1 引 言

　　光是攜帶和傳遞信息的重要載體，光電信號作為信息的一種重要載體，具有信息容量大、易于控制、便于遠距離傳輸和在線測量等特點。目前，微弱光的檢測技術已成為生命科學、材料科學、環(huán)境科學、食品科學以及航天科學等眾多領域內的一種非常重要的研究手段，與之相關的各種儀器已成為各類實驗室極為重要的設備。
　　在微光檢測系統(tǒng)中，光電變換是其核心部分，我們研究光電探測器件20年，在充分分析光電探測器基本功能的基礎上，提出了“間接耦合光電探測”新概念〔1〕。根據“間接耦合光電探測”新概念研制的內調制光電探測器（簡稱內調制光電管或內調制光敏管）能使入射的光信號直接轉化為受調制的交流電信號輸出而不用機械斬波器。我們利用這種內調制光電探測器件作為微光檢測系統(tǒng)的光電轉換部分，使檢測系統(tǒng)不需要機械斬波器就可以得到受調制的交流信號，克服了微弱直流電信號放大的困難，為提高系統(tǒng)信噪比和可靠性奠定了基礎。而且，內調制光電探測器的工作條件相對光電倍增管要簡單得多，使用壽命也相對更長。因此，利用內調制光電探測器作為光電變換器件的微光檢測系統(tǒng)代表了一種新的微光測量技術〔2〕。
2　內調制光電檢測原理
　　微弱光信號經過內調制光電探測器轉換成電信號以后，還要經過放大、濾波等各種信號處理〔3〕。而在微弱光的檢測過程中，光電檢測系統(tǒng)在工作時總會受到一些無用信號的干擾。例如，光電轉換中光電子隨機起伏的干擾，輻射光場在傳輸過程中受到通道的影響及
背景光的干擾、放大器引入的干擾噪聲等等。光電信號處理的主要目的是最大限度地抑制噪聲，提取信號攜帶的有用信息。光電檢測系統(tǒng)的噪聲如圖1所示。

　　這些噪聲主要來自兩方面：（1）來自研究系統(tǒng)的外部，通常由電、磁、機械等因素引起，這些干擾多具有一定的規(guī)律性，采取適當的措施可以將其減小或消除。（2）來自被研究系統(tǒng)內部的材料、器件和固有的物理過程的自然干擾。例如，任何電導體中帶電粒子無規(guī)則運動引起的熱噪聲，光探測過程中光子計數引起的散粒噪聲。這些過程是隨機過程，不能精確預知其大小及規(guī)律，不能完全消除，但可以得知其統(tǒng)計規(guī)律，可以采取一些措施予以控制。
　　在光電探測器中固有噪聲主要有熱噪聲、散粒噪聲、產生－復合噪聲（g－r噪聲）、溫度噪聲等。噪聲在實際的光電探測系統(tǒng)中是極其有害的。由于噪聲總是與有用信號混在一起，因而影響對信號特別是微弱信號的正確檢測。一個光電檢測系統(tǒng)的極限探測能力往往受探測系統(tǒng)的噪聲所限制。如何減少噪聲的影響是檢測系統(tǒng)的一個重要問題。
2．1　最大信噪比原理
　　當檢測的信號光非常微弱時，通過光電探測器轉換后得到的光電信號的信噪比（S／N）很小，這就需要一些特殊的微弱信號檢測方法將信號從噪聲中提取出來〔4〕。為了從信號處理系統(tǒng)獲得最大的信噪比，系統(tǒng)的　　頻率函數和輸入信號之間應滿足一定的關系。　　設，信號處理系統(tǒng)如圖2所示。其H（jω）為系統(tǒng)的頻率函數；h（t）為系統(tǒng)的脈沖響應；Si（t）為輸入信號；So（t）為輸出信號；Wi（ω）為輸入白噪聲的功率譜密度，且Wi（ω）＝No；PN（t）為輸出噪聲功率；Wo（t）為輸出噪聲的功率譜密度；Si（jω）為輸入信號頻譜；So（jω）為輸出信號頻譜。

根據信號的頻域分析方法，可得輸出信號的頻譜為：

將式（1）作傅立葉變換，可得輸出信號的時域表達式

根據圖2，輸出噪聲功率譜密度為

這樣，就可以得到td時刻系統(tǒng)輸出的功率信噪比為

利用Schwartz不等式對其化簡，整理后為

當滿足


　　由上述分析可知，為了獲得最大的輸出信噪比，信號處理系統(tǒng)的頻率響應函數與輸出信號的頻譜之間需要滿足式（8）。滿足這一關系的信號處理系統(tǒng)稱為匹配濾波器，匹配濾波技術是微弱信號檢測的一種重要的方法。
2．2　互相關檢測原理
利用信號和噪聲在相關特性上具有不同的特點，是微弱信號檢測的一種常用方法。定義互相關函數：

它是描述t時刻的x（t）和t－l時刻的y（t）之間的相關程度。如果兩個函數（過程）的發(fā)生互相完全沒有關系（例如信號與隨機噪聲），則它們的互相關函數是一常數，這個常數等于兩函數平均值的積。若一個函數（如噪聲）的平均值為零，則它們的互相關函數為零。如果兩函數具有相同的基波頻率，則互相關函數保留了原函數的幅度和相位信息。

　　互相關檢測的原理如圖3所示。已知輸入信號S（t）的重復周期或頻率，用一重復周期與輸入信號相同的參考信號y（t）與混有噪聲n（t）的輸入信號進行相關。則互相關函數

Rsy（l）包涵了信號S（t）所攜帶的信息，這樣就能把信號S（t）檢測出來。
3　模擬電路的設計與結構
　　內調制微光檢測系統(tǒng)的信號處理部分的基本原理如圖4所示，主要由信號通道、參考脈沖、乘法器、采樣保持電路、量程自動換檔和精密穩(wěn)壓電路組成。
　　內調制探測器輸出的交流電流信號經I－V轉換后成為交流電壓信號，其數學表達式為Vi＝Vm cosωt，由于信號的信噪比很小，因此，選頻放大電路必須改善信號的信噪比。由最大信噪比原理可知，選頻放大電路的頻率函數為：

由上式可知，選頻放大電路的頻率函數為沖擊脈沖，可以用窄帶帶通濾波器來實現(xiàn)，我們采用巴特沃茲（Butterworth）二階帶通濾波器，巴特沃茲二階濾波器在通帶內具有最平坦的頻幅特性，能夠很好地改善探測器輸出信號的信噪比。二階巴特沃茲濾波器的結構如圖5所示。其中心角頻率通過適當的調整使其中心角頻率和探測器輸出信號的頻率相同，使得探測器輸出信號經過濾波器后幅度增益最大。這樣，選頻放大器輸出信號的峰值和光強成正比。

　　參考脈沖是信號處理系統(tǒng)一個非常重要的部分。方波發(fā)生器產生一定頻率適合調制的方波信號，經波形變換為同頻率的正弦交流小信號，疊加在探測器的柵極將其輸出調制為交流信號，其輸出信號峰值和光強成正比。方波發(fā)生器同時還產生一路與調制信號同頻率的信號，通過脈沖寬度調制得到一定寬度適合與選頻放大輸出信號相關的脈沖方波信號，經延時后使之與選頻放大輸出的交流信號的峰值同步，同時，該脈沖信號作為乘法器輸出信號的采樣觸發(fā)脈沖。選頻放大器輸出的信號，由于其增益非常高，增強了放大器本身噪聲的影響，因而有必要對其輸出信號進行濾噪處理。我們根據互相關檢測的原理利用光電耦合器作為開關式乘法器對其進行濾噪處理。從乘法器輸出的信號為一脈沖信號，其峰值和輸入光信號的光強成正比，為了便于A／D轉換處理，我們用一峰值采樣保持電路在其峰值處取樣，并保持在采樣脈沖低電平周期內不變，從而得到與輸入光信號的光強成正比地直流電壓信號。
4　結束語
　　作為微弱光的檢測系統(tǒng)，檢測極限是其一個非常重要的參數。為了檢驗內調制微光檢測系統(tǒng)的檢測極限，我們將其制作的微光儀送至中國計量科學研究院進行測試。系統(tǒng)檢測極限的照度和光功率結果如表1所示，表明該系統(tǒng)可檢測到6．5×10－6Lx的微光。在波長λ＝870nm處，輻照度為4．081×10－11W／cm2時，系統(tǒng)顯示值為1．3×10－3，內調制光電探測器的面積A＝700×700（μm）2，由此可算出系統(tǒng)的最小檢測功率約為2×10－13W。

　　從實驗結果來看，內調制微光檢測系統(tǒng)利用探測器的內調制光電特性，將光信號轉變?yōu)槭苷{制的交流電信號，方便了后級電路的處理，克服了傳統(tǒng)微弱光檢測的缺點。這種內調制微光檢測技術是一項基礎性技術，能檢測從紫外到中紅外的微光，也可檢測微弱的脈沖光。在工業(yè)、農業(yè)、國防、科技、環(huán)保、醫(yī)療衛(wèi)生、食品衛(wèi)生檢查等領域有著廣泛的用途。利用該技術研制出的內調制光纖比色溫度儀，已用于冶金行業(yè)中的在線測溫。

1　何民才，陳炳若，黃啟俊，等．間接耦合光電探測器．中國科學A輯，1990，（4）：431～439
2　何民才，黃啟俊，戴　鋒．內調制光纖比色溫度傳感器．儀表技術與傳感器，1998，（3）：7～9
3　He Mincai，Long Li，Huang Qijun，et al．IntramodulatedPhotodetector．Sensors and Acruators A，1993，35：227～230
4　錢浚霞，鄭堅立．光電檢測技術．北京：機械工業(yè)出版社，1993：112～167