弹光调制双闭环稳定与控制技术的研究

发布时间：2017-09-16 05:21

  本文关键词：弹光调制双闭环稳定与控制技术的研究

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【摘要】：随着科技飞速发展,在国防安全、空气检测、太空探索、生物工程等高精尖领域,光谱测量愈发受到重视。现有的各种用于光谱测量的光谱仪中,以弹光调制干涉具为核心的弹光调制傅里叶变换光谱仪因工作频率高、适用光谱波段广、反应灵敏精准等优点使其优势显著应用空间广阔。弹光调制器工作状态无法长时间稳定,调制效果受自身热效应及环境限制严重。因此如何克服弹光调制器工作不稳定的问题,对其进行方便准确的控制,保证其调制效果的稳定并能根据需求使其输出需要的调制光程差是弹光调制傅里叶变换光谱仪的发展必须跨过的难关。本文首先分析弹光调制器的构成及工作原理,建立弹光晶体的动态模型对其工作过程中的热耗散引发的频率漂移进行分析,利用得到的谐振频率与相位差关系以及频率漂移对光程差调制效果的影响为基础,对弹光调制双闭环稳定与控制系统进行方案设计。其次以FPGA为控制核心进行硬件系统设计,分别由反馈采集及转换、电压自动调节、A/D反馈、光程差检测、DA转换等模块构成。并实现了以DDS信号发生器的设计和数字鉴相器的设计为基础的频率控制闭环环路程序的设计实现频率制动跟踪的功能,以及用于光程差调制效果反馈的光程差检测程序的设计,进行光程差调制效果补偿的电压控制闭环环路系统和对驱动电压监测的A/D反馈控制程序的设计,还有为采集到的干涉信号进行光谱复原而进行波长定标需要的数据进行传输的程序设计。从而完成对弹光调制器稳定工作和输出需要的调制光程差的控制,而且为进一步的数据处理与光谱反演做准备。最后对系统的各个组成模块进行了测试,并搭建了弹光调制稳定与控制系统实验平台和PEM-FTS综合测试实验平台,对整个系统的工作效果进行测试,系统实现调制效果在大光程差调制状态下的长时间稳定。
【关键词】：弹光调制器 频率漂移 频率自动跟踪 电压自动调节 FPGA
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH744.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-16
• 1.1 课题选题背景和研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 弹光调制器的国内外研究现状11-12
• 1.2.2 弹光调制傅里叶变换光谱仪及其控制技术的研究现状12-14
• 1.3 课题来源、目的、主要研究内容14-16
• 2 弹光调制干涉仪特性及稳定系统的设计16-24
• 2.1 弹光调制干涉仪的组成及原理16-17
• 2.2 弹光调制器动态模型及频率漂移17-20
• 2.2.1 PEM谐振的意义及温度对它的影响17
• 2.2.2 PEM动态模型的分析17-20
• 2.3 弹光调制的双闭环稳定与控制系统的设计20-22
• 2.4 本章小结22-24
• 3 弹光调制双闭环稳定与控制系统的硬件电路设计24-40
• 3.1 PEM双闭环稳定控制系统硬件电路总体设计24-25
• 3.2 电源电路设计25-26
• 3.3 调制光程差检测电路的设计26-28
• 3.3.1 高速比较器的芯片选型26-28
• 3.3.2 光程差检测电路的设计28
• 3.4 电压自动调节电路的设计28-32
• 3.4.1 基准电压电路的设计29
• 3.4.2 数字电位器和放大电路的设计29-31
• 3.4.3 A/D转换电路的设计31-32
• 3.5 反馈采集与波形转换电路的设计32-33
• 3.6 D/A转换电路的设计33-34
• 3.7 FPGA外围电路的设计34-37
• 3.7.1 FPGA的时钟电路设计34-35
• 3.7.2 FPGA的下载配置设计35-36
• 3.7.3 双FPGA通信电路的设计36-37
• 3.8 PCB及电路板37-38
• 3.9 本章小结38-40
• 4 弹光调制双闭环稳定与控制系统的软件设计40-58
• 4.1 基于FPGA的频率控制闭环环路程序设计40-47
• 4.1.1 基于DDS的信号发生技术的设计41-42
• 4.1.2 DDS中FPGA的存储器IP核与PLL核42-44
• 4.1.3 改进型的DDS的信号发生技术的设计44-45
• 4.1.4 数字鉴相器与相位差比较算法的设计45-46
• 4.1.5 频率控制闭环环路的软件程序设计46-47
• 4.2 光程差检测程序的设计47-51
• 4.2.1 光程差检测的算法设计47-48
• 4.2.2 光程差检测中用到的IP核48-50
• 4.2.3 光程差检测的软件程序50-51
• 4.3 基于FPGA的电压控制闭环环路程序的设计51-52
• 4.4 基于SPI的A/D反馈控制程序的设计52-54
• 4.5 双FPGA数据通信程序的设计54-57
• 4.5.1 FPGA串行发送程序的设计54-56
• 4.5.2 FPGA串行接收程序的设计56-57
• 4.6 本章小结57-58
• 5 实验验证与分析58-72
• 5.1 弹光调制频率控制闭环环路测试58-62
• 5.1.1 基于DDS的信号发生器的测试58-59
• 5.1.2 系统设计的数字鉴相器的测试59-60
• 5.1.3 频率控制闭环环路系统综合测试60-62
• 5.2 光程差检测测试62-63
• 5.3 电压控制闭环环路与A/D反馈系统的测试63-65
• 5.4 双FPGA数据传输测试65-66
• 5.5 弹光调制双闭环稳定与控制系统综合调试66-69
• 5.6 PEM-FTS系统综合调试69-71
• 5.7 本章小结71-72
• 6 总结与展望72-74
• 参考文献74-78
• 攻读硕士期间发表的论文及专利78-79
• 致谢79-80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：861124