光斑位置检测系统中数学锁相放大器的设计与实现

发布时间：2018-12-12 23:40

【摘要】：近年来激光通信因其通信容量大、抗干扰能力强、结构轻便、设备经济等优点,获得了人们广泛的关注,已成为诸多学者研究的热点。光斑位置检测系统是激光通信中重要的组成部分,其检测精度将直接影响通信质量。作为光斑位置检测系统常用的反馈器件之一,四象限探测器(four-Quadrant Detector,QD)转换的微弱光电流经放大后解算出光斑位置反馈给伺服系统完成精跟踪,由于背景光、电路噪声等因素的影响,光电转换后的微弱电流中主要包含低频噪声,这将极大的降低QD最终的检测精度。此外由于QD的工作频率也在低频段,采用传统的放大技术很难有效地抑制这些噪声。而锁相放大器通过频谱搬移将有用信号的频率从低频搬到高频,在抑制低频噪声方面有很大的优势,它能够测量到输入信噪比低达10-5的微弱正弦量,具有很高的检测精度。随着数字技术的不断进步,锁相放大器也由模拟型向数字型发展,数字锁相放大器克服了模拟锁相放大器的温漂和其他非理想的低频特性,极大改善了锁相放大器的性能,使锁相放大器的研究发展和应用得到了很大提高。本文将数字锁相放大技术应用到光斑位置检测系统中,首先深入研究了光斑位置检测和锁相放大理论;然后在此基础上设计并实现了数字锁相放大系统,主要由低噪声、高增益前置放大器和高精度数据采集处理系统两部分组成;最后进行了系统测试,实验结果表明数字锁相放大器能够有效地抑制背景光噪声,改善系统信噪比,提高光斑位置检测精度,达到工程要求。具体研究内容包括:1.研究了高斯光斑模型下位置检测的基本原理,推导出了位置检测精度的数学模型,研究结果表明影响QD位置检测精度的因素主要有光斑半径、光斑质心位置和系统信噪比,其中最主要因素是系统信噪比,因此提出将数字锁相放大技术应用于光斑位置检测系统中。2.研究了锁相放大器的检测原理,重点分析了相关检测技术和相关解调算法,并用Matlab/simulink对单通道和双通道锁相放大器进行了建模仿真,为数字锁相放大系统设计提供了理论基础。3.设计了低噪声、高增益前置放大器,将受调制的微弱光电流转换成电压,以利于AD的采集。电路由跨阻放大电路、调零-电压调整电路和有源带通滤波电路三级组成,在其放大倍数为2.5×107V/A时,开路噪声约为35uV,与理论计算值30uV基本吻合。4.设计了高精度数据采集和处理系统,当AD模拟输入端短路时,系统的输出噪声为10~20uV,有效位数达到18~19位。此外,在FPGA中设计了AD控制器、数字相关解调、参考信号发生器以及数字低通滤波器等模块,实现了信号解调功能。5.搭建了光斑位置检测平台对数字锁相放大器进行了测试,并与传统的测试方法进行了对比,对比结果表明数字锁相放大器应用于光斑位置检测系统中是可以有效地抑制背景光噪声的,改善系统信噪比,提高光斑位置检测精度,其位置检测精度已优于1μm。
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【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN722

【参考文献】

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本文编号：2375451