CN108444914A - 一种基于射频光子学的光子外差式信息相干成像感测*** - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于射频光子学的光子外差式信息相干成像感测***，光谱源产生的光源经透反镜分成两束光，其中一束反射光入射至纯净光谱产生器后输出纯净光谱，另一束透射光射向测试样品并反射回波，测试样品反射的回波与纯净光谱产生器输出的纯净光谱相互叠加形成干涉信号，干涉信号经光电探测器形成一个中频信号，中频信号经带通滤波器滤波后在成像处理***成像。本发明基于射频光子学的光子外差相干***，该***具有良好的滤波性能,被测试样品的反射信号即使很微弱，仍能检测出来。
Description
技术领域
本发明涉及光学宽谱信息相干成像感测技术领域，特别是一种基于射频光子学的光子外差式信息相干成像感测***。
背景技术
光子相干感测是一种新的光学高分辨率成像技术，利用物体在宽频谱扩散角度的电磁照射下所接收到的背向以及前向透射数据，通过重建以及反演等算法，获得被扫处的相对位置、形状等参数。我们知道，目前现有医学成像***CT和核磁共振等，它们都有很强的射线或磁场，会对人体造成辐射损害。超声波成像是接触式成像，易造成感染。而光子相干成像使用的光源不同于X射线或伽马射线，它不会对生物体产生电离作用，光照射也不会对人体造成损害，并能实现高分辨率成像。所以，这一技术在医学方面具有很好的应用前景。例如：目前肿瘤确诊的金标准是在手术中将切下的病变组织在冰冻切片机中迅速冷冻后制成切片，由病理科医生迅速做出病理诊断，更准确的诊断有赖于常规石蜡切片，其组织要经固定、石蜡包埋、切片及染色等步骤处理。冰冻和石蜡切片有其局限性，冷冻、切割和染色处理会引起结构特征改变从而造成误诊。术中的冰冻还需要一定的时间来处理组织样本，相应的会增加手术风险和费用。如果采用光学相干层析成像技术，它将与人体疾病组织切片诊断具有几乎完全一样的清晰判断效果。也就是说，该技术能替代人体切片诊断***，这样人体可以消除切片痛苦，还省掉了人体切片变质环节。
这一技术还能解决目前传统医学成像***(如CT扫描、核磁共振扫描、超声波成像)对人体特殊器官不能解决的病理诊断。例如视网膜疾病诊断及治疗、血管壁结构的成像诊断等，因为这种高分辨率的成像技术能更细致地描绘血管壁结构特点。但是，这一技术国内外正处于研究之中，但距离商用需要很长一段路要走。
结合图1所示，一般光学相干成像***基于下列***构成，其工作原理为：核心部件是迈克尔遜干涉仪，宽带光源发出，经过透反鏡后被分成两束光，光束φ1与φ2，φ1被射向被测物体，φ2向参考面镜入射，被探测的物体回波φ5与透反射镜过来φ3的相互叠加形成干涉信号，φ5是样品中散射回来的光束，具有样品信息。其干涉结果由探测器解调出来，经过滤波和放大得到生物组织的成像。
***参考文献：1.“激光与红外”第27卷第4期1997年8月文献；2.“全场光学相干层析三维成像技术研究”，“通信学报”，2017.12期。
从上述***来看，目前一般的光学相干成像采用的是直接检测法，输出的是直流或很低的频率信号，当探测物体深度比较深时，输出的检测信号幅度小，会被电源中的低频杂波淹没，另外，背景光也混进探测器作为信号输出，这样会使信号淹没在更深的噪声中，导致***探测物体的深度大大减小，甚至无法工作。
发明内容
本发明提出了一种基于射频光子学的光子外差式信息相干成像感测***，能解决现有光学相干探测灵敏度低和容易出现虚惊的问题。
实现本发明的技术方案为：一种基于射频光子学的光子外差式信息相干成像感测***，包括光谱源、透反镜、纯净光谱产生器、第一光电探测器、带通滤波器以及成像处理***，其中：
所述光谱源产生的光源经透反镜分成两束光，其中一束反射光入射至纯净光谱产生器后输出纯净光谱，另一束透射光射向测试样品并反射回波，所述测试样品反射的回波与纯净光谱产生器输出的纯净光谱通过透反射镜后，在第一光电探测器上相互叠加形成干涉并输出一个中频信号，所述中频信号经带通滤波器滤波后在成像处理***成像。
优选地，所述纯净光谱产生器包括光方向耦合器、光调制器、光耦合器、第二光电探测器、放大器以及滤波器，透反镜分出的反射光依次经过光方向耦合器、光调制器、光耦合器、第二光电探测器、放大器、滤波器后再次进入光调制器形成振荡回路，原始的反射光与再次进入光调制器的反射光经光调制器调制后依次经光耦合器、光方向耦合器输出。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明具有良好的滤波性能,从被测试的样品来的反射信号即使是很微弱，仍能检测出来。(2)杂波信号抑制能力大大增强,背景光产生的杂波信号同样可以被带通滤波器抑制掉。下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为现有一般光学相干探测成像***构成。
图2为本发明基于射频光子学的光子外差式信息相干感测***原理图。
图3为本发明纯净光谱产生器原理图。
图4为本发明实施例1原理图。
图5为本发明实施例1效果图。
具体实施方式
结合图2所示，一种基于光子射频振荡的光学外差式信息相干感测***，包括光谱源1、透反镜2、纯净光谱产生器、第一光电探测器4、带通滤波器14以及成像处理***15，其中：
所述光谱源1产生的光源经透反镜2分成两束光，其中一束反射光a入射至纯净光谱产生器,之后输出一个与反射光a光信号有频率差的纯净光谱b，另一束透射光c射向被测样品5，并被样品产生回波d，所述回波d将与纯净光谱产生器输出光谱b送给第一光电探测器4，第一光电探测器4将相互叠加的干涉信号将转换中频电信号，这个电信号将带有被测物体的信息，所述中频信号经带通滤波器滤波后由成像处理***成像。
结合图3所示，进一步的实施例中，所述纯净光谱产生器包括光方向耦合器6、光调制器7、光耦合器8、第二光电探测器10、放大器11以及滤波器12，透反镜2分出的反射光依次经过光方向耦合器6、光调制器7、光耦合器8、第二光电探测器10、放大器11、滤波器12后再次进入光调制器7形成振荡回路，原始的反射光与再次进入光调制器7的反射光经光调制器7调制后经过光耦合器8从光方向耦合器6的3端口输入，并在光方向耦合6的1端口输出一个比原来光方向耦合6的1端输入的光信号有频率差的输出光谱。
进一步的实施例中，光调制器7调制后的光信号通过光纤9传输至光耦合器8。
进一步的实施例中，所述光谱源1为可见光谱。
进一步的实施例中，中频信号的频率为50MHz到2GHz。
进一步的实施例中，所述光谱源1光谱宽度为200nm，中心波长为550nm。
本发明的工作过程为：由所述光谱源输出的光经透反镜分成两束光，其中一束反射光入射至纯净光谱产生器，经处理后输出一个与输入至纯净光谱产生器的光信号相比有射频频差的纯净光谱，另一束透射光入射到测试样品，样品反射后的回波与纯净光谱产生器输出的纯净光谱两者通过透反射镜后，在第一光电探测上相互叠加形成干涉并输出一个中频信号，所述中频信号经带通滤波器滤波后传输给成像处理***。
纯净光谱产生器用来产生一个参考光，参考光的频率与信号光有射频频差。工作过程是由透反镜分出的反射光经过光方向耦合器输入到光调制器，通过光纤传输后由光耦合器输入到第二光电探测器，第二光电探测器将光信号转换为射频信号再经过放大、滤波反馈给光调制器并由此形成射频振荡。这时，在上述振荡回路中的光耦合器另一路输出的光信号频率与透反镜过来的光信号相比存在射频频差，该信号由光方向耦合器输出形成了被测物体的相干参考信号。
下面结合实施例进行更详细的描述。
实施例1
一种基于光子射频振荡的光学外差式信息相干感测***，包括光谱源1、透反镜2、测试样品5、第一光电探测器4、带通滤波器14、成像处理***15、光方向耦合器6、光调制器7、光耦合器8、光电探测器10、放大器11、光纤9以及滤波器12。本实施例中，光谱源1采用卤钨灯光源12v/20w，产生的光源光波中心波长为580nm。光谱源1产生的光源经透反镜2分成两束光，其中一束反射光a依次经过光方向耦合器6、光调制器7、光耦合器8、光电探测器10、放大器11、滤波器12，其中，反射光a从光方向耦合器6的第一端口1输入，再从第二端口2输出至光调制器7，光电探测器10将经过光调制器7调制的信号进行解调，解调后经放大器11进行幅度放大，放大后的信号含有杂波信号，由滤波器12滤波后输出的射频信号再次进入光调制器7，从而形成振荡回路，这时，在光耦合器8输出的光信号频率较原本从光方向耦合器6的第一端口1输入的信号的频率高一个射频频率，例如50MHz到2GHz之间。该信号从光方向耦合器6的第三端口3输入，最终从第一端口1输出给透反镜2，形成探测***的参考光。
透反镜2的另一束透射光射向测试样品5并被反射产生回波d，纯净光谱b经透反镜2到达第一光电探测器4，同时与反射回波d相互叠加形成干涉信号，这时利用光电探测器的非线性得到一个样品5信息调制的中频信号，其中频信号经过带通滤波器14滤波后送处理***15进行成像。
结合图5所示，测试样品5信息调制的中频信号为75MHZ，通过滤波后，带外衰减为30分贝以上。从而，滤波后纯净的携带着被测物体的信息能从杂波中检测出来。
Claims (6)
1.一种基于射频光子学的光子外差式信息相干成像感测***，其特征在于，包括光谱源(1)、透反镜(2)、纯净光谱产生器、第一光电探测器(4)、带通滤波器(14)以及成像处理***(15)，其中：
所述光谱源(1)产生的光源经透反镜(2)分成两束光，其中一束反射光入射至纯净光谱产生器后输出纯净光谱，另一束透射光射向测试样品(5)并反射回波，所述测试样品(5)反射的回波与纯净光谱产生器输出的纯净光谱通过透反射镜后，在第一光电探测器(4)上相互叠加形成干涉并输出一个中频信号，所述中频信号经带通滤波器(14)滤波后在成像处理***(15)成像。
2.根据权利要求1所述的基于射频光子学的光子外差式信息相干感测***，其特征在于，所述纯净光谱产生器包括光方向耦合器(6)、光调制器(7)、光耦合器(8)、第二光电探测器(10)、放大器(11)以及滤波器(12)，透反镜(2)分出的反射光依次经过光方向耦合器(6)、光调制器(7)、光耦合器(8)、第二光电探测器(10)、放大器(11)、滤波器(12)后再次进入光调制器(7)形成振荡回路，原始的反射光与再次进入光调制器(7)的反射光经光调制器(7)调制后依次经光耦合器(8)、光方向耦合器(6)输出。
3.根据权利要求2所述的基于射频光子学的光子外差式信息相干感测***，其特征在于，光调制器(7)调制后的光信号通过光纤(9)传输至光耦合器(8)。
4.根据权利要求1所述的基于射频光子学的光子外差式信息相干感测***，其特征在于，所述光谱源(1)为可见光谱。
5.根据权利要求1所述的基于射频光子学的光子外差式信息相干感测***，其特征在于，所述中频信号的频率为50MHz到2GHz。
6.根据权利要求1所述的基于光子微波式光学外差相干层析成像***，其特征在于，所述光谱源(1)光谱宽度为200nm，中心波长为550nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180824 |