[實用新型]一種基于可變OSK射頻調制的增益程控聲光光譜探測系統

有效

• 申請號: 201520736441.8
• 申請日: 2015-09-22
• 公開（公告）號: CN205037969U
• 公開（公告）日: 2016-02-17
• 發明（設計）人: 李飛飛;何志平;李春來;徐睿;陳凱;陳爽;王建宇
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01J3/02
• 分類號: G01J3/02;G01J3/433
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域：

本專利涉及一種聲光光譜探測系統，針對戶外或空間物質光譜被動探測的具體需求，以寬帶聲光可調諧濾光器(Acousto-optictunablefilter,AOTF)為分光元件，基于可變OSK(輸出移位鍵控，OutputShiftKeying)射頻驅動調制和增益程控的寬譜段、大動態范圍、高信噪比聲光光譜探測系統，適用于各種紅外光譜儀器的探測系統設計，尤其是在光源輻照變化大、光譜探測范圍寬的情況下，能夠有效提升系統的輸出信噪比，增加待探測光譜范圍，實現系統輸入光譜能量的大動態范圍探測。

背景技術：

紅外光譜儀器是利用其分光元件(聲光可調諧濾波器、光柵等)，在一定時間內通過光譜探測獲取待測物質在紅外譜段的連續光譜信息，從而進行物質測量與識別，進而對物質開展定性和定量分析，該技術已廣泛應用于航天、軍事、農業、生物醫學、環境監測、礦物勘探、化學分析等相關領域。

隨著戶外或空間物質寬譜段實時被動光譜探測需求的日益膨脹，光譜儀器需要直接以太陽為光源，利用待測物質漫反射或透射的部分太陽輻射作為光譜探測系統的入射光信號，經系統分光元件分光后才能進行單光譜探測。

然而，寬譜段光譜被動探測時，自然光源的輻射譜以及物質的反射譜在較寬的光譜區間內強度變化較大，而且不同探測器在不同光譜區間的探測效率也存在差異，種種原因將導致單一增益的光譜探測系統難以同時滿足寬譜段光譜探測的需求。因此，寬譜段光譜探測有必要采用增益可程控的光譜探測系統，針對不同強度區間的待測光譜信號，根據需要選擇合適的系統增益，以適應光譜探測寬譜段范圍內光譜信號的強弱變化，同時也可以適應因自然光源輻射強度變化而引起的待測光譜信號能量整體增強或減弱，便于有效地增加光譜探測系統輸入光譜的能量動態范圍。

此外，由于物質在紅外譜段的吸收系數小，光譜重疊現象嚴重、背景噪聲大，使得紅外光譜探測成為強背景噪聲下的弱信號檢測，而且隨著探測系統光譜分辨率的不斷提高，必然導致分光所得到的待測單光譜信號能量進一步減弱，使得系統輸入端光譜信號的信噪比進一步降低，因此，在提高系統光譜分辨率的同時，必須根據系統自身資源，采用合適的微弱信號檢測方法，盡可能地增強探測系統的信噪比改善能力，以提高系統輸出信號的信噪比。

AOTF是根據各向異性雙折射晶體的聲光互作用衍射原理制成的一種新型電調諧分光器件，通過改變施加在晶體換能器上的射頻驅動信號頻率選擇不同的分光波長，進而實現波長掃描。AOTF作為一種小型電調諧窄帶濾光器，具有全固態、通光孔徑大、衍射效率高、波長調諧速度快、范圍寬等優點，在光譜儀器的光電化、高速化和小型化等方面具有無法取代的優勢。

目前，光譜儀器多采用主動探測的方式，系統自帶光源的輻射強度穩定、可控，系統增益固定，可探測的光譜范圍較窄，多應用于專用測量，而且模擬光譜信號處理電路比較簡單，通常采用同步累積、積分取樣等方法即可獲得一定的信噪比。專利CN102928081和專利CN102967370中所提及的光譜儀則利用鎖相放大技術提高系統的輸出信噪比，且其所采用的電調制方式能夠有效地避免傳統待測光譜信號調制方式：如機械調制(即將光學斬波器置于光源和分光元件之間)和光源調制(即利用脈沖信號控制光源開關)可能帶來的抖動和調制頻率限制等問題；但兩專利均采用自主光源，不適用于被動探測，尤其是大動態范圍的寬譜段光譜探測；另外，兩專利中對射頻信號的調制均是通過附加調控脈沖發生器或數字頻率合成器等電子器件來完成，其待測信號與參考信號的同步精度較低，并且增加系統成本，影響系統的工作效率。專利CN104748851中提出通過變增益的方法提高光譜儀的工作效率，設計采用模擬通道選擇器選擇不同的反饋電阻來改變增益，雖然可以在一定程度上擴展系統增益，但可選增益非常有限，而且增加系統負擔。

發明內容：

基于上述背景及所存在的問題，本專利設計了一種聲光光譜探測系統，其基于可變OSK射頻調制和增益程控，實現寬譜段、大動態范圍、高信噪比的光譜探測。