CN106932093A - 自动锁频光电等效平衡系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自动锁频光电等效平衡系统，经过斩波器调制后的光信号照射在热释电探测器表面上产生电压信号，经过前置放大电路放大后输出作为采样信号，同时斩波器中控制器产生一个与采样信号同频率的参考触发信号，一起送入模数转换器；被采样后的参考触发信号经数字锁相环电路，变换为与参考触发信号同频率等相位的两个正交参考信号；采样信号经过数字带通滤波后和参考信号一起经过数字信号处理器进行处理输出，再通过数模转换器转为模拟量输出调制信号，经过功率放大加热调制电路将平衡加热的信号提升功率并输出到热释电探测器表面加热层上。适应不同频率的参考信号，锁定和跟踪参考信号频率，实现了光学辐射加热信号和电学功率加热信号之相位的自动匹配。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电检测技术，特别涉及一种基于双通道正交相关数字检波的自动锁频光电等效平衡系统。
背景技术
现如今用于电定标热辐射计的自动锁频光电等效平衡系统，主要是建立在光电加热平衡系统的基础上，适应不同频率的参考信号，锁定和跟踪参考信号频率，实现光学辐射加热信号和电学功率加热信号之相位的自动匹配，从而达到测量光功率的目的。
然而这种系统是由纯硬件电路实现的，结构复杂，不利于仪器的小型化发展。纯硬件电路的模拟部分比较多，给系统带来的温度、湿度各种误差影响因素也比较多，调试难度大，耗时长。同时这种系统采用的是自动跟踪相敏检波，需要对参考信号做可变移相，但是移相又对测量准确性有很大的影响。从而又带来了一部分误差。
发明内容
本发明是针对光电等效平衡系统所存在的问题，提出了一种自动锁频光电等效平衡系统，是一种纯数字化的基于双通道正交相关数字检波法的光电等效平衡系统，可应用于电定标热辐射计和其它光电测量系统。此系统主要是建立在dsp双通道正交相关数字检波的基础上，采用纯数字化的处理方式，利用两个正交的分量计算出被测信号的频率和相位，从而还原出被测信号的波形，达到测量光功率的目的。
本发明的技术方案为：一种自动锁频光电等效平衡系统，经过斩波器调制后的光信号照射在热释电探测器表面上产生电压信号，电压信号经过前置放大电路放大后输出作为采样信号，同时斩波器中控制器产生一个与采样信号同频率的参考触发信号，放大信号与参考触发信号将同时被模数转换器同步采样；被采样后的参考触发信号经数字锁相环电路，变换为与参考触发信号同频率等相位的两个正交参考信号；采样信号经过数字带通滤波后和经过数字锁相环获得的参考信号一起依次经过数字信号处理器中的数字相敏检波、数字积分补偿、数字调制加热控制电路以及相关算法后，通过数模转换器转为模拟量输出控制探测器表面平衡加热的调制信号，调制信号到功率放大加热调制电路，经过功率放大加热调制电路将平衡加热的信号提升功率并输出到热释电探测器表面加热层上。
所述参考触发信号由光信号通过斩波器中控制器对光耦进行斩断而获得。
所述采样信号通过由低通滤波器和高通滤波器组合而成的数字带通滤波器降低采样信号的噪声带宽。
所述采样信号经过数字带通滤波后和经过数字锁相环获得的参考信号一起进入数字相敏检波，滤波后采样信号分别与两个同频率等相位的正交参考信号进行数字相敏检波，还原出采样信号的振幅A和相位ψ，根据得到的振幅和相位还原出探测信号的正弦波形，经过数字积分补偿算法得到相应的直流信号，最后通过数字调制算法对直流信号进行调制从而得到供DAC数模转换器转换的数字调制信号。
本发明的有益效果在于：本发明自动锁频光电等效平衡系统，该系统直接通过高精度模数转换器(ADC)快速地对微弱信号检测电路输出进行连续采样，获取原始数据后，将自动跟踪带通滤波、自动跟踪相敏检波、补偿积分、电学加热调制信号全部通过软件算法自动实现，大大减少了硬件电路的复杂度，可以使仪器更加小型化，同时，还能提高系统灵活性和抗干扰能力。此系统所采用的双通道正交相关数字检波法，利用两个正交的分量计算出被测信号的频率和相位，相较于之前的系统而言，避免了对参考信号做可变移相，也可以避免移相对测量准确性的影响。
附图说明
图1为本发明自动锁频光电等效平衡系统结构示意图；
图2为本发明采样信号的获取图；
图3为本发明参考触发信号的获取图；
图4为本发明数字相位锁相环示意图；
图5为本发明数字相敏检波中双通道正交相关数字检波示意图；
图6为本发明DSP数字信号处理器中的带通滤波和相敏检波数据处理流程图；
图7为本发明数字积分和信号调制流程图；
图8为本发明数字积分补偿和数字调制过程中信号波形图。
具体实施方式
如图1所示自动锁频光电等效平衡系统结构示意图，经过高精度斩波器调制后的光信号照射在热释电探测器表面上产生微弱的电压信号，电压信号经过前置放大电路放大后输出作为采样信号。同时，高精度斩波器中控制器产生一个与采样信号同频率的参考触发信号，采样信号与参考触发信号将同时被高精度模数转换器(ADC)同步采样。参考触发信号经数字锁相环电路，变换为与参考触发信号同频率等相位的两个正交参考信号。采样信号经过数字带通滤波后和经过数字锁相环获得的参考信号一起经过数字相敏检波、数字积分补偿、数字调制加热控制电路以及相关算法后，通过高度数模转换器(DAC)后输出控制探测器表面平衡加热的调制信号，调制信号到功率放大加热调制电路，经过功率放大加热调制电路将平衡加热的信号提升功率并输出到热释电探测器表面加热层上。
如图2为采样信号的获取图，光辐射在经过高精度斩波器调制后照射到热释电探测器表面上，热释电探测器表面上产生微弱的电压信号经过增益可调的低噪声前置放大器放大，放大后的信号通过抗混叠滤波器滤除由采样和量化引入的各种相位噪声。
如图3为参考触发信号的获取图，为了要实现后续的双通道正交相关数字检波部分，参考信号要与采样信号以相同的采样频率提供数字相敏检波器所需要的相位信息，而参考信号是由外部触发信号(光辐射信号)产生，所以需要获得一个与采样信号频率一致的参考触发信号，该信号由光信号通过斩波器中控制器对光耦进行斩断而获得。
ADC采用的是同步采样的模数转换器。ADC是用来将连续的模拟信号数字化的，方便于后面的数字信号处理器(DSP)处理，ADC转换时采用高精度参考电压，这样可以保证数字化的准确性。前置放大电路输出的采样信号和同步参考触发信号，一起被同步采样ADC采集，在数字化后送入DSP数字信号处理器。
数字信号处理器(DSP)主要包含有数字锁相环，数字带通滤波，数字相敏检波，数字积分补偿和数字调制五个部分。被ADC模数转换器数字化的采样信号通过由低通滤波器和高通滤波器组合而成的数字带通滤波器降低采样信号的噪声带宽，从而减小测量误差；参考触发信号经过一个数字锁相环获取与采样信号同频率等相位的参考信号。然后滤波后的采样信号分别与两个同频率等相位的正交参考信号进行数字相敏检波，从而还原出采样信号(被测信号)的振幅(A)和相位(ψ)。根据得到的振幅和相位还原出探测信号的正弦波形，经过数字积分补偿算法得到相应的直流信号，最后通过数字调制算法对直流信号进行调制从而得到供DAC数模转换器转换的数字调制信号。
如图4所示为数字相位锁相环图。为了准确获得与参考触发信号频率和相位相同的参考信号，需要跟踪参考触发信号，在数字信号的处理上就需要一个数字锁相环来实现这个功能。数字相位锁相环主要由数字环路检相器(DPD)，数字低通滤波器(DLF)和数控振荡器(DCO)构成。数字环路低通滤波器在环路中对输入噪声起抑制作用，并对环路的校正速度起调节作用。它主要通过参考触发信号来控制内部振荡信号的相位实现自动控制，在程序上，我们就需要通过数字环路检相器(DPD)去监测比较参考触发信号与压控振荡器输出信号的相位差，若检测到相位差有变化就去控制数控震荡器，直至差值相位差恒定。当相位差恒定时，即可保证输出的参考信号与采样信号的频率和相位一致，此时即可得到所需的参考信号其中为数控振荡器(DCO)的输出信号，θn为外部触发信号，en为所需要得到的参考信号。
锁相环的传递函数为其中为数控振荡器输出信号的z变换，θ(z)为外部触发信号的z变换，为低通滤波器的传递函数，其具体系数要根据硬件系统和算法来确定。
如图5为数字相敏检波中双通道正交相关数字检波示意图。相敏检波实质上是一个模拟乘法器(或称同步解调器)，主要作用是将数字化的采样信号分别与锁相环产生的两个正交的参考信号(正弦或方波)相乘，也就是让其进行互相关运算RSX(m)。从而得到被测信号的同相相位输出和正交相位输出。其中同相相位和正交相位信号在数字处理单元中一般通过DSP处理单元的内部查表的方式产生。可以将它们同时提供给两个数字解调器，使输出的两个分量能同步输出。
输出通道的低通滤波器不仅可以滤除噪声还可以减小模拟滤波器的截止频率不稳定所造成的误差，当低通滤波器的截止频率足够低到可以抑制噪声干扰的极度衰减时，我们便可获得待测信号的频率和相位。在最终的RSX(m)表达式中提取RSX(m)的同相分量I和正交分量Q，由同相分量I和正交分量Q可以解算出被测信号振幅(A)与相位(ψ)，其ψ＝-arctg(Q/I)。因此，最终还原出探测器输出的有用信号其中w为最开始所选定的采样信号的频率。
如图6为DSP数字信号处理器中的带通滤波和相敏检波数据处理流程图，初始化完成后，ADC开始同步采样前置放大后的采样信号X(t)和参考触发信号s(t)。在对采样信号与参考信号进行数字相敏检波之前，首先得对让采样信号进入一个数字带通滤波器，减小系统的等效噪声带宽，从而达到降低系统信噪比的目的。ADC采集到的采样信号X(t)可以表示为：X(t)＝x(t)+u(t)+e1(t)，其中x(t)表示探测器输出的有用信号，u(t)表示有源器件的高斯噪声，随机噪声等，e1(t)表示ADC的量化噪声。ADC采集到的参考触发信号S(t)可以表示为：S(t)＝s(t)+e2(t)，其中s(t)表示同频参考触发信号，e2(t)表示ADC的量化噪声。采样信号X(t)和参考信号r(t)的在经过互相关运算后只保留了同频信号，同时部分的高频噪声又被低通滤波器滤除。最后便可获得我们所需的有用的采样信号
如图7为数字积分和信号调制流程图。图8为数字积分补偿和数字调制过程中信号的波形变化。根据数字相敏检波后所得到的频率和相位还原出采样信号相敏检波单元输出采样信号波形，在积分补偿单元中被还原的采样信号x(t)经过数字整流得到单向脉动信号U1，之后对U1进行单向积分得到直流信号U2，最后将直流信号经行调制得到U3、U4。同时由于加热信号是对探测器两端进行加热，所以两个加热信号相互对称，U3、U4就是DSP数字信号处理输出的加热调制信号。
DAC是数字模拟转换器，它可以将数字信号转换成模拟信号输出，输出处理单元可以通过和的平方根算法和除法算法计算出采样信号的幅值和相位。输出微处理器可以对从辅助ADC的数字信号进行必要的运算，再通过DAC转换为模拟信号或数字显示。
功率放大加热调制电路：在通过DAC模数转换器后，得到了两路波形对称，极性交变的电学平衡加热信号。功率放大电路可以提升加热调制信号的输出功率从而加热探测器表面，达到使探测器表面形成光电热等效平衡的目的。
Claims (4)
1.一种自动锁频光电等效平衡系统，其特征在于，经过斩波器调制后的光信号照射在热释电探测器表面上产生电压信号，电压信号经过前置放大电路放大后输出作为采样信号，同时斩波器中控制器产生一个与采样信号同频率的参考触发信号，放大信号与参考触发信号将同时被模数转换器同步采样；被采样后的参考触发信号经数字锁相环电路，变换为与参考触发信号同频率等相位的两个正交参考信号；采样信号经过数字带通滤波后和经过数字锁相环获得的参考信号一起依次经过数字信号处理器中的数字相敏检波、数字积分补偿、数字调制加热控制电路以及相关算法后，通过数模转换器转为模拟量输出控制探测器表面平衡加热的调制信号，调制信号到功率放大加热调制电路，经过功率放大加热调制电路将平衡加热的信号提升功率并输出到热释电探测器表面加热层上。
2.根据权利要求1所述自动锁频光电等效平衡系统，其特征在于，所述参考触发信号由光信号通过斩波器中控制器对光耦进行斩断而获得。
3.根据权利要求1所述自动锁频光电等效平衡系统，其特征在于，所述采样信号通过由低通滤波器和高通滤波器组合而成的数字带通滤波器降低采样信号的噪声带宽。
4.根据权利要求1所述自动锁频光电等效平衡系统，其特征在于，所述采样信号经过数字带通滤波后和经过数字锁相环获得的参考信号一起进入数字相敏检波，滤波后采样信号分别与两个同频率等相位的正交参考信号进行数字相敏检波，还原出采样信号的振幅A和相位ψ，根据得到的振幅和相位还原出探测信号的正弦波形，经过数字积分补偿算法得到相应的直流信号，最后通过数字调制算法对直流信号进行调制从而得到供DAC数模转换器转换的数字调制信号。
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Granted publication date: 20180522 Termination date: 20210221 |
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