專利名稱：提高聲光可調(diào)諧濾波器分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比的方法，特別涉及一種提高聲光可調(diào)諧濾波器(聲光可調(diào)諧濾波器)分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比的方法。
背景技術(shù)：
非共線型聲光可調(diào)諧濾波器分光原理如圖1所示，射頻驅(qū)動電信號通過電聲換能器401后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)頻率的超聲波信號，通過單軸雙折射晶體后形成衍射光柵402，在另一端被吸收器403吸收。白光入射晶體后，符合聲光互作用條件的波長成分發(fā)生布拉格衍射，而其余波長成分不變。由于晶體的雙折射作用，衍射光分為兩束，即+1級和-1級衍射光，非衍射光定義為0級，各級出射光的相對位置如圖1所示。發(fā)生衍射后輸出的光波長由超聲波頻率確定，超聲波頻率與光波數(shù)間為線性關(guān)系。其允許入射的光孔徑角一般為5～7°，對應(yīng)的出射分離角(衍射光與非衍射光之間的夾角)一般為6～8°。在應(yīng)用分光光譜方法進行成分檢測時，信噪比越高，檢測精度越高。
對于入射光，入射孔徑角越大，可利用光能量越多，信噪比越高，對于出射光，衍射光與非衍射光(雜散光)分離越徹底，信噪比越高。入射光孔徑角大，出射光孔徑角相應(yīng)變大，衍射光與非衍射光重疊部分越多，信噪比越低。傳統(tǒng)方法一般以犧牲光能利用率，即壓縮入射光孔徑角(計算結(jié)果＜3°)來實現(xiàn)出射光的徹底分離，提高信噪比，但效果并不理想。如圖2所示，即使按照＜3°的入射孔徑角度進行光路結(jié)構(gòu)設(shè)計，由于晶體本身對不同波長光的折射率變化，不可避免地會發(fā)生+1級和-1級衍射光與0級光的部分混合，圖中陰影部分表示的是重疊部分，若不能很好地分離這兩束光，將極大影響光能利用率和系統(tǒng)信噪比。前述方法已經(jīng)表明，單純依靠光學(xué)設(shè)計，想利用空間位置法使兩束光(衍射光和非衍射光)得到分離是十分困難的。必須利用這兩束光本身的特性差別或通過其他手段使這兩束光產(chǎn)生特性差別，從而去處非衍射光的影響。

發(fā)明內(nèi)容
為了更好的分離衍射光和非衍射光，更好的利用光能量，提高分光系統(tǒng)信噪比，我們提出用光電相結(jié)合的調(diào)制方法來去除0級光影響，提高聲光可調(diào)諧濾波器分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比的方法。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的計算機通過D/A卡和射頻發(fā)生卡分別產(chǎn)生調(diào)制信號和射頻驅(qū)動信號，兩信號在射頻驅(qū)動器內(nèi)經(jīng)混合放大作用于聲光可調(diào)諧濾波器晶體，產(chǎn)生光強被調(diào)制的+1級(或-1級)衍射光，而0級光的光強仍保持穩(wěn)定；光電檢測器將1級光和混合在其中的0級光平等接收并轉(zhuǎn)化為電信號輸出，信號處理電路通過隔直、窄帶濾波和放大等處理后，提取出被調(diào)制的單一波長1級光相對應(yīng)的電信號，經(jīng)FFT處理后還原為光強成正比的電壓信號后，進行光譜掃描檢測。
所述的光電檢測器使用測量光與參考光雙光路補償設(shè)計；雙光路是為了消除光源的本身波動引起的誤差。AOTF射頻驅(qū)動信號進行低頻調(diào)制，使AOTF輸出的衍射光強進行調(diào)制，然后使用電學(xué)方法進行解調(diào)，從而提高聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比。
光源發(fā)出的光經(jīng)準直透鏡會聚后到AOTF，AOTF分光器在驅(qū)動信號作用下，形成衍射光柵，對射入的光進行單波長選取實現(xiàn)分光，再經(jīng)過聚光透鏡將單波長光會聚后引入接收系統(tǒng)中；通過計算機內(nèi)裝的射頻合成卡和AOTF驅(qū)動器，產(chǎn)生超聲波頻率范圍的射頻驅(qū)動信號和調(diào)制信號，通過改變超聲波頻率來實現(xiàn)波長選取，達到分光效果，附加的調(diào)制信號可與射頻信號混合后形成幅值周期變化的超聲波信號，給AOTF提供幅值周期變化的驅(qū)動信號，使得+1和-1級衍射光的光強變成周期變化的交流信號，而0級光的光強保持不變，仍為直流信號；對光電接收器轉(zhuǎn)換后的電信號進行濾波，只將與調(diào)制信號對應(yīng)頻率的周期變化電信號提取出，而濾去由0級光轉(zhuǎn)換來的直流電信號，從而獲得很高信噪比的分光信號；雜散光被擋光板遮擋去大部分，其余部分被后續(xù)電路濾除；測量光和參考光經(jīng)過電檢測器，經(jīng)過信號處理電路處理后再經(jīng)內(nèi)裝A/D和D/A卡的計算機系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集。
本發(fā)明的信號處理電路主要包括普通隔直電路，以O(shè)PA111A為核心元件的放大電路，1kHz的窄帶通濾波電路。
對于聲光可調(diào)諧濾波器，我們可以通過周期性改變驅(qū)動信號的功率來達到調(diào)制衍射光光強的效果。利用這一特性，通過將射頻驅(qū)動信號進行幅度調(diào)制，使其衍射光強發(fā)生周期性改變，實現(xiàn)衍射光光強調(diào)制，然后使用電學(xué)方法進行解調(diào)。
計算機通過D/A卡和射頻發(fā)生卡分別產(chǎn)生調(diào)制信號和射頻驅(qū)動信號，兩信號在射頻驅(qū)動器內(nèi)經(jīng)混合放大作用于聲光可調(diào)諧濾波器晶體，產(chǎn)生光強被調(diào)制的+1級(或-1級)衍射光，而0級光的光強仍保持穩(wěn)定。光強的調(diào)制周期由如圖4所示的調(diào)制波頻率(1KHz)決定。使用測量光與參考光雙光路是為了消除光源的本身波動引起的誤差，即雙光路補償設(shè)計。光電檢測器將1級光和混合在其中的0級光平等接收并轉(zhuǎn)化為電信號輸出，信號處理電路通過隔直、窄帶濾波和放大等處理后，提取出單一波長固定周期與1級光相對應(yīng)的電信號，經(jīng)FFT處理后還原為光強成正比的電壓信號后，進行光譜掃描檢測。
由射頻合成卡輸出的載波信號決定了衍射光的中心波長，而調(diào)制信號決定了光強的變化周期。經(jīng)射頻驅(qū)動器調(diào)制后的輸出波形如圖4所示，這是示波器顯示的實際狀態(tài)，其中，包絡(luò)線對應(yīng)于調(diào)制波的頻率，其幅值與調(diào)制深度即調(diào)制波的峰峰值成比例。被調(diào)制的衍射光由光電檢測器轉(zhuǎn)換為交流電信號，經(jīng)隔直和窄帶濾波濾除0級光和雜散光的影響，在電路上進行解調(diào)。
根據(jù)本發(fā)明的方法，設(shè)計一種提高聲光可調(diào)諧濾波器分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比的裝置，該裝置由光源、準直透鏡、聲光可調(diào)諧濾波器、會聚透鏡、聲光可調(diào)諧濾波器射頻驅(qū)動器、擋光板、光電探測器、信號處理電路、計算機組成光源設(shè)置在準直透鏡前面，準直透鏡后面設(shè)置有聲光可調(diào)諧濾波器，聲光可調(diào)諧濾波器后面設(shè)置有會聚透鏡，在會聚透鏡后面設(shè)置有擋光板和光電探測器，光電探測器后面連接有信號處理電路和計算機組，計算機內(nèi)設(shè)置有A/D采集卡、D/A輸出卡、射頻合成卡，計算機后面設(shè)置有射頻驅(qū)動器，射頻驅(qū)動器與聲光可調(diào)諧濾波器連接；上述的前后方向是按照光路的走向確定的。
計算機內(nèi)部插有A/D采集卡、D/A輸出卡、射頻合成卡，A/D采集卡對信號處理電路的輸出信號進行采集，D/A輸出卡和射頻發(fā)生卡分別產(chǎn)生調(diào)制信號和射頻驅(qū)動信號，并輸入到射頻驅(qū)動器；聲光可調(diào)諧濾波器在射頻驅(qū)動器輸出的驅(qū)動信號作用下，形成衍射光柵，進行單波長選取實現(xiàn)分光，射頻驅(qū)動器接收計算機內(nèi)射頻合成卡輸出的超聲波頻率范圍的射頻驅(qū)動信號，該超聲波頻率的大小對應(yīng)著選取波長的大小，射頻驅(qū)動器同時也接收計算機內(nèi)D/A輸出卡輸出的調(diào)制信號，該調(diào)制信號可與超聲波射頻信號混合后形成幅值周期變化的超聲波信號，給聲光可調(diào)諧濾波器提供幅值周期變化的驅(qū)動信號，使得+1和-1級衍射光的光強變成周期變化的交流信號，而0級光的光強保持不變，仍為直流信號；經(jīng)準直透鏡對光源所發(fā)出的光進行會聚，經(jīng)過聲光可調(diào)諧濾波器分光器分光后，再經(jīng)過會聚透鏡，之后大部分0級光被擋光板所屏蔽，+1或-1級衍射光分成兩路，分別為測量光和參考光，測量光經(jīng)過被測物散射后被光電探測器接收，參考光直接被另一個光電探測器接收，兩個光電探測器輸出的信號各自經(jīng)過自己的信號處理電路處理，然后被計算機內(nèi)部A/D采集卡采集；信號處理電路是對光電探測器轉(zhuǎn)換后的電信號進行濾波，只將與調(diào)制信號對應(yīng)頻率的周期變化電信號提取出，而濾去由0級光轉(zhuǎn)換來的直流電信號，從而獲得很高信噪比的分光信號；雜散光被擋光板遮擋去大部分，其余部分被后續(xù)電路濾除。
電檢測器可以采用的是InGaSn近紅外探測器。
本發(fā)明的AOTF分光裝置可以用于AOTF無創(chuàng)傷血糖測量裝置。
AOTF分光裝置中所用的波長為800～2400nm。
實驗結(jié)果表明，基于聲光可調(diào)諧濾波器基本光路的應(yīng)用設(shè)計，采用上述方法均能有效提高系統(tǒng)的信噪比，提高分光光譜的測量精度，這種方法在實際應(yīng)用中可根據(jù)具體應(yīng)用條件加以選擇。我們在自研制的無創(chuàng)傷人體血糖濃度檢測裝置中實際應(yīng)用了這種方法，該裝置的分光波長范圍為800～2400nm，這兩種方法被證明有效地提高了整個測量系統(tǒng)的信噪比，尤其在這種微弱光信號檢測中更有實際應(yīng)用價值。


圖1聲光可調(diào)諧濾波器分光原理示意圖；圖2小于3°入射角設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)衍射光與非衍射光空間位置關(guān)系示意圖；圖3調(diào)制方法實驗裝置示意圖；圖4光強調(diào)制后射頻驅(qū)動器的輸出信號波形；圖5無調(diào)制情況下射頻驅(qū)動器的幅度特性曲線。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明光電結(jié)合調(diào)制系統(tǒng)如圖3所示，由光源13提供系統(tǒng)由可見至近紅外波段的穩(wěn)態(tài)白光光源，該光源為由12V恒流恒壓直流電源驅(qū)動的鹵鎢燈，經(jīng)準直透鏡2對光源所發(fā)出的光進行會聚，即將鹵鎢燈燈絲成像在聲光可調(diào)諧濾波器4中心，以盡可能地利用光能；聲光可調(diào)諧濾波器4在驅(qū)動信號作用下，形成衍射光柵，對射入的光進行單波長選取實現(xiàn)分光。再經(jīng)過會聚透鏡6，將單波長光會聚后分別引入測量光和參考光的光纖接收系統(tǒng)中，用于分光光譜檢測應(yīng)用。本系統(tǒng)采用的聲光可調(diào)諧濾波器驅(qū)動器8主要包括信號發(fā)生和功率放大兩部分，產(chǎn)生超聲波頻率范圍的射頻驅(qū)動信號，通過改變超聲波頻率來實現(xiàn)波長選取，達到分光效果，在調(diào)制應(yīng)用下，附加的調(diào)制信號與射頻信號混合后形成幅值周期變化的驅(qū)動信號，如圖4所示，與晶體作用后產(chǎn)生的衍射光強也發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。通過聲光可調(diào)諧濾波器驅(qū)動器8的雜散光經(jīng)過擋光板9，擋光板在這里的作用是擋掉與衍射光完全分離的大部分0級光，其目的主要不是為了提高信噪比，而是擋掉雜散光以免檢測器飽和。測量光和參考光經(jīng)過光電檢測器10，將光強信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號輸出以便于采集處理，本系統(tǒng)采用的是InGaSn近紅外探測器。信號處理電路11主要包括普通隔直電路，以O(shè)PA111A為核心元件的放大電路，1KHz的窄帶通濾波電路等，以完成對被測信號的放大，濾波等解調(diào)功能。經(jīng)過信號處理電路11的處理后經(jīng)內(nèi)裝A/D采集卡和D/A輸出卡的計算機系統(tǒng)12完成數(shù)據(jù)采集，產(chǎn)生高頻信號和調(diào)制信號，以及相應(yīng)的驅(qū)動和數(shù)據(jù)采集功能。
研究中測試了在無調(diào)制的情況下，射頻驅(qū)動器的幅度特性曲線如圖5所示?？梢?，在0～50％范圍內(nèi)基本呈線性變化，而在50～100％范圍內(nèi)變化很小。該曲線即為聲光可調(diào)諧濾波器幅度調(diào)制的靜態(tài)曲線，它有助于選擇幅度調(diào)制的靜態(tài)工作點。
實驗證明(1)這種光電結(jié)合的調(diào)制方法不僅可以有效消除0級光和雜散光的影響，經(jīng)聲光可調(diào)諧濾波器作用后的衍射光將直接被用于測量，有效地提高了系統(tǒng)信噪比。
(2)交流帶通濾波電路具有更大的可靠性，同時可以大大壓縮噪音頻帶，降低系統(tǒng)噪聲，使系統(tǒng)抗干擾能力更強。
(3)可以縮短光路，簡化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，降低綜合成本。
(4)系統(tǒng)信噪比主要取決于檢測器和電路噪聲而與0級光和其它雜散光的影響無關(guān)，但該方法影響光電接收的動態(tài)范圍，提高了對接收器件的要求。
權(quán)利要求
1.一種提高聲光可調(diào)諧濾波器分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比的方法，其特征是計算機通過D/A卡和射頻發(fā)生卡分別產(chǎn)生調(diào)制信號和射頻驅(qū)動信號，兩信號在射頻驅(qū)動器內(nèi)經(jīng)混合放大作用于聲光可調(diào)諧濾波器晶體，產(chǎn)生光強被調(diào)制的+1級(或-1級)衍射光，而0級光的光強仍保持穩(wěn)定；光電檢測器將1級光和混合在其中的0級光平等接收并轉(zhuǎn)化為電信號輸出，信號處理電路通過隔直、窄帶濾波和放大等處理后，提取出被調(diào)制的單一波長1級光相對應(yīng)的電信號，經(jīng)FFT處理后還原為光強成正比的電壓信號后，進行光譜掃描檢測。
2.如權(quán)利要求1所述的一種提高聲光可調(diào)諧濾波器分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比的方法，其特征是所述的光電檢測器使用測量光與參考光雙光路補償設(shè)計；雙光路是為了消除光源的本身波動引起的誤差。
3.如權(quán)利要求1所述的一種提高聲光可調(diào)諧濾波器分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比的方法，其特征是所述的AOTF射頻驅(qū)動信號進行低頻調(diào)制，使AOTF輸出的衍射光強進行調(diào)制，然后使用電學(xué)方法進行解調(diào)，從而提高聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比。
4.如權(quán)利要求1所述的一種提高聲光可調(diào)諧濾波器分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比的方法，其特征是光源發(fā)出的光經(jīng)準直透鏡會聚后到AOTF，AOTF分光器在驅(qū)動信號作用下，形成衍射光柵，對射入的光進行單波長選取實現(xiàn)分光，再經(jīng)過聚光透鏡將單波長光會聚后引入接收系統(tǒng)中；通過計算機內(nèi)裝的射頻合成卡和AOTF驅(qū)動器，產(chǎn)生超聲波頻率范圍的射頻驅(qū)動信號和調(diào)制信號，通過改變超聲波頻率來實現(xiàn)波長選取，達到分光效果，附加的調(diào)制信號可與射頻信號混合后形成幅值周期變化的超聲波信號，給AOTF提供幅值周期變化的驅(qū)動信號，使得+1和-1級衍射光的光強變成周期變化的交流信號，而0級光的光強保持不變，仍為直流信號；對光電接收器轉(zhuǎn)換后的電信號進行濾波，只將與調(diào)制信號對應(yīng)頻率的周期變化電信號提取出，而濾去由0級光轉(zhuǎn)換來的直流電信號，從而獲得很高信噪比的分光信號；雜散光被擋光板遮擋去大部分，其余部分被后續(xù)電路濾除；測量光和參考光經(jīng)過電檢測器，經(jīng)過信號處理電路處理后再經(jīng)內(nèi)裝A/D和D/A卡的計算機系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集。
5.如權(quán)利要求4所述的一種提高AOTF分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比的方法，其特征為所述的信號處理電路主要包括普通隔直電路，以O(shè)PA111A為核心元件的放大電路，1kHz的窄帶通濾波電路。
6.一種提高聲光可調(diào)諧濾波器分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比的裝置，該裝置由光源、準直透鏡、聲光可調(diào)諧濾波器、會聚透鏡、聲光可調(diào)諧濾波器射頻驅(qū)動器、擋光板、光電探測器、信號處理電路、計算機組成；其特征是光源設(shè)置在準直透鏡前面，準直透鏡后面設(shè)置有聲光可調(diào)諧濾波器，聲光可調(diào)諧濾波器后面設(shè)置有會聚透鏡，在會聚透鏡后面設(shè)置有擋光板和光電探測器，光電探測器后面連接有信號處理電路和計算機組，計算機內(nèi)設(shè)置有A/D采集卡、D/A輸出卡、射頻合成卡，計算機后面設(shè)置有射頻驅(qū)動器，射頻驅(qū)動器與聲光可調(diào)諧濾波器連接；上述的前后方向是按照光路的走向確定的。
7.如權(quán)利要求6所述的一種提高聲光可調(diào)諧濾波器分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比的裝置，其特征是計算機內(nèi)部插有A/D采集卡、D/A輸出卡、射頻合成卡，A/D采集卡對信號處理電路的輸出信號進行采集，D/A輸出卡和射頻發(fā)生卡分別產(chǎn)生調(diào)制信號和射頻驅(qū)動信號，并輸入到射頻驅(qū)動器；聲光可調(diào)諧濾波器在射頻驅(qū)動器輸出的驅(qū)動信號作用下，形成衍射光柵，進行單波長選取實現(xiàn)分光，射頻驅(qū)動器接收計算機內(nèi)射頻合成卡輸出的超聲波頻率范圍的射頻驅(qū)動信號，該超聲波頻率的大小對應(yīng)著選取波長的大小，射頻驅(qū)動器同時也接收計算機內(nèi)D/A輸出卡輸出的調(diào)制信號，該調(diào)制信號可與超聲波射頻信號混合后形成幅值周期變化的超聲波信號，給聲光可調(diào)諧濾波器提供幅值周期變化的驅(qū)動信號，使得+1和-1級衍射光的光強變成周期變化的交流信號，而0級光的光強保持不變，仍為直流信號；經(jīng)準直透鏡對光源所發(fā)出的光進行會聚，經(jīng)過聲光可調(diào)諧濾波器分光器分光后，再經(jīng)過會聚透鏡，之后大部分0級光被擋光板所屏蔽，+1或-1級衍射光分成兩路，分別為測量光和參考光，測量光經(jīng)過被測物散射后被光電探測器接收，參考光直接被另一個光電探測器接收，兩個光電探測器輸出的信號各自經(jīng)過自己的信號處理電路處理，然后被計算機內(nèi)部A/D采集卡采集；信號處理電路是對光電探測器轉(zhuǎn)換后的電信號進行濾波，只將與調(diào)制信號對應(yīng)頻率的周期變化電信號提取出，而濾去由0級光轉(zhuǎn)換來的直流電信號，從而獲得很高信噪比的分光信號；雜散光被擋光板遮擋去大部分，其余部分被后續(xù)電路濾除。
8.如權(quán)利要求6所述的一種提高聲光可調(diào)諧濾波器分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比的裝置，其特征為所述的電檢測器采用的是InGaSn近紅外探測器。
9.如權(quán)利要求6所述的一種提高聲光可調(diào)諧濾波器分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比的裝置，其特征為所述的AOTF分光裝置是AOTF無創(chuàng)傷血糖測量裝置。
10.如權(quán)利要求6所述提高AOTF分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比的裝置，其特征為所述的AOTF分光裝置中所用的波長為800～2400nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高聲光可調(diào)諧濾波器分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比的方法及裝置，提出用光電相結(jié)合的調(diào)制方法來去除0級光影響，提高AOTF分光光學(xué)系統(tǒng)信噪比。光電相結(jié)合的調(diào)制方法不用偏振片，將驅(qū)動信號附加調(diào)制信號，使衍射光的光強發(fā)生與調(diào)制信號周期相同的周期性變化，非衍射光光強不變，經(jīng)檢測器后轉(zhuǎn)換為交流和直流電信號，經(jīng)后續(xù)電路濾波，得到與衍射光相對應(yīng)的交流信號，濾除非衍射光對應(yīng)的直流信號?；诼暪饪烧{(diào)諧濾波器基本光路的應(yīng)用設(shè)計，采用上述方法均能有效提高系統(tǒng)的信噪比，提高分光光譜的測量精度，這種方法在實際應(yīng)用中可根據(jù)具體應(yīng)用條件加以選擇。我們在自研制的無創(chuàng)傷人體血糖濃度檢測裝置中實際應(yīng)用了這種方法。
文檔編號G01N27/00GK1595235SQ200410034000
公開日2005年3月16日 申請日期2002年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月22日
發(fā)明者徐可欣, 倪勇 申請人:天津市先石光學(xué)技術(shù)有限公司