CN205037969U - 一种基于可变osk射频调制的增益程控声光光谱探测系统 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种基于可变OSK射频调制的增益程控声光光谱探测系统，共用前置光路，以AOTF为分光元件，根据其电调谐特性，利用AD9910的OSK功能对其合成的射频信号进行OSK调制，通过射频继电器分时驱动多个AOTF，实现单光谱信号电调制；后置相应谱段的探测器及前放，利用模拟通道选择器对应选通，共用模拟光谱信号处理及采集电路，通过对OSK调制信号数字移相，补偿待测信号在电路中产生的相移，然后与待测信号进行互相关锁相；系统以程控放大器级联压控放大器，控制增益粗调和微调，通过闭环控制实现增益自适应。本专利提高了宽光谱探测的光学效率和信噪比，降低了系统规模与功耗，实现了目标光谱能量的大动态范围探测。

Description

一种基于可变OSK射频调制的增益程控声光光谱探测系统

技术领域：

本专利涉及一种声光光谱探测系统，针对户外或空间物质光谱被动探测的具体需求，以宽带声光可调谐滤光器(Acousto-optictunablefilter,AOTF)为分光元件，基于可变OSK(输出移位键控，OutputShiftKeying)射频驱动调制和增益程控的宽谱段、大动态范围、高信噪比声光光谱探测系统，适用于各种红外光谱仪器的探测系统设计，尤其是在光源辐照变化大、光谱探测范围宽的情况下，能够有效提升系统的输出信噪比，增加待探测光谱范围，实现系统输入光谱能量的大动态范围探测。

背景技术：

红外光谱仪器是利用其分光元件(声光可调谐滤波器、光栅等)，在一定时间内通过光谱探测获取待测物质在红外谱段的连续光谱信息，从而进行物质测量与识别，进而对物质开展定性和定量分析，该技术已广泛应用于航天、军事、农业、生物医学、环境监测、矿物勘探、化学分析等相关领域。

随着户外或空间物质宽谱段实时被动光谱探测需求的日益膨胀，光谱仪器需要直接以太阳为光源，利用待测物质漫反射或透射的部分太阳辐射作为光谱探测系统的入射光信号，经系统分光元件分光后才能进行单光谱探测。

然而，宽谱段光谱被动探测时，自然光源的辐射谱以及物质的反射谱在较宽的光谱区间内强度变化较大，而且不同探测器在不同光谱区间的探测效率也存在差异，种种原因将导致单一增益的光谱探测系统难以同时满足宽谱段光谱探测的需求。因此，宽谱段光谱探测有必要采用增益可程控的光谱探测系统，针对不同强度区间的待测光谱信号，根据需要选择合适的系统增益，以适应光谱探测宽谱段范围内光谱信号的强弱变化，同时也可以适应因自然光源辐射强度变化而引起的待测光谱信号能量整体增强或减弱，便于有效地增加光谱探测系统输入光谱的能量动态范围。

此外，由于物质在红外谱段的吸收系数小，光谱重叠现象严重、背景噪声大，使得红外光谱探测成为强背景噪声下的弱信号检测，而且随着探测系统光谱分辨率的不断提高，必然导致分光所得到的待测单光谱信号能量进一步减弱，使得系统输入端光谱信号的信噪比进一步降低，因此，在提高系统光谱分辨率的同时，必须根据系统自身资源，采用合适的微弱信号检测方法，尽可能地增强探测系统的信噪比改善能力，以提高系统输出信号的信噪比。

AOTF是根据各向异性双折射晶体的声光互作用衍射原理制成的一种新型电调谐分光器件，通过改变施加在晶体换能器上的射频驱动信号频率选择不同的分光波长，进而实现波长扫描。AOTF作为一种小型电调谐窄带滤光器，具有全固态、通光孔径大、衍射效率高、波长调谐速度快、范围宽等优点，在光谱仪器的光电化、高速化和小型化等方面具有无法取代的优势。

目前，光谱仪器多采用主动探测的方式，系统自带光源的辐射强度稳定、可控，系统增益固定，可探测的光谱范围较窄，多应用于专用测量，而且模拟光谱信号处理电路比较简单，通常采用同步累积、积分取样等方法即可获得一定的信噪比。专利CN102928081和专利CN102967370中所提及的光谱仪则利用锁相放大技术提高系统的输出信噪比，且其所采用的电调制方式能够有效地避免传统待测光谱信号调制方式：如机械调制(即将光学斩波器置于光源和分光元件之间)和光源调制(即利用脉冲信号控制光源开关)可能带来的抖动和调制频率限制等问题；但两专利均采用自主光源，不适用于被动探测，尤其是大动态范围的宽谱段光谱探测；另外，两专利中对射频信号的调制均是通过附加调控脉冲发生器或数字频率合成器等电子器件来完成，其待测信号与参考信号的同步精度较低，并且增加系统成本，影响系统的工作效率。专利CN104748851中提出通过变增益的方法提高光谱仪的工作效率，设计采用模拟通道选择器选择不同的反馈电阻来改变增益，虽然可以在一定程度上扩展系统增益，但可选增益非常有限，而且增加系统负担。

发明内容：

基于上述背景及所存在的问题，本专利设计了一种声光光谱探测系统，其基于可变OSK射频调制和增益程控，实现宽谱段、大动态范围、高信噪比的光谱探测。

该专利的主要设计思路为：1)宽谱段光谱分段探测，系统共用前置光路，采用一切多射频继电器分时驱动多个AOTF进行分光，后置多组相应光谱区间响应的探测器及前放电路，再利用多选一模拟通道选择器对应选通，共用模拟光谱信号处理及采集电路，提高全谱段光谱探测的光学效率和灵敏度，实现高集成度系统设计；2)根据AOTF的电调谐特性，利用DDS芯片AD9910的OSK功能对其合成的射频信号直接进行数控OSK调制，实现分光光谱信号的灵活电调制，并在模拟光谱信号处理中利用该同源OSK调制信号进行适当的数字移相，以补偿待测光谱信号在电子学系统中产生的附加相移，然后再与待测光谱信号进行互相关锁相，并可依据OSK调制的频率，修改锁相、滤波的时间常数，或提高系统信噪比或增加系统时效性，或者调整OSK调制频率；3)程控增益放大器级联压控增益放大器，分别控制系统增益的粗调与微调，且增益步进可调，通过系统增益的宽范围灵活调节实现目标光谱能量的大动态范围探测，并结合闭环增益控制机制完成系统增益的自适应调节。

对本专利的具体说明如下：

1、基于可变OSK射频调制的增益程控声光光谱探测系统主要包括前置光学1、探测器及前放组2、模拟光谱信号处理及采集3、射频驱动生成4、FPGA主控5和上位机6，其特征在于：

所述的前置光学1包括成像镜101、视场光阑102、准直镜103、第一分光镜104、第N分光镜105和反射镜106；目标光经成像镜101成像于视场光阑102，隔离杂散光，然后经准直镜103准直为平行光入射第一分光镜104，其透射光可经多个分光镜继续分光，最后一个分光镜即第N分光镜105的透射光入射反射镜106；N+1为探测谱段数目；

所述的探测器及前放组2包括第一AOTF晶体201、第一会聚镜202、第一谱段探测器203、第一互阻抗放大器204，第NAOTF晶体205，第N会聚镜206、第N谱段探测器207、第N互阻抗放大器208，第N+1AOTF晶体209、第N+1会聚镜210、第N+1谱段探测器211和第N+1互阻抗放大器212；第一分光镜104的反射光经第一AOTF晶体201分光得到准单色光，经第一会聚镜202聚焦于第一谱段探测器203光敏面，所得光电流通过第一互阻抗放大器204转换为第一路电压信号；第N分光镜105的反射光经第NAOTF晶体205分光得到准单色光，经第N会聚镜206聚焦于第N谱段探测器207光敏面，所得光电流通过第N互阻抗放大器208转换为第N路电压信号；反射镜106的反射光经第N+1AOTF晶体209分光得到准单色光，经第N+1会聚镜210聚焦于第N+1谱段探测器211光敏面，所得光电流通过第N+1互阻抗放大器212转换为第N+1电压信号；

所述的模拟光谱信号处理及采集3包括第一模拟通道选择器301、程控增益放大器302、窄带滤波器303、压控增益放大器304、同相1倍放大器305、反相1倍放大器306、第二模拟通道选择器307、低通滤波器308、模数转换器309、第一电压基准源310、第二电压基准源313、数模转换器312和射极跟随器311；探测器及前放组2所输出的N+1路电压信号作为系统待测模拟光谱信号，同时接入第一模拟通道选择器301，其输出信号先经程控增益放大器302进行增益粗调，再通过窄带滤波器303滤除带外噪声和干扰频率，然后利用压控增益放大器304进行增益细调，由第一基准源310为压控增益放大器304提供固定的负向增益控制电压V_GENG，数模转换器312的输出经射级跟随器311隔离后为压控增益放大器304提供可变的正向增益控制电压V_GPOS，第二基准源313为数模转换器312提供基准电压。然后，压控增益放大器304的输出同时接入同相1倍放大器305和反相1倍放大器306，将两路输出同时引入第二模拟通道选择器307，继而实现待测信号和模拟通道选择器307选通控制信号的互相关锁相，锁相输出经低通滤波器308提取直流成分，再由模数转换器309进行A/D采样；

所述的射频驱动生成4包括DDS合成器401、射频功率放大器402和射频继电器403。由FPGA主控5控制DDS合成器401合成所需的射频信号，并利用DDS芯片的OSK功能对其合成的射频驱动信号直接进行数控OSK调制，再经射频功率放大器402调整射频信号功率，然后输入射频继电器403，其输出分别接至各AOTF晶体的驱动注入端；

FPGA主控5控制射频继电器403切换射频输出通道驱动各个AOTF，并控制第一模拟通道选择器301选通相匹配的探测器及前放输出；FPGA主控5配置DDS芯片的信号合成和OSK调制，实现单光谱信号的电调制，并将该OSK调制信号适当数字移相，补偿待测光谱信号在电子学系统中产生的附加相移，作为第二模拟通道选择器307的选通控制信号；最终采样结果经FPGA主控5处理后，传输至上位机6进行显示。

本专利的优点是：

1、本专利所提出的声光光谱探测系统集成度高、电路规模小、功耗低，共用前置光学，采用多个分光镜分光至AOTF阵列，其后配合相应探测器及前放组，利用射频继电器和模拟通道选择器分时驱动不同AOTF晶体，并切换相应波段探测器前放输出，实现宽谱段分时光谱探测；

2、基于电调谐声光效应的可控射频OSK调制，即结合AOTF分光技术，利用DDS芯片AD9910的OSK功能对其合成的射频驱动信号直接进行数控OSK调制，实现光谱信号的电调制，取代以往的机械调制，并通过数字编程对同源OSK调制信号进行移相，补偿待测光谱信号在电子学系统中产生的相移。依据OSK调制频率，可修改锁相、滤波的时间常数，或提高系统信噪比或增加系统时效性，或者调整OSK调制频率；

3、基于集成增益可控放大器的增益程控体制，程控增益放大器级联压控增益放大器，粗调、微调相结合，16位DCA控制增益调节精度可达0.0015dB，灵活、准确地实现多种倍率放大，取代通常的运放放大阵列，减小电路规模与成本，实现目标光谱能量的大动态范围探测；

4、本专利所提出的方法可应用在其它谱段的光谱仪以及成像类光谱仪的系统设计中。

附图说明：

图1基于可变OSK射频调制的增益程控声光光谱探测系统。

图2射频信号OSK调制图。

图3锁相滤波模块中信号的变换过程。

图1中，1表示系统前置光学，其中101为成像镜，102为视场光阑，103为准直镜，104为第一分光镜，105为第N分光镜，106为反射镜；2表示系统探测器及前放组，其中201为第一AOTF晶体，205为第NAOTF晶体，209为第N+1AOTF晶体，202为第一会聚镜，206为第N会聚镜，210为第N+1会聚镜，203为第一谱段探测器，207为第N谱段探测器，211为第N+1谱段探测器，204为第一互阻抗放大器，208为第N互阻抗放大器，212为第N+1互阻抗放大器；3表示系统模拟光谱信号处理及采集，其中301为第一模拟通道选择器，302为程控增益放大器，303为窄带滤波器，304为压控增益放大器，305为同相1倍放大器，306为反相1倍放大器，307为第二模拟通道选择器，308为低通滤波器，309为模数转换器，310为第一基准源，311为射极跟随器，312为数模转换器，313为第二基准源；4表示系统射频驱动生成，其中401为DDS合成器，402为功率放大器，403为射频继电器；5表示系统FPGA主控；6表示上位机。

具体实施方式：

下面结合附图1、2、3对本专利所提出的基于可变OSK射频调制的增益程控声光光谱探测系统的具体实施方法做进一步的说明：

首先，如图1所示为基于可变OSK射频调制的增益程控声光光谱探测系统的具体实施框图，系统采用3块AOTF晶体分光，即N＝2。由待测物质漫反射或透射的太阳光作为该光谱探测系统的入射光，经成像镜101成像于视场光阑102消除周边的杂散光，然后入射准直镜103，准直后的光线由第一分光镜104一分为二，反射光入射第一AOTF晶体201，透射光入射第二分光镜105，其反射光入射第二AOTF晶体205，透射光则直接经反射镜106反射后入射第三AOTF晶体209。实施过程中所采用的AOTF均为Brimrose公司的货架产品，其具体参数如下：

表1Brimrose可见、近红外、短波AOTF晶体参数

利用以上3块AOTF晶体组成宽谱段分光阵列，根据上位机6所设置的光谱探测模式(单波段、全波段或特定波段探测)来配置DDS合成器AD9910401的具体驱动方式，生成相应的射频驱动信号，并利用其OSK功能对其合成的射频驱动信号直接进行数控OSK调制，实现光谱信号的灵活电调制(单波段射频驱动信号调制效果如图2所示)，驱动信号再经过射频功率放大器402进行功率放大，然后接入一通三射频继电器503，将其三路输出分别加至第一AOTF晶体201、第二AOTF晶体205和第三AOTF晶体209的驱动注入端。系统全波段扫描时，依次切换射频继电器的输出通道，驱动相应的AOTF晶体，即可实现待测入射光在400nm～2400nm的宽谱段光谱分光。

3个AOTF晶体分光出射的准单色光谱信号分别经第一会聚镜202、第二会聚镜206、第三会聚镜210聚焦于其后相应的第一谱段探测器203、第二谱段探测器207和第三谱段探测器211的光敏面上，将交变光谱信号转换为交变电流信号，然后再利用第一互阻抗放大器204、第二互阻抗放大器208和第三互阻抗放大器212进行I/V转换，将各交变电流信号转换为交变电压信号，该交变电压信号的基频即为此前射频驱动信号的OSK调制频率。实施过程中，可见AOTF晶体TEAF10-0.4-1.0-H后采用AdvancedPhotonix公司的可见探测器SD100-12-22-021，近红外AOTF和短波AOTF后均采用TeledyneJudsonTechnologies公司的同款探测器J23TE2-66C-R02M-2.4，下表为所选用探测器的部分参数指标。

表2所选用探测器部分参数指标

将3组探测器前放的输出接入4选1第一模拟通道选择器301，多余通道接地处理，此处模拟通道选择器的通道选择与射频继电器的切换是一一对应的，保证所选通的探测器前放与所驱动的AOTF晶体是同一路的。

第一模拟通道选择器的输出接入程控增益放大器AD8253302，通过FPGA设置其增益控制标志位A0、A1的逻辑组合实现×1、×10、×100、×1000倍放大；再经过以OSK调制频率为中心频率的窄带滤波器303，滤除带外噪声和干扰频率；然后接入压控增益放大器AD603304，其增益由正向增益控制电压脚和负向增益控制电压脚的电压差决定，即V_GPOS和V_GNEG，其中V_GNEG由电压基准芯片ADR510310提供1.0V的固定电压，V_GPOS则利用16位串行D/A转换器MAX541312产生750mV～1.30V的可变电压经射极跟随器311后提供，利用基准芯片ADR421313为MAX541提供2.5V基准电平，MAX541的设计调节步进为1mV，AD603增益调节精度可达0.0015dB，根据实施中具体电路连接，AD603的增益计算公式可表示为：

Gain(dB)＝40V_G+20；V_G(V)＝V_GPOS-V_GNEG(1)

然后，放大后的待测信号同时引入同相1倍放大器305和反相1倍放大器306，得到两个幅度一致、相差180°的信号V₊和V_-，并同时引入第二模拟通道选择器ADG1419307，FPGA根据此前的OSK调制信号，对其进行适当的移相，以补偿待测信号在电路中产生的相移，生成与V₊相位一致或相差180°的参考信号V_ref，作为ADG1419的选通控制信号，交替选通V₊和V_-，实现待测信号与参考信号的互相关锁相，再经Chebyshev低通滤波器308提取锁相结果中的直流成分，此过程中信号的变化情况如图3所示。

最后，采用A/D转换器AD976309对锁相输出的直流信号进行A/D采样，采样结果经过FPGA预处理后，利用RS422通信协议传输至上位机6进行显示。

系统提供自适应增益功能，全波段光谱扫描探测时，首先预设最小系统增益进行全波段扫描，根据AD976采样所得的最大值和ADC的输入量程，计算合适的系统增益，重新配置A0、A1以及MAX541的输出电压，再进行全波段扫描即可。

Claims (1)

1.一种基于可变OSK射频调制的增益程控声光光谱探测系统，包括前置光学(1)、探测器及前放组(2)、模拟光谱信号处理及采集(3)、射频驱动生成(4)、FPGA主控(5)和上位机(6)，其特征在于：

所述的前置光学(1)包括成像镜(101)、视场光阑(102)、准直镜(103)、第一分光镜(104)、第N分光镜(105)和反射镜(106)；目标光经成像镜(101)成像于视场光阑(102)，隔离杂散光，然后经准直镜(103)准直为平行光入射第一分光镜(104)，其透射光可经多个分光镜继续分光，最后一个分光镜即第N分光镜(105)的透射光入射反射镜(106)；N+1为探测谱段数目；

所述的探测器及前放组(2)包括第一AOTF晶体(201)、第一会聚镜(202)、第一谱段探测器(203)、第一互阻抗放大器(204)，第NAOTF晶体(205)，第N会聚镜(206)、第N谱段探测器(207)、第N互阻抗放大器(208)，第N+1AOTF晶体(209)、第N+1会聚镜(210)、第N+1谱段探测器(211)和第N+1互阻抗放大器(212)；第一分光镜(104)的反射光经第一AOTF晶体(201)分光得到准单色光，经第一会聚镜(202)聚焦于第一谱段探测器(203)光敏面，所得光电流通过第一互阻抗放大器(204)转换为第一路电压信号；第N分光镜(105)的反射光经第NAOTF晶体(205)分光得到准单色光，经第N会聚镜(206)聚焦于第N谱段探测器(207)光敏面，所得光电流通过第N互阻抗放大器(208)转换为第N路电压信号；反射镜(106)的反射光经第N+1AOTF晶体(209)分光得到准单色光，经第N+1会聚镜(210)聚焦于第N+1谱段探测器(211)光敏面，所得光电流通过第N+1互阻抗放大器(212)转换为第N+1电压信号；

所述的模拟光谱信号处理及采集(3)包括第一模拟通道选择器(301)、程控增益放大器(302)、窄带滤波器(303)、压控增益放大器(304)、同相1倍放大器(305)、反相1倍放大器(306)、第二模拟通道选择器(307)、低通滤波器(308)、模数转换器(309)、第一电压基准源(310)、第二电压基准源(313)、数模转换器(312)和射极跟随器(311)；探测器及前放组(2)所输出的N+1路电压信号作为系统待测模拟光谱信号，同时接入第一模拟通道选择器(301)，其输出信号先经程控增益放大器(302)进行增益粗调，再通过窄带滤波器(303)滤除带外噪声和干扰频率，然后利用压控增益放大器(304)进行增益细调，由第一基准源(310)为压控增益放大器(304)提供固定的负向增益控制电压V_GENG，数模转换器(312)的输出经射级跟随器(311)隔离后为压控增益放大器(304)提供可变的正向增益控制电压V_GPOS，第二基准源(313)为数模转换器(312)提供基准电压；然后，压控增益放大器(304)的输出同时接入同相1倍放大器(305)和反相1倍放大器(306)，将两路输出同时引入第二模拟通道选择器(307)，继而实现待测信号和模拟通道选择器(307)选通控制信号的互相关锁相，锁相输出经低通滤波器(308)提取直流成分，再由模数转换器(309)进行A/D采样；

所述的射频驱动生成(4)包括DDS合成器(401)、射频功率放大器(402)和射频继电器(403)；由FPGA主控(5)控制DDS合成器(401)合成所需的射频信号，并利用DDS芯片的OSK功能对其合成的射频驱动信号直接进行数控OSK调制，再经射频功率放大器(402)调整射频信号功率，然后输入射频继电器(403)，其输出分别接至各AOTF晶体的驱动注入端；

FPGA主控(5)控制射频继电器(403)切换射频输出通道驱动各个AOTF，并控制第一模拟通道选择器(301)选通相匹配的探测器及前放输出；FPGA主控(5)配置DDS芯片的信号合成和OSK调制，实现单光谱信号的电调制，并将该OSK调制信号适当数字移相，补偿待测光谱信号在电子学系统中产生的附加相移，作为第二模拟通道选择器(307)的选通控制信号；最终采样结果经FPGA主控(5)处理后，传输至上位机(6)进行显示。