CN111272281B - 一种弹光调制傅里叶光谱仪中干涉具稳定控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于干涉具稳定控制技术领域，具体涉及一种弹光调制傅里叶光谱仪中干涉具稳定控制装置及方法，卡塞格林望远镜的一侧依次设置有起偏器、弹光调制干涉具，弹光调制干涉具分别连接有第一分束器、第二分束器，第一分束器设置在参考激光的出射光路上，第二分束器的分束光路上设置有第二探测器，第二探测器连接有高速比较器；弹光调制干涉具的一侧依次设置有解偏器、第一探测器，高速比较器和AD采集电路均连接在数据处理控制模块上，弹光调制干涉具通过LC驱动电路与数据处理控制模块连接。本发明实现弹光调制干涉具的电‑力‑光闭环自适应稳定控制，最终实现弹光调制干涉具的高效稳定工作。本发明用于弹光调制干涉具的控制。
Description
技术领域
本发明属于干涉具稳定控制技术领域，具体涉及一种弹光调制傅里叶光谱仪中干涉具稳定控制装置及方法。
背景技术
傅里叶变换光谱仪，以其宽光谱、高分辨率、高灵敏度等优势，在红外波段成为最有效的测量和分析仪器，广泛应用于宇宙探测、环境与灾害监测、生物医学、军事等领域。以人工双折射弹光调制器作为干涉具的新型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、釆用点探测器等优点。其作为傅里叶变换光谱仪的一个发展方向，在瞬态光谱探测中具有潜在优势。弹光调制技术是一种基于弹光效应的光学偏振调制技术。弹光调制干涉具谐振工作时，压电晶体对弹光晶体加以周期性变化的机械应力，驱动并维持弹光晶体振动，并产生周期性变化的双折射，进而实现对入射光的相位调制。现阶段常用的弹光调制干涉具有长棒状一维弹光调制干涉具和八角对称结构二维弹光调制干涉具。弹光调制干涉具具有较高的工作频率(一般为40～80kHz)、较大的通光面积和孔径、较高的调制纯度和调制效率、较好的调制稳定性等。鉴于弹光调制干涉具的这些优势，弹光调制干涉具已被广泛应用于Stokes矢量分析、线性双折射检测、椭偏参量测量、Muller矩阵分析等领域。此外，弹光调制干涉具的通光晶体可选熔融石英、氟化钙、硒化锌、单晶硅、单晶锗等各向同性光学晶体材料，使得弹光调制干涉具具有较宽的光谱窗口(从深紫外到太赫兹波段)。这些独特优势，使得弹光调制干涉具在高精度、高速偏振光谱成像和瞬态调制光谱测量领域具有巨大应用价值和前景。但弹光晶体振动形变呈正弦规律，以致于调制光程差正弦变化，且调制频率很高，每秒可产生上万张干涉图。干涉信号的高调制频率和正弦变化的光程差，对弹光调制数据处理系统提出了高要求，使弹光调制数据处理系统在干涉图的高速采集、大容量存储、快速光谱复原等方面都存在一定的技术难度。而且在实际具体应用中，弹光调制干涉具作为一种谐振功率器件，在工作过程中普遍存在因热耗散导致的光程差不稳定现象。尤其是在大光程差调制状态下，热耗散将会导致光程差精密度的急剧下降，从而使弹光调制傅里叶变换光谱仪的波长精密度和测量稳定性受到制约。因此，有必要对弹光调制干涉具的稳定性理论模型及相应的稳定控制技术进行研究。
发明内容
针对上述弹光调制数据处理系统在干涉图采集慢、容量存储小、光谱复原速度慢的技术问题，本发明提供了一种高速采集、大容量存储、快速光谱复原的弹光调制傅里叶光谱仪中干涉具稳定控制装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种弹光调制傅里叶光谱仪中干涉具稳定控制装置，包括卡塞格林望远镜、起偏器、弹光调制干涉具、参考激光、第一分束器、第二分束器、解偏器、第一探测器、第二探测器、高速比较器、AD采集电路、数据处理控制模块、LC驱动电路，所述卡塞格林望远镜的一侧依次设置有起偏器、弹光调制干涉具，所述弹光调制干涉具分别连接有第一分束器、第二分束器，所述第一分束器设置在参考激光的出射光路上，所述第二分束器的分束光路上设置有第二探测器，所述第二探测器连接有高速比较器；所述弹光调制干涉具的一侧依次设置有解偏器、第一探测器，所述第一探测器连接有AD采集电路，所述高速比较器和AD采集电路均连接在数据处理控制模块上，所述弹光调制干涉具通过LC驱动电路与数据处理控制模块连接。
所述数据处理控制模块采用FPGA。
一种弹光调制傅里叶光谱仪中干涉具稳定控制方法，包括下列步骤：
S1、输入固定频率；
S2、弹光调制干涉具工作后，在工作时间大于5分钟后，由于热效应，振动频率会发生偏移，频率偏移后，导致光程差变化；
S3、干涉信号经高速比较器、计数器处理，计得的峰峰数与相邻周期的数值进行比较，由频率控制字调节弹光调制干涉具工作频率，使其始终工作在谐振状态，再由数据处理控制模块改变LC驱动电路的输入方波占空比；
S4、在弹光调制干涉具温漂后，通过调频和调占空比，使弹光调制干涉具保持恒定光程差，保持在稳定状态。
所述S1中输入固定频率的方法为：从弹光调制干涉具输出的干涉信号，通过放大滤波处理后，经由高速比较器转化为方波，输至计数器，通过计量上升沿个数得到峰峰数。
所述S2中振动频率偏移导致光程差变化的方法为：将高速计数器峰峰数所计得的数字与相邻周期内的峰峰数进行比较，当峰峰数变化时，频率控制程序将修改双通道信号源模块的频率控制字，进而改变驱动电路控制信号频率，保证带宽匹配型弹光调制干涉具在温漂情况下，调制效率仍在谐振频率下，光程差因子仍稳定状态。
所述S4中使弹光调制干涉具保持恒定光程差的方法为：在频率调节至谐振状态后，再由数据处理控制模块通过判定相邻调制周期内的光程差变化，调节CMOS电平信号的占空比使输出电压达到最大，保证其稳定状态。
所述弹光调制干涉具的闭环稳定控制方法采用双反馈的方法，所述一路的反馈回路为：参考激光经过弹光调制干涉具产生激光干涉信号由高速探测器以峰值计数的方式来快速得到弹光调制干涉具的光程差，将得到的光程差与相邻周期进行比较，由频率控制字控制弹光调制干涉具的工作频率，保证弹光调制干涉具始终工作在谐振频率下；所述另一路的反馈回路为：在频率调节至谐振状态下，再由数据处理控制模块通过判定相邻调制周期内的光程差变化，调节FPGA输出的控制方波的占空比，使LC高压驱动电压达到最大。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明将弹光调制干涉具的稳定性作为研究对象，与传统的只考虑多弹光调制干涉具串接式谐振控制系统设计相比，系统的光谱分辨率得到了有效的提高，能够进一步提高调制光程差，为高精度、高灵敏的获取测量目标的偏振信息和光谱信息提供技术支持；
本发明从改进的弹光调制干涉具振动模型出发，分析匹配特性对弹光调制干涉具振动性能的影响，结合弹光调制器品质因数及损耗构成，建立大光程差弹光调制干涉具温漂模型。结合压电驱动器和弹光晶体的频率温度系数，建立弹光调制干涉具谐振频率漂移模型，分析了谐振频率漂移对弹光调制器品质因数和调制效率的影响特性，最终得到热耗散对弹光调制干涉具稳定性的影响机理；
本发明针对温度升高造成的压电驱动器和弹光晶体谐振频率漂移，在反谐振匹配方案的基础上，提出带宽匹配型弹光调制干涉具设计方案。建立温度升高造成的弹光调制干涉具匹配特性和调制效率变化的数学模型，结合研制的压电石驱动器和弹光晶体的频率温度特性，对带宽匹配型弹光调制干涉具工作原理及稳定调制带宽、升温幅度和驱动频率三者与光程差稳定性间的关系进行分析，建立包含驱动频率、升温幅度和光程差的数学模型。
本发明针对弹光调制干涉具驱动频率、升温幅度和光程差的数学模型，分析了反馈信号的频率与驱动电路输入端电压对弹光调制干涉具驱动电压的影响，提出双反馈自适应控制策略。结合频率、升温幅度和驱动频率数学模型，通过FPGA输出自适应可调的反馈信号，实现弹光调制干涉具的电-力-光闭环自适应稳定控制，最终实现弹光调制干涉具的高效稳定工作。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的工作流程图；
其中：1为卡塞格林望远镜，2为起偏器，3为弹光调制干涉具，4为参考激光，5为第一分束器，6为第二分束器，7为解偏器，8为第一探测器，9为第二探测器，10为高速比较器，11为AD采集电路，12为数据处理控制模块，13为LC驱动电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
一种弹光调制傅里叶光谱仪中干涉具稳定控制装置，如图1所示，包括卡塞格林望远镜1、起偏器2、弹光调制干涉具3、参考激光4、第一分束器5、第二分束器6、解偏器7、第一探测器8、第二探测器9、高速比较器10、AD采集电路11、数据处理控制模块12、LC驱动电路13，卡塞格林望远镜1的一侧依次设置有起偏器2、弹光调制干涉具3，弹光调制干涉具3分别连接有第一分束器5、第二分束器6，第一分束器5设置在参考激光4的出射光路上，第二分束器6的分束光路上设置有第二探测器9，第二探测器9连接有高速比较器10；弹光调制干涉具3的一侧依次设置有解偏器7、第一探测器8，第一探测器8连接有AD采集电路11，高速比较器10和AD采集电路11均连接在数据处理控制模块12上，弹光调制干涉具3通过LC驱动电路13与数据处理控制模块12连接。
进一步，优选的，数据处理控制模块12采用FPGA。
一种弹光调制傅里叶光谱仪中干涉具稳定控制方法，如图2所示，包括下列步骤：
S1、输入固定频率；
S2、弹光调制干涉具工作后，在工作时间大于5分钟后，由于热效应，振动频率会发生偏移，频率偏移后，导致光程差变化；
S3、干涉信号经高速比较器、计数器处理，计得的峰峰数与相邻周期的数值进行比较，由频率控制字调节弹光调制干涉具工作频率，使其始终工作在谐振状态，再由数据处理控制模块改变LC驱动电路的输入方波占空比；
S4、在弹光调制干涉具温漂后，通过调频和调占空比，使弹光调制干涉具保持恒定光程差，保持在稳定状态。
进一步，S1中输入固定频率的方法为：从弹光调制干涉具输出的干涉信号，通过放大滤波处理后，经由高速比较器转化为方波，输至计数器，通过计量上升沿个数得到峰峰数。
进一步，S2中振动频率偏移导致光程差变化的方法为：将高速计数器峰峰数所计得的数字与相邻周期内的峰峰数进行比较，当峰峰数变化时，频率控制程序将修改双通道信号源模块的频率控制字，进而改变驱动电路控制信号频率，保证带宽匹配型弹光调制干涉具在温漂情况下，调制效率仍在谐振频率下，光程差因子仍稳定状态。
进一步，S4中使弹光调制干涉具保持恒定光程差的方法为：在频率调节至谐振状态后，再由数据处理控制模块通过判定相邻调制周期内的光程差变化，调节CMOS电平信号的占空比使输出电压达到最大，保证其稳定状态。
进一步，弹光调制干涉具的闭环稳定控制方法采用双反馈的方法，一路的反馈回路为：参考激光经过弹光调制干涉具产生激光干涉信号由高速探测器以峰值计数的方式来快速得到弹光调制干涉具的光程差，将得到的光程差与相邻周期进行比较，由频率控制字控制弹光调制干涉具的工作频率，保证弹光调制干涉具始终工作在谐振频率下；另一路的反馈回路为：在频率调节至谐振状态下，再由数据处理控制模块通过判定相邻调制周期内的光程差变化，调节FPGA输出的控制方波的占空比，使LC高压驱动电压达到最大。
实施例
弹光调制干涉具的物理结构决定了它的数学模型具有多变量、非线性、强耦合的性质，为实现带宽匹配型弹光调制干涉具及光程差稳定控制系统设计，必须建立温度变化过程中PEM各参量之间的数学模型。设压电石英驱动器和ZnSe弹光晶体的初始频率分别为ωa，ωr，初始频率偏移量为Δω＝ωa-ωr，初始驱动频率为ω′，初始光程差因子为η0，调制过程中压电石英驱动器温度升高幅度为T，驱动信号频率为ω，调制过程中光程差因子为η。则带宽匹配型PEM设计过程中的四个变量分变为：Δω、T、ω和η。
设初始温度下，压电石英驱动器和ZnSe弹光晶体的初始频率分别为ωa，ωr，初始频率偏移量为Δω＝ωa-ωr，初始驱动信号频率为ω′，且ωa＝50.000KHz。则带宽匹配型PEM的初始光程差因子η0表达式为：
结合谐振网络幅频特性，为保证弹光调制干涉具产生稳定的调制光程差，需要使驱动电压V与光程差因子η的乘积在温度漂移过程中保持恒定。理论上光程差因子的变化范围满足0<η≤1,对应驱动电压范围为V0<V<∞。但是在实际的带宽匹配型弹光调制干涉具设计过程中根据公式
中光程差因子与温度变化幅度间函数关系，为保证带宽匹配型弹光调制干涉具在实验室温度15～30°范围内保持稳定，初始工作温度下光程差因子应满足η0≤0.4。
针对升温过程中驱动频率和光程差因子的非线性数学模型，以及工作环境温度的未知性，以李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论为基础，将基于锁相技术的自适应频率控制环路与基于恒定增益的自适应幅度控制环路相结合，设计了一种双反馈自适应控制系统。整个控制系统的工作流程为：
首先，由基于锁相技术的频率自适应控制模块对带宽匹配型弹光调制干涉具的工作环境温度T0′进行判定。频率控制环路采用扫频方式精确测定压电石英驱动器在T0′温度下的谐振频率ω0′，并将该谐振频率与设计参数中的初始谐振频率ω0@25°进行对比，结合压电晶体频率温度系数反演得到工作环境温度T0′；其次，频率控制环路将测量得到的工作环境温度T0′与初始设计温度T0＝25°进行对比，得到该环境温度相对于设计温度的升温的幅度T1，进而确定工作环境温度T0′所对应的光程差因子η0′，以及相应的工作环境温度T0′下的驱动电压V0′，压电石英驱动器驱动频率ω′和相位差
针对弹光调制干涉具的控制主要由两个反馈构成。
其中，一路的反馈回路为：激光干涉信号光程差获取模块将参考激光经过弹光调制干涉具产生激光干涉信号以峰值计数的方式来快速得到弹光调制干涉具的光程差，为控制系统调节驱动电压幅值提供参照。光程差获取模块硬件电路主要以高速比较器为核心，将探测器得到的激光干涉信号进行滤波后，转换为数字电路能够识别的3.3V CMOS电平信号，经计数得到一个调制周期内弹光调制干涉具调制光程差大小，与相邻周期内光程差大小进行比较，频率控制程序将修改双通道信号源模块的频率控制字，进而改变驱动电路控制信号频率，使弹光调制干涉具始终工作在谐振频率下。
另一路反馈回路为：在频率调节至谐振状态下，再由数据处理控制模块通过判定相邻调制周期内的光程差变化，调节FPGA输出的控制方波的占空比，使LC高压驱动电压达到最大。最后，实现对带宽匹配型弹光调制干涉具调制光程差的稳定控制，保证其温度升高特定幅度后持续保持稳定状态。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种弹光调制傅里叶光谱仪中干涉具稳定控制装置的控制方法，其特征在于：包括下列步骤：
S1、输入固定频率；
S2、弹光调制干涉具工作后，在工作时间大于5分钟后，由于热效应，振动频率会发生偏移，频率偏移后，导致光程差变化；
S3、干涉信号经高速比较器、计数器处理，计得的峰峰数与相邻周期的数值进行比较，由频率控制字调节弹光调制干涉具工作频率，使其始终工作在谐振状态，再由数据处理控制模块改变LC驱动电路的输入方波占空比；
S4、在弹光调制干涉具温漂后，通过调频和调占空比，使弹光调制干涉具保持恒定光程差，保持在稳定状态；所述S4中使弹光调制干涉具保持恒定光程差的方法为：在频率调节至谐振状态后，再由数据处理控制模块通过判定相邻调制周期内的光程差变化，调节CMOS电平信号的占空比使输出电压达到最大，保证其稳定状态；
所述弹光调制傅里叶光谱仪中干涉具稳定控制装置，包括卡塞格林望远镜(1)、起偏器(2)、弹光调制干涉具(3)、参考激光(4)、第一分束器(5)、第二分束器(6)、解偏器(7)、第一探测器(8)、第二探测器(9)、高速比较器(10)、AD采集电路(11)、数据处理控制模块(12)、LC驱动电路(13)，所述卡塞格林望远镜(1)的一侧依次设置有起偏器(2)、弹光调制干涉具(3)，所述弹光调制干涉具(3)分别连接有第一分束器(5)、第二分束器(6)，所述第一分束器(5)设置在参考激光(4)的出射光路上，所述第二分束器(6)的分束光路上设置有第二探测器(9)，所述第二探测器(9)连接有高速比较器(10)；所述弹光调制干涉具(3)的一侧依次设置有解偏器(7)、第一探测器(8)，所述第一探测器(8)连接有AD采集电路(11)，所述高速比较器(10)和AD采集电路(11)均连接在数据处理控制模块(12)上，所述弹光调制干涉具(3)通过LC驱动电路(13)与数据处理控制模块(12)连接；所述数据处理控制模块(12)采用FPGA。
2.根据权利要求1所述的一种弹光调制傅里叶光谱仪中干涉具稳定控制方法，其特征在于：所述S1中输入固定频率的方法为：从弹光调制干涉具输出的干涉信号，通过放大滤波处理后，经由高速比较器转化为方波，输至计数器，通过计量上升沿个数得到峰峰数。
3.根据权利要求1所述的一种弹光调制傅里叶光谱仪中干涉具稳定控制方法，其特征在于：所述S2中振动频率偏移导致光程差变化的方法为：将高速计数器峰峰数所计得的数字与相邻周期内的峰峰数进行比较，当峰峰数变化时，频率控制程序将修改双通道信号源模块的频率控制字，进而改变驱动电路控制信号频率，保证带宽匹配型弹光调制干涉具在温漂情况下，调制效率仍在谐振频率下，光程差因子仍稳定状态。
4.根据权利要求1所述的一种弹光调制傅里叶光谱仪中干涉具稳定控制方法，其特征在于：所述弹光调制干涉具的闭环稳定控制方法采用双反馈的方法，一路的反馈回路为：参考激光经过弹光调制干涉具产生激光干涉信号由高速探测器以峰值计数的方式来快速得到弹光调制干涉具的光程差，将得到的光程差与相邻周期进行比较，由频率控制字控制弹光调制干涉具的工作频率，保证弹光调制干涉具始终工作在谐振频率下；另一路的反馈回路为：在频率调节至谐振状态下，再由数据处理控制模块通过判定相邻调制周期内的光程差变化，调节FPGA输出的控制方波的占空比，使LC高压驱动电压达到最大。
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