近红外光谱仪中的微弱信号检测技术

　　1　引　　言

　　近红外区域按ASTM[1]定义是指波长在780～2526nm范围内电磁波。红外活性分子(吸收红外光的分子)在这一区域有着不同于其它光谱段的光谱信息,可以用各种方法来提取被测物体的信息,如散射、漫反射、特殊反射、折光指数、透射和反射光的偏振等等。适用于近红外区的光学材料较多,因此近红外光谱分析技术具有一些独特的魅力。样品可以不经预处理,直接进行检测。除液体样品外,还可检测粉末、纤维、糊状、乳状等形式的样品。其应用极为广泛,可用于粮食、饲料、肉类、奶制品、水果、蔬菜的成分测定和纺织工业及制药业中。尽管理论上近红外技术应用范围广,近红外发现距今已有近200年的历史,对它的利用却是近几年的事。主要就是因为物体在近红外段吸收系数小,信号幅度小,且热体都辐射红外光[3],干扰大,在近红外段光谱重叠严重。由于是相对测量,即测量样品的吸收变化量,所以单纯提高信号幅度并没有用,要在提高幅度的同时,提高系统的信号对噪声比率(S/N),这就要求系统能在大的噪声中提取光信号。

　　2　原　　理

　　自然界中的光都是时域的光[4],为了避开干扰光的影响,可采用切光器对光源进行调制,使其变为频率域的光。当光信号变为频率域的信号后,产生的电信号也相应的变为交流信号。这样就可避开电路设计上的一大难点——对微弱直流信号进行处理。输出的信号经过低噪声放大后,利用窄带滤波器选出信号。然后再进入相敏检测器,进一步抑制噪声,并经过低通滤波后把信号变为直流信号,从而便于A/D处理。

　　3　信号的斩波波制

　　对直流信号进行放大时,放大器的漂移及探测器的直流偏压和电路中的1/f噪声将是影响测试精度、测试灵敏度的重要因素。发热的物体都会辐射近红外线,因此在本系统中,强烈的背景辐射(太阳光,生物热源、灯光)将不可避免的进入测试系统[5]。这些干扰源辐射的光经光电传感器转换后成为直流背景信号,强度有时甚至比有用信号大几个数量级。斩波调制能把直流信号变为交流信号,可消除直流漂移和直流背景,正好能解决这一问题。合理选用频率还可避开1/f噪声,提高输出信噪比。所以可采用切光器来对光源进行调制。切光器外形如图1所示,通过切光器后的信号通常为梯形波,经滤波后只剩下主频信号,能量损失太多。从信号处理角度考虑,信号通道的带宽越窄,信噪比越高,因此要求输出为正旋波,但要得到精确的正旋波,调制盘孔径的形状很复杂,难以加工。通常取d/b=1.15,即可得到近似正旋波,其中d为像斑直径,b为调制盘扇形宽度。

　　4　传感器选择