彈光調(diào)制檢測技術(shù)研究范文
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由前面分析可知，為了實現(xiàn)PEM－FTS的穩(wěn)定工作和準確地光譜重建，需要檢測干涉圖的最大光程差。已知彈光調(diào)制干涉信號為。基于式（6），可得彈光調(diào)制干涉儀產(chǎn)生的窄帶激光干涉圖和復色光干涉圖，如圖1所示。從圖1可以看出，一個調(diào)制周期內(nèi)產(chǎn)生兩幅干涉圖，且干涉圖的零光程差點與驅(qū)動信號有相位延遲，但是由圖1（a）不能確定復色光干涉圖的最大光程差。而圖1（b）是激光干涉信號，其最光程差可通過計算一幅干涉圖內(nèi)疏密變化的正弦波的振蕩次數(shù)來獲取。在光譜探測中，被測信號通常為復色光，為了實現(xiàn)復色光干涉圖的最大光程差檢測，可基于彈光調(diào)制干涉儀、激光光源、高速探測器等，搭建參考系統(tǒng)，使激光源與被測光源有相同的相位延遲，以致于激光干涉圖的最大光程差與被測信號干涉圖的最大光程差相同，如圖2所示，通過測量激光干涉圖的最大光程差以獲取被測信號干涉圖的最大光程差。為了獲取式（8）中，一幅激光干涉圖的過零次數(shù)n，可借助于彈光調(diào)制器的驅(qū)動信號確定過零計數(shù)的起始和終止時刻。因此，在系統(tǒng)設(shè)計中，采用雙路高速比較器ADCMP551將激光干涉圖和驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換為方波信號，基于FPGA編程實現(xiàn)對半個調(diào)制周期內(nèi)，激光信號的過零次數(shù)進行計數(shù)，如圖3所示。
2仿真與實驗
2.1實驗條件搭建的激光光譜測試平臺如圖4所示。在該平臺中，采用課題組研制的多次反射式彈光調(diào)制器，常溫下其諧振頻率為49．8kHz，在1000V高壓驅(qū)動信號下，產(chǎn)生干涉圖的光譜分辨率最高可達14．3cm－1；670．8nm的激光器作為參考光源，高速探測器PDA10A實現(xiàn)激光干涉圖的檢測，探測器檢測的干涉圖和驅(qū)動信號分別經(jīng)高速比較器ADCMP551轉(zhuǎn)換為方波信號，并由FPGA完成計數(shù)功能。
2.2諧振頻率偏移引入的干涉圖最大光程差的變化為了分析彈光調(diào)制器諧振頻率溫度漂移、驅(qū)動信號等對最大光程差的影響。基于搭建的平臺，在驅(qū)動電壓相同的情況下，對彈光調(diào)制器的頻率漂移、光程差進行檢測，其結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，當驅(qū)動信號的頻率與彈光調(diào)制器PEM固有頻率相同時，干涉圖有最大光程差；但隨著PEM的振蕩和熱損耗的增加，引入的頻率偏移增加，降低了PEM的諧振狀態(tài)，最大光程差減小，且在工作3h后，彈光調(diào)制器基本達到了熱平衡，諧振頻率偏移了14Hz，最大光程差衰減了26％，已不能滿足測量要求。因此，為提高PEM的調(diào)制效率和最大光程差，有必要對驅(qū)動信號的頻率和幅值進行調(diào)制，以改善PEM的諧振狀態(tài)。同時，需檢測最大光程差。
2.3最大光程差的檢測基于式（8）實現(xiàn)干涉圖最大光程差的檢測，需完成對半個調(diào)制周期內(nèi)，激光干涉圖過零次數(shù)的計數(shù)。因此，采用雙通道高速比較電路，分別將驅(qū)動信號和激光干涉信號轉(zhuǎn)換為方波信號。基于FPGA編程實現(xiàn)在驅(qū)動方波信號的上升沿開始對激光干涉信號計數(shù)，在其下降沿停止計數(shù)，并且在計數(shù)時，對激光方波信號的上升沿和下降沿都計數(shù)，使得最大光程差檢測誤差≤0．5λref。為了進一步提高測量精度，可采用波長更短的激光為參考光源或多次測量平均計算方式實現(xiàn)。圖5是采用頻率和幅值雙閉環(huán)控制技術(shù)對彈光調(diào)制器進行穩(wěn)定控制［9，10］，以670．8nm的激光為參考光源，采用上述方法檢測最大光程差，實現(xiàn)了對530K的紅外黑體的光譜復原，其峰值波長偏差小于2nm，滿足項目要求。
3結(jié)論
彈光調(diào)制器作為彈光調(diào)制干涉儀的核心部件，其諧振頻率溫度偏移比較嚴重，且其干涉圖的最大光程差是不確定參數(shù)，與驅(qū)動電壓、諧振狀態(tài)、環(huán)境溫度等因素有關(guān)。為了提高彈光調(diào)制器的穩(wěn)定性和復原光譜的準確性，基于熱力學理論，建立了彈光調(diào)制器的頻率溫度模型，分析了最大光程差的變化關(guān)系；并以激光為參考光源、搭建參考光路，通過對參考激光干涉圖過零計數(shù)的方式，實現(xiàn)了對最大光程差的檢測。準確復原了紅外黑體的光譜，其峰值波長誤差小于2nm。
作者：張敏娟 王志斌 李曉 李晉華 王艷超 單位：中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室 中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室 中北大學山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心