CN113311753A - 一种apd高信噪比增益自动选择控制装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种APD高信噪比增益自动选择控制装置和方法。所述装置包括DC/DC升压单元1、电压控制单元2、雪崩光电二极管APD 3、温度传感器4、电压采样单元5、APD信号转换单元6、信号采集单元7、FPGA 8,所述方法为利用双频激光干涉测量信号的频率特征自动进行APD高信噪比的增益选取,使用温度传感器采集温度、根据APD的偏压温度特性实时稳定该APD增益。本发明可用于双频激光干涉测量的光电探测部分中APD的高信噪比增益选取与稳定控制,可自动适应不同APD的工作特性、稳定提供高信噪比的光电转换信号,充分发挥APD的工作性能,从而获取稳定准确的光信号。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种APD高信噪比增益自动选择控制装置和方法,可用于双频激光干涉测量中APD的高信噪比增益选取、自适应增益调节与实时增益稳定,属于光学和电子工程技术领域。
(二)背景技术
雪崩光电二极管APD具有很高的雪崩增益效应,可以有效提高对光信号检测的灵敏度、反应速度和信号带宽,在光探测技术中得到广泛应用。APD在工作时需要一个较高的反向偏压,这个反向偏压决定了APD的增益与工作性能。
APD的增益偏压曲线受温度影响明显,不同温度下的偏压对应的增益显著不同。而由于APD器件的饱和输出电流限制以及APD器件的增益大小对于器件本身暗电流等因素的影响,增益并不是越高越合适。对于不同的输入信号,不同增益下的APD进行光电转换时输出信号的信噪比也会有显著不同,在实际使用中需要找到一个信噪比合适的增益。选取APD的高信噪比的增益,并根据环境实时稳定该增益,对于充分发挥APD器件的性能具有重要意义。
在当前的双频激光干涉测量中,双频激光干涉仪的APD的增益电压通常由硬件设置为固定值加硬件补偿且不可由程序控制,只适合固定的APD型号与一定范围内的环境温度。但由于不同的工作环境等因素的影响下,对于APD的高信噪比的增益点会发生变化,按预设的增益或者手动调节往往不能发挥APD的性能,难以获取高信噪比的信号。
为解决上述问题,部分双频激光干涉仪将APD的增益电压设置为手动程序可控或具有可调的温度补偿装置,用于适配不同型号的APD以及不同的工作环境。但使用不同批次的APD时,由于特性曲线会有差别,需要事先对APD进行单独抽样调整,再拟合选取一条曲线作为本批次的APD增益补偿参考曲线,不能为每个APD器件单独作调整,无法快速且充分发挥APD器件的性能。
本发明公开了一种APD高信噪比增益自动选择控制装置和方法。可用于APD高信噪比增益的自动选择和实时的稳定控制,用于双频激光干涉测量等需要高速高信噪比光电转换信号的领域。它基于基本的双频激光干涉仪的硬件架构进行设计,对原本的架构进行些许的改进。自动的高信噪比的增益控制采用双频激光干涉测量产生的已知频率的单频正弦信号作为参考,通过计算单频正弦信号光电转换后的频谱来计算当前APD增益电压的信噪比,并与其他增益点的信噪比进行比较,选取最合适的APD电压增益。与当前技术相比,由于APD的增益自动可调,可以自动适应不同的APD,充分适应不同的工作环境,充分发挥APD的工作性能,根据实际情况快速选择具有高信噪比的合适的增益,并实时稳定APD的工作状态。
(三)发明内容
针对双频激光干涉测量的传统APD控制方式的增益固定、调节复杂、环境适应能力较差、APD选择固定,不能根据实际情况选取合适的增益等缺陷,本发明的目的在于提供一种结构简单、操作调节容易、环境适应能力好,可适配不同APD、自动选取高信噪比的合适增益并实时稳定增益的一种APD高信噪比增益自动选择控制装置和方法。
本发明提供一种APD高信噪比增益自动选择控制装置,包括:DC/DC升压单元1、电压控制单元2、雪崩光电二极管APD 3、温度传感器4、电压采样单元5、APD信号转换单元6、信号采集单元7、FPGA单元8。
所述装置中FPGA单元8连接电压控制单元2调节DC/DC升压单元1输出的增益偏置电压;
所述装置中FPGA单元8连接电压采样单元5记录当前电压增益偏置电压;
所述装置中FPGA单元8连接温度传感器4采集当前温度;
所述装置中DC/DC升压单元1提供增益偏置电压驱动APD 3;
所述装置中APD 3连接APD信号转换单元6将光信号转换为电信号;
所述装置中信号采集单元7采集电信号送入FPGA单元;
所述装置中FPGA单元8用于系统控制和数据计算,采集信号的频谱并根据频谱计算信噪比。
下面将进一步说明所述装置的硬件结构。
所述的APD的高信噪比增益自动选择控制装置中所采用的DC/DC升压单元1,其特征是:所述单元由通常的DC/DC升压芯片和相应的升压电路组成,提供满足APD增益电压范围的偏置电压,其输出电压由参考电压端和输出电压反馈电路控制。
所述的APD的高信噪比增益自动选择控制装置中所采用的电压控制单元2,控制原理为:通常的DC-DC升压芯片含有参考端,根据参考端的反馈电压调整占空比来稳定输出的电压。所述单元由使用DAC输出控制电压到DC/DC升压单元的反馈电路中使DC/DC升压单元1输出电压受DAC控制,电压调节的最小步长受DAC分辨率影响。
所述的APD的高信噪比增益自动选择控制装置中所采用的APD信号转换单元6,用于转换、调理信号,用于满足信号采集单元的采集需求。
所述的APD的高信噪比增益自动选择控制装置中所采用的FPGA单元8,用于计算采集信号的频谱、各增益点信噪比比较、记录DC/DC升压单元1输出的增益电压、获取APD 3温度数据、控制输出电压、根据实时温度稳定APD增益。
本发明提供一种APD高信噪比增益自动选择控制装置的方法,所述步骤包括:
(1)输入所述装置APD已知频率特性的光强变化为单一频率的信号;
(2)所述装置温度采集模块采集APD当前温度,并将数据发送至FPGA;
(3)所述装置FPGA根据预设增益和当前温度设置增益电压初始值,所述装置ADC实时采样DC/DC升压单元输出电压值;
(4)所述装置通过FPGA运算获取采集的信号的幅频特性数据,并计算该增益点下的信号的信噪比;
(5)所述装置电压控制单元以预设增益初始值为中心增加/减少电压;
(6)重复(4)、(5)步骤,至所述装置将待测增益点测量完成,进行信噪比对比以选择信噪比合适的增益;
(7)所述装置发现信噪比最优的增益点,记录该最优增益点,以用于下次增益选择;
(8)所述装置根据当前APD温度与APD的温度-偏压特征曲线实时稳定该增益;
所述装置与方法应用于双频激光干涉测量等一些测量过程中,所述光强变化为单一频率的正弦光强信号来源于:在双频激光干涉测量的参考光通道会恒定接收激光器发出的光强拍频频率为固定频率f的单频参考光信号,测量光通道在被测量物静止时的光信号的拍频频率也固定为f。
所述装置与方法应用于双频激光干涉测量等一些测量过程中,接收到光强变化为单一频率f的正弦光强信号,经光电转换后由信号采样ADC进行信号采集,双频激光干涉仪中的运算模块FPGA可在测量前对信号进行频谱计算得到不同增益下的输入信号的幅频特性曲线。根据所述装置获得的幅频特性曲线,即可计算在当前增益下频率为f的信号的信噪比。
(四)附图说明
图1是APD高信噪比增益自动选择控制装置的硬件结构示意图。
图2是含有APD高信噪比增益自动选择控制装置的一个实施例:单通道双频激光干涉测量的硬件结构示意图。
图3是含有APD高信噪比增益自动选择控制方法的一个实施例的部分测量流程图。
(五)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中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明。显然,所描述的实施例是本发明部分应用实施例,非用以限定本发明可实施的范围。其实施例的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。
请参照图2,图2给出了包含APD高信噪比增益自动选择控制装置和方法的一个实施例。
图2装置是应用了APD高信噪比增益自动选择控制装置和方法的一个基本的单通道双频激光干涉测量方式的测量装置实施例,包含一个参考光通道和一个测量光通道。
所述装置实施例两通道的硬件结构相同,由DC/DC升压单元1、电压控制单元2、雪崩光电二极管APD 3、温度传感器4、电压采样单元5、APD信号转换单元6、信号采集单元7、FPGA 8组成,两通道可共同使用一个FPGA。
所述装置实施例中,FPGA单元8连接两通道电压控制单元2分别调节DC/DC升压单元1输出的增益偏置电压;
所述装置实施例中FPGA单元8连接电压采样单元5分别记录两通道APD当前的增益偏置电压;
所述装置中FPGA单元8连接两路温度传感器4采集分别采集两通道APD的当前温度;
所述装置中DC/DC升压单元1分别提供增益偏置电压驱动APD 3;
所述装置中两通道APD 3连接APD信号转换单元6将分别输入两通道的光信号转换为合适采样的电信号;
所述装置中两通道的信号采集单元7分别采集两通道的电信号送入FPGA单元;
所述装置中FPGA单元8用于系统控制和数据计算,计算采集信号的频谱并根据频谱计算信噪比。
所述实施例中,根据双频激光干涉测量的基本原理,由于多普勒频移效应,所述装置会接收由前置测量光路产生的光强拍频频率随被测物体运动速度改变而改变的正弦光强信号以及一路由激光器发出的光强拍频频率固定为f的正弦参考光信号。
所述双频激光干涉测量装置实施例的参考光通道会恒定接收光强拍频频率为固定频率f的单频正弦参考光信号。而所述实施例在进行自动高信噪比增益选择时,会使被测物体保持静止。因此所述实施例中,测量光通道会恒定接收光强拍频频率与参考光相等的频率为f的单频正弦光信号。
所述实施例中,所述装置的电压控制方式为:在所述DC/DC升压电路的反馈回路中引入所述电压控制单元DAC进行控制,由FPGA控制所述电压控制单元DAC修改输出电压,所述电压控制单元DAC输出控制电压来控制DC/DC升压电路输出电压的大小。所述DC/DC升压电路的输出电压受所述DC/DC升压电路的参考端及其连接的反馈电路控制,所述电压控制单元DAC的电压输出端连接至DC/DC升压电路的反馈回路中,根据合理的阻值设置控制所述DC/DC升压电路输出电压的大小。DAC可选用多通道低速高精度DAC,其分辨率的大小影响电压控制步长的大小。
请参照图3,图3所示为嵌入双频激光干涉具体测量流程中的增益调节实施方式,即:
(1)输入所述实施例装置测量通道与参考通道APD测量光信号与参考光信号,因被测物静止,则两通道信号都为已知频率特性的光强变化为单一频率f的正弦光强信号;
(2)进入APD高信噪比增益选择流程;
(3)所述实施例装置两通道的温度传感器采集APD当前温度,并将数据发送至FPGA;
(4)所述实施例装置的FPGA根据预设增益和两通道当前APD温度分别设置增益电压初始值,所述实施例装置两通道的ADC实时采样DC/DC升压单元输出电压值,并将数据发送至所述实施例装置的FPGA;
(5)所述实施例装置通过FPGA运算获取当前增益下采集的信号的幅频特性数据,并计算该增益点的信噪比;
(6)所述实施例装置以所述预设增益初始值为中心,根据设定的步长增加或减少增益电压值;
(7)所述实施例装置使用FPGA计算输入信号幅频特性,根据信号预设的频率计算该信号的信噪比;
(8)重复步骤(6)、步骤(7),直至测量出最优信噪比的增益,根据当前的温度与电压计算并储存当前的增益;
(9)根据测量的数据、测量所述实施例装置两通道的APD实时的温度,修改所述装置的APD增益电压,以实时稳定APD的增益;
(10)结束APD高信噪比增益选择流程,进入通常的双频激光干涉测量流程;
在所述实施例装置的具体实际应用中,同一类型号的APD往往具有相似的增益特性,再次进行实施例装置的增益选择时可以以上次测量储存的增益值为初始值,开始上下寻找高信噪比的增益。
采用所述APD高信噪比增益自动选择控制装置和所述控制方法可在工作条件、APD器件参数与性能发生改变时快速选择出一个具有高信噪比的合适的APD工作增益并实时稳定该增益,在需要充分发挥APD工作性能、获取准确的光信号信息的情况下,具有很高的实用价值。
所述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种APD高信噪比增益自动选择控制装置,其特征在于:它由DC/DC升压单元1、电压控制单元2、雪崩光电二极管APD 3、温度传感器4、电压采样单元5、APD信号转换单元6、信号采集单元7、FPGA单元8组成。
所述装置中FPGA单元8连接电压控制单元2调节DC/DC升压单元1输出的增益偏置电压;
所述装置中FPGA单元8连接电压采样单元5记录当前电压增益偏置电压;
所述装置中FPGA单元8连接温度传感器4采集当前温度;
所述装置中DC/DC升压单元1提供增益偏置电压驱动APD 3;
所述装置中APD 3连接APD信号转换单元6将光信号转换为电信号;
所述装置中信号采集单元7采集电信号送入FPGA单元;
所述装置中FPGA单元8用于系统控制和数据计算。
2.根据权利要求1所述的APD的高信噪比增益自动选择控制装置中所采用的DC/DC升压单元1,其特征是:所述单元由通常的DC/DC升压芯片和相应的升压电路组成,提供满足APD增益电压范围的偏置电压,其输出电压由参考电压端和输出电压反馈电路控制。
3.根据权利要求1所述的APD的高信噪比增益自动选择控制装置中所采用的电压控制单元2,其特征是:所述单元由使用DAC输出控制电压到DC/DC升压单元的反馈电路中,使DC/DC升压单元1输出电压受DAC控制,电压调节的最小步长受DAC分辨率影响。
4.根据权利要求1所述的APD的高信噪比增益自动选择控制装置中所采用的APD信号转换单元6,其特征是:转换、调理信号,用于满足信号采集单元的采集需求。
5.根据权利要求1所述的APD的高信噪比增益自动选择控制装置中所采用的FPGA单元8,其特征是:用于计算采集信号的频谱、各增益点信噪比比较、记录DC/DC升压单元1输出的增益电压、获取APD 3温度数据、控制输出电压、根据实时温度稳定APD增益。
6.一种APD高信噪比增益自动选择控制的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)输入所述装置APD已知频率特性的光强变化为单一频率的信号;
(2)所述装置温度采集模块采集APD当前温度,并将数据发送至FPGA;
(3)所述装置FPGA根据预设增益和当前温度设置增益电压初始值,所述装置ADC实时采样DC/DC升压单元输出电压值;
(4)所述装置通过FPGA运算获取采集的信号的幅频特性数据,并计算该增益点下的信号的信噪比;
(5)所述装置电压控制单元以预设增益初始值为中心增加/减少电压;
(6)重复(4)、(5)步骤,至所述装置将待测增益点测量完成,进行信噪比对比以选择信噪比合适的增益;
(7)所述装置发现信噪比最优的增益点,记录该最优增益点,以用于下次增益选择;
(8)所述装置根据当前APD温度与APD的温度-偏压特征曲线实时稳定该增益。
7.根据权利要求6所述的已知频率特性的单频正弦光信号,其特征在于:光强变化频率为单一频率,即输入的信号的为单一频率的正弦信号,如双频激光干涉测量时输入的参考光信号光强变化频率以及双频激光干涉测量时测量端静止时输入的光信号频率。
8.根据权利要求6所述的预设增益,其特征在于:当前所使用的APD的理论信噪比最优的增益或上次测量的信噪比最优的增益。
9.根据权利要求6所述的电压修改,由FPGA控制电压控制模块DAC修改DC/DC升压模块输出的电压,修改的步长自定。
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Application publication date: 20210827 |
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