FTIR光谱仪的微弱信号检测技术研究

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傅里叶变换红外光谱仪由于具有高信噪比、检测精度高、光通量大以及可实现多通道同时测量等诸多优势,目前已广泛应用于军事、医疗以及工农业生产等领域,在物质结构分析及成分鉴定等方面发挥重要作用。其中,信号检测电路是FTIR光谱仪的重要组成模块,该模块将直接影响到光谱仪的最小可测信号、仪器信噪比等重要性能参数。所以,研究具有低噪声高信噪比的信号检测模块是研发FTIR光谱仪关键问题之一。该文阐述了 FTIR光谱仪的组成及工作原理,并分析了干涉仪输出信号的特征,为后续的电路设计以及光谱测定奠定了理论基础。其次分析了FTIR光谱仪的信号处理流程,在此基础上研究了探测器信号接收与转换的重要作用。通过上述理论研究后,以实验室自主研发的FTIR光谱仪为研究对象,分析了该光谱仪中探测器的工作特性以及信号输出,为后续的电路设计提供了初始条件及指标分配。以此为设计的理论依据,提出了一种以窄带滤波法为核心的微弱信号检测电路的设计方案。电路设计从微弱信号检测法结合低噪声电路设计展开,并对所设计的电路建立了等效噪声模型分析电路的噪声性能,采用MATLAB/Tina软件对电路进行了模拟仿真,结果表明该电路在通频带内具有恒定的增益以及群时延,可实现微弱干涉信号无失真放大。对于检测模块性能的测试则是通过示波器分析检测模块的性能,以信号发生器作为信号源,通过示波器观测检测模块噪声以及放大性能,将其与实际计算值相对比。最后将设计的电路应用于傅里叶变换光谱探测系统中,在室温条件下测试,并将测试结果与国外的检测模块所得结果相对比。实验结果表明,基于窄带滤波法设计的检测电路理论上具有60~120dB的可调增益,实测可以有效抑制噪声并检测到10-6A量级的微变交流信号,具有一定的参考意义。
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