CN101162198B

CN101162198B - 适用于大口径激光闪烁仪的调制解调方法

Info

Publication number: CN101162198B
Application number: CN2007101903640A
Authority: CN
Inventors: 马晓珊; 贾先德; 朱文越; 饶瑞中
Original assignee: Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2007-11-19
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2027-11-19
Also published as: CN101162198A

Abstract

本发明公开了一种适用于大口径激光闪烁仪的调制解调技术，大口径激光闪烁仪是用来测量大气折射率结构常数的设备，利用数字逻辑器件组成多谐振荡电路，输出频率和占空比可调的方波信号，控制激光器发出高频载波激光，经过湍流大气传输时，湍流对载波信号进行振幅调制，调幅波由反射式望远镜接收，并由光电倍增管进行光电转换，通过阴极接地供电电路，并配合电容耦合型信号输出电路滤除背景杂散光等直流噪声成分，随后经跨导放大器放大，输出不含背景的直流调幅信号，该信号经电容耦合成为正负对称的交流方波信号，通过绝对值检波电路获得仅含高频尖峰的直流信号，利用RC时间常数很小的低通滤波电路滤除高频尖峰，完成信号解调，得到湍流脉动信号。调制解调技术的运用改善了大口径激光闪烁仪的信噪比，提高了仪器的抗干扰能力和测量精度，使仪器性能更加稳定，该方法同样适用于利用光电倍增管进行微弱信号探测的其他领域。

Description

适用于大口径激光闪烁仪的调制解调方法

技术领域

本发明涉及大气探测、光电检测领域，具体是一种适用于测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪的调制解调方法。

背景技术

大气折射率结构常数C_n ²是光学湍流强度的定量描述，是反映大气湍流光学特性的最重要的参数之一，大口径激光闪烁仪是一种能够在一定程度上抑制闪烁饱和效应、在更大范围内测量C_n ²的光学测量仪器，基于光传输闪烁效应的孔径平均效应，利用激光点光源发射，经过大气传输后，由接收望远镜收集，根据探测到的光强起伏，计算路径平均的大气折射率结构常数。由于光传输实验需在室外进行，探测器噪声、背景辐射等噪声因素严重影响了测量精度，探索提高仪器信噪比的方法和技术对于理论和工程应用都显得非常重要。在激光大气传输的实验研究和工程应用中，常用的提高信噪比的方法有：在探测器之前使用窄带干涉滤波片，只有位于中心波长附近很小波长范围内的入射光能够通过滤波片，其他波长的光则被滤除，然而自然界中总是存在与信号光同样波长的辐射，因此对于微弱光探测，即使使用了干涉滤光片依然不能获得很高的信噪比；采用望远镜作为接收装置，在焦点附近放置探测器，一方面可以提高集光能力，另一方面利用望远镜视场相对较小的特点，仅有与光轴平行的光能够到达探测器，其余光则被镜筒内壁吸收而无法到达探测器，从而提高信噪比，但是随着接收口径的增大，信号光增强的同时，入射的背景光也增多；通过对有信号和无信号两种情况分别进行测量，在后续数据处理时，用包含信号和背景的数据扣除背景数据，仅保留信号数据，从而提高测量精度，但由于昼夜背景辐射相差很大，要求仪器有很宽的动态线性范围，增加了系统设计和数学计算的复杂性。调制解调技术是信号处理的重要方法，被广泛地应用在通信、广播、测量仪器等诸多领域中，如果在设计大口径激光闪烁仪时，除了参考上文提到的方法外，同时采用调制解调技术，通过此技术将信号与噪声分离，随后再从已经调制的信号中提取测量信号，就可以实现微弱信号的精密测量，极大的改善仪器性能，提高信噪比和测量精度。该方法同样适用于利用光电倍增管(Photomultiplier Tube，简称PMT)进行微弱信号探测的其他领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于大口径激光闪烁仪的调制解调方法，大口径激光闪烁仪是用来测量大气折射率结构常数的设备，调制解调技术的运用能够极大的改善设备的信噪比，提高测量精度。

本发明的技术方案如下：

适用于大口径激光闪烁仪的调制解调方法，其特征在于：

(1)、利用数字逻辑电路组成多谐振荡电路，输出频率和占空比可调的直流方波信号，控制半导体激光器发出载波信号f_c(t)；

(2)、载波信号在湍流大气中传输，受到湍流波动信号的调制作用，且为振幅调制模式，得到调幅波f_m(t)；

(3)、利用PMT探测器接收调幅波f_m(t)，进行光电转换后，获得包含背景的调幅信号n(t)，此信号表征光电子的数量；

(4)、PMT探测器采用阴极接地型供电电路，其电信号输出端外接电容耦合式信号输出电路，以消除慢变的背景杂散光和系统噪声的影响，避免后续信号放大器的饱和，电容耦合式信号输出电路输出不含慢变背景的电流型直流调幅信号i(t)；

(5)、调幅信号i(t)经放大器放大后为电压型直流信号u_a(t)；

(6)、直流信号u_a(t)经过电容耦合，成为正负对称的交流方波信号u_c(t)，信号幅值保持不变，信号随后进入电压跟随器，电压跟随器对信号没有影响，只进行阻抗变换，隔离前后电路；

(7)、交流方波信号u_c(t)经绝对值检波电路全波整流后为直流信号u_d(t)；

(8)、用低通滤波电路滤除方波信号u_c(t)中高频成分，最终得到反映湍流脉动信息的直流脉动信号f_t(t)。

本发明的主要特征在于：对于放大器输出的电压型直流信号u_a(t)既没有采取直接采样的方式，也没有采用低通滤波成平稳直流后采样的方式，而是经过电容耦合、绝对值检波和低通滤波之后再进行采样。不直接采样是考虑到湍流的日变化规律以及闪烁仪的结构特点，已知一天之内湍流引起的幅值变化幅度很大，无法实施边缘检测与判断，同时由于闪烁仪采用对称式结构布局，两套完全相同的装置放置于路径两端，每套装置包含独立的发射和接收系统，路径一端的接收系统处理路径另一端的发射系统的出射光，也即调制电路与解调电路由不同的控制单元进行控制，直接采样无法与载波信号同步；不采用低通滤波后采样的方式是考虑到直接进行低通滤波需要较大的RC时间常数，这将导致湍流波动信息也同时被滤除，如果经过电容耦合和检波之后再滤波，则只需RC时间常数很小的滤波电路即可滤除方波的传输畸变和电路响应的上升、下降沿畸变损伤，如果没有电路的上升和下降沿畸变，则无需滤波，这样系统响应很宽，理论上可在0～∞Hz范围。

激光器发出一定频率的脉冲激光，经过湍流大气进行传输，激光信号相当于无线电通讯中的高频载波信号，而湍流波动则作为有用的调制信号，且为调幅模式；在接收系统中，通过绝对值检波和低通滤波，进行包络提取，获得湍流波动信息。

附图说明

图1是调制解调过程原理图。

其中(1)表示载波信号f_c(t)

(2)表示表示调幅波f_m(t)

(3)表示包含背景的调幅信号n(t)

(4)表示不含慢变背景的电流型直流调幅信号i(t)

(5)表示电压型直流信号u_a(t)

(6)表示交流方波信号u_c(t)

(7)表示直流信号u_d(t)

(8)表示湍流脉动信号f_t(t)

图2是大口径激光闪烁仪结构框图。

图3是计时器ICM7555电路结构图。

图4是用数字逻辑器件组成多谐振荡电路的电路图。

图5是多谐振荡电路的工作波形图。

图6是光电倍增管的供电及信号输出电路。

图7是信号解调电路图。

具体实施方式

适用于大口径激光闪烁仪的调制解调方法，参见图1，包括以下八个步骤：

(5)、调幅信号i(t)经放大器放大后为电压型直流信号u_a(t)；

测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪，其结构如图2所示。采用对称式结构设计，包括相对向设置的二个牛顿反射式望远镜以及望远镜镜筒上分别设置的半导体激光器，激光器与多谐振荡电路相连，多谐振荡电路输出高电平时，激光器点亮；低电平时，激光器关闭。作为高频载波的激光经过湍流大气传输，由于大气对其折射、散射使光强受到调制，调幅波由望远镜接收，通过窄带干涉滤光片后进入PMT转换成电流信号，由放大器进行电流-电压转换并放大，解调之后进入处理电路，完成数据的采集、显示、处理和存储。

大口径激光闪烁仪所采用的调制解调技术由三部分组成：(1)、数字逻辑器件组成的多谐振荡电路，控制激光器输出高频载波信号；(2)、光电转换及放大部分，PMT将调幅波转换成电信号，由供电及信号输出电路完成背景过滤，之后跨导放大器实现信号放大，为信号解调做好准备；(3)、信号解调部分，通过电容耦合、绝对值检波和低通滤波提取湍流波动信息。

多谐振荡电路由数字逻辑器件ICM7556构成，该芯片包含两个独立的计时器ICM7555，两个计时器共用一个V_DD和GND。计时器ICM7555由两个比较器、一个基本RS触发器、一个MOS管开关、三个等值电阻分压器及输出缓冲器组成，其电路结构如图3所示。用ICM7556组成多谐振荡电路如图4所示，工作波形如图5所示，V_DD表示“电源正端”，GND为“地端”，V_Th和V_Tr分别表示“高触发端”和“低触发端”的电压，V_R和V_C表示“复位端”和“控制电压端”的电压，V_Dis表示“放电端”的电压，V_o表示输出电压，下标1和2分别代表第一和第二个计时器。电路设计如下：将V_DD与两个计时器的复位端相连，复位端置高电平；第一个计时器的输出作为第二个计时器的低触发端；第二个计时器的放电端与高触发端相连；第二个计时器的输出即为方波信号输出端。根据以上设计：当第一个计时器的输出由高电平跳变为低电平时，第二个计时器输出高电平，因此第一个计时器控制方波的频率，第二个计时器则控制方波的占空比。最终输出的方波信号的脉冲周期T和高电平持续时间t₃分别为：

T＝t₁+t₂＝0.7(R₃+R₁′+2R₄)C₁

t₃＝max(0.7(R₅+R₂′)C₃，0.7R₄C₁)

对于大口径激光闪烁仪，设置调制频率为10kHz，占空比为50％。

多谐振荡电路发出的方波信号控制激光器输出脉冲激光，作为高频载波经过湍流大气传输，并受到大气的振幅调制作用。PMT对入射光信号进行光电转换，PMT需要上千伏的工作电压才能正常工作，高电压由供电电路分配到光电阴极、各级倍增极和阳极之间，实现光电子的发射以及二次电子的发射和倍增，并由相应的信号输出电路输出电信号。供电电路分为阳极接地型和阴极接地型，前者适用于直流或脉冲信号，后者仅适用于脉冲信号。

大口径激光闪烁仪采用望远镜作为接收口径，信号光与大量的背景光同时进入探测器，考虑到信号光为脉冲方式，如果选择阳极接地型供电电路，则PMT对脉冲信号和直流背景同时响应，过大的背景很容易使后续的信号放大器饱和，因此采用仅响应脉冲信号的阴极接地型供电电路，并配合电容耦合式信号输出电路，如图6所示。图中上部的实线框表示PMT，K和P分别表示PMT的光电阴极和阳极，Dy1至Dy10分别表示10级倍增极。工作时，阳极接1500V高电压，阴极接地，电压通过电阻R₁至R₁₂分配到各倍增极之间，电容C₁至C₃作为去耦合电容，目的是改善脉冲工作时的输出线性，电容C₄和C₅的作用是滤除直流背景。

PMT的信号输出电路输出不含背景噪声的电流型调幅信号，经过跨导放大器进行电流-电压转换并放大成为电压型调幅信号u_a(t)，最后进入解调电路，如图7所示。解调电路的工作原理如下：

调幅信号u_a(t)通过电容C₁耦合之后进入运算放大器A₁的同相输入端，A₁工作于电压跟随器状态，其作用是进行阻抗变换，隔离前后电路，所以A₁输出频率为10kHz、正负对称的交流方波信号u_c(t)。

运算放大器A₁的输出信号进入绝对值检波电路。当u_c(t)＞0时，运算放大器A₂的输出电压u_A2＜0，使D₁导通，D₂截止；而运算放大器A₃的输出电压u_A3＞0，使D₃截止，D₄导通。此时A₂的输出端u_A2与总输出端u_d脱开，而A₃处于电压跟随器状态，所以电路的输出为

u_d＝u_c

由于A₃反馈回路的电阻R₄和输入电阻R₃与A₃的闭环增益无关，故它们的匹配与否不影响电路的运算精度，电路中选取R₄＝R₃，是为了保证电路的静态平衡，以减少输入失调。

当u_c(t)＜0时，A₂的输出电压u_A2＞0，使D₁截止，D₂导通；而A₃的输出电压u_A3＜0，使D₃导通，D₄截止。此时A₃的输出端u_A3与总输出端u_d脱开，而A₂处于反相比例状态。如果满足R₂＝R₅，则

u_d＝-u_c

综合以上两种情况，绝对值检波电路的输出和输入关系为

u_{d} = \{\begin{matrix} u_{c} & u_{c} > 0 \\ - u_{c} & u_{c} < 0 \end{matrix}

经过检波之后，信号仅含有频率很高的尖峰成分，这些高频负尖峰的来源有：激光器输出响应上升、下降延迟，PMT供电及信号输出电路中隔直电路上升、下降沿，放大器、耦合电容和检波电路等对方波的响应延迟。

最后，电阻R₇、R₈和R₉以及电容C₂构成RC时间常数很小的低通滤波电路滤除高频成分，得到反映湍流变化的直流脉动信号f_t(t)。

Claims

1.适用于大口径激光闪烁仪的调制解方法，其特征在于：

(4)、PMT探测器采用阴极接地型供电电路，PMT探测器的电信号输出端外接电容耦合式信号输出电路，以消除慢变的背景杂散光和系统噪声的影响，避免后续信号放大的饱和，电容耦合式信号输出电路输出不含慢变背景的电流型直流调幅信号i(t)；

(5)、调幅信号i(t)经放大器放大后为电压型直流信号u_a(t)；

(6)、直流信号u_a(t)经过电容耦合之后进入运算放大器的同相输入端，运算放大器工作于电压跟随器状态，其作用是进行阻抗变换，隔离前后电路，运算放大器输出正负对称的交流方波信号号u_c(t)，u_c(t)信号幅值保持与u_a(t)信号调幅一致不变；

(7)、交流方波信号u_c(t)经过绝对值检波电路全波整流后为直流信号u_d(t)；

(8)、直流信号u_d(t)进入低通滤波电路，用低通滤波电路滤除直流信号u_d(t)中高频成分，最终得到反映湍流脉动信息的直流脉动信号f_t(t)。