基于可變osk射頻調(diào)制的增益程控聲光光譜探測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種聲光光譜探測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)戶外或空間物質(zhì)光譜被動(dòng)探測(cè)的具體需 求，以寬帶聲光可調(diào)諧濾光器（Acousto-optic tunable filter, A0TF)為分光元件，基于可 變OSK(輸出移位鍵控，Output Shift Keying)射頻驅(qū)動(dòng)調(diào)制和增益程控的寬譜段、大動(dòng)態(tài) 范圍、高信噪比聲光光譜探測(cè)系統(tǒng)，適用于各種紅外光譜儀器的探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，尤其是在光 源輻照變化大、光譜探測(cè)范圍寬的情況下，能夠有效提升系統(tǒng)的輸出信噪比，增加待探測(cè)光 譜范圍，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸入光譜能量的大動(dòng)態(tài)范圍探測(cè)。
【背景技術(shù)】：
[0002] 紅外光譜儀器是利用其分光元件（聲光可調(diào)諧濾波器、光柵等），在一定時(shí)間內(nèi)通 過光譜探測(cè)獲取待測(cè)物質(zhì)在紅外譜段的連續(xù)光譜信息，從而進(jìn)行物質(zhì)測(cè)量與識(shí)別，進(jìn)而對(duì) 物質(zhì)開展定性和定量分析，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航天、軍事、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、礦 物勘探、化學(xué)分析等相關(guān)領(lǐng)域。
[0003] 隨著戶外或空間物質(zhì)寬譜段實(shí)時(shí)被動(dòng)光譜探測(cè)需求的日益膨脹，光譜儀器需要直 接以太陽為光源，利用待測(cè)物質(zhì)漫反射或透射的部分太陽輻射作為光譜探測(cè)系統(tǒng)的入射光 信號(hào)，經(jīng)系統(tǒng)分光元件分光后才能進(jìn)行單光譜探測(cè)。
[0004] 然而，寬譜段光譜被動(dòng)探測(cè)時(shí)，自然光源的輻射譜以及物質(zhì)的反射譜在較寬的光 譜區(qū)間內(nèi)強(qiáng)度變化較大，而且不同探測(cè)器在不同光譜區(qū)間的探測(cè)效率也存在差異，種種原 因?qū)?dǎo)致單一增益的光譜探測(cè)系統(tǒng)難以同時(shí)滿足寬譜段光譜探測(cè)的需求。因此，寬譜段光 譜探測(cè)有必要采用增益可程控的光譜探測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)不同強(qiáng)度區(qū)間的待測(cè)光譜信號(hào)，根據(jù) 需要選擇合適的系統(tǒng)增益，以適應(yīng)光譜探測(cè)寬譜段范圍內(nèi)光譜信號(hào)的強(qiáng)弱變化，同時(shí)也可 以適應(yīng)因自然光源輻射強(qiáng)度變化而引起的待測(cè)光譜信號(hào)能量整體增強(qiáng)或減弱，便于有效地 增加光譜探測(cè)系統(tǒng)輸入光譜的能量動(dòng)態(tài)范圍。
[0005] 此外，由于物質(zhì)在紅外譜段的吸收系數(shù)小，光譜重疊現(xiàn)象嚴(yán)重、背景噪聲大，使得 紅外光譜探測(cè)成為強(qiáng)背景噪聲下的弱信號(hào)檢測(cè)，而且隨著探測(cè)系統(tǒng)光譜分辨率的不斷提 高，必然導(dǎo)致分光所得到的待測(cè)單光譜信號(hào)能量進(jìn)一步減弱，使得系統(tǒng)輸入端光譜信號(hào)的 信噪比進(jìn)一步降低，因此，在提高系統(tǒng)光譜分辨率的同時(shí)，必須根據(jù)系統(tǒng)自身資源，采用合 適的微弱信號(hào)檢測(cè)方法，盡可能地增強(qiáng)探測(cè)系統(tǒng)的信噪比改善能力，以提高系統(tǒng)輸出信號(hào) 的信噪比。
[0006] AOTF是根據(jù)各向異性雙折射晶體的聲光互作用衍射原理制成的一種新型電調(diào)諧 分光器件，通過改變施加在晶體換能器上的射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率選擇不同的分光波長(zhǎng)，進(jìn)而 實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)掃描。AOTF作為一種小型電調(diào)諧窄帶濾光器，具有全固態(tài)、通光孔徑大、衍射效率 高、波長(zhǎng)調(diào)諧速度快、范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在光譜儀器的光電化、高速化和小型化等方面具有無 法取代的優(yōu)勢(shì)。
[0007]目前，光譜儀器多采用主動(dòng)探測(cè)的方式，系統(tǒng)自帶光源的輻射強(qiáng)度穩(wěn)定、可控，系 統(tǒng)增益固定，可探測(cè)的光譜范圍較窄，多應(yīng)用于專用測(cè)量，而且模擬光譜信號(hào)處理電路比較 簡(jiǎn)單，通常采用同步累積、積分取樣等方法即可獲得一定的信噪比。專利CN102928081和專 利CN102967370中所提及的光譜儀則利用鎖相放大技術(shù)提高系統(tǒng)的輸出信噪比，且其所采 用的電調(diào)制方式能夠有效地避免傳統(tǒng)待測(cè)光譜信號(hào)調(diào)制方式：如機(jī)械調(diào)制（即將光學(xué)斬波 器置于光源和分光元件之間）和光源調(diào)制（即利用脈沖信號(hào)控制光源開關(guān)）可能帶來的抖 動(dòng)和調(diào)制頻率限制等問題；但兩專利均采用自主光源，不適用于被動(dòng)探測(cè)，尤其是大動(dòng)態(tài)范 圍的寬譜段光譜探測(cè)；另外，兩專利中對(duì)射頻信號(hào)的調(diào)制均是通過附加調(diào)控脈沖發(fā)生器或 數(shù)字頻率合成器等電子器件來完成，其待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的同步精度較低，并且增加系 統(tǒng)成本，影響系統(tǒng)的工作效率。專利CN104748851中提出通過變?cè)鲆娴姆椒ㄌ岣吖庾V儀的 工作效率，設(shè)計(jì)采用模擬通道選擇器選擇不同的反饋電阻來改變?cè)鲆妫m然可以在一定程 度上擴(kuò)展系統(tǒng)增益，但可選增益非常有限，而且增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0008] 基于上述背景及所存在的問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種聲光光譜探測(cè)系統(tǒng)，其基于可 變OSK射頻調(diào)制和增益程控，實(shí)現(xiàn)寬譜段、大動(dòng)態(tài)范圍、高信噪比的光譜探測(cè)。
[0009] 該發(fā)明的主要設(shè)計(jì)思路為：1)寬譜段光譜分段探測(cè)，系統(tǒng)共用前置光路，采用一 切多射頻繼電器分時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)AOTF進(jìn)行分光，后置多組相應(yīng)光譜區(qū)間響應(yīng)的探測(cè)器及前 放電路，再利用多選一模擬通道選擇器對(duì)應(yīng)選通，共用模擬光譜信號(hào)處理及采集電路，提高 全譜段光譜探測(cè)的光學(xué)效率和靈敏度，實(shí)現(xiàn)高集成度系統(tǒng)設(shè)計(jì)；2)根據(jù)AOTF的電調(diào)諧特 性，利用DDS芯片AD9910的OSK功能對(duì)其合成的射頻信號(hào)直接進(jìn)行數(shù)控OSK調(diào)制，實(shí)現(xiàn)分 光光譜信號(hào)的靈活電調(diào)制，并在模擬光譜信號(hào)處理中利用該同源OSK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)?數(shù)字移相，以補(bǔ)償待測(cè)光譜信號(hào)在電子學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)生的附加相移，然后再與待測(cè)光譜信號(hào) 進(jìn)行互相關(guān)鎖相，并可依據(jù)OSK調(diào)制的頻率，修改鎖相、濾波的時(shí)間常數(shù)，或提高系統(tǒng)信噪 比或增加系統(tǒng)時(shí)效性，或者調(diào)整OSK調(diào)制頻率；3)程控增益放大器級(jí)聯(lián)壓控增益放大器，分 別控制系統(tǒng)增益的粗調(diào)與微調(diào)，且增益步進(jìn)可調(diào)，通過系統(tǒng)增益的寬范圍靈活調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)目 標(biāo)光譜能量的大動(dòng)態(tài)范圍探測(cè)，并結(jié)合閉環(huán)增益控制機(jī)制完成系統(tǒng)增益的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。
[0010] 對(duì)本發(fā)明的具體說明如下：
[0011] 1、基于可變OSK射頻調(diào)制的增益程控聲光光譜探測(cè)系統(tǒng)主要包括前置光學(xué)1、探 測(cè)器及前放組2、模擬光譜信號(hào)處理及采集3、射頻驅(qū)動(dòng)生成4、FPGA主控5和上位機(jī)6,其 特征在于：
[0012] 所述的前置光學(xué)1包括成像鏡101、視場(chǎng)光闌102、準(zhǔn)直鏡103、第一分光鏡104、第 N分光鏡105和反射鏡106 ;目標(biāo)光經(jīng)成像鏡101成像于視場(chǎng)光闌102,隔離雜散光，然后經(jīng) 準(zhǔn)直鏡103準(zhǔn)直為平行光入射第一分光鏡104,其透射光可經(jīng)多個(gè)分光鏡繼續(xù)分光，最后一 個(gè)分光鏡即第N分光鏡105的透射光入射反射鏡106 ;N+1為探測(cè)譜段數(shù)目；
[0013] 所述的探測(cè)器及前放組2包括第一 AOTF晶體201、第一會(huì)聚鏡202、第一譜段探測(cè) 器203、第一互阻抗放大器204,第N AOTF晶體205,第N會(huì)聚鏡206、第N譜段探測(cè)器207、 第N互阻抗放大器208,第N+1A0TF晶體209、第N+1會(huì)聚鏡210、第N+1譜段探測(cè)器211和 第N+1互阻抗放大器212 ;第一分光鏡104的反射光經(jīng)第一 AOTF晶體201分光得到準(zhǔn)單色 光，經(jīng)第一會(huì)聚鏡202聚焦于第一譜段探測(cè)器203光敏面，所得光電流通過第一互阻抗放大 器204轉(zhuǎn)換為第一路電壓信號(hào)；第N分光鏡105的反射光經(jīng)第N AOTF晶體205分光得到 準(zhǔn)單色光，經(jīng)第N會(huì)聚鏡206聚焦于第N譜段探測(cè)器207光敏面，所得光電流通過第N互阻 抗放大器208轉(zhuǎn)換為第N路電壓信號(hào)；反射鏡106的反射光經(jīng)第N+1AOTF晶體209分光得 到準(zhǔn)單色光，經(jīng)第N+1會(huì)聚鏡210聚焦于第N+1譜段探測(cè)器211光敏面，所得光電流通過第 N+1互阻抗放大器212轉(zhuǎn)換為第N+1電壓信號(hào)；
[0014] 所述的模擬光譜信號(hào)處理及采集3包括第一模擬通道選擇器301、程控增益放大 器302、窄帶濾波器303、壓控增益放大器304、同相1倍放大器305、反相1倍放大器306、 第二模擬通道選擇器307、低通濾波器308、模數(shù)轉(zhuǎn)換器309、第一電壓基準(zhǔn)源310、第二電壓 基準(zhǔn)源313、數(shù)模轉(zhuǎn)換器312和射極跟隨器311 ;探測(cè)器及前放組2所輸出的N+1路電壓信 號(hào)作為系統(tǒng)待測(cè)模擬光譜信號(hào)，同時(shí)接入第一模擬通道選擇器301，其輸出信號(hào)先經(jīng)程控增 益放大器302進(jìn)行增益粗調(diào)，再通過窄帶濾波器303濾除帶外噪聲和干擾頻率，然后利用壓 控增益放大器304進(jìn)行增益細(xì)調(diào)，由第一基準(zhǔn)源310為壓控增益放大器304提供固定的負(fù) 向增益控制電壓，數(shù)模轉(zhuǎn)換器312的輸出經(jīng)射級(jí)跟隨器311隔離后為壓控增益放大器 304提供可變的正向增益控制電壓V tiros，第二基準(zhǔn)源313為數(shù)模轉(zhuǎn)換器312提供基準(zhǔn)電壓。 然后，壓控增益放大器304的輸出同時(shí)接入同相1倍放大器305和反相1倍放大器306,將 兩路輸出同時(shí)引入第二模擬通道選擇器307,繼而實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)和模擬通道選擇器307選 通控制信號(hào)的互相關(guān)鎖相，鎖相輸出經(jīng)低通濾波器308提取直流成分，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器309 進(jìn)行A/D米樣；
[0015] 所述的射頻驅(qū)動(dòng)生成4包括DDS合成器401、射頻功率放大器402和射頻繼電器 403。由FPGA主控5控制DDS合成器401合成所需的射頻信號(hào)，并利用DDS芯片的OSK功 能對(duì)其合成的射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接進(jìn)行數(shù)控OSK調(diào)制，再經(jīng)射頻功率放大器402調(diào)整射頻信 號(hào)功率，然后輸入射頻繼電器403,其輸出分別接至各AOTF晶體的驅(qū)動(dòng)注入端；
[0016] FPGA主控5控制射頻繼電器403切換射頻輸出通道驅(qū)動(dòng)各個(gè)A0TF，并控制第一模 擬通道選擇器301選通相匹配的探測(cè)器及前放輸出；FPGA主控5配置DDS芯片的信號(hào)合成 和OSK調(diào)制，實(shí)現(xiàn)單光譜信號(hào)的電調(diào)制，并將該OSK調(diào)制信號(hào)適當(dāng)數(shù)字移相，補(bǔ)償待測(cè)光譜 信號(hào)在電子學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)生的附加相移，作為第二模擬通道選擇器307的選通控制信號(hào)；最 終采樣結(jié)果經(jīng)FPGA主控5處理后，傳輸至上位機(jī)6進(jìn)行顯示。
[0017] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0018] 1、本發(fā)明所提出的聲光光譜探測(cè)系統(tǒng)集成度高、電路規(guī)模小、功耗低，共用前置光 學(xué)，采用多個(gè)分光鏡分光至AOTF陣列，其后配合相應(yīng)探測(cè)器及前放組，利用射頻繼電器和 模擬通道選擇器分時(shí)驅(qū)動(dòng)不同AOTF晶體，并切換相應(yīng)波段探測(cè)器前放輸出，實(shí)現(xiàn)寬譜段分 時(shí)光譜探測(cè)；
[0019] 2、基于電調(diào)諧聲光效應(yīng)的可控射頻OSK調(diào)制，即結(jié)合AOTF分光技術(shù)，利用DDS芯 片AD9910的OSK功能對(duì)其合成的射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接進(jìn)行數(shù)控OSK調(diào)制，實(shí)現(xiàn)光譜信號(hào)的電 調(diào)制，取代以往的機(jī)械調(diào)制，并通過數(shù)字編程對(duì)同源OSK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行移相，補(bǔ)償待測(cè)光譜 信號(hào)在電子學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)生的相移。依據(jù)OSK調(diào)制頻率，可修改鎖相、濾波的時(shí)間常數(shù)，或提 高系統(tǒng)信噪比或增加系統(tǒng)時(shí)效性，或者調(diào)整OSK調(diào)制頻率；
[0020] 3、基于集成增益可控放大器的增益程控體制，程控增益放大器級(jí)聯(lián)壓控增益放大 器，粗調(diào)、微調(diào)相結(jié)合，16位DCA控制增益調(diào)節(jié)精度可達(dá)0.0015dB，靈活、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)多種倍 率放大，取代通常的運(yùn)放放大陣列，減小電路規(guī)模與成本，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)光譜能量的大動(dòng)態(tài)范圍 探測(cè)；
[0021] 4、本發(fā)明所提出的方法可應(yīng)用在其它譜段的光譜儀以及成像類光譜儀的系統(tǒng)設(shè) 計(jì)中。
【附圖說明】：
[0022] 圖1基于可變OSK射頻調(diào)制的增益程控聲光光譜探測(cè)系統(tǒng)。
[0023] 圖2射頻信號(hào)OSK調(diào)制圖。
[0024] 圖3鎖相濾波模塊中信號(hào)的變換過程。
[0025] 圖1中，1表示系統(tǒng)前置光學(xué)，其中101為成像鏡，102為視場(chǎng)光闌，103為準(zhǔn)直鏡， 104為第一分光鏡，105為第N分光鏡，106為反射鏡；2表不系統(tǒng)探測(cè)器及前放組，其中201 為第一 AOTF晶體，205為第N AOTF晶體，209為第N+1A0TF晶體