一種基于可變osk射頻調制的增益程控聲光光譜探測系統的制作方法
【技術領域】：
[0001] 本專利涉及一種聲光光譜探測系統，針對戶外或空間物質光譜被動探測的具體需 求，以寬帶聲光可調諧濾光器（Acousto-optictunablefilter,A0TF)為分光元件，基于可 變0SK(輸出移位鍵控，OutputShiftKeying)射頻驅動調制和增益程控的寬譜段、大動態 范圍、高信噪比聲光光譜探測系統，適用于各種紅外光譜儀器的探測系統設計，尤其是在光 源輻照變化大、光譜探測范圍寬的情況下，能夠有效提升系統的輸出信噪比，增加待探測光 譜范圍，實現系統輸入光譜能量的大動態范圍探測。
【背景技術】：
[0002] 紅外光譜儀器是利用其分光元件（聲光可調諧濾波器、光柵等），在一定時間內通 過光譜探測獲取待測物質在紅外譜段的連續光譜信息，從而進行物質測量與識別，進而對 物質開展定性和定量分析，該技術已廣泛應用于航天、軍事、農業、生物醫學、環境監測、礦 物勘探、化學分析等相關領域。
[0003] 隨著戶外或空間物質寬譜段實時被動光譜探測需求的日益膨脹，光譜儀器需要直 接以太陽為光源，利用待測物質漫反射或透射的部分太陽輻射作為光譜探測系統的入射光 信號，經系統分光元件分光后才能進行單光譜探測。
[0004] 然而，寬譜段光譜被動探測時，自然光源的輻射譜以及物質的反射譜在較寬的光 譜區間內強度變化較大，而且不同探測器在不同光譜區間的探測效率也存在差異，種種原 因將導致單一增益的光譜探測系統難以同時滿足寬譜段光譜探測的需求。因此，寬譜段光 譜探測有必要采用增益可程控的光譜探測系統，針對不同強度區間的待測光譜信號，根據 需要選擇合適的系統增益，以適應光譜探測寬譜段范圍內光譜信號的強弱變化，同時也可 以適應因自然光源輻射強度變化而引起的待測光譜信號能量整體增強或減弱，便于有效地 增加光譜探測系統輸入光譜的能量動態范圍。
[0005] 此外，由于物質在紅外譜段的吸收系數小，光譜重疊現象嚴重、背景噪聲大，使得 紅外光譜探測成為強背景噪聲下的弱信號檢測，而且隨著探測系統光譜分辨率的不斷提 高，必然導致分光所得到的待測單光譜信號能量進一步減弱，使得系統輸入端光譜信號的 信噪比進一步降低，因此，在提高系統光譜分辨率的同時，必須根據系統自身資源，采用合 適的微弱信號檢測方法，盡可能地增強探測系統的信噪比改善能力，以提高系統輸出信號 的信噪比。
[0006] A0TF是根據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諧 分光器件，通過改變施加在晶體換能器上的射頻驅動信號頻率選擇不同的分光波長，進而 實現波長掃描。A0TF作為一種小型電調諧窄帶濾光器，具有全固態、通光孔徑大、衍射效率 高、波長調諧速度快、范圍寬等優點，在光譜儀器的光電化、高速化和小型化等方面具有無 法取代的優勢。
[0007]目前，光譜儀器多采用主動探測的方式，系統自帶光源的輻射強度穩定、可控，系 統增益固定，可探測的光譜范圍較窄，多應用于專用測量，而且模擬光譜信號處理電路比較 簡單，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提高系統的輸出信噪比，且其所采 用的電調制方式能夠有效地避免傳統待測光譜信號調制方式：如機械調制（即將光學斬波 器置于光源和分光元件之間）和光源調制（即利用脈沖信號控制光源開關）可能帶來的抖 動和調制頻率限制等問題；但兩專利均采用自主光源，不適用于被動探測，尤其是大動態范 圍的寬譜段光譜探測；另外，兩專利中對射頻信號的調制均是通過附加調控脈沖發生器或 數字頻率合成器等電子器件來完成，其待測信號與參考信號的同步精度較低，并且增加系 統成本，影響系統的工作效率。專利CN104748851中提出通過變增益的方法提高光譜儀的 工作效率，設計采用模擬通道選擇器選擇不同的反饋電阻來改變增益，雖然可以在一定程 度上擴展系統增益，但可選增益非常有限，而且增加系統負擔。
【發明內容】
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[0008] 基于上述背景及所存在的問題，本專利設計了一種聲光光譜探測系統，其基于可 變0SK射頻調制和增益程控，實現寬譜段、大動態范圍、高信噪比的光譜探測。
[0009] 該專利的主要設計思路為：1)寬譜段光譜分段探測，系統共用前置光路，采用一 切多射頻繼電器分時驅動多個A0TF進行分光，后置多組相應光譜區間響應的探測器及前 放電路，再利用多選一模擬通道選擇器對應選通，共用模擬光譜信號處理及采集電路，提高 全譜段光譜探測的光學效率和靈敏度，實現高集成度系統設計；2)根據A0TF的電調諧特 性，利用DDS芯片AD9910的0SK功能對其合成的射頻信號直接進行數控0SK調制，實現分 光光譜信號的靈活電調制，并在模擬光譜信號處理中利用該同源0SK調制信號進行適當的 數字移相，以補償待測光譜信號在電子學系統中產生的附加相移，然后再與待測光譜信號 進行互相關鎖相，并可依據0SK調制的頻率，修改鎖相、濾波的時間常數，或提高系統信噪 比或增加系統時效性，或者調整0SK調制頻率；3)程控增益放大器級聯壓控增益放大器，分 別控制系統增益的粗調與微調，且增益步進可調，通過系統增益的寬范圍靈活調節實現目 標光譜能量的大動態范圍探測，并結合閉環增益控制機制完成系統增益的自適應調節。
[0010] 對本專利的具體說明如下：
[0011] 1、基于可變0SK射頻調制的增益程控聲光光譜探測系統主要包括前置光學1、探 測器及前放組2、模擬光譜信號處理及采集3、射頻驅動生成4、FPGA主控5和上位機6,其 特征在于：
[0012] 所述的前置光學1包括成像鏡101、視場光闌102、準直鏡103、第一分光鏡104、第 N分光鏡105和反射鏡106 ;目標光經成像鏡101成像于視場光闌102,隔離雜散光，然后經 準直鏡103準直為平行光入射第一分光鏡104,其透射光可經多個分光鏡繼續分光，最后一 個分光鏡即第N分光鏡105的透射光入射反射鏡106 ;N+1為探測譜段數目；
[0013] 所述的探測器及前放組2包括第一A0TF晶體201、第一會聚鏡202、第一譜段探測 器203、第一互阻抗放大器204,第NA0TF晶體205,第N會聚鏡206、第N譜段探測器207、 第N互阻抗放大器208,第N+1A0TF晶體209、第N+1會聚鏡210、第N+1譜段探測器211和 第N+1互阻抗放大器212 ;第一分光鏡104的反射光經第一A0TF晶體201分光得到準單色 光，經第一會聚鏡202聚焦于第一譜段探測器203光敏面，所得光電流通過第一互阻抗放大 器204轉換為第一路電壓信號；第N分光鏡105的反射光經第NA0TF晶體205分光得到準 單色光，經第N會聚鏡206聚焦于第N譜段探測器207光敏面，所得光電流通過第N互阻抗 放大器208轉換為第N路電壓信號；反射鏡106的反射光經第N+1AOTF晶體209分光得 到準單色光，經第N+1會聚鏡210聚焦于第N+1譜段探測器211光敏面，所得光電流通過第 N+1互阻抗放大器212轉換為第N+1電壓信號；
[0014] 所述的模擬光譜信號處理及采集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、模數轉換器309、第一電壓基準源310、第二電壓 基準源313、數模轉換器312和射極跟隨器311 ;探測器及前放組2所輸出的N+1路電壓