【摘要】：近年來激光通信因其通信容量大、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)輕便、設(shè)備經(jīng)濟等優(yōu)點,獲得了人們廣泛的關(guān)注,已成為諸多學(xué)者研究的熱點。光斑位置檢測系統(tǒng)是激光通信中重要的組成部分,其檢測精度將直接影響通信質(zhì)量。作為光斑位置檢測系統(tǒng)常用的反饋器件之一,四象限探測器(four-Quadrant Detector,QD)轉(zhuǎn)換的微弱光電流經(jīng)放大后解算出光斑位置反饋給伺服系統(tǒng)完成精跟蹤,由于背景光、電路噪聲等因素的影響,光電轉(zhuǎn)換后的微弱電流中主要包含低頻噪聲,這將極大的降低QD最終的檢測精度。此外由于QD的工作頻率也在低頻段,采用傳統(tǒng)的放大技術(shù)很難有效地抑制這些噪聲。而鎖相放大器通過頻譜搬移將有用信號的頻率從低頻搬到高頻,在抑制低頻噪聲方面有很大的優(yōu)勢,它能夠測量到輸入信噪比低達(dá)10-5的微弱正弦量,具有很高的檢測精度。隨著數(shù)字技術(shù)的不斷進步,鎖相放大器也由模擬型向數(shù)字型發(fā)展,數(shù)字鎖相放大器克服了模擬鎖相放大器的溫漂和其他非理想的低頻特性,極大改善了鎖相放大器的性能,使鎖相放大器的研究發(fā)展和應(yīng)用得到了很大提高。本文將數(shù)字鎖相放大技術(shù)應(yīng)用到光斑位置檢測系統(tǒng)中,首先深入研究了光斑位置檢測和鎖相放大理論;然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計并實現(xiàn)了數(shù)字鎖相放大系統(tǒng),主要由低噪聲、高增益前置放大器和高精度數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)兩部分組成;最后進行了系統(tǒng)測試,實驗結(jié)果表明數(shù)字鎖相放大器能夠有效地抑制背景光噪聲,改善系統(tǒng)信噪比,提高光斑位置檢測精度,達(dá)到工程要求。具體研究內(nèi)容包括:1.研究了高斯光斑模型下位置檢測的基本原理,推導(dǎo)出了位置檢測精度的數(shù)學(xué)模型,研究結(jié)果表明影響QD位置檢測精度的因素主要有光斑半徑、光斑質(zhì)心位置和系統(tǒng)信噪比,其中最主要因素是系統(tǒng)信噪比,因此提出將數(shù)字鎖相放大技術(shù)應(yīng)用于光斑位置檢測系統(tǒng)中。2.研究了鎖相放大器的檢測原理,重點分析了相關(guān)檢測技術(shù)和相關(guān)解調(diào)算法,并用Matlab/simulink對單通道和雙通道鎖相放大器進行了建模仿真,為數(shù)字鎖相放大系統(tǒng)設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。3.設(shè)計了低噪聲、高增益前置放大器,將受調(diào)制的微弱光電流轉(zhuǎn)換成電壓,以利于AD的采集。電路由跨阻放大電路、調(diào)零-電壓調(diào)整電路和有源帶通濾波電路三級組成,在其放大倍數(shù)為2.5×107V/A時,開路噪聲約為35uV,與理論計算值30uV基本吻合。4.設(shè)計了高精度數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng),當(dāng)AD模擬輸入端短路時,系統(tǒng)的輸出噪聲為10~20uV,有效位數(shù)達(dá)到18~19位。此外,在FPGA中設(shè)計了AD控制器、數(shù)字相關(guān)解調(diào)、參考信號發(fā)生器以及數(shù)字低通濾波器等模塊,實現(xiàn)了信號解調(diào)功能。5.搭建了光斑位置檢測平臺對數(shù)字鎖相放大器進行了測試,并與傳統(tǒng)的測試方法進行了對比,對比結(jié)果表明數(shù)字鎖相放大器應(yīng)用于光斑位置檢測系統(tǒng)中是可以有效地抑制背景光噪聲的,改善系統(tǒng)信噪比,提高光斑位置檢測精度,其位置檢測精度已優(yōu)于1μm。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN722

【參考文獻】

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本文編號：2375451