[实用新型]一种基于可变OSK射频调制的增益程控声光光谱探测系统

说明书

技术领域：

本专利涉及一种声光光谱探测系统，针对户外或空间物质光谱被动探测的具体需求，以宽带声光可调谐滤光器(Acousto-optictunablefilter,AOTF)为分光元件，基于可变OSK(输出移位键控，OutputShiftKeying)射频驱动调制和增益程控的宽谱段、大动态范围、高信噪比声光光谱探测系统，适用于各种红外光谱仪器的探测系统设计，尤其是在光源辐照变化大、光谱探测范围宽的情况下，能够有效提升系统的输出信噪比，增加待探测光谱范围，实现系统输入光谱能量的大动态范围探测。

背景技术：

红外光谱仪器是利用其分光元件(声光可调谐滤波器、光栅等)，在一定时间内通过光谱探测获取待测物质在红外谱段的连续光谱信息，从而进行物质测量与识别，进而对物质开展定性和定量分析，该技术已广泛应用于航天、军事、农业、生物医学、环境监测、矿物勘探、化学分析等相关领域。

随着户外或空间物质宽谱段实时被动光谱探测需求的日益膨胀，光谱仪器需要直接以太阳为光源，利用待测物质漫反射或透射的部分太阳辐射作为光谱探测系统的入射光信号，经系统分光元件分光后才能进行单光谱探测。

然而，宽谱段光谱被动探测时，自然光源的辐射谱以及物质的反射谱在较宽的光谱区间内强度变化较大，而且不同探测器在不同光谱区间的探测效率也存在差异，种种原因将导致单一增益的光谱探测系统难以同时满足宽谱段光谱探测的需求。因此，宽谱段光谱探测有必要采用增益可程控的光谱探测系统，针对不同强度区间的待测光谱信号，根据需要选择合适的系统增益，以适应光谱探测宽谱段范围内光谱信号的强弱变化，同时也可以适应因自然光源辐射强度变化而引起的待测光谱信号能量整体增强或减弱，便于有效地增加光谱探测系统输入光谱的能量动态范围。

此外，由于物质在红外谱段的吸收系数小，光谱重叠现象严重、背景噪声大，使得红外光谱探测成为强背景噪声下的弱信号检测，而且随着探测系统光谱分辨率的不断提高，必然导致分光所得到的待测单光谱信号能量进一步减弱，使得系统输入端光谱信号的信噪比进一步降低，因此，在提高系统光谱分辨率的同时，必须根据系统自身资源，采用合适的微弱信号检测方法，尽可能地增强探测系统的信噪比改善能力，以提高系统输出信号的信噪比。

AOTF是根据各向异性双折射晶体的声光互作用衍射原理制成的一种新型电调谐分光器件，通过改变施加在晶体换能器上的射频驱动信号频率选择不同的分光波长，进而实现波长扫描。AOTF作为一种小型电调谐窄带滤光器，具有全固态、通光孔径大、衍射效率高、波长调谐速度快、范围宽等优点，在光谱仪器的光电化、高速化和小型化等方面具有无法取代的优势。

目前，光谱仪器多采用主动探测的方式，系统自带光源的辐射强度稳定、可控，系统增益固定，可探测的光谱范围较窄，多应用于专用测量，而且模拟光谱信号处理电路比较简单，通常采用同步累积、积分取样等方法即可获得一定的信噪比。专利CN102928081和专利CN102967370中所提及的光谱仪则利用锁相放大技术提高系统的输出信噪比，且其所采用的电调制方式能够有效地避免传统待测光谱信号调制方式：如机械调制(即将光学斩波器置于光源和分光元件之间)和光源调制(即利用脉冲信号控制光源开关)可能带来的抖动和调制频率限制等问题；但两专利均采用自主光源，不适用于被动探测，尤其是大动态范围的宽谱段光谱探测；另外，两专利中对射频信号的调制均是通过附加调控脉冲发生器或数字频率合成器等电子器件来完成，其待测信号与参考信号的同步精度较低，并且增加系统成本，影响系统的工作效率。专利CN104748851中提出通过变增益的方法提高光谱仪的工作效率，设计采用模拟通道选择器选择不同的反馈电阻来改变增益，虽然可以在一定程度上扩展系统增益，但可选增益非常有限，而且增加系统负担。

发明内容：

基于上述背景及所存在的问题，本专利设计了一种声光光谱探测系统，其基于可变OSK射频调制和增益程控，实现宽谱段、大动态范围、高信噪比的光谱探测。