微弱光信号检测系统的设计与实现

摘要

微弱光检测在军事、生物化学、医疗等领域有广泛的应用。本课题以微弱光检测应用于生物样品测定为背景，根据生物样品测定中微弱荧光和生物/化学发光的检测需求，研发了微弱光检测系统，满足了微弱荧光、生物/化学发光的检测要求。
　　本文首先阐述了国内外微弱光检测技术的研究进展，介绍了几种常用的光电探测器和微弱光检测方法，对课题中采用的两种微弱光检测方法取样积分法和光子计数法的基本原理进行了分析，对相关检测法做了简要概述；在此基础提出了微弱光检测系统的总体设计方案，详细介绍了硬软件设计，最后，对系统进行调试并建立测试系统和方法进行应用测试。
　　系统总体设计包括：基于光电二极管的微弱光检测器总体设计、基于光电倍增管的单光子计数器总体设计、PC端上位机人机界面，以及上位机与两个检测器之间基于Modbus-RTU通信协议的串口通信。具体有基于光电二极管的微弱光检测器光路设计、基于光电倍增管的单光子计数器光路设计、光电二极管的选择、基于光电二极管的微弱光检测器嵌入式微控制器的选择、光电倍增管的选择、基于光电倍增管的单光子计数器脉冲计数器的选择。
　　系统硬件设计包括：(1)基于光电二极管的微弱光检测器硬件设计，包括光源驱动电路、信号调理电路和信号采集电路的设计；(2)基于光电倍增管的单光子计数器硬件设计，包括光电子脉冲信号调理电路设计与脉冲计数电路设计。
　　系统软件设计包括：(1)应用层通信协议设计；(2)基于光电二极管的微弱光检测器驱动软件设计；(3)基于光电倍增管的单光子计数器驱动软件设计和脉冲计数软件设计；(4)PC端上位机测试软件设计。
　　经过实际微弱光的验证测试，结果表明：微弱光检测系统实现了微弱光检测的目标。其中，基于光电二极管的微弱光检测器的光谱响应范围为400-750nm，检测下限为0.1nW，线性度>98％，动态响应范围<300Hz，基于光电倍增管的单光子计数器光谱响应范围为250-650nm，暗计数率<100s-1，均值为19s-1，最大计数率>107s-1，两种检测器的性能指标达到实际使用的要求。

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第1章 绪 论

1.1课题研究的背景和意义

1.2国内外研究现状和发展趋势

1.3常用光电探测器介绍

1.4本课题研究内容和主要工作

第2章 微弱光信号检测常用方法概述

2.1取样积分法

2.2光子计数法

2.3相关检测法

第3章 微弱光信号检测系统总体设计

3.1系统设计需求分析

3.2系统设计技术路线

3.3系统总体方案设计

3.4系统光路设计

3.5系统主要部件选型

3.6本章小结

第4章 微弱光信号检测系统硬件设计

4.1基于光电二极管的微弱光检测器硬件设计

4.2基于光电倍增管的单光子计数器硬件设计

4.3本章小结

第5章 微弱光信号检测系统软件设计

5.1软件开发语言介绍

5.2软件模块介绍

5.3本章小结

第6章 微弱光信号检测系统调试与应用测试

6.1系统调试

6.2系统应用测试

6.3本章小结

第7章 总结与展望

7.1总结

7.2展望

致谢

参考文献

附录