CN111044485A - 基于fpga同步信号的可调谐激光吸收谐波解调电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调电路及方法，所述电路包括：包括主控芯片、DAC电路、ADC电路、电压电流转换电路以及前置放大采集电路，主控芯片为FPGA，探测器顺次通过前置放大采集电路以及ADC电路与主控芯片的输入端连接，主控芯片的输出端顺次通过DAC电路以及电压电流转换电路与激光器连接；所述方法包括：FPGA控制激光器发射光信号；探测器采集回波光信号，探测器将采集的回波光信号转换为电流信号；FPGA采集ADC电路传输的电压信号，进行数据处理，输出气体浓度数据；本发明的优点在于：发射信号与接收信号的频率和相位高度对应且相敏检波较为准确的。

Description

基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调电路及方法
技术领域
本发明涉及数据处理领域，更具体涉及基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调电路及方法。
背景技术
传统的可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)遥测甲烷浓度多采用谐波解调的技术，与封闭空间气池直接吸收谱处理方法相比，谐波检测技术不会受到激光光源、光路中不稳定因素引起的光强变化以及探测器和电路噪声等干扰的影响，能够提取微弱的回波光信号，具有很高的信噪比和检测灵敏度，极大的提高了系统的最低测量极限。同时，谐波检测一般都是采用硬件电路实现锁相放大，这种仪器电路可在强背景噪声下提取微弱信号，但很少有使用数字信号处理的技术实现相似的功能。
孟云霞.采用基于软件锁相的TDLAS光纤混合式气体传感器关键技术研究[D].天津大学,2015.提出了软件锁相谐波检测的方法，将传统的硬件电路锁相方法用数字信号处理的方法代替，其优势有如下几点：1、避免了昂贵的锁相放大器模块购买；2、即使自制锁相放大电路，由于其电路原理复杂，制作难度大；3、同时可以解调出多次谐波，有利于光强波动较大的情况下高次谐波浓度检测。但是其软件锁相放大使用上位机软件和信号峰值对比的方法实现相敏检波，信号发射与采集不能保证同步，相位对应困难，导致相敏检波不准。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种发射信号与接收信号的频率和相位高度对应且相敏检波较为准确的基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调电路及方法。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调电路，包括主控芯片、DAC电路、ADC电路、电压电流转换电路以及前置放大采集电路，所述主控芯片为FPGA，探测器顺次通过前置放大采集电路以及ADC电路与主控芯片的输入端连接，主控芯片的输出端顺次通过DAC电路以及电压电流转换电路与激光器连接。本发明提出解调电路，使用FPGA作为主控芯片同步发射与采集信号，发射信号与接收信号的频率和相位高度对应，只需要给出固定的延时，信号的起止点均可检测出来，同时后续的信号处理均在FPGA中即时计算得到，使得锁相放大的得到的谐波信号非常可靠，最终测得的气体浓度数据较为准确。
优选的，所述激光器为可调谐分布反馈式激光器，中心波长为1653.72nm，输出线型宽度为10MHZ，输出功率为10mW。
优选的，所述主控芯片的型号为Altera EP4CE10F。
优选的，所述探测器为光电探测器，所述光电探测器的测量波长范围为900nm-1700nm，探测面直径为1000μm，暗电流为5nA。
本发明还提供基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调方法，所述方法基于以上所述的解调电路实现，所述方法包括：
步骤一：FPGA向DAC电路发出驱动指令，DAC电路作为电压调制源通过电压电流转换电路连接激光器内部的三极管的集电极和发射极，驱动激光器发射光信号；
步骤二：激光器输出光信号后经过气体吸收然后通过背景物反射被探测器采集回波光信号，探测器将采集的回波光信号转换为电流信号；
步骤三：探测器的电流信号经过前置放大采集电路后输出给ADC电路，ADC电路将电流信号转换为电压信号输出给FPGA，FPGA采集ADC电路传输的电压信号，进行数据处理，输出气体浓度数据。
本发明提出的解调方法，使用FPGA作为主控芯片同步发射与采集信号，利用FPGA芯片的并行高精度性，使得发射信号与接收信号的频率和相位高度对应，只需要给出固定的延时，信号的起止点均可检测出来，同时后续的信号处理均在FPGA中即时计算得到，使得锁相放大的得到的谐波信号非常可靠，最终测得的气体浓度数据较为准确，整个过程实现同步信号数字锁相放大和微弱光信号的提取。
优选的，所述步骤一中的驱动为恒电流源驱动，驱动过程中，电流调制信号为5Hz低频锯齿波和2kHz高频正弦波叠加的正弦信号，锯齿波和正弦波幅度之比为5:1，正弦信号的每个周期有一百个采样点。
优选的，所述步骤二中，根据所需探测距离不同，FPGA每发出一次驱动指令，延时预设时间采集回波光信号。
优选的，所述步骤三中，所述进行数据处理，输出气体浓度，具体包括：FPGA接受到采集后的电压信号，将a个一次采样数据累加为一个一次谐波数据点，将a个二次采样数据累加为一个二次谐波数据点，再将b个一次谐波数据点输出为一个周期的一次谐波信号，将b个二次谐波数据点输出为一个周期的二次谐波信号，一次谐波信号和二次谐波信号分别平滑滤波后取峰值的最大值，最后根据二次谐波信号与一次谐波信号的峰值的最大值之比在FPGA的内存中寻找对应的气体浓度数据。
优选的，所述平滑滤波的公式为：yj＝1/4(yj-1+2yj+yj+1)，其中yj-1为当前谐波数据点的上一谐波数据点的幅值，yj为当前谐波数据点的幅值，yj+1为当前谐波数据点的下一谐波数据点的幅值。
本发明的优点在于：本发明使用FPGA作为主控芯片同步发射与采集信号，利用FPGA芯片的并行高精度性，使得发射信号与接收信号的频率和相位高度对应，只需要给出固定的延时，信号的起止点均可检测出来，同时后续的信号处理均在FPGA中即时计算得到，使得锁相放大的得到的谐波信号非常可靠，最终测得的气体浓度数据较为准确，整个过程实现同步信号数字锁相放大和微弱光信号的提取。
附图说明
图1为本发明实施例1所公开的基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调电路的原理框图；
图2为本发明实施例2所公开的基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调方法的流程图；
图3为本发明实施例2所公开的基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调方法的数字化解释图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调电路，包括主控芯片、DAC电路、ADC电路、电压电流转换电路以及前置放大采集电路，所述主控芯片为FPGA，所述主控芯片的型号为Altera EP4CE10F。探测器顺次通过前置放大采集电路以及ADC电路与主控芯片的输入端连接，主控芯片的输出端顺次通过DAC电路以及电压电流转换电路与激光器连接。所述激光器为可调谐分布反馈式激光器，该激光器可通过改变温度和电流来改变中心波长的位置，其中心波长为1653.72nm，输出线型宽度为10MHZ，输出功率为10mW。
所述探测器为光电探测器，光电探测器用于将照射到探测器表面的激光光辐射转变为电流信号进行测量，所述光电探测器的测量波长范围为900nm-1700nm，探测面直径为1000μm，暗电流为5nA。
本发明实施例1的工作原理和工作过程为：FPGA作为主控芯片，同时外接12位DAC电路和ADC电路用于输出和采集信号，DAC电路作为电压调制源连接三极管的集电极，三极管的发射极接恒电流源驱动DFB激光器，三极管为激光器内部集成的器件。激光器输出光信号后经过气体吸收然后通过背景物反射被光电探测器采集，根据所需探测距离不同，每驱动一次激光器后延时预设时间光电探测器采集回波光信号，光电探测器将回波光信号转换为电流信号，光电探测器的电流信号经过前置放大采集电路后输出给ADC电路，最后被FPGA接受进行锁相放大处理。
通过以上技术方案，本发明实施例1提出的基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调电路，使用FPGA作为主控芯片同步发射与采集信号，发射信号与接收信号的频率和相位高度对应，只需要给出固定的延时，信号的起止点均可检测出来，同时后续的信号处理均在FPGA中即时计算得到，使得锁相放大的得到的谐波信号非常可靠，最终测得的气体浓度数据较为准确。
实施例2
与本发明实施例1相对应的，本发明实施例2提供基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调方法，所述方法基于实施例1所述的解调电路实现，如图2和图3所示，所述方法包括：
步骤S1：FPGA向DAC电路发出驱动指令，DAC电路作为电压调制源通过电压电流转换电路连接激光器内部的三极管的集电极和发射极，驱动激光器发射光信号；其中，驱动为恒电流源驱动，驱动过程中，电流调制信号为5Hz低频锯齿波和2kHz高频正弦波叠加的正弦信号，锯齿波和正弦波幅度之比为5:1，正弦信号的每个周期有一百个采样点。
步骤S2：激光器输出光信号后经过气体吸收然后通过背景物反射被探测器采集回波光信号，探测器将采集的回波光信号转换为电流信号；其中，根据所需探测距离不同，FPGA每发出一次驱动指令，延时预设时间采集回波光信号。
步骤S3：探测器的电流信号经过前置放大采集电路后输出给ADC电路，ADC电路将电流信号转换为电压信号输出给FPGA，FPGA采集ADC电路传输的电压信号，进行数据处理，输出气体浓度数据。其中，所述进行数据处理，输出气体浓度，具体包括：FPGA接受到采集后的电压信号，将a个一次采样数据累加为一个一次谐波数据点，将a个二次采样数据累加为一个二次谐波数据点，再将b个一次谐波数据点输出为一个周期的一次谐波信号，将b个二次谐波数据点输出为一个周期的二次谐波信号，一次谐波信号和二次谐波信号分别平滑滤波后取峰值的最大值，最后根据二次谐波信号与一次谐波信号的峰值的最大值之比在FPGA的内存中寻找对应的气体浓度数据。本发明中，a为100，b为400。如图3所示，×sin(ωΔt)表示FPGA对采集数据进行一次采样，每个采样时刻获得一个一次采样数据，×sin(2ωΔt)表示FPGA对采集数据进行二次采样，每个采样时刻获得一个二次采样数据，∑S1 i表示对i个一次采样数据进行求和，∑S2 i表示对i个二次采样数据进行求和，∑1 j表示对j个一次谐波数据点输出为一个周期的一次谐波信号，∑2 j表示对j个二次谐波数据点输出为一个周期的二次谐波信号，Max(∑1 1...∑1 400)表示一次谐波信号取峰值的最大值，Max(∑2 1...∑2 400)表二次谐波信号取峰值的最大值，∑M 2/∑M 1表示二次谐波信号与一次谐波信号的峰值的最大值之比，图3只是对于本发明实施例2的处理过程的一个数字化的解释，数据处理过程中涉及的公式参数属于本领域常规参数，本领域人员很容易理解，对于其出现的公式符号不一一解释。
作为本发明实施例2的进一步改进方案，所述平滑滤波的公式为：yj＝1/4(yj-1+2yj+yj+1)，其中yj-1为当前谐波数据点的上一谐波数据点的幅值，yj为当前谐波数据点的幅值，yj+1为当前谐波数据点的下一谐波数据点的幅值。
通过以上技术方案，本发明提出的基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调方法，使用FPGA作为主控芯片同步发射与采集信号，利用FPGA芯片的并行高精度性，使得发射信号与接收信号的频率和相位高度对应，只需要给出固定的延时，信号的起止点均可检测出来，同时后续的信号处理均在FPGA中即时计算得到，使得锁相放大的得到的谐波信号非常可靠，最终测得的气体浓度数据较为准确，整个过程实现同步信号数字锁相放大和微弱光信号的提取。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调电路，其特征在于，包括主控芯片、DAC电路、ADC电路、电压电流转换电路以及前置放大采集电路，所述主控芯片为FPGA，探测器顺次通过前置放大采集电路以及ADC电路与主控芯片的输入端连接，主控芯片的输出端顺次通过DAC电路以及电压电流转换电路与激光器连接。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调电路，其特征在于，所述激光器为可调谐分布反馈式激光器，中心波长为1653.72nm，输出线型宽度为10MHZ，输出功率为10mW。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调电路，其特征在于，所述主控芯片的型号为Altera EP4CE10F。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调电路，其特征在于，所述探测器为光电探测器，所述光电探测器的测量波长范围为900nm-1700nm，探测面直径为1000μm，暗电流为5nA。
5.基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-4任一项所述的解调电路实现，所述方法包括：
步骤一：FPGA向DAC电路发出驱动指令，DAC电路作为电压调制源通过电压电流转换电路连接激光器内部的三极管的集电极和发射极，驱动激光器发射光信号；
步骤二：激光器输出光信号后经过气体吸收然后通过背景物反射被探测器采集回波光信号，探测器将采集的回波光信号转换为电流信号；
步骤三：探测器的电流信号经过前置放大采集电路后输出给ADC电路，ADC电路将电流信号转换为电压信号输出给FPGA，FPGA采集ADC电路传输的电压信号，进行数据处理，输出气体浓度数据。
6.根据权利要求5所述的基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调方法，其特征在于，所述步骤一中的驱动为恒电流源驱动，驱动过程中，电流调制信号为5Hz低频锯齿波和2kHz高频正弦波叠加的正弦信号，锯齿波和正弦波幅度之比为5:1，正弦信号的每个周期有一百个采样点。
7.根据权利要求5所述的基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调方法，其特征在于，所述步骤二中，根据所需探测距离不同，FPGA每发出一次驱动指令，延时预设时间采集回波光信号。
8.根据权利要求5所述的基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调方法，其特征在于，所述步骤三中，所述进行数据处理，输出气体浓度，具体包括：FPGA接受到采集后的电压信号，将a个一次采样数据累加为一个一次谐波数据点，将a个二次采样数据累加为一个二次谐波数据点，再将b个一次谐波数据点输出为一个周期的一次谐波信号，将b个二次谐波数据点输出为一个周期的二次谐波信号，一次谐波信号和二次谐波信号分别平滑滤波后取峰值的最大值，最后根据二次谐波信号与一次谐波信号的峰值的最大值之比在FPGA的内存中寻找对应的气体浓度数据。
9.根据权利要求8所述的基于FPGA同步信号的可调谐激光吸收谐波解调方法，其特征在于，所述平滑滤波的公式为：yj＝1/4(yj-1+2yj+yj+1)，其中yj-1为当前谐波数据点的上一谐波数据点的幅值，yj为当前谐波数据点的幅值，yj+1为当前谐波数据点的下一谐波数据点的幅值。
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