本文關鍵詞：彈光調制雙閉環(huán)穩(wěn)定與控制技術的研究

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【摘要】：隨著科技飛速發(fā)展,在國防安全、空氣檢測、太空探索、生物工程等高精尖領域,光譜測量愈發(fā)受到重視。現有的各種用于光譜測量的光譜儀中,以彈光調制干涉具為核心的彈光調制傅里葉變換光譜儀因工作頻率高、適用光譜波段廣、反應靈敏精準等優(yōu)點使其優(yōu)勢顯著應用空間廣闊。彈光調制器工作狀態(tài)無法長時間穩(wěn)定,調制效果受自身熱效應及環(huán)境限制嚴重。因此如何克服彈光調制器工作不穩(wěn)定的問題,對其進行方便準確的控制,保證其調制效果的穩(wěn)定并能根據需求使其輸出需要的調制光程差是彈光調制傅里葉變換光譜儀的發(fā)展必須跨過的難關。本文首先分析彈光調制器的構成及工作原理,建立彈光晶體的動態(tài)模型對其工作過程中的熱耗散引發(fā)的頻率漂移進行分析,利用得到的諧振頻率與相位差關系以及頻率漂移對光程差調制效果的影響為基礎,對彈光調制雙閉環(huán)穩(wěn)定與控制系統(tǒng)進行方案設計。其次以FPGA為控制核心進行硬件系統(tǒng)設計,分別由反饋采集及轉換、電壓自動調節(jié)、A/D反饋、光程差檢測、DA轉換等模塊構成。并實現了以DDS信號發(fā)生器的設計和數字鑒相器的設計為基礎的頻率控制閉環(huán)環(huán)路程序的設計實現頻率制動跟蹤的功能,以及用于光程差調制效果反饋的光程差檢測程序的設計,進行光程差調制效果補償的電壓控制閉環(huán)環(huán)路系統(tǒng)和對驅動電壓監(jiān)測的A/D反饋控制程序的設計,還有為采集到的干涉信號進行光譜復原而進行波長定標需要的數據進行傳輸的程序設計。從而完成對彈光調制器穩(wěn)定工作和輸出需要的調制光程差的控制,而且為進一步的數據處理與光譜反演做準備。最后對系統(tǒng)的各個組成模塊進行了測試,并搭建了彈光調制穩(wěn)定與控制系統(tǒng)實驗平臺和PEM-FTS綜合測試實驗平臺,對整個系統(tǒng)的工作效果進行測試,系統(tǒng)實現調制效果在大光程差調制狀態(tài)下的長時間穩(wěn)定。
【關鍵詞】：彈光調制器 頻率漂移 頻率自動跟蹤 電壓自動調節(jié) FPGA
【學位授予單位】：中北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH744.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 緒論10-16
• 1.1 課題選題背景和研究意義10-11
• 1.2 國內外研究現狀11-14
• 1.2.1 彈光調制器的國內外研究現狀11-12
• 1.2.2 彈光調制傅里葉變換光譜儀及其控制技術的研究現狀12-14
• 1.3 課題來源、目的、主要研究內容14-16
• 2 彈光調制干涉儀特性及穩(wěn)定系統(tǒng)的設計16-24
• 2.1 彈光調制干涉儀的組成及原理16-17
• 2.2 彈光調制器動態(tài)模型及頻率漂移17-20
• 2.2.1 PEM諧振的意義及溫度對它的影響17
• 2.2.2 PEM動態(tài)模型的分析17-20
• 2.3 彈光調制的雙閉環(huán)穩(wěn)定與控制系統(tǒng)的設計20-22
• 2.4 本章小結22-24
• 3 彈光調制雙閉環(huán)穩(wěn)定與控制系統(tǒng)的硬件電路設計24-40
• 3.1 PEM雙閉環(huán)穩(wěn)定控制系統(tǒng)硬件電路總體設計24-25
• 3.2 電源電路設計25-26
• 3.3 調制光程差檢測電路的設計26-28
• 3.3.1 高速比較器的芯片選型26-28
• 3.3.2 光程差檢測電路的設計28
• 3.4 電壓自動調節(jié)電路的設計28-32
• 3.4.1 基準電壓電路的設計29
• 3.4.2 數字電位器和放大電路的設計29-31
• 3.4.3 A/D轉換電路的設計31-32
• 3.5 反饋采集與波形轉換電路的設計32-33
• 3.6 D/A轉換電路的設計33-34
• 3.7 FPGA外圍電路的設計34-37
• 3.7.1 FPGA的時鐘電路設計34-35
• 3.7.2 FPGA的下載配置設計35-36
• 3.7.3 雙FPGA通信電路的設計36-37
• 3.8 PCB及電路板37-38
• 3.9 本章小結38-40
• 4 彈光調制雙閉環(huán)穩(wěn)定與控制系統(tǒng)的軟件設計40-58
• 4.1 基于FPGA的頻率控制閉環(huán)環(huán)路程序設計40-47
• 4.1.1 基于DDS的信號發(fā)生技術的設計41-42
• 4.1.2 DDS中FPGA的存儲器IP核與PLL核42-44
• 4.1.3 改進型的DDS的信號發(fā)生技術的設計44-45
• 4.1.4 數字鑒相器與相位差比較算法的設計45-46
• 4.1.5 頻率控制閉環(huán)環(huán)路的軟件程序設計46-47
• 4.2 光程差檢測程序的設計47-51
• 4.2.1 光程差檢測的算法設計47-48
• 4.2.2 光程差檢測中用到的IP核48-50
• 4.2.3 光程差檢測的軟件程序50-51
• 4.3 基于FPGA的電壓控制閉環(huán)環(huán)路程序的設計51-52
• 4.4 基于SPI的A/D反饋控制程序的設計52-54
• 4.5 雙FPGA數據通信程序的設計54-57
• 4.5.1 FPGA串行發(fā)送程序的設計54-56
• 4.5.2 FPGA串行接收程序的設計56-57
• 4.6 本章小結57-58
• 5 實驗驗證與分析58-72
• 5.1 彈光調制頻率控制閉環(huán)環(huán)路測試58-62
• 5.1.1 基于DDS的信號發(fā)生器的測試58-59
• 5.1.2 系統(tǒng)設計的數字鑒相器的測試59-60
• 5.1.3 頻率控制閉環(huán)環(huán)路系統(tǒng)綜合測試60-62
• 5.2 光程差檢測測試62-63
• 5.3 電壓控制閉環(huán)環(huán)路與A/D反饋系統(tǒng)的測試63-65
• 5.4 雙FPGA數據傳輸測試65-66
• 5.5 彈光調制雙閉環(huán)穩(wěn)定與控制系統(tǒng)綜合調試66-69
• 5.6 PEM-FTS系統(tǒng)綜合調試69-71
• 5.7 本章小結71-72
• 6 總結與展望72-74
• 參考文獻74-78
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文及專利78-79
• 致謝79-80

【參考文獻】

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