CN117367582B - 一种太阳光谱遥感仪器的光学调制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳光谱遥感仪器的光学调制系统，属于光学调制系统技术领域，解决了现有技术中使用斩波轮对光信号进行调制时存在的斩波器体积较大、功耗高、稳定性较差，无法与太阳光谱遥感仪器集成的问题。系统包括用于对输入至入缝片的光进行调制的音叉单元，音叉单元包括音叉斩波器和驱动其振荡的音叉驱动器，音叉斩波器包括前置放大单元、滤波器单元、峰值检测单元、幅度控制单元、自动钳位单元、功率放大单元、相位调整单元和同步信号输出单元。本发明通过音叉斩波器对入射光信号进行调制，再经过锁相放大器将信号进行放大，实现对信噪比的提升，具有体积小、功耗低、稳定性好的优点，有利于实现光学调制系统与太阳光谱遥感仪器的集成化。
Description
技术领域
本发明涉及光学调制系统技术领域，特别是涉及一种太阳光谱遥感仪器的光学调制系统。
背景技术
太阳光谱遥感仪器在工作时，待测光信号往往受到电子学噪声、杂散光和热噪声等的影响。为了减小噪声对信号的影响，提高仪器工作的信噪比，通常需要在仪器前端加一个光学调制系统。利用斩波器对被测光信号进行调制，将直流信号变成特定频率的交流信号是提升信噪比的必要手段。
目前有使用斩波轮对光信号进行调制的方式，该方式通过将旋转叶片放置在光路中，随着叶片的旋转，光会周期性地通过和被遮挡，这样光学信号就被施加了脉冲调制。调制频率取决于叶片的旋转频率。光学斩波器经常与锁相放大器配合使用，光学斩波器的信号输入到锁相放大器中进行参考，将被测信号进行放大。但这种采用斩波轮对光信号进行调制的方式存在以下缺点：采用斩波轮结构的斩波器体积较大，功耗高，稳定性较差，并且太阳光谱遥感仪器由于受入缝的影响，难以与体积较大的斩波器进行集成，导致太阳光谱遥感仪器整体体积增大，难以做到集成化。
发明内容
为了解决使用斩波轮对光信号进行调制时存在的斩波器体积较大、功耗高、稳定性较差，并且无法与太阳光谱遥感仪器进行集成的问题，本发明提供一种太阳光谱遥感仪器的光学调制系统，可以实现对太阳光谱遥感仪器信噪比的提升。
为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：
一种太阳光谱遥感仪器的光学调制系统，包括用于对输入至入缝片的光进行调制的音叉单元，所述音叉单元包括音叉斩波器和用于驱动所述音叉斩波器中两个音叉片振荡的音叉驱动器，两个所述音叉片的中心与所述入缝片的狭缝中心对准；所述音叉驱动器包括：
前置放大单元，用于对所述音叉斩波器的反馈信号进行前置放大；
滤波器单元，用于对所述前置放大单元放大后的信号进行滤波，并将滤波信号分别送入峰值检测单元、自动钳位单元和相位调整单元；
峰值检测单元，用于检测所述滤波信号的峰值电压；
幅度控制单元，用于将所述峰值电压与基准电压进行差值比较，得到当前的钳位电压，以及在初始上电时，输出启动电压信号；
自动钳位单元，用于根据所述钳位电压和所述滤波信号生成电压控制信号；
功率放大单元，用于对所述电压控制信号进行功率放大，输出对应的驱动信号至所述音叉斩波器；
相位调整单元，用于对所述滤波信号进行相位调整，输出相位调整后的信号至同步信号输出单元；
同步信号输出单元，用于根据相位调整后的信号生成与音叉振荡相对应的正弦波同步信号及TTL同步信号，并将正弦波同步信号及TTL同步信号输出至锁相放大器。
本发明所提出的一种太阳光谱遥感仪器的光学调制系统集成了音叉斩波器和入缝片，通过音叉斩波器对入射光信号进行调制，再经过锁相放大器将信号进行放大，最终实现对太阳光谱遥感仪器信噪比的提升。本发明具有如下有益效果：
（1）由于本发明采用音叉斩波器对入射光进行调制，而音叉斩波器的整体结构相比于斩波轮结构的斩波器会小很多，因此本发明的光学调制系统整体体积更小，更容易与太阳光谱遥感仪器进行集成；
（2）本发明采用的音叉斩波器不仅体积小，而且功耗低、稳定性好，因此集成音叉斩波器的光学调制系统整体的功耗更低，稳定性和可靠性更高；
（3）音叉斩波器中音叉片与太阳光学遥感仪器的入缝片结构相似，因此可以很好地与太阳光谱遥感仪器适配；
（4）本发明中的音叉驱动器采用闭环控制，使音叉斩波器快速起振并快速达到振荡的动态平衡。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种太阳光谱遥感仪器的光学调制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中音叉驱动器的原理框图。
具体实施方式
下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
如图1所示，本实施例提供一种太阳光谱遥感仪器的光学调制系统，该系统由漫透射板3、音叉单元和太阳光谱遥感仪器的入缝片1组合而成，其中音叉单元包括音叉斩波器和音叉驱动器，音叉斩波器由音叉驱动器进行驱动控制，实现对于输入至入缝片1的入射光的信号调制，再经过锁相放大器对同步信号的放大，进而提升太阳光谱遥感仪器系统的信噪比。音叉斩波器包括音叉片2、音叉杆、音叉板、固定柱和与音叉驱动器连接的连接线等，图1中仅以音叉斩波器的音叉片2置于入缝片1和漫透射板3之间为例对光学调制系统的结构进行说明，但实际上入缝片1、音叉片2和漫透射板3三者之间的相对位置可以改变，在一些反射系统中，斩波器和入缝片1可置于漫透射板3的后方。
本发明的光学调制系统不仅适用于太阳光谱遥感仪器，例如FY-3(05)星太阳辐照度光谱仪，还可用于其他遥感仪器，对于某些不需要进行匀光的遥感仪器，光学调制系统可以去掉漫透射板3，以音叉斩波器和入缝片1相结合的形式实现光信号的调制。
为使光学调制系统的结构紧凑及装调方便操作等，光学调制系统还包括一个机械的安装框架，将音叉片2与入缝片1同时固定在安装框架内。在安装时，先将入缝片1在安装框架内调整安装完成后，再安装音叉片2，并通过精密装调确保入缝片1的狭缝中心与两个音叉片2的中心对准，但入缝片1与音叉片2相互无接触。
本实施例中的音叉单元包括音叉驱动器和音叉斩波器，音叉斩波器可以选用博纳艾杰尔（EOPC）的CH-10型电磁式音叉斩波器，该斩波器的频率稳定性可达0.005%。
音叉驱动器的原理框图如图2所示，音叉驱动器具体包括前置放大单元、滤波器单元、峰值检测单元、幅度控制单元、自动钳位单元、功率放大单元、相位调整单元和同步信号输出单元。
前置放大单元对音叉斩波器的反馈信号进行前置放大，并送入滤波器单元进行滤波，滤波器单元滤波后得到的滤波信号分别送入峰值检测单元、自动钳位单元和相位调整单元；峰值检测单元对输入的滤波信号进行峰值检测，得到反馈信号的峰值电压，由幅度控制单元将峰值电压与基准电压进行差值比较，得到当前的钳位电压，并将当前的钳位电压送入自动钳位单元中，自动钳位单元根据钳位电压对滤波器输出波形进行电压控制，输出电压控制信号至功率放大单元。通过电压钳位得到的电压控制信号经过功率放大单元的功率放大，即可用来驱动音叉，功率放大单元输出对应的驱动信号至音叉斩波器。相位调整单元对滤波器单元输出的滤波信号进行相位调整，并输出相位调整后的信号至同步信号输出单元。同步信号输出单元用于提供锁相放大器所需的与音叉振荡相对应的正弦波同步信号及TTL同步信号。
本发明中的音叉驱动器利用了自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC）原理，上电后音叉振荡幅度较小，得到的反馈信号幅值较小，峰值检测单元检测得到的电压值也较小。此较小的电压与预先设置的基准电压进行差值比较后得到很大的钳位电压，从而得到最大幅度的驱动信号，实现音叉的快速起振。随着音叉振荡幅度增大，反馈信号增强，幅度控制单元差值比较后得到的合成电压减小，自动钳位单元工作，使驱动信号降低。通过对驱动信号幅度的闭环控制实现了音叉振荡的动态平衡，通过改变基准电压可以调节音叉的稳定振荡幅度。特别地，在音叉驱动器上电的初始阶段，幅度控制单元会输出一个启动电压信号让音叉片2以一定频率振荡，之后再通过上述闭环控制使音叉片2达到振荡的动态平衡。
本发明所提出的一种太阳光谱遥感仪器的光学调制系统集成了音叉斩波器和入缝片，通过音叉斩波器对入射光信号进行调制，再经过锁相放大器将信号进行放大，最终实现对太阳光谱遥感仪器信噪比的提升，具有体积小、功耗低、稳定性好的优点，并且可以与太阳光谱遥感仪器很好地适配，有利于实现光学调制系统与太阳光谱遥感仪器的集成化。
以上所述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发明的几种实施方式，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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种太阳光谱遥感仪器的光学调制系统，其特征在于，包括用于对输入至入缝片（1）的光进行调制的音叉单元，所述音叉单元包括音叉斩波器和用于驱动所述音叉斩波器中两个音叉片（2）振荡的音叉驱动器，两个所述音叉片（2）位于所述入缝片（1）的同一侧并位于所述入缝片（1）的狭缝的两边，且两个所述音叉片（2）整体的中心与所述入缝片（1）的狭缝中心对准；所述音叉驱动器包括：
前置放大单元，用于对所述音叉斩波器的反馈信号进行前置放大；
滤波器单元，用于对所述前置放大单元放大后的信号进行滤波，并将滤波信号分别送入峰值检测单元、自动钳位单元和相位调整单元；
峰值检测单元，用于检测所述滤波信号的峰值电压；
幅度控制单元，用于将所述峰值电压与基准电压进行差值比较，得到当前的钳位电压，以及在初始上电时，输出启动电压信号；
自动钳位单元，用于根据所述钳位电压和所述滤波信号生成电压控制信号；
功率放大单元，用于对所述电压控制信号进行功率放大，输出对应的驱动信号至所述音叉斩波器；
相位调整单元，用于对所述滤波信号进行相位调整，输出相位调整后的信号至同步信号输出单元；
同步信号输出单元，用于根据相位调整后的信号生成与音叉振荡相对应的正弦波同步信号及TTL同步信号，并将正弦波同步信号及TTL同步信号输出至锁相放大器。
2.根据权利要求1所述的一种太阳光谱遥感仪器的光学调制系统，其特征在于，还包括漫透射板（3），所述漫透射板（3）设置在所述音叉斩波器的前方或者设置在所述入缝片（1）的后方。
3.根据权利要求1所述的一种太阳光谱遥感仪器的光学调制系统，其特征在于，还包括安装框架，所述入缝片（1）和所述音叉片（2）分别固定在所述安装框架内。
4.根据权利要求1所述的一种太阳光谱遥感仪器的光学调制系统，其特征在于，所述音叉斩波器采用EOPC的CH-10型电磁式音叉斩波器。
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