基于互相关技术的光学系统透过率检测

第２７卷第６期　２　０　０　６年１１月　兵　工　学　报　Ｖｏ１．２７　Ｎｏ．６　ＮＯＶ．　２００６　ＡＣＴＡ　ＡＲＭＡＭＥＮＴＡＲＩＩ　基于互相关技术的光学系统透过率检测　董起Ｊ，顷　，姜涛　，张森　，庞美鹃　（１．长春理工大学机电工程学院，吉林长春１３００２２；２．长春市产品质量监督检验院，吉林长春１３００２２）　摘要：提出一种基于相关检测原理的双频双光束光学透过率检测方法。该方法不仅提高了检　测精度，而且可实现在亮场条件下进行检测，能取代目前采用的单通道光学系统透过率检测方法。　关键词：仪器仪表技术；光学测试技术；透过率；锁定放大器；可见光　中图分类号：ＴＨ７４　文献标志码：Ａ　文章编号：１０００—１０９３（２００６）０６—１１０３　０３　Ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｃｒｏｓｓ－ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ＤＯＮＧ　Ｑｉ—ｓｈｕｎ　，Ｊ　ＩＡＮＧ　Ｔａｏ　，ＺＨＡＮＧ　Ｓｅｎ　，ＰＡＮＧ　Ｍｅｉ—ｊｕａｎ２　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３００２２　Ｊｉｌｉｎ，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ＆Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｐｒｏｄｕｃｔ　Ｑｕａｌｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１　３００２２，Ｊｉｌｉｎ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｅｍｅｒｇｅｎｔ　ｌｉｇｈｔ　ｆｌｕｘ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｎ　ｃｉｄｅｎｔ　ｌｉｇｈｔ　ｆｌｕｘ，ｓｉｇｎｉｆｉｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ａｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｔｒａｎｓｍｉｔｓ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　ｒａｄｉａｎｔ　ｅｎｅｒｇｙ．　Ｉｔ　ｉｓ　ａ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎｄｅｘ　ｉｎ　ａｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｒｕｌｅ，ａｎ　ｏｐｔｉｃａＩ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｉｔｈ　ｄｏｕｂｌｅ　ｂｅａｍｓ　ａｎｄ　ｄｏｕｂｌｅ　ｆｒｅ—　ｑｕｅｎｃｉｅｓ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｆｕｌｆｉｌｌｓ　ｉｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｒｉｇｈｔ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｒｅｐｌａｃｅｓ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｅｇｕｌａｒｌｙ　ｉｎ　ｕｓｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｉｓｔｒｕｍｅｎｔｎ　ａｎｄ　ｍｅｔｅｒ；ｏｐｔｉｃａｌ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ；ｌｏｃｋ　ｉｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｖｉｓｉｂｌｅ　ｌｉｇｈｔ　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　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／厂　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　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／　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　收稿日期：２００４—１２　２９　维普资讯 http://www.cqvip.com

兵　工　学　报　第２７卷　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，ｒ为两信号间的时延。　１　ｒ｛　Ｒ　（ｒ）＝ｌｉｍ专Ｉ‘１Ｊ主　１　（ｔ）Ｙ（ｔ—ｒ）ｄｔ．　（１）　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ｒ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。　图１　锁定放大器结构框图　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｌｏｃｋ—ｉｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　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Ｊ：实现相关运　算中的积分功能，并具有低通滤波的作用Ｅ　］。　通常锁定放大器有两个相敏检波器，同相检波　器（ＰＳＤ一１）和正交检波器（ＰＳＤ　２）．设信号幅值为　Ｖ　，则锁定放大器的同相输出和正交输出为　Ｖｈ＝ＶｍａＣＯＳ　０，Ｖ　＝Ｖ　。ｓｉｎ　０，　（２）　因为　√（Ｖ　ＣＯＳ　０）　＋（Ｖ　ｓｉｎ　０）　＝Ｖｍ．．　（３）　即被测信号的幅值可以通过正交输出值和同相　输出值得到。这样，如果使用两套锁定放大器同时　对两路信号进行检测，即可得到其比值，而与相位角　无关。　１．２方案设计　本系统用于检测光学系统在可见光波段内的光　学透过率，波长范围３８０～７８０　ｎｍ，精度要求＜１％．　１．２．１硬件设计　通过上面的理论分析可知，只要将直流光信号　分光后调制为不同频率的交流光信号，经过光电池　转换为电信号后与相同频率的参考信号在锁定放大　器中进行互相关运算，再求出其比值就可以得到透　过率值，不仅可以有效的抑制１／厂噪声及背景噪声　的干扰，而且不受光强波动的影响。　如图２所示，平行光管发出的平行光经滤光片　进行光谱校止，得到与人眼光谱响应相近的白光。　通过分光镜将其分为两束光，测量光和参考光。测　量光由斩光盘调制为固定频率为厂　的调制光Ａ；参　考光由斩光盘调制为固定频率为　的调制光Ｂ．　调制光Ａ透过被测品后与调制光Ｂ经聚光镜汇聚　进入积分球。积分球将两束不同频率的调制光经漫　反射，形成与入射光通量成正比的均匀照度，然后通　过积分球上的已经光谱校正的硅光电池将其转换为　含有两种不同频率的电信号。硅光电池输出的电流　信号经微弱电流放大器放大并转换为电压信号后，　分别输出至两个锁定放大器的信号输入端，同时将　斩光盘输出的两路不同频率的方波参考信号分别输　入至两路锁定放大器的参考输入端。两个锁定放大　器分别将其相敏检波器输出的被测信号的同相幅值　和正交幅值经Ａ／Ｄ后通过串口传输至上位计算机。　上位计算机通过汁算得到被测信号的幅值。　设测试光信号的幅值为　，参考光信号的幅　值为　则被测品的光学透过率为　＝Ｖ　／Ｖ　×１００％．　（４）　　。斩光器　ｆ　ｒ彳光管Ｉ　—。＿　至　／　互　＾　＼　。一　ｌ　赢一／分光镜　＼　≯　图２系统原理简图　Ｆｉｇ．２　Ｓｙｓｔｅｍ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　维普资讯 http://www.cqvip.com

第６期　基于互相关技术的光学系统透过率检测　ｌ１Ｏ５　１．２．２软件设计　软件用ＶＣ＋＋编写，流程如图３所示，通过两　个ＭＳＣＯＭＭ控件与两个锁定放大器进行串口通　讯Ｌ４】。串口通讯采用事件触发方式接收锁定放大　器发来的数据。在数据处理方面采用多次累加取平　均值和循环数组取平均值两级数据滤波方法将数据　中残存的随机噪声分量滤除，以提高检测精度。　初始化　’　空测标定　Ｎ，／ＣＯ＊　＼＼事什／　事什Ｍ￣／　ｌｌ　累加数据ｌ　ＴＣＯＭＩ事件　ｌ　Ｉ累加数据　保存数据　——广　显示　——Ｔ一　求比值　图３程序流程图　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒａｍ　２透过率检测实验　实验在亮场中进行。为适合检测可见光波段的　光学透过率，平行光管的光源选用５　ｗ的钨丝灯，　色温２　８５６　Ｋ，其电源为普通直流稳压电源。斩光频　率分别是：测试光路３５．８　Ｈｚ，参考光路７８．１　Ｈｚ．由　于分光镜的分光比不平均和机械结构的误差，两个　光路的光强并不平均，参考光路的光强较弱，所以在　软件上对参考光路的数据进行了补偿。图４为加补　偿后的数据显示。　由图４可知，尽管受到光源波动和随机噪声的　影响，测试和参考两路信号波动范围为仅为０．２　ｍＶ，而且由于其波动趋势基本一致，每组数据的偏　差小于０．１　ｍＶ．这样，由（４）式可知，　的波动很　小。可以实现精度较高的光学透过率的检测。　为验证系统检测精度，对中国计量研究院提供　的４个标准透过率片进行了测试，每个标准透过率　片取１００组数据，结果如表１所示。　由表１可知，本系统准确率偏差小于０．４％．精　密度可达０．２％＿５ｌ，满足系统设计要求。　一　图４空测数据曲线图　Ｆｉｇ．４　Ｄａｔａ　ｇｒａｐｈ　ｏｆ　ａｅｒｉａｌ　ｓｕｒｖｅｙ　表１实验数据　Ｔａｂ．１　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ　３结论　将互相关检测技术用于望远系统的光学透过率　检测不仅可以提高检测精度，而且由于有效地抑制　了背景光的干扰，测试时可在亮场中进行，降低了对　测试环境的要求。　参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）　［ｉ］　范志刚．光电测试技术［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００４：９１　９２．　ＦＡＮ　Ｚｈｉ－ｇａｎｇ．Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｐｒｅｓｓ，２００４：９１—９２（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［２］　曾庆勇．微弱信号检测［Ｍ］．浙江：浙江大学出版社。１９９４：４７　７５．　ＺＥＮＧ　Ｏｉｎｇ—ｙｏｎｇ．Ｗｅａｋ　ｓｉｇｎａｌ　ｔｅｓｔｉｎｇ［Ｍ］，ｚ　ｈｅｊｉａｎｇ：Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，１９９４：４７—７５（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［３］Ｍｅａｄｅ　Ｍ　Ｌ，Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　ｌｏｃｋ—ｉｎ　ａｒｎｐｌｉｆｉｅｒｓ［Ｊ］Ｊ　ｐｈｙｓ　Ｅ　Ｓｃｉ　Ｉｎ－　ｓｔｒｕｍ。１９８２：１５．　［４］谭思亮，邹超群Ｖｉｓｕａｌ　ｃ＋＋串口通信工程开发实例导航　［Ｍ］．北京；人民邮电出版社，２００３：７３　１２５，　ＴＡＮ　Ｓｉ—ｌｉａｎｇ。ＺＯＵ　Ｃｈａｏ－ｑｕｎ．Ｓｅｒｉａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋【Ｍ】．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｐｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｄｅｃｏｍ　Ｐｒｅｓｓ，　２００３：７３　１２５　（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［５］粱晋文，陈林才。何贡．误差理论与数据处理［Ｍ］．北京：中国　计量出版社，２００１：１０—１７，２６—３１．　ＬＩＡＮＧ　Ｊｉｎ—ｗｅｎ，ＣＨＥＮ　Ｌｉｎ—ｃａｉ，ＨＥ　Ｇｏｎｇ．Ｅｒｒｏｒ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｄａｔａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ　Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ　Ｈｏｕｓｅ，　２００１：１０　１７，２６—３１（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）