CN112665721B - 基于fpga的集成化宽带微波光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的集成化宽带微波光谱仪，包括：基于FPGA的DDS多脉冲控制模块，用于产生多路触发脉冲，分别控制其他模块；线性扫频模块，用于产生宽带啁啾射频脉冲信号；射频微波模块，用于产生单频连续微波信号；单刀单掷开关，用于将上述两个信号进行混频并上变频至目标频段的信号导入至样品真空室，该信号与样品气体分子发生相互作用产生自由感应衰减信号；数据采集模块，用于采集自由感应衰减信号与单频连续微波信号进行混频并下变频至基频的信号，并将该信号传输至上位机，经上位机处理后获得样品气体分子的转动光谱。本发明在保证高信噪比的前提下，大幅度提高了光谱仪的集成度和光谱仪的操作效率，且节省了仪器搭建和运行成本。

Description

基于FPGA的集成化宽带微波光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱仪仪器集成技术领域，特别涉及一种基于FPGA的集成化宽带微波光谱仪。

背景技术

转动光谱学是研究气相物质、手型物质以及动力学的重要工具。由于转动光谱学的特殊性能，其也被用于识别许多星际介质中检测到的分子。微波光谱仪是研究转动光谱学的主要仪器，是测量分子转动跃迁的重要工具。随着实验室技术的发展，微波光谱仪在物理化学和分子天体物理学上的应用大大增加，基于啁啾脉冲线性调频的宽带微波光谱(CP-FTMW)仪愈发普及。

CP-FTMW光谱仪包括三个主要组成部分：任意波形发生器(AWG)产生啁啾极化脉冲，真空腔内激发检测样品分子，高速数字示波器采集分子自由感应衰减信号。在最先进的带宽微波光谱仪中，这些组件都需要相当大的功率和空间，与此同时AWG含有大量的微波电路，能够产生任意复杂的脉冲序列，因此现有带宽微波光谱仪体积大，耗能大。光谱仪的集成化、宽带化是未来重要的发展趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成化的宽带微波光谱仪。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于FPGA的集成化宽带微波光谱仪，该宽带微波光谱仪包括基于FPGA的DDS多脉冲控制模块、线性扫频模块、射频微波模块、单刀单掷开关以及数据采集模块；

所述基于FPGA的DDS多脉冲控制模块，用于产生四路触发脉冲，分别控制其余四个部分；

所述线性扫频模块，用于产生微秒量级的宽带啁啾射频脉冲信号；

所述射频微波模块，用于产生频率可调的单频连续微波信号；

所述单刀单掷开关，用于将宽带啁啾射频脉冲信号与单频连续微波信号进行混频并上变频至目标频段的信号导入至样品真空室，该信号与样品气体分子在样品真空室中发生相互作用产生自由感应衰减信号，且还用于保护下游探测器件不受大功率微波脉冲影响；

所述数据采集模块，用于采集自由感应衰减信号与单频连续微波信号进行混频并下变频至基频的信号，并将该信号传输至上位机，经上位机处理后获得样品气体分子的转动光谱。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)利用高集成度的电路模块取代大型仪器设备，有效的将电子器件集成于一体，大大减少了宽带微波光谱仪的空间占用率，简化了宽带微波光谱仪的操作流程、节省了其运行成本；2)利用基于FPGA的DDS多脉冲控制模块对其他模块进行精确控制，提高了宽带微波光谱仪的运行效率，进而提高转动光谱的信噪比。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明基于FPGA的集成化宽带微波光谱仪结构示意图。

图2为本发明基于FPGA的DDS多脉冲控制模块控制机理示意图。

图3为本发明实施例中基于FPGA的DDS多脉冲控制系统产生的TTL信号示意图。

图4为本发明实施例中AD9914 DDS评估板产生的宽带啁啾射频脉冲信号示意图。

图5为本发明实施例中捕捉到的二苯并呋喃频域信号示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明提出的一种基于FPGA的集成化宽带微波光谱仪，该宽带微波光谱仪包括基于FPGA的DDS多脉冲控制模块A、线性扫频模块B、射频微波模块C、单刀单掷开关D以及数据采集模块E；

基于FPGA的DDS多脉冲控制模块A，结合图2，用于产生四路触发脉冲，分别控制其余四个部分；

线性扫频模块B，用于产生微秒量级的宽带啁啾射频脉冲信号；

射频微波模块C，用于产生频率可调的单频连续微波信号；

单刀单掷开关D，用于将宽带啁啾射频脉冲信号与单频连续微波信号进行混频并上变频至目标频段的信号导入至样品真空室，该信号与样品气体分子在样品真空室中发生相互作用产生自由感应衰减信号，且还用于保护下游探测器件不受大功率微波脉冲影响；

数据采集模块E，用于采集自由感应衰减信号与单频连续微波信号进行混频并下变频至基频的信号，并将该信号传输至上位机，经上位机处理后获得样品气体分子的转动光谱。

进一步地，在其中一个实施例中，线性扫频模块B具体采用AD9914 DDS评估板。

进一步地，在其中一个实施例中，射频微波模块C具体采用ADF4351评估板。

进一步地，在其中一个实施例中，数据采集模块E具体采用板载FPGA的U5310APCIE高速数字化仪。

本发明具体的工作流程如下：结合图2和图3，基于FPGA的DDS多脉冲控制模块A产生精准的TTL信号，分别对线性扫频模块B、射频微波模块C、单刀单掷开关D以及数据采集模块E进行控制。首先由线性扫频模块B产生宽带啁啾射频脉冲信号(例如产生如图4所示的持续时间为5us、带宽为1GHz的宽带啁啾射频脉冲信号)，该信号与射频微波模块C产生的频率可调的单频连续微波信号进行混频并上变频至目标频段，之后依次经单刀单掷开关D、环形器、双脊喇叭天线导入样品真空室，激发气体样品分子，产生的自由感应衰减信号再经喇叭天线接收导出样品真空室，与射频微波模块C产生的另一频率可调的单频连续微波信号进行混频并下变频至基频，之后由数据采集模块E采集信号并将信号传输至上位机，由上位机分析处理获得样品气体分子的转动光谱。

示例性地，对本发明基于FPGA的集成化宽带微波光谱仪的有效性进行实验验证，实验使用的样品是以0.5％浓度稀释于氩气中的二苯并呋喃，所选频段为4-5GHz，检测到了二苯并呋喃分子在低频区域的转动光谱。

图5为本实施例采集到的二苯并呋喃分子在4～5GHz的转动能级跃迁频率谱(图中上半部分)与理论预测光谱(图中下半部分)的对比示意图，由图可以看出，谱线的频率误差约100kHz，准确度与同类大型设备一致。因此，本发明基于FPGA的集成化宽带微波光谱仪可用于物质分子的转动光谱的测量，且具有较高的检测精度。

综上所述，本发明提供的基于FPGA的集成化宽带微波光谱仪，在保证高信噪比的前提下，可以将啁啾脉冲线性调频的宽带微波光谱(CP-FTMW)有效集成，大幅度提高了光谱仪的集成度和光谱仪的操作效率，且节省了仪器搭建和运行成本。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种基于FPGA的集成化宽带微波光谱仪，其特征在于，该宽带微波光谱仪包括基于FPGA的DDS多脉冲控制模块(A)、线性扫频模块(B)、射频微波模块(C)、单刀单掷开关(D)以及数据采集模块(E)；

所述基于FPGA的DDS多脉冲控制模块(A)，用于产生四路触发脉冲，分别控制其余四个部分；

所述线性扫频模块(B)，用于产生微秒量级的宽带啁啾射频脉冲信号；

所述射频微波模块(C)，用于产生频率可调的单频连续微波信号；

所述单刀单掷开关(D)，用于将宽带啁啾射频脉冲信号与单频连续微波信号进行混频并上变频至目标频段的信号导入至样品真空室，该信号与样品气体分子在样品真空室中发生相互作用产生自由感应衰减信号，且还用于保护下游探测器件不受微波脉冲影响；

所述数据采集模块(E)，用于采集自由感应衰减信号与单频连续微波信号进行混频并下变频至基频的信号，并将该信号传输至上位机，经上位机处理后获得样品气体分子的转动光谱；

所述线性扫频模块(B)具体采用AD9914 DDS评估板；

所述射频微波模块(C)具体采用ADF4351评估板；

所述数据采集模块(E)具体采用板载FPGA的U5310A PCIE高速数字化仪。

Images