CN104795725B - East托卡马克远红外激光偏振干涉仪中频值稳频方法 - Google Patents

Abstract

EAST托卡马克远红外偏振激光干涉仪中频值稳频方法属于托卡马克实验诊断的远红外激光偏振干涉仪中频稳频技术领域，其特征在于,在以单片机为核心的稳频系统中，以与当前中频信号的中心频率值在设定周期内的平均值与设定值之间的偏差Δf为基础，调用PID算法来求取控制激光器的控制器上的施加在压电陶瓷上的电压V_p，使得在30分钟内中频信号中心频率在设定值850kHz下的波动幅度小于5kHz，其变化幅度小于6％，比没有稳定系统的参与时中频信号的中心频率变化了90kHz要稳定得多，使得在较长时间范围内聚变等离子体内部磁场测量时穿过等离子体的两束偏振光的相位差的误差从0.002°降为0.0001°，频差更稳定。

Description

EAST托卡马克远红外激光偏振干涉仪中频值稳频方法

技术领域

EAST托卡马克远红外激光偏振干涉仪中频值稳频方法属于较大空间范围内聚变等离子体内部磁场与电子数密度测量技术领域，尤其涉及EAST托卡马克实验诊断的远红外激光偏振干涉仪中频值稳频控制技术领域。

背景技术

目前，基于激光干涉原理的法拉第偏振效应的远红外FIR激光偏振干涉仪测量法能实现较大空间范围内核聚变等离子体内部磁场和电子密度时空分布的测量，但是需要发生干涉的两束激光具有稳定的频差值，即稳定的中频频率值，否则，轻则影响测量精度，重则无法进行测量。由于当前的太赫兹远红外激光器及其光学原件存在某些技术上不够成熟的问题，因此，使两束激光之间的频差不可避免地存在不稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服当前存在的两束激光之间存在的频差不稳定问题，研制了稳频系统，并提出了相应的中频频率稳定性控制方法。

本发明的特征在于是在EAST托卡马克远红外激光偏振仪的中频稳频控制系统中依次按以下步骤实现的：

步骤(1)构建一个所述的中频稳频控制系统，其中包括：依次首尾串接的电压跟随器、有源带通滤波器、信号放大器、整形器、单片机和D/A转换器，其中：

电压跟随器，采用第一个运算放大器芯片OPA603，负反馈运算放大器的输入端与远红外太赫兹激光干涉系统中的混频器的中频信号输出端相连，所述混频器型号为VDIWR1.5ICHR1，其输出为以0.1μs为时间单位的中频频率中心值f₀在850kHz±90kHz间的电信号U_i，也称中频信号U_i；

有源带通滤波器，采用运算放大器芯片OPA648，输入电阻R1的电压输入端与所述电压跟随器中所述负反馈运算放大器的频率为f₀＝850kHz±90kHz的电压信号U_i输出端相连；

信号放大器，采用第二个运算放大器芯片OPA603和运算放大器LT1222首尾依次连接而成，所述第二个运算放大器芯片OPA603的输入端与所述有源带通滤波器的以0.1μs为时间单位的中心频率f₀在850kHz±90kHz变化的电压信号U_j输出端相连；

整形器，采用芯片CD40106，其中所述芯片CD40106的输入端经过一个电阻与所述信号放大器中所述运算放大器LT1222的以0.1μs为时间单位的中频频率中心值f₀在850kHz±90kHz间的电信号U_m的输出端相连；

单片机，采用芯片STM32F103，其输入端PA12与所述整形器的所述CD40106的以0.1μs为时间单位的中频频率中心值f₀在850kHz±90kHz间变化的中频方波电信号U_n的输出端相连；

D/A转换器，采用芯片LTC1257，其第一输入端(1)与所述的单片机的输出端PC8相连，负责传送时钟；第二输入端(2)与所述单片机的输出端PC7相连，负责传送数据；第三输入端(3)与所述单片机的输出端PC6相连，负责传送控制信号；

步骤(2)所述单片机依次按以下步骤实现EAST托卡马克远红外激光偏振干涉仪中频的稳频控制：

步骤(2.1)周期数T_all初始化，在30分钟内分为56250个周期，每个周期设定的中频频率中心值f_set是相同的，均为850kHz；

步骤(2.2)单片机初始化：控制TQ2-3V信号继电器闭合，在t＝t₁＝1ms时设定：

采样次数i＝1，i的取值范围是1，2，…，32，设定中频频率中心值f_set为850kHz，简称中频频率中心值为中频频率值，获取一次中频频率值的计数时间为1ms，中频频率的一个控制周期内总计数次数I为32次，其控制周期为32ms；

D/A转换器输出电压分辨率为0.5mV，输出电压变化的时间间隔为小于20ms，并经过47μF的缓冲电容后施加到激光控制器上；

第一次中频频率偏差值Δf_pri＝0，所述偏差的积分值integrate＝0，

步骤(2.3)，所述整形器向所述单片机输入中频方波信号，使所述单片机中的高频计数器开始对所述中频方波信号计数，计数时间为1ms，再获取1ms内的计数值，用f_i表示，

步骤(2.4)判断i是否等于32，

若i≠32，令i设为i+1，即将i增加1，并返回步骤(2.3)，

若i＝32，则执行步骤(2.5)，

步骤(2.5)按下式计算中频频率平均值f_cp，

f_cp＝(f₁+f₂+…+f₃₂)/32，

步骤(2.6)按下式计算所述中频频率的平均值f_cp与设定的中频频率中心值f_set的偏差Δf，

Δf＝f_cp-f_set，

步骤(2.7)调用PID算法计算将通过所述D/A转换器输出到激光器的控制器的外部控制电压接口处的数字控制电压ΔV：

ΔV＝2×Δf+1.1×integrate-0.4×(Δf-Δf_pri)，其中：

Δf_pri为前一次的所述中频频率的平均值f_cp与设定的中频频率中心值f_set的偏差，用Δf_pri表示，

步骤(2.8)，从步骤(2.7)得到的数字控制电压ΔV经所述D/A转换器转换成模拟量由所述D/A转换器输出端(6)输出，经过一个阻容电路滤波器后，经由所述TQ2-3V信号继电器输出到所述激光器的控制器上的外部控制接口中。

本发明的效果是：在没有稳频系统参与时，在30分钟内激光器中频信号的中心频率变化了90kHz，在接入稳频系统后，中频信号的中心频率在设定的850kHz附近波动，波动幅度小于5kHz，即使在60分钟甚至更长时间内，激光器中频信号的中心频率值稳定性始终控制在5％～6％范围内。

附图说明

图1本发明的稳频系统组成示意框图。

图2本发明的主程序流程框图。

图3每个控制周期中对中频值的获取示意图。

图4稳频器在系统中的连接示意图。

图5本发明的稳频系统电路原理框图。

具体实施方式

为了实现中频信号中心频率的稳定，稳频器应具备如下功能：可以获取混频器输出的中频信号中心频率的实际值，并与中频频率的设定值进行比较；基于频率比较结果通过PID算法产生控制电压信号(V_s)，并施加到激光器的控制器上的外控口；调节激光器压电陶瓷上的控制电压，改变激光器腔长，从而使得中频频率向其设定值靠近，达到稳定中频信号中心频率值的目的。

基于上述稳频器设计思路，在硬件设计上，混频器将光信号转换成和两束激光频率差相对应的中频信号，该信号经阻抗匹配、带通滤波以及放大整形后，变换为中频方波信号，并接入单片机内部的高速计数器，通过单片机内部处理获取两台激光器间的中频频率，经32次平均并与设定值f_set比较后通过程序中的PID算法产生数字量控制电压(ΔV)，再通过D/A转换器输出控制电压(V_s)，并施加到激光器的控制器上的外控口，调节激光器的输出频率，从而使之与另一台激光器所输出的激光信号间的中频频率中心值以一定精度保持在设定值附近。

在软件开发上，程序内部将中频频率值做了32ms时间段内的平均，以消除中频频率快速波动的影响，进而获取中频信号的频率中心值，并参与反馈控制。D/A转换器输出电压的分辨能力为0.5mV。在程序设计上我们限制了输出电压每变化0.5mV的时间间隔不小于20ms；在硬件设计上则将该控制电压经过47μF的缓冲电容后施加到激光控制器上。该处理方法避免了控制系统响应中频频率的脉动而频繁地给压电陶瓷施加电压冲击，有利于保护压电陶瓷，提高其使用寿命。

由于控制回路所经历的元件和设备较多以及压电陶瓷的特性曲线未知等因素的影响，系统的传递函数无法获得。然而由于PID算法的理论已比较成熟，在无法获得系统确切的传递函数的情况下亦可实现对系统的有效控制。

Claims (1)

1.EAST托卡马克远红外激光偏振干涉仪中频值稳频方法，其特征在于，是在EAST托卡马克远红外激光偏振仪的中频稳频控制系统中依次按以下步骤实现的：

步骤(1)构建一个所述的中频稳频控制系统，其中包括：依次首尾串接的电压跟随器、有源带通滤波器、信号放大器、整形器、单片机和D/A转换器，其中：

电压跟随器，采用第一个运算放大器芯片OPA603，负反馈运算放大器的输入端与远红外太赫兹激光干涉系统中的混频器的中频信号输出端相连，所述混频器型号为VDIWR1.5ICHR1，其输出为以0.1μs为时间单位的中频频率中心值f₀在850kHz±90kHz间的电信号U_i，也称中频信号U_i；

有源带通滤波器，采用运算放大器芯片OPA648，输入电阻R1的电压输入端与所述电压跟随器中所述负反馈运算放大器的频率为f₀＝850kHz±90kHz的电压信号U_i输出端相连；

信号放大器，采用第二个运算放大器芯片OPA603和运算放大器LT1222首尾依次连接而成，所述第二个运算放大器芯片OPA603的输入端与所述有源带通滤波器的以0.1μs为时间单位的中心频率f₀在850kHz±90kHz变化的电压信号U_j输出端相连；

整形器，采用芯片CD40106，其中所述芯片CD40106的输入端经过一个电阻与所述信号放大器中所述运算放大器LT1222的以0.1μs为时间单位的中频频率中心值f₀在850kHz±90kHz间的电信号U_m的输出端相连；

单片机，采用芯片STM32F103，其输入端PA12与所述整形器的所述CD40106的以0.1μs为时间单位的中频频率中心值f₀在850kHz±90kHz间变化的中频方波电信号U_n的输出端相连；

D/A转换器，采用芯片LTC1257，其第一输入端(1)与所述的单片机的输出端PC8相连，负责传送时钟；第二输入端(2)与所述单片机的输出端PC7相连，负责传送数据；第三输入端(3)与所述单片机的输出端PC6相连，负责传送控制信号；

步骤(2)所述单片机依次按以下步骤实现EAST托卡马克远红外激光偏振干涉仪中频的稳频控制：

步骤(2.1)周期数T_all初始化，在30分钟内分为56250个周期，每个周期设定的中频频率中心值f_set是相同的，均为850kHz；

步骤(2.2)单片机初始化：控制TQ2-3V信号继电器闭合，在t＝t₁＝1ms时设定：

采样次数i＝1，i的取值范围是1，2，…，32，设定中频频率中心值f_set为850kHz，简称中频频率中心值为中频频率值，获取一次中频频率值的计数时间为1ms，中频频率的一个控制周期内总计数次数I为32次，其控制周期为32ms；

D/A转换器输出电压分辨率为0.5mV，输出电压变化的时间间隔为小于20ms，并经过47μF的缓冲电容后施加到激光控制器上；

第一次中频频率偏差值Δf_pri＝0，所述偏差的积分值integrate＝0，

步骤(2.3)，所述整形器向所述单片机输入中频方波信号，使所述单片机中的高频计数器开始对所述中频方波信号计数，计数时间为1ms，再获取1ms内的计数值，用f_i表示，

步骤(2.4)判断i是否等于32，

若i≠32，令i设为i+1，即将i增加1，并返回步骤(2.3)，

若i＝32，则执行步骤(2.5)，

步骤(2.5)按下式计算中频频率平均值f_cp，

f_cp＝(f₁+f₂+…+f₃₂)/32，

步骤(2.6)按下式计算所述中频频率的平均值f_cp与设定的中频频率中心值f_set的偏差Δf，

Δf＝f_cp-f_set，

步骤(2.7)调用PID算法计算将通过所述D/A转换器输出到激光器的控制器的外部控制电压接口处的数字控制电压ΔV：

ΔV＝2×Δf+1.1×integrate-0.4×(Δf-Δf_pri)，其中：

Δf_pri为前一次的所述中频频率的平均值f_cp与设定的中频频率设定值f_set的偏差，用Δf_pri表示，

步骤(2.8)，从步骤(2.7)得到的数字控制电压ΔV经所述D/A转换器转换成模拟量由所述D/A转换器输出端(6)输出，经过一个阻容电路滤波器后，经由所述TQ2-3V信号继电器输出到所述激光器的控制器上的外部控制接口中。