CN112422192A - 用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统 - Google Patents
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Abstract
用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统，该系统通过控制声光调制器实现检测光功率的稳定和幅值方波调制，解决了检测光功率不稳定的问题和降低了检测光中的低频噪声，从而大大提高了原子自旋惯性测量装置的检测精度，而且通过DDS芯片+射频功放的电路实现声光调制器的驱动与控制调制，有利于原子自旋惯性测量装置的小型化。
Description
技术领域
本发明属于光学和信号处理技术领域，具体涉及一种用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统，该系统通过控制声光调制器实现检测光功率的稳定和幅值方波调制，解决了检测光功率不稳定的问题和降低了检测光中的低频噪声，从而大大提高了原子自旋惯性测量装置的检测精度，而且通过DDS芯片+射频功放的电路实现声光调制器的驱动与控制调制，有利于原子自旋惯性测量装置的小型化。
背景技术
随着量子技术的发展，利用原子自旋惯性测量传感器探测角速率等也成为了高精度、长航时惯性导航系统发展的新研究方向。目前基于原子自旋的惯性测量的理论精度远高于现有测量手段，并且能够实现小型化、集成化，备受国内外相关研究机构的关注。原子自旋惯性测量中检测光和抽运光需要对功率与频率的稳定性提出很高的要求。而半导体激光器作为原子自旋惯性测量中检测光和抽运光的光源，其自身功率波动大，所以必须改善激光功率的稳定性。激光器的频率稳定一般采用内调制来实现，所以激光功率的稳定性无法再通过内调制来实现。并且检测光中存在的其他电子设备产生的噪声也会降低整个装置的检测精度，所以需要对激光功率在保证稳定的情况下，实现快速地幅值调制。往往功率稳定与幅值调制的系统是分开的，同时小型原子自旋惯性测量需要进行磁屏蔽，但现有激光功率稳定与调制的方法很难满足体积小、功耗低、磁噪声低且满足功率快速调制等条件。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷或不足，提供一种用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统，该系统通过控制声光调制器实现检测光功率的稳定和幅值方波调制，解决了检测光功率不稳定的问题和降低了检测光中的低频噪声，从而大大提高了原子自旋惯性测量装置的检测精度，而且通过DDS芯片+射频功放的电路实现声光调制器的驱动与控制调制，有利于原子自旋惯性测量装置的小型化。
本发明的技术方案如下：
用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统，其特征在于，包括基于声光调制器AOM的激光功率调制光路，所述声光调制器AOM连接电路系统，所述电路系统分别连接光电探测器和上位机，所述声光调制器AOM的左侧输入光路连接半导体激光器，所述光电探测器通过设置在所述声光调制器AOM右侧输出光路上的偏振分光棱镜采集光信号，所述电路系统中的FPGA模块通过包含DDS模块的AOM驱动模块对所述声光调制器AOM进行反馈控制以实现激光功率的稳定和功率方波调制，所述FPGA模块通过模数转换模块ADC连接所述光电探测器。
所述DDS模块采用型号为AD9910的DDS芯片，所述DDS芯片依次通过低通滤波电路和功率放大电路连接所述声光调制器AOM，所述FPGA模块上配置有AD9910驱动程序，所述AD9910驱动程序依次通过PID控制程序和DSP程序连接所述ADC驱动程序。
AD9910芯片连接晶振，并通过PLL_LOOP_FILTER引脚连接环路滤波电路，所述AD9910芯片的差分输出VOUT+端和VOUT-端分别连接双端转单端电路，所述双端转单端电路的输出端OUTPUT连接所述低通滤波电路。
FPGA通过SCLK引脚、CS_n引脚、IO_UPDATE引脚、IO_RESET引脚、SDIO引脚、MASTER_RESET引脚、D[15:0]引脚、F[1:0]引脚、TxENABLE引脚与AD9910通信，其中MSATER_RESET、SDIO、IO_RESET、IO_UPDATE、CS_n和SCLK引脚为串行接口，实现FPGA对AD9910的初始化配置和输出信号的相位与频率设置；D[15:0]、F[1:0]和TxENABLE为并行接口，实现FPGA对AD9910输出信号的幅值控制，AD9910内部集成有锁相环PLL。
所述模数转换模块ADC采用型号为AD7767的ADC芯片，所述ADC芯片通过前向调理电路连接所述光电探测器，所述前向调理电路为单端转差分电路，AD7767通过+2.5V数字端和+2.5V模拟端分别连接供电电源，AD7767通过+5V端和+3.3V端分别连接基准电源，AD7767通过VIN+端和VIN-端分别连接所述单端转差分电路，所述单端转差分电路接收来自所述光电探测器的模拟信号。
AD7767芯片通过SDO引脚、DRDY引脚、CS引脚、MCLK引脚、SCLK引脚、SYNC引脚与FPGA通信，SDO用于发送数字信号到FPGA，CS与SYNC一直为低电平，MCLK的频率为采样率的八分之一，通过改变MCLK改变AD7767的采样率，SCLK为AD7767进行模数转换时的时钟，为了避免出现时序错误，采用SCLK的下降沿，对SDO引脚端进行采集，当采集到脉冲光的高电平时，FPGA保留数据；当采集到其他位置，FPGA判断并删除当前数据。
所述低通滤波电路采用无源LC低通滤波器，截止频率为400MHz。
所述FPGA模块包括分别连接FPGA总时序控制器的AD9910初始化模块、频率/相位控制模块和振幅控制模块，所述AD9910初始化模块和频率/相位控制模块均连接串行外设接口SPI数据端口，所述振幅控制模块连接并行数据端口；AD9910包括使能与配置寄存器，Profile0寄存器，DDS内核，DA转换模块，ASF振幅寄存器，所述ASF振幅寄存器连接并行数据端口，所述使能与配置寄存器，和Profile0寄存器均连接SPI数据端口，所述ASF振幅寄存器和所述Profile0寄存器以及所述DA转换模块分别连接所述DDS内核，所述DA转换模块通过低通滤波器LPF连接功率放大模块；所述FPGA模块上配置的AD9910驱动程序包括以下步骤：步骤1，开始；步骤2，复位初始化；步骤3，对IO端口使能；步骤4，发送第二控制功能寄存器CFR2指令和数据；步骤5，发送第三控制功能寄存器CFR3指令和数据；步骤6，发送寄存器Profile0指令和数据；步骤7，对CFR2进行重新配置，发送CFR2指令和数据；步骤8，结束配置；其中步骤4至步骤6属于串行端口配置，步骤7至步骤8属于并行端口配置。
所述步骤4对CFR2的配置包括配置CFR2的设定值，使能单频调制Profile振幅；所述步骤5对CFR3的配置包括配置CFR3的设定值，使40MHz的有源晶振通过锁相环PLL产生1GHz的信号，分频倍数25；所述步骤6对寄存器Profile0进行配置包括将频率控制字、相位控制字和初始化的幅值控制字写入缓存器中；所述步骤7对CFR2的重新配置包括写入数据为0x01400810，将CFR2的并行数据端口使能，以使AD9910能够产生一个频率为80MHz，幅值由并行端口控制的正弦波，完成AD9910输出信号的幅值控制。
所述半导体激光器产生波长为780nm和功率为毫瓦级的偏振光，经过第一半波片和起偏器后输出线偏振光，通过调节第一半波片调节输出激光的光强，所述线偏振光的光束进入所述声光调制器发生布拉格衍射，分出两束衍射光即零级衍射光和一级衍射光，所述一级衍射光作为主光束进入第二个半波片，旋转第二个半波片能够改变所述偏振分光棱镜的分光比，所述偏振分光棱镜分出检测主光束和采样光束，所述检测主光束作为原子自旋惯性测量装置的检测光，所述采样光束进入所述光电探测器用于激光功率的采样。
本发明的技术效果如下：本发明提供用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制技术，基于AOM(声光调制器)实现其功能，利用电控系统与声光调制器驱动模块实现激光功率的连续控制与高频调制；此技术通过外部调制实现，对半导体激光器自身无影响，所以对内调制稳频无影响；而且引入磁噪声小；相对传统的基于声光调制器的功率稳定系统，本文设计了基于DDS芯片AD9910的声光调制器驱动模块，实现了功率稳定模块和功率快速幅值调制模块的集成，满足了小型化集成化的要求。
本发明涉及一种用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统，包括基于AOM(Acousto-optic modulator声光调制器)的激光功率调制光路、电路系统模块和上位机。光路包括半导体激光器、半波片、起偏器、声光调制器、偏振分光棱镜、光电探测器组成；电路系统包括电源模块、FPGA模块、前向调理电路、AD(模数转换器)模块和声光调制器驱动模块。为了实现小型化，本发明利用DDS芯片AD9910设计出声光调制器驱动模块。通过采集激光的功率，经过电路系统对声光调制器AOM进行反馈控制，实现激光功率的稳定和功率方波调制；本发明可以提高小型原子自旋惯性测量装置检测光的功率稳定性，并且降低了原子自旋惯性测量装置中检测光中的低频噪声，可提高原子自旋惯性测量装置的检测精度，而且实现了功率稳定与调制系统的集成，有利于原子自旋惯性测量装置实现小型化，有利于集成。
本发明与现有技术相比的优点在于：使用外部光路和电路系统实现对激光器的功率稳定与方波幅值调制。在保证功率稳定的情况下，消除了检测光光噪声的影响，可以显著提高原子自旋惯性测量装置的检测精度。而且系统体积小、引入噪声低。
附图说明
图1是实施本发明用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统的结构示意图。图1中包括形成光路的以下依次连接的部件：半导体激光器1，第一半波片2(半波片)，起偏器3，声光调制器AOM4，第二个半波片5，偏振分光棱镜PBS6，光电探测器PD7。声光调制器AOM4和光电探测器PD7分别连接电路系统8，电路系统8连接上位机9。
图2是图1中电路系统8的结构原理示意图。图2中包括连接光电探测器PD7的Input接口，连接声光调制器AOM4的Output接口，连接上位机9的上位机接口，AOM(Acousto-opticmodulator)即声光调制器，所述Input接口通过前向调理电路连接模数转换模块ADC(例如，采用型号为AD7767的模数转换芯片)，所述模数转换模块ADC连接FPGA模块(例如，采用型号为XC6SLX45的FPGA芯片，FPGA，Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)，所述Output接口通过AOM驱动模块连接FPGA模块，所述AOM驱动模块包括依次连接的功率放大电路、低通滤波电路和DDS模块(例如采用型号为AD9910的DDS芯片，DDS，direct digitalsynthesizer，直接数字式频率合成器)，所述功率放大模块连接所述Output接口，所述DDS模块连接所述FPGA模块，所述FPGA模块上配置有ADC驱动程序和DDS驱动程序，所述ADC驱动程序依次通过DSP程序(DSP，Digital Signal Process，数字信号处理)和PID控制程序(PID，proportion-integral-differential，比例-积分-微分)连接所述DDS驱动程序。
图3是图2中模数转换模块ADC与FPGA芯片/前向调理电路之间的组合结构原理示意图。图3中模数转换模块ADC采用型号为AD7767的模数转换芯片，前向调理电路为单端转差分电路，AD7767通过+2.5V数字端和+2.5V模拟端分别连接供电电源，通过+5V端和+3.3V端分别连接基准电源，通过VIN+端和VIN-端分别连接所述单端转差分电路，所述单端转差分电路连接模拟信号输入端(光电探测器PD7的Input接口)，AD7767通过SDO引脚、DRDY引脚、CS引脚、MCLK引脚、SCLK引脚、SYNC引脚与FPGA通信，SDO用于发送数字信号到FPGA，CS与SYNC一直为低电平，MCLK的频率为采样率的八分之一，通过改变MCLK改变AD7767的采样率，SCLK为AD7767进行模数转换时的时钟，为了避免出现时序错误，采用SCLK的下降沿，对SDO引脚端进行采集。当采集到脉冲光的高电平时，FPGA保留数据；当采集到其他位置，FPGA判断并删除当前数据。
图4是图2中AOM驱动模块与FPGA模块之间的组合结构原理示意图。图4中的DDS模块采用型号为AD9910的DDS芯片，FPGA模块包括分别连接FPGA总时序控制器的AD9910初始化模块、频率/相位控制模块和振幅控制模块，所述AD9910初始化模块和频率/相位控制模块均连接SPI数据端口(SPI，Serial Peripheral Interface，串行外设接口)，所述振幅控制模块连接并行数据端口。AD9910包括使能与配置寄存器，Profile0寄存器，DDS内核，DA转换模块(DA，Digital/Analog，数/模)，ASF振幅寄存器(ASF，Amplitude Scale Factor，振幅比例因子)。所述ASF振幅寄存器连接并行数据端口，所述使能与配置寄存器，和Profile0寄存器均连接SPI数据端口，所述ASF振幅寄存器和所述Profile0寄存器以及所述DA转换模块分别连接所述DDS内核，所述DA转换模块通过LPF低通滤波器(LPF，Low Pass Filter)连接功率放大模块。
图5是图2中DDS模块与FPGA模块的连接结构原理示意图。图5中DDS模块采用型号为AD9910的DDS芯片，AD9910分别连接晶振(例如，型号为TCXO40MHz的有源晶振)和环路滤波电路，所述晶振给AD9910提供外部时钟，所述环路滤波电路与AD9910的引脚2(PLL_LOOP_FILTER)连接，AD9910的差分输出VOUT+端和VOUT-端分别连接双端转单端电路，所述双端转单端电路的输出端OUTPUT通往低通滤波器LPF。FPGA通过SCLK引脚、CS_n引脚、IO_UPDATE引脚、IO_RESET引脚、SDIO引脚、MASTER_RESET引脚、D[15:0]引脚、F[1:0]引脚、TxENABLE引脚与AD9910通信，其中MSATER_RESET、SDIO、IO_RESET、IO_UPDATE、CS_n和SCLK引脚为串行接口，实现FPGA对AD9910的初始化配置和输出信号的相位与频率设置；D[15:0]、F[1:0]和TxENABLE为并行接口，实现FPGA对AD9910输出信号的幅值控制。AD9910内部集成有PLL(Phase Locked Loop，锁相环)。
图6是图2中低通滤波电路的结构示意图。图6中包括输入端INPUT、输出端OUTPUT和接地端ACOM，电阻R49(51ohm)，电容C65～C68，电容C75～C78，电感L8～L10。图6中低通滤波电路采用无源LC低通滤波器，截止频率为400MHz。
图7是FPGA配置AD9910的程序流程示意图。图7中包括开始后第一步，进行复位初始化，对IO端口使能。第二步进行AD9910的寄存器配置，分别对CFR2与CFR3进行配置。通过配置CFR2的设定值，使能单频调制Profile振幅。本发明采用40MHz的有源晶振，通过PLL产生1GHz的信号，所以分频倍数25。第三步对Profile0寄存器进行配置，将频率控制字、相位控制字和初始化的幅值控制字写入缓存器中。第四步开始并行操作，完成AD9910输出信号的幅值的控制。第五步对CFR2进行重新配置，写入数据为0x01400810，将CFR2[4]并行数据端口使能，完成后，AD9910就可以产生一个频率为80MHz，幅值由并行端口控制的正弦波。
具体实施方式
下面结合附图(图1-图7)和实施例对本发明进行说明。
图1是实施本发明用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统的结构示意图。图2是图1中电路系统8的结构原理示意图。图3是图2中模数转换模块ADC与FPGA芯片/前向调理电路之间的组合结构原理示意图。图4是图2中AOM驱动模块与FPGA模块之间的组合结构原理示意图。图5是图2中DDS模块与FPGA模块的连接结构原理示意图。图6是图2中低通滤波电路的结构示意图。图7是FPGA配置AD9910的程序流程示意图。参考图1至图7所示，用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统，包括基于声光调制器AOM的激光功率调制光路，所述声光调制器AOM4连接电路系统8，所述电路系统8分别连接光电探测器7和上位机9，所述声光调制器AOM4的左侧输入光路连接半导体激光器1，所述光电探测器7通过设置在所述声光调制器AOM4右侧输出光路上的偏振分光棱镜6采集光信号，所述电路系统8中的FPGA模块通过包含DDS模块的AOM驱动模块对所述声光调制器AOM4进行反馈控制以实现激光功率的稳定和功率方波调制，所述FPGA模块通过模数转换模块ADC连接所述光电探测器7。
所述DDS模块采用型号为AD9910的DDS芯片，所述DDS芯片依次通过低通滤波电路和功率放大电路连接所述声光调制器AOM，所述FPGA模块上配置有AD9910驱动程序，所述AD9910驱动程序依次通过PID控制程序和DSP程序连接所述ADC驱动程序。AD9910芯片连接晶振，并通过PLL_LOOP_FILTER引脚连接环路滤波电路，所述AD9910芯片的差分输出VOUT+端和VOUT-端分别连接双端转单端电路，所述双端转单端电路的输出端OUTPUT连接所述低通滤波电路。FPGA通过SCLK引脚、CS_n引脚、IO_UPDATE引脚、IO_RESET引脚、SDIO引脚、MASTER_RESET引脚、D[15:0]引脚、F[1:0]引脚、TxENABLE引脚与AD9910通信，其中MSATER_RESET、SDIO、IO_RESET、IO_UPDATE、CS_n和SCLK引脚为串行接口，实现FPGA对AD9910的初始化配置和输出信号的相位与频率设置；D[15:0]、F[1:0]和TxENABLE为并行接口，实现FPGA对AD9910输出信号的幅值控制，AD9910内部集成有锁相环PLL。
所述模数转换模块ADC采用型号为AD7767的ADC芯片，所述ADC芯片通过前向调理电路连接所述光电探测器，所述前向调理电路为单端转差分电路，AD7767通过+2.5V数字端和+2.5V模拟端分别连接供电电源，AD7767通过+5V端和+3.3V端分别连接基准电源，AD7767通过VIN+端和VIN-端分别连接所述单端转差分电路，所述单端转差分电路接收来自所述光电探测器的模拟信号。AD7767芯片通过SDO引脚、DRDY引脚、CS引脚、MCLK引脚、SCLK引脚、SYNC引脚与FPGA通信，SDO用于发送数字信号到FPGA，CS与SYNC一直为低电平，MCLK的频率为采样率的八分之一，通过改变MCLK改变AD7767的采样率，SCLK为AD7767进行模数转换时的时钟，为了避免出现时序错误，采用SCLK的下降沿，对SDO引脚端进行采集，当采集到脉冲光的高电平时，FPGA保留数据；当采集到其他位置，FPGA判断并删除当前数据。所述低通滤波电路采用无源LC低通滤波器，截止频率为400MHz。
所述FPGA模块包括分别连接FPGA总时序控制器的AD9910初始化模块、频率/相位控制模块和振幅控制模块，所述AD9910初始化模块和频率/相位控制模块均连接串行外设接口SPI数据端口，所述振幅控制模块连接并行数据端口；AD9910包括使能与配置寄存器，Profile0寄存器，DDS内核，DA转换模块，ASF振幅寄存器，所述ASF振幅寄存器连接并行数据端口，所述使能与配置寄存器，和Profile0寄存器均连接SPI数据端口，所述ASF振幅寄存器和所述Profile0寄存器以及所述DA转换模块分别连接所述DDS内核，所述DA转换模块通过低通滤波器LPF连接功率放大模块；所述FPGA模块上配置的AD9910驱动程序包括以下步骤：步骤1，开始；步骤2，复位初始化；步骤3，对IO端口使能；步骤4，发送第二控制功能寄存器CFR2指令和数据；步骤5，发送第三控制功能寄存器CFR3指令和数据；步骤6，发送寄存器Profile0指令和数据；步骤7，对CFR2进行重新配置，发送CFR2指令和数据；步骤8，结束配置；其中步骤4至步骤6属于串行端口配置，步骤7至步骤8属于并行端口配置。所述步骤4对CFR2的配置包括配置CFR2的设定值，使能单频调制Profile振幅；所述步骤5对CFR3的配置包括配置CFR3的设定值，使40MHz的有源晶振通过锁相环PLL产生1GHz的信号，分频倍数25；所述步骤6对寄存器Profile0进行配置包括将频率控制字、相位控制字和初始化的幅值控制字写入缓存器中；所述步骤7对CFR2的重新配置包括写入数据为0x01400810，将CFR2的并行数据端口使能，以使AD9910能够产生一个频率为80MHz，幅值由并行端口控制的正弦波，完成AD9910输出信号的幅值控制。所述半导体激光器产生波长为780nm和功率为毫瓦级的偏振光，经过第一半波片和起偏器后输出线偏振光，通过调节第一半波片调节输出激光的光强，所述线偏振光的光束进入所述声光调制器发生布拉格衍射，分出两束衍射光即零级衍射光和一级衍射光，所述一级衍射光作为主光束进入第二个半波片，旋转第二个半波片能够改变所述偏振分光棱镜的分光比，所述偏振分光棱镜分出检测主光束和采样光束，所述检测主光束作为原子自旋惯性测量装置的检测光，所述采样光束进入所述光电探测器用于激光功率的采样。
如图1所示，本发明一种用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统，包括基于AOM(声光调制器)的激光功率调制光路、电路系统。光路包括半导体激光器1、第一半波片2、起偏器3、声光调制器4、第二个半波片5、偏振分光棱镜(PBS)6、光电探测器(PD)7；半导体激光器1产生780nm，功率毫瓦级的偏振光；第一半波片2第二半波片5调节后续激光的光强大小；起偏器3调整线偏振光的方向；声光调制器4激光产生布拉格衍射，对激光衍射光功率进行控制与调制；偏振分光棱镜6进行分光；光电探测器7将光信号转换成电信号；电控单元8中电源模块用于提供电路系统的供电电压；FPGA模块负责与AD(模数)模块通信读取光功率的电信号，经过一系列的数字信号处理后，与设置值做差，执行控制程序产生相应的AD9910的幅值控制字，并与AOM驱动模块中的DDS芯片AD9910通信，改变AD9910输出信号的幅值；经过低通滤波器和功率放大后驱动声光调制器4。
前向调理模块将光电探测器(PD)7转换后的电信号进行前置放大；AD(模数转换器)模块由基准电压源提供基准电压5V，电源模块进行供电；PD(光电探测器)采集转换后的电信号经过电压跟随器缓冲后，送入AD芯片做模数转换；AOM驱动模块由DDS芯片AD9910、低通滤波电路模块和功率放大电路模块组成；AD9910产生频率固定、幅值可控的射频信号，经低通滤波和功率放大后驱动AOM。
上位机模块9与电路系统通信调节电路系统程序中所需的参数，并显示采集的光功率信号，方便电路系统的调试。半导体激光器1产生780nm，毫瓦级功率的偏振光，经过第一个半波片2和起偏器3输出线偏振光，通过调节第一半波片2可以调节输出激光的光强；光束进入声光调制器4发生布拉格衍射，分出两束衍射光即零级衍射光和一级衍射光；一级衍射光作为主光束进入第二个半波片，旋转第二个半波片，可以改变偏振分光棱镜(PBS)6的分光比，偏振分光棱镜PBS分出两束光束，主光束作为原子自旋惯性测量装置的检测光；另外一束光进入光电探测器(PD)7用于激光功率的采样；在电路系统8模块中，电探测器(PD)7将采集的光信号转换成电信号，进入前向调理电路模块进行信号的前置放大，放大后的电路进入AD(模数转换)模块，AD(模数转换)模块将放大的电信号转换成数字信号传输到FPGA，经过数字RC滤波、降采样与平滑处理等数字信号处理后；与功率设定电压值做差后，进行控制算法运算，输出的控制信号控制声光调制器驱动模块中的DDS芯片AD9910输出信号的幅值；FPGA与AD9910通信，控制AD9910产生射频信号，经低通滤波和功率放大后控制声光调制器(4)，进而实现对激光功率的稳定和调制。通过上位机9设置参数，并显示采集的光功率信号，用于评估该系统的稳定效果。为了抑制噪声或为了减少串扰，数字地与模拟地之间用零欧电阻连接。
作为优选，所述半导体激光器采用DBR激光器。作为优选，所述声光调制器采用布拉格衍射声光调制器。作为优选，所述电源模块由稳压器、电阻、电容等组成，产生±5V、+12V、2.5V、+3.3V、+1.8V的模拟供电电压，产生+3.3V、+2.5V、+1.2V、+1.5V、+1.8V的数字供电电压。作为优选，所述AD(模数转换器)模块采用24位ADC芯片，内部有抗混叠滤波器。串行基准电压源为ADC提供ADC的电压基准。作为优选，所述FPGA模块为FPGA最小系统，其中包括FPGA芯片主电路、晶振电路、复位电路、下载电路、供电电源模块、串口模块和外部储存电路模块。FPGA芯片采用XC6SLX45。作为优选，所述声光调制器驱动模块中DDS芯片选用AD9910芯片，具有14位的幅值控制字；FPGA控制AD9910产生的信号通过低通滤波和功率放大驱动AOM，实现激光功率的稳定与幅值方波调制；作为优选，所述声光调制器驱动模块中低通滤波电路，选用无源LC低通滤波器；作为优选，所述声光调制器驱动模块中功率放大模块，带宽范围大于AOM驱动的射频信号的频率，功率放大的最大功率与声光调制器驱动的最大功率相差不大。作为优选，模拟信号输入和输出接口均采用SMA接口。作为优选，上位机模块9通过串口与下位机FPGA模块进行通信；上位机程序由LabVIEW编写。
如图2所示，本图的电路系统包括，前向调理电路模块、AD(模数转换)模块、FPGA控制模块、DDS芯片AD9910模块、低通滤波电路模块和功率放大模块。其中FPGA程序包括四部分；第一是AD7767驱动通信程序，实现AD7767的驱动，并将AD7767采集的信号保存到FPGA中；第二是DSP数字信号处理程序，主要包括判断采集信号是否为有效采样值程序，数字滤波和降采样。第三是控制算法PID程序，实现对激光功率的控制。第四是AD9910驱动通信程序。
如图3所示，本图为本发明的AD(模数转换)模块，采用模数转换芯片AD7767实现数模转换；采集的模拟信号，经过单端转差分电路输入到AD7767芯片的输入引脚；基准电源分别是输入基准5V电压和输出数字电压3.3V；供电电压为2.5V；AD7767有7个引脚与FPGA相连，实现FPGA与AD7767之间的通信；AD7767通过DRDY引脚发送给FPGA一个脉冲，表示已经完成一个数据的模数转换；然后通过SDO将数字信号发送到FPGA中；CS与SYNC一直为低电平；MCLK的频率为采样率的八分之一，通过改变MCLK改变AD7767的采样率。SCLK为AD7767进行模数转换时的时钟，为了避免出现时序错误，采用SCLK的下降沿，对SDO引脚端进行采集。由于本发明中，采集的光信号是一个脉冲光，为了实现脉冲光的高电平稳定，需要采集的是脉冲光的信号的高电平；所以本发明采用欠采样的方法，使采样率远小于调制频率。当采集到脉冲光的高电平时，FPGA保留数据；当采集到其他位置，FPGA判断并删除当前数据。
如图4所示，本图为声光调制驱动模块的整体方案框图，FPGA与AD9910通过串行数据端口实现AD9910的使能与配置，并且实现输出信号的频率与相位的设置；通过并行数据端口实现输出信号幅值的控制；输出的信号经过低通滤波器和功率放大后输出驱动声光调制器。
如图5所示，本图为声光调制器驱动模块中DDS芯片AD9910的电路框图图，晶振为TCXO40MHz的有源晶振，给AD9910提供外部时钟，本发明采用AD9910内部集成的PLL，所以需要在引脚2(PLL_LOOP_FILTER)上设计环路滤波电路；AD9910的差分输出通过双端转单端电路输出，这样可以减少共模噪声。FPGA与DDS芯片AD9910之间的通信连接；其中MSATER_RESET、SDIO、IO_RESET、IO_UPDATE、CS_n和SCLK引脚为串行接口，实现FPGA对AD9910的初始化配置和输出信号的相位与频率设置；D[15:0]、F[1:0]和TxENABLE为并行接口，实现FPGA对AD9910输出信号的幅值控制。
如图6所示，本图为声光调制驱动模块中低通滤波器电路，本发明采用无源LC低通滤波器，截至频率为400MHz。
如图7所示，本图为FPGA配置AD9910的程序流程图，第一步，进行复位初始化，对IO端口使能。第二步进行AD9910的寄存器配置，分别对CFR2与CFR3进行配置。通过配置CFR2的设定值，第24使能单频调制Profile振幅。通过配置CFR3的设定值，CFR3[29:28]是控制REFCLK_OUT引脚，设为01为低输出电流。CFR3[26:24]是设置VCO频率范围，本设计的频率是1GHz，所以选择101为VCO5的范围820MHz～1150MHz。CFR3[21:19]是设置PLL中的电荷泵电流ICP，设为111为387。CFR3[8]是REFCLK PLL使能位，该位置高。CFR3[7:1]是REFCLK PLL反馈分布器的分频数，本设计采用40MHz的有源晶振，通过PLL产生1GHz的信号，所以分频倍数25。第三步对Profile0寄存器进行配置，将频率控制字、相位控制字和初始化的幅值控制字写入缓存器中；第五步开始并行操作，完成AD9910输出信号的幅值的控制。第一步对CFR2进行重新配置，写入数据为0x01400810。与第二步配置CFR2相比，将CFR2[4]并行数据端口使能。完成后，AD9910就可以产生一个频率为80MHz，幅值由并行端口控制的正弦波。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。
Claims (10)
1.用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统，其特征在于，包括基于声光调制器AOM的激光功率调制光路，所述声光调制器AOM连接电路系统，所述电路系统分别连接光电探测器和上位机，所述声光调制器AOM的左侧输入光路连接半导体激光器，所述光电探测器通过设置在所述声光调制器AOM右侧输出光路上的偏振分光棱镜采集光信号，所述电路系统中的FPGA模块通过包含DDS模块的AOM驱动模块对所述声光调制器AOM进行反馈控制以实现激光功率的稳定和功率方波调制，所述FPGA模块通过模数转换模块ADC连接所述光电探测器。
2.根据权利要求1所述的用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统，其特征在于，所述DDS模块采用型号为AD9910的DDS芯片，所述DDS芯片依次通过低通滤波电路和功率放大电路连接所述声光调制器AOM，所述FPGA模块上配置有AD9910驱动程序，所述AD9910驱动程序依次通过PID控制程序和DSP程序连接所述ADC驱动程序。
3.根据权利要求2所述的用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统，其特征在于，AD9910芯片连接晶振，并通过PLL_LOOP_FILTER引脚连接环路滤波电路，所述AD9910芯片的差分输出VOUT+端和VOUT-端分别连接双端转单端电路，所述双端转单端电路的输出端OUTPUT连接所述低通滤波电路。
4.根据权利要求2所述的用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统，其特征在于，FPGA通过SCLK引脚、CS_n引脚、IO_UPDATE引脚、IO_RESET引脚、SDIO引脚、MASTER_RESET引脚、D[15:0]引脚、F[1:0]引脚、TxENABLE引脚与AD9910通信，其中MSATER_RESET、SDIO、IO_RESET、IO_UPDATE、CS_n和SCLK引脚为串行接口，实现FPGA对AD9910的初始化配置和输出信号的相位与频率设置；D[15:0]、F[1:0]和TxENABLE为并行接口，实现FPGA对AD9910输出信号的幅值控制，AD9910内部集成有锁相环PLL。
5.根据权利要求1所述的用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统，其特征在于，所述模数转换模块ADC采用型号为AD7767的ADC芯片，所述ADC芯片通过前向调理电路连接所述光电探测器，所述前向调理电路为单端转差分电路，AD7767通过+2.5V数字端和+2.5V模拟端分别连接供电电源，AD7767通过+5V端和+3.3V端分别连接基准电源，AD7767通过VIN+端和VIN-端分别连接所述单端转差分电路，所述单端转差分电路接收来自所述光电探测器的模拟信号。
6.根据权利要求5所述的用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统，其特征在于，AD7767芯片通过SDO引脚、DRDY引脚、CS引脚、MCLK引脚、SCLK引脚、SYNC引脚与FPGA通信，SDO用于发送数字信号到FPGA，CS与SYNC一直为低电平，MCLK的频率为采样率的八分之一，通过改变MCLK改变AD7767的采样率，SCLK为AD7767进行模数转换时的时钟，为了避免出现时序错误，采用SCLK的下降沿，对SDO引脚端进行采集，当采集到脉冲光的高电平时，FPGA保留数据；当采集到其他位置，FPGA判断并删除当前数据。
7.根据权利要求2所述的用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统，其特征在于，所述低通滤波电路采用无源LC低通滤波器，截止频率为400MHz。
8.根据权利要求2所述的用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统，其特征在于，所述FPGA模块包括分别连接FPGA总时序控制器的AD9910初始化模块、频率/相位控制模块和振幅控制模块，所述AD9910初始化模块和频率/相位控制模块均连接串行外设接口SPI数据端口，所述振幅控制模块连接并行数据端口；AD9910包括使能与配置寄存器，Profile0寄存器，DDS内核，DA转换模块，ASF振幅寄存器，所述ASF振幅寄存器连接并行数据端口，所述使能与配置寄存器，和Profile0寄存器均连接SPI数据端口，所述ASF振幅寄存器和所述Profile0寄存器以及所述DA转换模块分别连接所述DDS内核，所述DA转换模块通过低通滤波器LPF连接功率放大模块；所述FPGA模块上配置的AD9910驱动程序包括以下步骤：步骤1，开始；步骤2，复位初始化；步骤3，对IO端口使能；步骤4，发送第二控制功能寄存器CFR2指令和数据；步骤5，发送第三控制功能寄存器CFR3指令和数据；步骤6，发送寄存器Profile0指令和数据；步骤7，对CFR2进行重新配置，发送CFR2指令和数据；步骤8，结束配置；其中步骤4至步骤6属于串行端口配置，步骤7至步骤8属于并行端口配置。
9.根据权利要求8所述的用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统，其特征在于，所述步骤4对CFR2的配置包括配置CFR2的设定值，使能单频调制Profile振幅；所述步骤5对CFR3的配置包括配置CFR3的设定值，使40MHz的有源晶振通过锁相环PLL产生1GHz的信号，分频倍数25；所述步骤6对寄存器Profile0进行配置包括将频率控制字、相位控制字和初始化的幅值控制字写入缓存器中；所述步骤7对CFR2的重新配置包括写入数据为0x01400810，将CFR2的并行数据端口使能，以使AD9910能够产生一个频率为80MHz，幅值由并行端口控制的正弦波，完成AD9910输出信号的幅值控制。
10.根据权利要求1所述的用于小型原子自旋惯性测量装置的检测光功率调制系统，其特征在于，所述半导体激光器产生波长为780nm和功率为毫瓦级的偏振光，经过第一半波片和起偏器后输出线偏振光，通过调节第一半波片调节输出激光的光强，所述线偏振光的光束进入所述声光调制器发生布拉格衍射，分出两束衍射光即零级衍射光和一级衍射光，所述一级衍射光作为主光束进入第二个半波片，旋转第二个半波片能够改变所述偏振分光棱镜的分光比，所述偏振分光棱镜分出检测主光束和采样光束，所述检测主光束作为原子自旋惯性测量装置的检测光，所述采样光束进入所述光电探测器用于激光功率的采样。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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