雙路寬光譜近紅外聲光可調諧濾光器驅動系統(tǒng)設計

高天學，王志斌,b，王玉江

(中北大學 a.山西省光電信息與儀器工程技術研究中心；b.儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室， 太原 030051)

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【光學工程與電子技術】

雙路寬光譜近紅外聲光可調諧濾光器驅動系統(tǒng)設計

高天學a，王志斌a,b，王玉江a

(中北大學 a.山西省光電信息與儀器工程技術研究中心；b.儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室， 太原 030051)

為滿足雙路寬光譜近紅外聲光可調諧濾光器(NIR-AOTF)對其驅動系統(tǒng)的要求，設計了一種基于高速單片機和直接數(shù)字頻率合成器(DDS)的射頻雙驅動系統(tǒng)，采用軟件查表法將各個頻段驅動信號所對應的電壓幅值控制字做成表并保存在單片機中，實現(xiàn)了DDS在各個頻段的恒功率輸出，使得NIR-AOTF在不同的波長衍射效率最佳；該系統(tǒng)主要由信號源模塊、功率放大模塊、射頻開關模塊及上位機控制模塊組成，通過上位機下發(fā)頻率、電壓及信號通道控制字來產生兩路功率恒定的射頻信號，經(jīng)過功率放大電路，驅動系統(tǒng)的輸出信號功率可達33～35 dBm，使NIR-AOTF達到最佳工作狀態(tài)，其0級光譜衍射效率測量值最高可達73%，驅動系統(tǒng)較好地滿足設計要求。

NIR-AOTF；信號源；功率放大；衍射效率

近紅外聲光可調濾波器(Near Infrared Acousto-Optic Tunable Filter,NIR-AOTF) 作為當前近紅外光譜成像光譜儀的一種新型聲光器件，具有通光孔徑和入射孔徑大、衍射效率、分辨率高、波長任意切換、調諧靈活、范圍寬的優(yōu)點。國內外最早的驅動源主要采用直接頻率合成技術(Direct Synthesis,DS)，這是一種模擬手段的頻率合成技術，通過硬件電路把產生的一個或者多個基準頻率變成一系列諧波，通過倍頻、分頻、混頻等算數(shù)運算來獲得所需要的頻率。這種方法的優(yōu)點是產生的信號頻率分辨率高，頻率轉換時間較短，但是倍頻、分頻、混頻等算數(shù)運算要采用大量的晶振、混頻器等器件，造成頻率源結構復雜、容易產生難以抑制的諧波和交調分量。之后出現(xiàn)了間接頻率合成技術(Indirect Frequency Synthesis)，間接頻率合成技術主要是鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop,PLL)技術。鎖相環(huán)主要包括數(shù)字鑒相器、分頻器、模擬環(huán)路濾波和壓控振蕩器4個部分。鎖相環(huán)能夠將所需的頻率信號鎖定，達到選擇所需頻率的目的，同時也抑制了其他頻率信號，減少了雜散信號的干擾。但是鎖頻所需時間較長，不能實現(xiàn)較快的調頻，頻率分辨率較低也是難以克服的缺點。直接數(shù)字頻率合成技術(Direct Digital frequency synthesis,DDS)是頻率合成的第3代方案，具有快速跳頻、極好的溫度和老化穩(wěn)定性、相位穩(wěn)定等優(yōu)點，AD公司、Qualcomm 公司和Stanford 公司有許多專業(yè)和性能很高的DDS芯片出現(xiàn)，方便了使用。國內研究人員也提出了許多改進方法，其中包括對DDS相位累加器的改進、抖動注入技術的使用以及對DDS工藝結構和系統(tǒng)結構的改進等。本系統(tǒng)采用DDS與高速單片機結合，在上位機的控制下產生30～80 MHz的頻率以及功率可控的射頻正弦信號，經(jīng)過功率放大后加載在近紅外聲光可調濾波器的超聲換能器上，在聲光晶體中產生適當?shù)某暡?，形成聲光互作用，實現(xiàn)近紅外波段的光譜選擇[1]。NIR-AOTF的衍射強度在一定范圍內取決于驅動信號的功率，在不同的頻段范圍內所需功率也不相同，只有在各頻段給NIR-AOTF施加適當功率的射頻驅動，才能充分發(fā)揮其濾光作用，該系統(tǒng)采用的功率放大電路與傳統(tǒng)的功放電路相比，采用了高集成度的無條件穩(wěn)定功放芯片，無需額外的阻抗匹配，簡化了電路結構。驅動系統(tǒng)的性能決定了NIR-AOTF的波長選擇及衍射效率，因此設計高性能NIR-AOTF驅動系統(tǒng)對當前近紅外波段的光譜成像技術具有重要應用價值。

1 NIR-AOTF聲光調制原理

NIR-AOTF系統(tǒng)基于反常布拉格(Bragg)衍射的聲-光互作用的原理，當一束準直復色光以某一特定的入射角進入NIR-AOTF，當驅動源產生30～80 MHz的射頻信號加載在超聲換能器上時，超聲換能器把電振蕩轉成超聲振蕩，通過換能器與聲光介質間的金屬鍍層傳遞到聲光介質中形成超聲波，在聲光介質中通過聲光互作用，超聲波將引起入射光的布拉格衍射，產生衍射光，從而起到濾光器的作用[2]，其衍射光的波長與超聲波的頻率有著對應的關系，只要改變驅動信號的頻率，即可改變衍射光的波長。由于衍射光的衍射效率與驅動信號的功率在一定范圍內成正比關系，所以NIR-AOTF驅動系統(tǒng)在各個頻段應該盡可能提供足夠的驅動功率給超聲換能器，使衍射效率達到最大。該系統(tǒng)采用在一個通聲面上制作兩片厚度不同的換能器[3]，低頻段超聲換能器工作頻率在30～55 MHz，高頻段超聲換能器工作頻率在55～80 MHz，這樣可以提高衍射波長范圍，使衍射波長達到900～2 100 nm近紅外光譜波段。NIR-AOTF工作原理如圖1所示。

圖1 NIR-AOTF工作原理

在反常Bragg衍射中，衍射光的偏振方向與入射光不同，入射光折射率與衍射光的折射率也不相等，故ki≠kd，當kd=ki±K時即滿足動量匹配條件，其動量匹配如圖2所示。θi為入射角，θd為衍射角，ki為入射波矢量，kd為衍射波矢量，K為超聲波矢量[4]。

圖2 反常Bragg衍射動量匹配條件

當信號加載到超聲換能器上時，電信號會轉換成聲波信號在聲光介質中傳播，聲光介質的折射率會因此發(fā)生變化，當超聲波信號入射角、入射光方向給定時，對于一定的超聲波頻率f，有某個對應波長λ的入射光能滿足動量匹配條件，產生衍射光。根據(jù)動量匹配的條件可得入射角θi與衍射角θd之間的關系，得到狄克遜方程：

(1)

(2)

其中：λ為光在真空環(huán)境中的波長，v是聲音傳播的速度，ni和nd分別是θi和θd的函數(shù)。當聲光介質ni和nd、θi和θd確定后，即可由狄克遜方程解出θi-f的關系和θd-f的關系，從而確定反常Bragg衍射的幾何關系。結合NIR-AOTF矢量合成關系可得射頻驅動頻率與衍射波長的對應關系[6]：

(3)

式中va為矢量方向的超聲波速度值。由式(3)可看出，當ni和nd、θi和θd確定后，衍射波長僅受射頻驅動頻率的影響，改變射頻驅動頻率即可改變相應的衍射波長。

2 射頻驅動系統(tǒng)的設計

NIR-AOTF的射頻驅動系統(tǒng)主要由上位機控制界面、高速單片機、DDS信號源、功率放大電路、射頻開關等構成。DDS芯片采用AD9914，該芯片與傳統(tǒng)芯片相比，頻率分辨率高，頻率控制字為32位，將其與高速單片機組合后只需通過上位機下發(fā)頻率控制字便可產生30～80 MHz的高精度正弦波。功率放大電路采用了兩級放大將AD9914產生的小信號放大到34～35 dBm加載到NIR-AOTF的聲光換能器上。上位機控制窗口由VC編寫而成，操作靈活，可以很方便的控制DDS，實現(xiàn)近紅外波段不同波長的選擇[7]。驅動系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 射頻驅動系統(tǒng)結構

2.1 射頻恒功率信號實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用STC12系列單片機與DDS芯片AD9914結合，利用該系列單片機的1T指令模式，即執(zhí)行指令時，一個時鐘周期就是一個機器周期，比通用8051內核單片機執(zhí)行速度快12倍，提高了單片機向DDS芯片寫數(shù)據(jù)的速度，使得DDS快速輸出NIR-AOTF需要的驅動信號。DDS芯片選用了AD9914，該芯片是一款內置32位相位累加器、16位DAC的直接數(shù)字頻率合成器，內部鎖相電路可將外部晶振輸入的100 MHz信號倍頻到2 GHz作為內部系統(tǒng)時鐘，可輸出1 GHz的標準正弦波，頻率分辨率0.23 Hz，具有串行和并行輸入兩種模式，用戶可以通過串行I/O口對 AD9914內部控制寄存器進行編程控制DDS的信號控制參數(shù)，包括：頻率相位與幅值，方便可靠，節(jié)省硬件資源[11]。

NIR-AOTF工作頻率為30～80 MHz，在此頻段范圍內不同的工作頻率所需驅動信號的功率各不相同。要使NIR-AOTF在每個頻率的衍射效率達到最佳效果，射頻驅動系統(tǒng)必須能夠提供給NIR-AOTF在此頻段需要的功率[8]。從電學角度出發(fā)，NIR-AOTF的大功率驅動信號是由AD9914芯片產生小信號經(jīng)過功率放大后得到的，可以控制作為功放輸入的AD9914 小信號電壓幅值實現(xiàn)NIR-AOTF在不同頻段得到所需功率，因此本系統(tǒng)將30～ 80 MHz以5 MHz為單位劃分為10組頻段，每個頻段對應一個電壓幅值，如表1所示，將這10組電壓幅值所對應的幅值控制字通過軟件編程做成一個表保存在單片機中，每組控制字在此表中對應一個序列號，當需要某一組控制字時只需上位機下發(fā)此序列號便可以調用此組電壓幅值控制字，這樣該系統(tǒng)便實現(xiàn)了在不同的頻段能提供恒定的驅動功率使NIR-AOTF衍射效果最佳。

表1 NIR-AOTF不同頻段所需功率與DDS幅值控制字對應關系

2.2 低通濾波及兩級功率放大電路

AD9914可輸出高達1 GHz的模擬信號，為了防止其輸出的鏡頻和二次諧波引起的鎖相環(huán)錯鎖和調制，將電流DAC的輸出轉換為電壓后，后接一個截至頻率為400 MHz的低通橢圓濾波器來抑制這些雜散頻率。橢圓濾波器在有限頻率上既有零點又有極點，極點、零點在通帶內產生等波紋，阻帶內的有限傳輸零點減小了過渡區(qū)，可獲得極為陡峭的衰減特性曲線，綜合性能最佳。其電路如圖4所示。

圖4 低通橢圓濾波器電路

NIR-AOTF的阻抗隨著射頻驅動信號的變化也在變化，如何讓射頻驅動器的輸出功率能最大限度的輸送到超聲換能器成為目前該領域的一個技術難題，通常是在射頻驅動電路中加一些阻抗匹配網(wǎng)絡實現(xiàn)驅動器與NIR-AOTF功率匹配，只有二者的功率最佳匹配時，才會有最強最穩(wěn)定的濾波效果，此時出射光的衍射效率最大[9]。NIR-AOTF換能器輸入阻抗為50 Ω，要實現(xiàn)較好的分光效果，就需要將功放電路輸出阻抗匹配到50 Ω，一個實現(xiàn)較好匹配的電路網(wǎng)絡可降低功率損耗，有效抑制諧波，改善駐波比，提高輸出功率。采用多級級聯(lián)功放電路應注意極間匹配，本著電路元件最少，級聯(lián)級數(shù)最少的原則，本系統(tǒng)采用兩級級聯(lián)方式實現(xiàn)，如圖5所示，兩級功放芯片均采用內部已實現(xiàn)50 Ω輸入、輸出匹配的芯片，芯片本身無條件穩(wěn)定，這樣可避免額外的阻抗匹配設計，獲得最大增益和較好的線性度，更有利于降低輸出損耗，為了兼顧信號帶寬及功率放大電路的輸出阻抗，在末級放大電路輸出端設計了1∶4阻抗變換器[13]。

圖5 兩級寬帶射頻功率放大電路

該電路由兩個不同的芯片級聯(lián)構成兩級寬帶射頻功率放大電路,一級功放將DDS輸出的小信號(6 dBm左右)放大到20 dBm左右，二級功放進一步放大到33～35 dBm,該電路帶寬很寬，可以實現(xiàn)30～80 MHz的射頻信號功率放大到NIR-AOTF所需功率。圖中阻抗變換器由一定寬度和長度的銅線和高磁導率的鐵氧體組成，用它來實現(xiàn)末級功率放大電路輸出功率與NIR-AOTF的功率最佳匹配[10]。電路中的功放芯片采用的是2SK3476和TQP3M9008，這兩款芯片有著非常寬的工作帶寬，內部集成了電容電感等阻抗匹配元件，線性失真度低，功率轉換效率60%以上。

2.3 雙通道驅動信號實現(xiàn)

NIR-AOTF采用在一個通聲面上制作兩片厚度不同的換能器[3]，低頻段超聲換能器工作頻率在30～55 MHz，高頻段超聲換能器工作頻率在55～80 MHz，這就要求其驅動系統(tǒng)能夠提供兩種數(shù)字可控的驅動信號。因此本系統(tǒng)采用單刀雙擲砷化鎵射頻開關FMS2031-001作為驅動系統(tǒng)的末級輸出，其控制端口受單片機控制，只需上位機下發(fā)高頻、低頻通道標志，便可實現(xiàn)任意通道轉換，工作原理如圖6所示。

2.4 上位機控制

AD9914的輸出頻率是由32位頻率控制字決定的，本射頻驅動系統(tǒng)設計了單頻和掃頻兩種工作模式。其中，單頻通過DDS單頻調制模式實現(xiàn)，掃頻模式由上位機下軟件編程實現(xiàn)，通過對頻率控制字的調整獲得不同頻率的信號，對單頻振幅比例因子和ASF振幅比例因子的調節(jié)獲得單頻和掃頻下的不同幅值。為了實現(xiàn)對頻率的實時控制，本系統(tǒng)基于VC設計了上位機控制界面，每個VC輸入窗口都封存了相應的算法，上位機會根據(jù)用戶的輸入情況作出判斷，自動計算出此頻率在單片機對應的電壓幅值序列號及高、低頻率通道標志位，直接通過鼠標即可實現(xiàn)單頻、掃頻兩種模式的切換。圖7為單頻(手動)與掃頻(自動)模式界面，直接輸入起始、截止頻率便可實現(xiàn)30～80 MHz的頻率掃描。

圖6 高、低頻驅動信號轉換原理

圖7 上位機單頻與掃頻模式界面

3 實驗測試

實驗中對驅動電路及NIR-AOTF衍射效率進行了分別測試，實驗裝置圖如圖11。信號源電路與上位機通過MAX232實現(xiàn)串口通信，在30～80 MHz帶寬內輸出信號頻率、功率穩(wěn)定、頻率轉換速率快。圖8是信號源頻率為30 MHz、80 MHz時的正弦信號，圖9是其功率放大后的功率譜，經(jīng)過衰減器衰減20 dBm后測量得到。利用AvaSpec-NIR256-1.7光譜儀，在實驗系統(tǒng)平臺上進行了NIR-AOTF衍射實驗測試，將可見光透過超聲換能器，使0級光對準光譜儀探針，在光譜儀avantes軟件中，實時觀察在30～80 MHz頻率范圍內發(fā)生衍射及衍射強度，在38～78 MHz衍射范圍內抽取若干點進行數(shù)據(jù)采集并對衍射圖擬合[5]，如圖10所示。利用Matlab對光譜儀采集的數(shù)據(jù)進行處理，得到表2所示數(shù)據(jù)。

近紅外衍射效率的計算公式為

η=

其中I0為原始光譜的總強度，I′為經(jīng)衍射后的光譜強度，Imin為噪聲強度,由此式得出衍射效率取決于衍射后的光譜強度[12]。

圖8 30 MHz(上圖)及80 MHz(下圖)正弦波信號

圖10 NIR-AOTF衍射效果

驅動信號頻率/MHz3843485356．558636873實測波長/nm1709151713741247117311471060987．1924．8衍射效率/%47．4151．5238．0331．4773．1269．6261．2349．7534．57

4 結束語

本系統(tǒng)采用了高速單片機與高分辨率DDS產生特定頻率的信號，采用軟件查表法將各個頻段驅動信號所對應的電壓幅值控制字做成表并保存在單片機中，實現(xiàn)了DDS在各個頻段的恒功率輸出，使得NIR-AOTF在不同的波長衍射效率最佳。與傳統(tǒng)的信號源相比，易控制，頻率穩(wěn)定度高，轉換速率快。功放電路采用內部已匹配好的芯片，避免了額外進行阻抗匹配，減少了因阻抗匹配產生的寄生效應，電路結構簡單，且頻帶范圍寬，通帶內輸出信號平穩(wěn)。采用兩級級聯(lián)方式實現(xiàn)了30～80 MHz輸出信號功率達33～35 dBm。經(jīng)實驗驗證，本文所設計的驅動系統(tǒng)可以驅動NIR-AOTF 獲得較好的分光效果，衍射效率達73%，基本滿足設計指標。

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(責任編輯 楊繼森)

Design of NIR-AOTF Drive System

GAO Tian-xuea， WANG Zhi-bina,b， WANG Yu-jianga

(a.Shanxi Provincial Research Center for Opto-Electronic Information and Instrument Engineering Technology;b.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement, Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China)

In order to meet the double wide spectrum of near infrared acoustic optic tunable filter (NIR-AOTF) on its drive system, this paper designs a high speed MCU and direct digital frequency synthesizer (DDS) based on dual drive system of radio, using the software look-up table corresponding to each frequency band driving signal voltage amplitude control word made table and stored in the microcontroller, to achieve the DDS in the constant power output of each frequency band and the NIR-AOTF in different wavelength diffraction efficiency. The system mainly consists of signal source module, power amplifier module, RF switch module and PC control module, RF signal through the host computer under the frequency, voltage and signal channel control word to generate two constant power, through the power amplifier, the output signal power is 33～35dBm drive system, which makes NIR-AOTF achieve the best working conditions with the diffraction efficiency up to 73%, and that the driving system can meet the design requirements.

NIR-AOTF; signal source; power amplification; diffraction efficiency

2017-02-25；

2017-03-26

國際科技合作項目“***成像光譜偏振儀聯(lián)合研發(fā)”(2013DFR10150)； 國家自然科學基金儀器專項基金項目“虛擬堆砌彈光調制高性能傅里葉變換光譜儀研究”(61127015)

高天學(1991—)，男，碩士研究生，主要從事射頻信號的獲取與處理研究;王志斌(1966—)，男，教授，碩士生導師，主要從事測試計量技術及儀器、光電子技術與儀器、光學工程、光電信息工程研究。

10.11809/scbgxb2017.06.032

format:GAO Tian-xue，WANG Zhi-bin，WANG Yu-jiang.Design of NIR-AOTF Drive System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):146-150.

TN216

A

2096-2304(2017)06-0146-05

本文引用格式：高天學，王志斌，王玉江.雙路寬光譜近紅外聲光可調諧濾光器驅動系統(tǒng)設計[J].兵器裝備工程學報，2017(6):146-150.