CN105136300A - 一种弹光调制器的驱动控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种弹光调制器的驱动控制装置及方法，属于弹光调制干涉仪技术领域；提供一种高分辨率弹光调制驱动控制装置及方法，可实现近红外波段(8-14μm)范围内，光谱分辨率达到10cm^-1的弹光调制干涉仪的稳定驱动和控制；一种弹光调制器的驱动控制装置，包括以FPGA为核心的控制器、反向差分高压谐振驱动电路、驱动电流检测电路和最大光程差检测电路，所述弹光调制器的驱动控制装置是以FPGA为控制核心，结合反向差分高压谐振驱动电路、驱动电流检测电路和最大光程差检测电路，实现弹光调制驱动控制信号的频率和电压的调节，产生稳定的干涉图；本发明主要应用在弹光调制方面。

Description

一种弹光调制器的驱动控制装置及方法

技术领域

本发明一种弹光调制器的驱动控制装置及方法，属于弹光调制干涉仪技术领域。

背景技术

以弹光调制干涉仪为核心的弹光调制傅里叶变换光谱仪具有测量速度快、光谱范围宽，抗震性能好、采用点探测器等优点，其在瞬态光谱探测领域具有潜在的应用价值。弹光调制器作为弹光调制干涉仪的主要部件，是由弹光晶体和压电石英晶体组成。为了使弹光调制干涉仪产生高分辨率的干涉图，需要构成弹光调制器的弹光晶体的瞬态双折射率差有比较大的形变量。

要使弹光晶体的双折射率差比较大，则需要高压信号驱动压电晶体产生形变，以带动弹光晶体的形变。为了满足光谱分辨率为10cm^-1的近红外波段光谱探测的需求，在谐振状态下，弹光调制器驱动电压的幅值需达到1000V以上。

弹光调制器是一个热机电耦合器件，工作于谐振状态。

弹光调制器在高压信号驱动下进行机械振动，则产生热损耗和自身温度升高，改变了弹光调制器固有谐振频率。

为了使弹光调制器工作时，有比较高的品质因数，需要调节驱动信号频率，以跟踪弹光调制器的谐振频率。

弹光调制器的高压驱动电路是由LC构成的谐振电路，在驱动信号频率发生变化时，将改变驱动电路中LC谐振电路的Q值。从而，改变了施加在弹光调制器上的驱动电压幅值，减小了弹光调制干涉图的最大光程差。

为了产生高分辨率的弹光调制干涉图，因此，需要对弹光调制干涉仪的高压驱动和控制技术进行研究。

[1]Buican.T.N,Carrieri.A.H.Ultra-highspeedsolid-stateFTIRspectroscopyandapplicationsforchemicaldefense[C].Proceedingsforthearmyscienceconference(24th),2004.12.

[2]Buican.T.N.Real-timeFouriertransformspectrometryforfluorescenceimagingandflowcytometry[C].Bio-imagingandtwo.dimensionalspectroscopy,SPIE,1990,1205:126-133.

[3]Buican.T.N.Birefringenceinterferometersforultra-high-speedFTspectrometryandhyperspectralimaging:I.Dynamicmodeloftheresonantphotoelasticmodulator[J].Vibrationalspectroscopy,2006,42(1):51-58.

[4]Buican.T.N.Highretardation–amplitudephotoelasticmodulator.US7,764,415B2[P].2010.7.27.

在文献[1]~[4]中，对弹光调制器的工作原理、干涉图的特性进行论述，并提出采用高压开关管驱动弹光调制器的方法。为了解决PEM谐振频率的漂移，通过锁相技术控制开关管的工作状态，以实现PEM的稳定工作。但是该文献仅提出弹光调制器的驱动控制思路，并没有对整个驱动控制系统进行理论验证和系统设计，而且也没有提到驱动信号幅值调节技术和方法。因此，有必要对现有技术进行改进。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的不足，提供一种高分辨率弹光调制驱动控制装置及方法，可实现近红外波段(8-14)范围内，光谱分辨率达到10cm^-1的弹光调制干涉仪的稳定驱动和控制。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种弹光调制器的驱动控制装置，包括以FPGA为核心的控制器、反向差分高压谐振驱动电路、驱动电流检测电路和最大光程差检测电路。

所述弹光调制器的驱动控制装置是以FPGA为控制核心，结合反向差分高压谐振驱动电路、驱动电流检测电路和最大光程差检测电路，实现弹光调制驱动控制信号的频率和电压的调节，产生稳定的干涉图。

所述的反向差分高压谐振驱动电路是由两路相位差为180°的电路结构、参数完全相同的功率放大电路组成，其输入电压信号相同，驱动信号均为方波信号，采用这种驱动方式，可使施加在弹光调制器上的电压增加1倍，使干涉图的最大光程差得到提高。

所述的驱动电流检测电路是将正弦波的电流信号经过相位延迟电路变换为方波信号，而且方波信号的下降沿变化陡峭，可用来进行相位差比较。

所述的最大光程差检测电路是以一个双通道的高速比较器ADCMP551组成，将激光干涉图信号和弹光调制器的驱动信号变换为方波信号，利用驱动信号的上升沿和下降沿，实现激光干涉图过零计数的起始点和终止点。

一种弹光调制器的驱动控制方法，其特征在于：所述的弹光调制器的驱动控制方法是针对改进的kemp型弹光调制器，其振动频率为50KHz时，在驱动控制信号作用下，产生比较大的形变，以产生高分辨率的干涉图。

所述弹光调制器是热机电耦合器件，其谐振频率随着温度变化、工作状态产生漂移时，驱动控制信号的频率能及时的跟踪弹光调制器的谐振频率的变化而进行变化，以保证弹光调制器有比较高的品质因数，所述谐振频率的跟踪，是通过检测驱动电流和驱动电压的相位差，基于FPGA编程实现锁相功能，以实现频率的跟踪和相位调节。

所述相位差的检测方法，是将正弦波形的驱动电流通过波形变换电路，变换为方波信号，并将方波信号的下降沿与FPGA产生的方波驱动信号的下降沿进行比较，获取相位差信息。

所述的驱动控制信号跟随弹光调制器固有谐振频率调制时，将改变了高压谐振驱动电路的谐振程度，减小了施加在弹光调制器两端的电压，以致于减小了弹光调制器的形变量和干涉图的最大光程差，为保证弹光调制器的形变量和干涉图的最大光程差为恒定值，在调节驱动控制信号频率的基础上，通过调节功率放大电路的输入电压，调节施加在弹光调制器两端的电压，以保持弹光调制器的形变量和干涉图的最大光程差为恒定值。

所述功率放大电路的输入电压的调节，是根据检测的干涉图最大光程差的变化量进行调节。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果为：

本发明提供了一种弹光调制干涉仪的驱动控制装置及方法，可实现弹光调制干涉仪的相位差连续调节，产生高分辨率的干涉图，同时，基于驱动信号的频率锁相、幅值闭环调节，可减小弹光调制器温度漂移对谐振品质因数的影响，提高弹光调制傅里叶变换光谱仪的精度和准确度。

附图说明

下面通过附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为弹光调制干涉图中等时间采样时的窄带干涉图；

图2为弹光调制干涉图中等时间采样的窄复色光干涉图；

图3为弹光调制驱动控制装置的结构图；

图4为高压驱动电路的结构图；

图5为高压驱动电路图；

图6为驱动电流检测电路图；

图7为方波比较相位差图；

图8为干涉图最大光程差检测电路图。

具体实施方式

下面实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明所驱动的弹光调制干涉仪，是由-切型的石英晶体和ZnSe晶体构成的改进的KEMP型结构的弹光调制干涉仪。

弹光调制干涉仪包含有压电元件，其是工作于谐振状态的热机电耦合器件，其谐振频率与晶体的尺寸、结构、环境温度等因素有关。常温下，弹光调制器的谐振频率大约在49.87kHz附近。

压电晶体在外加高压简谐力作用下产生谐振形变，引起弹光晶体形变，以使得弹光晶体的双折射率差发生变化。从而使通过弹光晶体的不同振动方向的两束光产生不同相位延迟。

当入射光为单色光时，两束光的相位延迟为：，是弹光调制器的瞬态双折射率差；：为入射光的波数；：是弹光晶体的厚度。

从相位延迟的公式中可以看出，弹光调制器的瞬态双折射率差越大的，相位延迟是越大，产生干涉图的最大光程差也是越大的。

单色光经弹光调制干涉仪调制后，产生的干涉图可用如下公式表示为：

单色光经弹光调制干涉仪后，产生的干涉图如图1。

当入射光为复色光时，经弹光调制干涉仪，产生干涉图如图2。其表达式为：

在弹光调制器尺寸、结构设计后，其固有频率已经确定。弹光晶体的形变、光束的相位延迟不是固定值，其与弹光调制器的品质因数、驱动电压、环境温度等有关。因此，使得弹光调制干涉图的最大光程差不是恒定值。

通过对干涉图进行傅里叶变换，可复原入射光信号的光谱。其复原光谱的准确度、光谱分辨率与干涉图的最大光程差是相关的。

为了使复原光谱的光谱分辨率为恒定值，需要对弹光调制器的驱动电路进行控制。

弹光调制器是一个微振动的谐振器件，其在工作过程中将释放热量，使其自身温度发生

变化，从而使得弹光调制器固有频率发生变化，在驱动信号的频率不变时，将改变了弹光调制器的谐振状态和品质因数。

为了使弹光调制器有稳定的品质因数，工作在最佳谐振状态，要求弹光调制器驱动信号的频率跟踪弹光调制器固有频率发生变化。

要是弹光调制器的弹光晶体产生比较大的形变量，则要求施加在弹光调制器上的驱动电压幅值比较大，在实现近红外波段(8-14)，光谱分辨率达到10cm^-1的光谱探测时，其驱动信号要求达到2000V以上。

基于LC谐振原理设计的功率放大电路中，其输出电压为。

谐振电路中的参数值，是与电路的谐振频率是有关的。

当驱动信号的频率随着弹光调制器的谐振频率发生变化时，则影响到LC谐振电路的Q值，并使得Q值降低。

在得Q值减小的情况下，为了保持施加在弹光调制器上的电压不变，可调节。

因此，可通过调节功率放大电路输入电压的幅值，可保持弹光调制干涉图的最大光程差为恒定值。

结合附图3对本发明的驱动控制装置的结构和控制原理进行详述。

本发明所述的弹光调制驱动控制装置包括FPGA控制器、高压驱动电路、驱动电流反馈检测电路、最大光程差检测电路。

本发明所述的FPGA控制器，依据检测的弹光调制器的谐振频率，对驱动信号的初始频率进行设置，同时，基于驱动电流反馈信号，对驱动信号的频率进行调节，跟踪弹光调制器固有谐振频率的方波信号，驱动功率放大电路对输入信号进行功率放大。

功率放大后的输出信号施加在弹光调制器两端，通过弹光调制器对入射光进行调制，产生干涉图。

功率放大电路的输入信号是由FPGA控制和调节。

在系统初始化时，FPGA根据系统要求的光谱分辨率，对功率放大电路的初始值进行设置。随后，根据检测的干涉图的最大光程差值，对功率放大电路的输入信号进行调节。

FPGA产生的方波信号的幅值是3.3V，且FPGA的驱动功率很小，采用两路反相高压驱动电路将驱动信号进行功率放大。

在FPGA中基于软件编程，产生两个频率相同、相位差为180°的方波信号Drive-sig1

和Drive-sig2，作为驱动信号分别控制两路功率放大电路。

两路功率放大电路的结构、参数是完成相同的，都是由功率放大电路、LC谐振电路组成。

两路功率放大电路输出的高压信号幅值相同、相位相反，使施加在弹光调制器的压电晶体的两端，其瞬时电压是单个功率放大电路输出电压的一倍，以致于弹光调制器相位延迟增加一倍，弹光调制干涉图的最大光程差增加一倍。

附图4中，基于FPGA产生的可调电压控制信号用来改变功率放大电路的输入信号，实现干涉图最大光程差的闭环控制。

在附图5中，两路功率放大电路采用电路结构和参数完全相同的两个甲乙类互补放大电路、LC充放电电路组成。

附图5中，三极管Q1与Q2，三极管Q5与Q6，分别构成两个复合电路，提高电流的驱动能力；三极管Q3与Q4，三极管Q7与Q8，分别构成一个准甲乙类互补电路，实现对LC谐振电路的充放电控制。

二极管CR1、CR3、CR5、CR7为反向截止二极管，防止电压过冲；二极管CR2、CR4、CR6、CR8为续流二极管，构成LC电路的放电回路。

在功率放大电路中，其输入信号是在0~60V范围内可调的直流电压信号，其值受FPGA的控制和调节。

当检测到干涉仪产生的干涉图的最大光程差减小时，可基于FPGA编程调节功率放大电路的输入电压。以补偿最大光程差的衰减，实现高压驱动信号幅值的闭环控制。

根据串联谐振的基本性质，当LC串联谐振时，其输出的电流和电压是同相位的，阻抗最小。因此，可通过检测输出电流的相位，调节驱动信号的频率和相位，使得弹光调制器有比较高的品质因数，产生大的相位延迟。

附图6为电流相位检测电路，由检测电阻R21对流过弹光调制器的电流进行检测，并转换为电压信号。

电阻R21两端的电压信号是一个正弦波信号，由FPGA产生的驱动信号是方波信号，为了实现驱动电压与输出电流的相位比较，进行鉴相，需要将正弦波信号进行抬升为正信号，并转换为方波信号。

图6中，由R13、CR9、Q9、R14、R16构成一个电压抬升电路，使得U9的输入正端的点位抬高1.4V左右。

由比较器LM339以及C15、C20、R18构成一个相位延迟电路，实现正弦波信号到方波信号的转换，并且经上拉电阻R15以及Q9、R13、稳压管CR9使得输出方波的高电平为3.5V

左右。

C20、R18构成一个RC充放电回路。在充电时，方波信号的上升沿比较平滑，不明显，难以实现相位差比较；但是在放电时，其下降沿比较陡峭，可以利用此下降沿作为鉴相使用。鉴相时的方波信号如图7所示。

图6中的电流反馈信号FK输入到FPGA的输入端。

在FPGA中，利用电流反馈信号与驱动电压信号的下降沿进行相位差比较、软件编程计算相位差，并且基于相位差的大小，调节驱动电压信号的频率。以改善弹光调制器的谐振状态，提高弹光调制器的Q值。

本发明所述的弹光调制驱动装置是工作于多谐振状态的耦合器件。图4中的LC谐振电路(5)和(6)也是工作于谐振状态。

当LC谐振电路的驱动频率时，L、C发生谐振，其输出电压，其中，。

为了使弹光调制器工作在最佳谐振状态，驱动信号频率随着弹光调制器固有频率的漂移发生变化。

在驱动信号的频率发生变化时，LC谐振电路的Q值将发生变化，从而引起高压驱动电路的驱动信号的幅值发生衰减，导致弹光调制干涉图的最大光程差减小。

为了保持干涉图最大光程差为恒定值，可采用干涉图最大光程差闭环控制技术。

附图8是干涉图最大光程差检测电路。

在附图8中，将FPGA产生的驱动信号和激光干涉图信号分别输入到一个比较器的输入端，经比较器转换为方波信号。

在FPGA中，编程实现将激光干涉信号转换的方波信号，在其上升沿和下降沿进行计数。

利用驱动方波信号的上升沿和下降沿作为计数的起始点和终止点。

将计数值转换为对应的最大光程差值。

由FPGA软件编程，将设定的光谱分辨率值转换为要求的最大光程差值，与采集的最大光程差值进行比较，计算偏差。

FPGA根据计算偏差，调节图5中功率放大电路输入电压的幅值。

通过调节，来调节，使得干涉图的最大光程差保持为恒定值。

本发明所述的驱动控制装置中的两个闭环控制分别完成驱动信号频率的调节控制，调节

干涉图最大光程差为恒定值。

驱动信号频率的闭环控制是作为控制系统的内环；而幅值的调节和控制作为控制系统的外环。两个环路彼此独立，又紧密相连。

本发明涉及用于弹光调制干涉仪的驱动控制装置和控制方法，所述的控制方法包括：根据环境温度和系统要求的光谱分辨率，对驱动信号初始频率和幅值的设置依据和方法；基于构成弹光调制干涉仪的压电石英晶体和弹光晶体的谐振频率温度漂移特性，通过检测驱动电流信号的相位与驱动信号的相位差，采用锁相技术，调节驱动信号的频率，使得弹光调制器的谐振因子趋向1；基于干涉图最大光程差检测技术，通过调节功率功率放大器的输入电压，使得干涉信号的最大光程差趋于恒定值；所述弹光调制驱动控制装置包括：基于FPGA为核心的控制器、双路反向高压功率放大电路、电流检测电路以及最大光程差检测电路组成。

本发明所涉及的弹光调制干涉仪驱动控制装置，可实现弹光调制干涉仪的稳定驱动控制，产生最大光程差稳定的干涉图，满足可见光和近红外光谱的探测与识别。

以上所述仅为本发明的优选实施技术和驱动控制装置，并不仅限于本发明。对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的实施原理的前提下，做出的改进、润色，也属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种弹光调制器的驱动控制装置，其特征在于：包括以FPGA为核心的控制器、反向差分高压谐振驱动电路、驱动电流检测电路和最大光程差检测电路。

2.如权利要求1所述的一种弹光调制器的驱动控制装置，其特征在于：所述弹光调制器的驱动控制装置是以FPGA为控制核心，结合反向差分高压谐振驱动电路、驱动电流检测电路和最大光程差检测电路，实现弹光调制驱动控制信号的频率和电压的调节，产生稳定的干涉图。

3.如权利要求1所述的一种弹光调制器的驱动控制装置，其特征在于：所述的反向差分高压谐振驱动电路是由两路相位差为180°的电路结构、参数完全相同的功率放大电路组成，其输入电压信号相同，驱动信号均为方波信号，采用这种驱动方式，可使施加在弹光调制器上的电压增加1倍，使干涉图的最大光程差得到提高。

4.如权利要求1所述的一种弹光调制器的驱动控制装置，其特征在于：所述的驱动电流检测电路是将正弦波的电流信号经过相位延迟电路变换为方波信号，而且方波信号的下降沿变化陡峭，可用来进行相位差比较。

5.如权利要求1所述的一种弹光调制器的驱动控制装置，其特征在于：所述的最大光程差检测电路是以一个双通道的高速比较器ADCMP551组成，将激光干涉图信号和弹光调制器的驱动信号变换为方波信号，利用驱动信号的上升沿和下降沿，实现激光干涉图过零计数的起始点和终止点。

6.一种弹光调制器的驱动控制方法，其特征在于：所述的弹光调制器的驱动控制方法是针对改进的kemp型弹光调制器，其振动频率为50KHz时，在驱动控制信号作用下，产生比较大的形变，以产生高分辨率的干涉图。

7.如权利要求6所述的一种弹光调制器的驱动控制方法，其特征在于：所述弹光调制器是热机电耦合器件，其谐振频率随着温度变化、工作状态产生漂移时，驱动控制信号的频率能及时的跟踪弹光调制器的谐振频率的变化而进行变化，以保证弹光调制器有比较高的品质因数，所述谐振频率的跟踪，是通过检测驱动电流和驱动电压的相位差，基于FPGA编程实现锁相功能，以实现频率的跟踪和相位调节。

8.如权利要求7所述的一种弹光调制器的驱动控制方法，其特征在于：所述相位差的检测方法，是将正弦波形的驱动电流通过波形变换电路，变换为方波信号，并将方波信号的下降沿与FPGA产生的方波驱动信号的下降沿进行比较，获取相位差信息。

9.如权利要求7所述的一种弹光调制器的驱动控制方法，其特征在于：所述的驱动控制信号跟随弹光调制器固有谐振频率调制时，将改变了高压谐振驱动电路的谐振程度，减小了施加在弹光调制器两端的电压，以致于减小了弹光调制器的形变量和干涉图的最大光程差，为保证弹光调制器的形变量和干涉图的最大光程差为恒定值，在调节驱动控制信号频率的基础上，通过调节功率放大电路的输入电压，调节施加在弹光调制器两端的电压，以保持弹光调制器的形变量和干涉图的最大光程差为恒定值。

10.如权利要求9所述的一种弹光调制器的驱动控制方法，其特征在于：所述功率放大电路的输入电压的调节，是根据检测的干涉图最大光程差的变化量进行调节。