微弱光信號檢測方法研究現狀與發展趨勢

金夢軒+陳如清

摘 要：光電檢測技術憑借其獨特的優勢，當前已廣泛應用于現代工業、農業、軍事、電力及生活等領域。微弱光檢測技術作為光電檢測技術的一項重要內容，既是實現光電信息變換的起點也是光電檢測技術實現的一大難點。文章從不同角度介紹了現有微弱光信號檢測技術的基本原理和實現手段，并對不同方法的特點和應用情況進行了簡要分析。最后對微弱光信號檢測方法的發展前景予以展望。

關鍵詞：微弱光信號；現代光電檢測技術；應用現狀

1 概述

微弱光信號檢測技術及其相應的光電檢測技術可應用于各個領域，如在軍事領域，用于隱形目標偵查、武器制造和目標距離檢測以及無線通信等；在工業領域，可用于檢測產品質量、控制環境污染量及產品計量等方面；在化學分析領域，可用于鑒定物質結構、檢測分析藥物成分等：在醫學領域，可用于分析醫學電子圖像，通過回測微弱信號檢測疾病等[1]。微弱光信號檢測技術的研究意義重大。

2 微弱光信號檢測技術研究現狀

對于微弱光信號檢測來說，其難點在于微弱信號采集部分的設計以及轉換電路的設計。近些年來，隨著現代光電技術的發展，關于微弱光信號的檢測、采集與處理技術的研究也取得巨大發展。在采集檢測系統的設計與實現方面，眾多學者從不同角度進行了嘗試和探索。

如采通過在信號處理電路中設置信號通道和參考通道方式，利用微處理器將廣義白噪聲濾除，開發出“BHJ-400”型紅外測溫儀。該紅外測溫設備即使在強噪聲的背景下也能實現對微弱光的檢測[2]；文獻[3]基于信號的相關性原理，設計一鎖相放大器并用于檢測微弱光信號的測量系統中。從而研制出紅外多光譜輻射溫度測量系統，同時采用將方法與函數模型法相結合并根據自動化原理設計出雙向反射分布函數自動測量系統[3]；采用在同一測量裝置上集成非接觸式光學成像CCD傳感器和接觸式光纖傳感器方式測量工件的孔徑，由于測量技術的科學先進性，該測量設備的測量精度可以達微米級[4]；文獻[5]以采用高精度運算放大器及FLASH型芯片核心進行硬件系統和軟件系統設計，其測量輸出光功率的穩定度可達±0.01nW，有效實現了在光纖通訊領域中對傳輸終端的微弱光信號功率的高精度測量[5]。

可以看出現有方法多數基于相關檢測原理設計鎖相放大器，實現對微弱光信號的檢測。然而這類方法都有實現成本高、流程和結構比較復雜等不足。尋找一種精度較高、成本較低且結構簡單的微弱光信號檢測系統十分必要。近期許多學者提出了一些改進的檢測方法，取得了較好檢測效果。

如文獻[6]對傳統的全部采用專用集成電路來檢測微弱光信號的方法進行改造，將傳統方法中不能適用于多變場合的缺點進行優化。該系統采用部分集成電路與相對分立元件相結合的方式形成兩種放大器，系統中的光電轉換電路以低輸入偏置電流放大器AD549 為主。實驗證明，分立電路既保留了傳統檢測系統抗干擾能力強等優點，且具有可操作性強和測量方式多變等優點[6]。文獻[7]采用S2387系列光電二極管，結合多級放大電路與T型反饋電阻網絡，設計了一種放大倍率可編程的微弱光強信號采樣電路。基于對實驗數據的分析，通過對前后級放大倍數的合理分配，實現對光強或波長變化比較大的微弱光信號的最優放大，使得到的圖像波形更加便于分析、研究。同時該電路兼顧了提高響應速度與降低噪聲的要求，簡潔可靠，測量精度高[7]。文獻[8]通過設計下位機將待測光信號進行光電轉換、放大和濾波等處理，下位機由光電轉換電路、前置放大電路、多級放大電路、有源濾波電路和數據傳輸電路構成。通過采集卡將下位機采集到的信號送到上位機處理，提出一種自適應窄帶功率譜濾波方法[8]。

此外，微弱光信號檢測方法的理論研究也得到了較快發展，如文獻[9]采用最優混沌模型李亞普諾夫指數法定量檢測微弱光電信號幅值方法?；谧顑灮煦缒Ｐ?，解決了傳統混沌方法檢測時出現的可檢測信噪比高、檢測閾值誤差大等問題[9]。文獻[10]基于相關檢測理論，設計微弱光纖陀螺信號檢測系統，實現對開環背景噪聲中微弱光纖陀螺信號的精確檢測[10]。文獻[11]基于數字正交相關檢測方法，設計用于微弱激光信號檢測的光電檢測裝置，在數字相關檢測基本原理的基礎上完成對光電檢測系統的整體設計開發。仿真和實驗結果驗證了該方法的有效性[11]。

3 結束語

綜上所述，國內外科研領域對微弱光信號檢測技術的關注度較高，為開發高精度、低成本的微弱光信號檢測裝置，進行了探索并取得了顯著成效。另一方面眾多學者也將傳統集成元件檢測方法改進以適應不同檢測場合，促進了微弱光信號檢測技術的發展。微弱光信號檢測技術在各個領域都占據著比較重要的地位，未來微弱光信號檢測技術在相關領域的應用會越來越廣泛，同時也將向智能化、數字化方向發展。

參考文獻

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作者簡介：金夢軒（1996-），男，湖北天門人，嘉興學院在校本科生。