基于互相关技术的光学系统透过率检测

　　光学系统透过率是指光学仪器的出射光通量与入射光通量之比,标志着光学仪器传输某一波段光辐射能的强弱,是光学系统中除了光学特性和成像质量以外的另一个重要性能指标。目前光学系统透过率的检测方法为单通道检测法[1]。即将被试品放在测试光路中得到的实测值和撤掉后的空测值之比,作为被试品的光学透过率。由于被测信号为直流信号,无法避免1/f噪声以及背景噪声的干扰,而且为减少背景光的影响,必须在暗室中进行测试,要求检测条件很苛刻,同时由于无法保证实测和空测时光源强度的一致性(电压变化0·1%,光源强度变化0·36%),检测误差较大,一般精度为±3%.影响单通道检测法检测精度的关键在于各种噪声对测试结果影响很大,且不能同时检测实测和空测时的光源强度。在影响精度的各种噪声中,1/f噪声可以通过将直流信号调制为交流信号而得到有效抑制,但背景噪声属于白噪声,即使将信号调制为交流信号也无法将其削弱。在检测中,光信号是通过光电池将其转换为电流信号,信号一般为nA级甚至pA级。这样微弱的信号即使在暗室中检测,某些杂散光的干扰也会对测试结果影响很大。

　　在微弱信号检测中,相关检测技术可以将淹没在噪声中的有用信号有效地提取出来而得到广泛的应用。如果将相关检测技术应用在透过率的检测上,不仅可以抑制各种噪声对测试结果的影响,提高测试精度,而且由于背景光的干扰也被有效抑制,使得测试可以在亮场下进行,简化测试过程。

　　1　系统设计

　　1·1　相关检测技术

　　相关检测技术是应用信号波形的相关性和噪声的随机性,通过自相关或互相关运算达到去除噪声的一种技术。互相关运算由于其输出信噪比高,在微弱信号检测中得到较多的应用。互相关函数可用(1)式计算,τ为两信号间的时延。

　　互相关函数是度量两个随机过程的相关性。如果两个随机过程的发生互相独立,则互相关函数为一个函数,等于两个随机函数的平均值的积。如果其中有一个平均值为零,则互相关函数处处为零。在信号检测中,若被测信号的频率已知,只要提供和被测信号频率相同的“干净的”参考信号与混有噪声的被测信号进行相关,其结果只有被测信号与参考信号的相关输出,去除了噪声分量,从而实现将淹没在噪声中的被测信号提取出来的目的。

　　锁定放大器是实现相关检测的仪器,如图1所示,它主要由三部分组成:信号通道,参考通道和相关器。信号通道用于将被测信号放大,并兼有抑制和滤除部分干扰及噪声的目的。

　　参考通道用于将参考信号整形、分频和移相。相关器由相敏检波器和积分器组成。相敏检波器用于实现相关运算中的乘法器的功能,并有对两个信号的相位进行检波的功能。积分器用于实现相关运算中的积分功能,并具有低通滤波的作用[2-3]。通常锁定放大器有两个相敏检波器,同相检波器(PSD-1)和正交检波器(PSD-2).设信号幅值为Vma,则锁定放大器的同相输出和正交输出为