變原有方法的主觀性，從而借助示波器等設備，完成系統(tǒng)的混沌狀態(tài)觀察，獲取輸出x和時間t之間存在的線性關系，并借助策動力分析，最終完成對于閾值的模擬。

4 結論

綜上所述，微弱光電信號的采集和檢測，需要對光電信號的存在狀態(tài)、幅值頻率大小、噪聲情況做出相應的分析和處理。對于光電檢測系統(tǒng)來說，在數(shù)字信號處理技術的應用下，需要借助技術手段來實現(xiàn)信號強度的處理和信噪比的控制，最終達到理想的信號識別和信號采集能力。

【參考文獻】

[1]屠振華，張成龍，王瑤瑤等.光電檢測技術在馬鈴薯品質檢測中的研究進展[J].農機化研究，2019，41（07）：8-13.

[2]胡夢笑，劉金雨，趙強，等.具有獨特波長檢測特性的有機單晶光電晶體管（英文）[J/OL].Science China.Materials：1-7.

[3]陳東，曹順安，杜富瀅等.二氧化鈦納米棒/分子印跡光電化學傳感器檢測2，4-二氯苯酚[J].分析試驗室，2018，37（11）：1258-1261.

[4]陳曉芳，李麗芬，白彥霞等.基于模式識別的精密光電檢測電路故障識別[J].激光雜志，2018，39（10）：53-56.