專利名稱：適用于大口徑激光閃爍儀的調(diào)制解調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大氣探測、光電檢測領(lǐng)域，具體是一種適用于測量大氣折射率結(jié) 構(gòu)常數(shù)的大口徑激光閃爍儀的調(diào)制解調(diào)方法。
技術(shù)背景大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)c 2是光學(xué)湍流強(qiáng)度的定量描述，是反映大氣湍流光學(xué)特性的最重要的參數(shù)之一 ，大口徑激光閃爍儀是一種能夠在一定程度上抑制閃爍 飽和效應(yīng)、在更大范圍內(nèi)測量G的光學(xué)測量儀器，基于光傳輸閃爍效應(yīng)的孔徑平均效應(yīng)，利用激光點(diǎn)光源發(fā)射，經(jīng)過大氣傳輸后，由接收望遠(yuǎn)鏡收集，根據(jù)探 測到的光強(qiáng)起伏，計(jì)算路徑平均的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)。由于光傳輸實(shí)驗(yàn)需在室 外進(jìn)行，探測器噪聲、背景輻射等噪聲因素嚴(yán)重影響了測量精度，探索提高儀器 信噪比的方法和技術(shù)對于理論和工程應(yīng)用都顯得非常重要。在激光大氣傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用中，常用的提高信噪比的方法有在探測器之前使用窄帶干涉 濾波片，只有位于中心波長附近很小波長范圍內(nèi)的入射光能夠通過濾波片，其他 波長的光則被濾除，然而自然界中總是存在與信號光同樣波長的輻射，因此對于 微弱光探測，即使使用了干涉濾光片依然不能獲得很高的信噪比；采用望遠(yuǎn)鏡作 為接收裝置，在焦點(diǎn)附近放置探測器， 一方面可以提高集光能力，另一方面利用 望遠(yuǎn)鏡視場相對較小的特點(diǎn)，僅有與光軸平行的光能夠到達(dá)探測器，其余光則被 鏡筒內(nèi)壁吸收而無法到達(dá)探測器，從而提高信噪比，但是隨著接收口徑的增大， 信號光增強(qiáng)的同時(shí)，入射的背景光也增多；通過對有信號和無信號兩種情況分別 進(jìn)行測量，在后續(xù)數(shù)據(jù)處理時(shí)，用包含信號和背景的數(shù)據(jù)扣除背景數(shù)據(jù)，僅保留 信號數(shù)據(jù)，從而提高測量精度，但由于晝夜背景輻射相差很大，要求儀器有很寬 的動態(tài)線性范圍，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)計(jì)算的復(fù)雜性。調(diào)制解調(diào)技術(shù)是信號處 理的重要方法，被廣泛地應(yīng)用在通信、廣播、測量儀器等諸多領(lǐng)域中，如果在設(shè) 計(jì)大口徑激光閃爍^f義時(shí)，除了參考上文提到的方法外，同時(shí)采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)， 通過此技術(shù)將信號與噪聲分離，隨后再從已經(jīng)調(diào)制的信號中提取測量信號，就可
以實(shí)現(xiàn)微弱信號的精密測量，極大的改善儀器性能，提高信噪比和測量精度。該 方法同樣適用于利用光電倍增管(Photomultiplier Tube,簡稱PMT)進(jìn)行微弱 信號探測的其他領(lǐng)域。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種適用于大口徑激光閃爍儀的調(diào)制解調(diào)方法，大口徑 激光閃爍儀是用來測量大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的設(shè)備，調(diào)制解調(diào)技術(shù)的運(yùn)用能夠極 大的改善設(shè)備的信噪比，提高測量精度。本發(fā)明的技術(shù)方案如下適用于大口徑激光閃爍儀的調(diào)制解調(diào)方法，其特征在于(1) 、利用數(shù)字邏輯電路組成多諧振蕩電路，輸出頻率和占空比可調(diào)的直流方波信號，控制半導(dǎo)體激光器發(fā)出載波信號XW;(2) 、載波信號在湍流大氣中傳輸，受到湍流波動信號的調(diào)制作用，且為振 幅調(diào)制模式，得到調(diào)幅波;(3) 、利用PMT探測器接收調(diào)幅波人(O,進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，獲得包含背景 的調(diào)幅信號"0),此信號表征光電子的數(shù)量；(4) 、 PMT探測器采用陰極接地型供電電路，其電信號輸出端外接電容耦合 式信號輸出電路，以消除慢變的背景雜散光和系統(tǒng)噪聲的影響，避免后續(xù)信 號放大器的飽和，電容耦合式信號輸出電路輸出不含慢變背景的電流型直流調(diào)幅信號/(0;(5 )、調(diào)幅信號《0經(jīng)放大器放大后為電壓型直流信號M。(f);(6)、直流信號w。(0經(jīng)過電容耦合，成為正負(fù)對稱的交流方波信號^(0，信號幅值保持不變，信號隨后進(jìn)入電壓跟隨器，電壓跟隨器對信號沒有影響， 只進(jìn)行阻抗變換，隔離前后電路；(7 )、交流方波信號經(jīng)絕對值檢波電路全波整流后為直流信號; (8)、用低通濾波電路濾除方波信號^(0中高頻成分，最終得到反映湍流脈 動信息的直流脈動信號乂(O 。
本發(fā)明的主要特征在于對于放大器輸出的電壓型直流信號w。( )既沒有采取直接采樣的方式，也沒有采用低通濾波成平穩(wěn)直流后采樣的方式，而是經(jīng)過電容耦合、絕對值;險(xiǎn)波和低通濾波之后再進(jìn)行采樣。不直接采樣是考慮到湍流的曰 變化規(guī)律以及閃爍儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，已知一天之內(nèi)湍流引起的幅值變化幅度很大， 無法實(shí)施邊緣檢測與判斷，同時(shí)由于閃爍儀采用對稱式結(jié)構(gòu)布局，兩套完全相同 的裝置》文置于路徑兩端，每套裝置包含獨(dú)立的發(fā)射和接收系統(tǒng)，路徑一端的接收 系統(tǒng)處理路徑另 一端的發(fā)射系統(tǒng)的出射光，也即調(diào)制電路與解調(diào)電路由不同的控 制單元進(jìn)行控制，直接采樣無法與載波信號同步；不采用低通濾波后采樣的方式 是考慮到直接進(jìn)行低通濾波需要較大的RC時(shí)間常數(shù)，這將導(dǎo)致湍流波動信息也 同時(shí)被濾除，如果經(jīng)過電容耦合和檢波之后再濾波，則只需RC時(shí)間常數(shù)很小的 濾波電路即可濾除方波的傳輸畸變和電路響應(yīng)的上升、下降沿畸變損傷，如果沒 有電路的上升和下降沿畸變，則無需濾波，這樣系統(tǒng)響應(yīng)很寬，理論上可在0 ooHz范圍。激光器發(fā)出一定頻率的脈沖激光，經(jīng)過湍流大氣進(jìn)行^傳輸，激光信號相當(dāng)于 無線電通訊中的高頻載波信號，而湍流波動則作為有用的調(diào)制信號，且為調(diào)幅模 式；在接收系統(tǒng)中，通過絕對值檢波和低通濾波，進(jìn)行包絡(luò)提取，獲得湍流波動 信息。


圖l是調(diào)制解調(diào)過程原理圖。其中(1)表示載波信號/力)(2) 表示表示調(diào)幅波/ (0(3) 表示包含背景的調(diào)幅信號"(O(4 )表示不含慢變背景的電流型直流調(diào)幅信號^) (5 )表示電壓型直流信號"。(0 (6 )表示交流方波信號^(f)(7) 表示直流信號a(O(8) 表示湍流脈動信號乂(O爍儀結(jié)構(gòu)框圖。圖3是計(jì)時(shí)器ICM7555電路結(jié)構(gòu)圖。圖4是用數(shù)字邏輯器件組成多諧振蕩電路的電路圖。圖5是多諧振蕩電路的工作波形圖。圖6是光電倍增管的供電及信號輸出電路。圖7是信號解調(diào)電路圖。
具體實(shí)施方式
適用于大口徑激光閃爍儀的調(diào)制解調(diào)方法，參見圖1,包括以下八個(gè)步驟(1) 、利用數(shù)字邏輯電路組成多諧振蕩電路，輸出頻率和占空比可調(diào)的直流 方波信號，控制半導(dǎo)體激光器發(fā)出載波信號/￡(/);(2) 、載波信號在湍流大氣中傳輸，受到湍流波動信號的調(diào)制作用，且為振 幅調(diào)制模式，得到調(diào)幅波人(0;(3) 、利用PMT探測器接收調(diào)幅波人0)，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，獲得包含背景 的調(diào)幅信號"(O,此信號表征光電子的數(shù)量；(4) 、 PMT探測器采用陰極接地型供電電路，其電信號輸出端外接電容耦合 式信號輸出電路，以消除慢變的背景雜散光和系統(tǒng)噪聲的影響，避免后續(xù)信 號放大器的飽和，電容耦合式信號輸出電路輸出不含慢變背景的電流型直流調(diào)幅信號/(/);(5 )、調(diào)幅信號《0經(jīng)放大器》文大后為電壓型直流信號;(6 )、直流信號w。(0經(jīng)過電容耦合，成為正負(fù)對稱的交流方波信號,信號幅值保持不變，信號隨后進(jìn)入電壓跟隨器，電壓跟隨器對信號沒有影響， 只進(jìn)行阻抗變換，隔離前后電路；(7 )、交流方波信號m力)經(jīng)絕對值檢波電路全波整流后為直流信號^0); (8)、用低通濾波電路濾除方波信號 (0中高頻成分，最終得到反映湍流脈動信息的直流脈動信號。測量大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的大口徑激光閃爍儀，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用對
稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括相對向設(shè)置的二個(gè)牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡以及望遠(yuǎn)鏡鏡筒上分別 設(shè)置的半導(dǎo)體激光器，激光器與多諧振蕩電路相連，多諧振蕩電路輸出高電平時(shí)， 激光器點(diǎn)亮；低電平時(shí)，激光器關(guān)閉。作為高頻載波的激光經(jīng)過湍流大氣傳輸， 由于大氣對其折射、散射使光強(qiáng)受到調(diào)制，調(diào)幅波由望遠(yuǎn)鏡接收，通過窄帶干涉 濾光片后進(jìn)入PMT轉(zhuǎn)換成電流信號，由放大器進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換并放大，解調(diào) 之后進(jìn)入處理電路，完成數(shù)據(jù)的釆集、顯示、處理和存儲。大口徑激光閃爍儀所采用的調(diào)制解調(diào)技術(shù)由三部分組成(1)、數(shù)字邏輯器 件組成的多諧振蕩電路，控制激光器輸出高頻栽波信號；(2)、光電轉(zhuǎn)換及力文大 部分，PMT將調(diào)幅波轉(zhuǎn)換成電信號，由供電及信號輸出電路完成背景過濾，之后 跨導(dǎo)放大器實(shí)現(xiàn)信號放大，為信號解調(diào)做好準(zhǔn)備；(3)、信號解調(diào)部分，通過電 容耦合、絕對值檢波和低通濾波提取湍流波動信息。多諧振蕩電路由數(shù)字邏輯器件ICM7556構(gòu)成，該芯片包含兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)時(shí)器ICM7555，兩個(gè)計(jì)時(shí)器共用一個(gè)r皿和GND。計(jì)時(shí)器ICM7555由兩個(gè)比專交器、 一個(gè)基本RS觸發(fā)器、 一個(gè)M0S管開關(guān)、三個(gè)等值電阻分壓器及輸出緩沖器組成，其 電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。用ICM7556組成多諧振蕩電路如圖4所示，工作波形如圖5所示，]^d表示"電源正端"，GND為"地端"，1^和^分別表示"高觸發(fā)端" 和"低觸發(fā)端"的電壓，^和^表示"復(fù)位端"和"控制電壓端"的電壓， 表示"放電端"的電壓，r。表示輸出電壓，下標(biāo)1和2分別代表第一和第二個(gè)計(jì)時(shí)器。電路"&計(jì)如下將I^d與兩個(gè)計(jì)時(shí)器的復(fù)位端相連，復(fù)位端置高電平；第一個(gè)計(jì)時(shí)器的輸出作為第二個(gè)計(jì)時(shí)器的低觸發(fā)端；第二個(gè)計(jì)時(shí)器的^t電端與高觸 發(fā)端相連；第二個(gè)計(jì)時(shí)器的輸出即為方波信號輸出端。根據(jù)以上設(shè)計(jì)當(dāng)?shù)谝粋€(gè) 計(jì)時(shí)器的輸出由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，第二個(gè)計(jì)時(shí)器輸出高電平，因此第一個(gè) 計(jì)時(shí)器控制方波的頻率，第二個(gè)計(jì)時(shí)器則控制方波的占空比。最終輸出的方波信號的脈沖周期T和高電平持續(xù)時(shí)間f3分別為+ f2 = 0.7(i 3 + i ; + 2A)qf3 =max(0.7(i 5 +i 2)C3 , 0.7及4(^) 對于大口徑激光閃爍儀，設(shè)置調(diào)制頻率為10kHz,占空比為50%。 多諧振蕩電路發(fā)出的方波信號控制激光器輸出脈沖激光，作為高頻載波經(jīng)過 鴻流大氣傳輸，并受到大氣的振幅調(diào)制作用。PMT對入射光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換， PMT需要上千伏的工作電壓才能正常工作，高電壓由供電電路分配到光電陰極、 各級倍增極和陽極之間，實(shí)現(xiàn)光電子的發(fā)射以及二次電子的發(fā)射和倍增，并由相 應(yīng)的信號輸出電路輸出電信號。供電電路分為陽極接地型和陰極接地型，前者適 用于直流或脈沖信號，后者僅適用于脈沖信號。大口徑激光閃爍儀采用望遠(yuǎn)鏡作為接收口徑，信號光與大量的背景光同時(shí)進(jìn) 入探測器，考慮到信號光為脈沖方式，如果選擇陽極接地型供電電路，則PMT 對脈沖信號和直流背景同時(shí)響應(yīng)，過大的背景很容易使后續(xù)的信號放大器飽和， 因此釆用僅響應(yīng)脈沖信號的陰極接地型供電電路，并配合電容耦合式信號輸出電 路，如圖6所示。圖中上部的實(shí)線框表示PMT, K和P分別表示PMT的光電陰極 和陽極，Dyl至DylO分別表示IO級倍增極。工作時(shí)，陽極接1500V高電壓，陰極接地，電壓通過電阻《至《2分配到各倍增極之間，電容q至q作為去耦合電容，目的是改善脈沖工作時(shí)的輸出線性，電容q和q的作用是濾除直流背景。 PMT的信號輸出電路輸出不含背景噪聲的電流型調(diào)幅信號，經(jīng)過跨導(dǎo)放大器進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換并放大成為電壓型調(diào)幅信號w。0)，最后進(jìn)入解調(diào)電路，如圖7所示。解調(diào)電路的工作原理如下調(diào)幅信號w。 (o通過電容q耦合之后進(jìn)入運(yùn)算放大器4的同相輸入端，4工作于電壓跟隨器狀態(tài)，其作用是進(jìn)行阻抗變換，隔離前后電路，所以^輸出頻率為1 OkHz 、正負(fù)對稱的交流方波信號mc(0 。運(yùn)算放大器4的輸出信號進(jìn)入絕對值檢波電路。當(dāng)^o)〉o時(shí)，運(yùn)算放大器 4的輸出電壓 2<o,使A導(dǎo)通，A截止；而運(yùn)算放大器4的輸出電壓^3>o, 使A截止，￡)4導(dǎo)通。此時(shí)4的輸出端"w與總輸出端&脫開，而4處于電壓跟 隨器狀態(tài)，所以電路的l敘出為由于4反饋回路的電阻i 4和輸入電阻及3與4的閉環(huán)增益無關(guān)，故它們的匹配與
否不影響電路的運(yùn)算精度，電路中選取^4=及3，是為了保證電路的靜態(tài)平衡， 以減少輸入失調(diào)。當(dāng)^(0〈0時(shí)，4的輸出電壓^2>0，使A截止，/)2導(dǎo)通；而4的輸出電 壓^3<0，使/)3導(dǎo)通，￡>4截止。此時(shí)4的輸出端 3與總輸出端&脫開，而^2 處于反相比例狀態(tài)。如果滿足/ 2=7 5，則經(jīng)過檢波之后，信號僅含有頻率很高的尖峰成分，這些高頻負(fù)尖峰的來源有激 光器輸出響應(yīng)上升、下降延遲，PMT供電及信號輸出電路中隔直電路上升、下降 沿，放大器、耦合電容和;f全波電路等對方波的響應(yīng)延遲。最后，電阻A、 ^和^以及電容C2構(gòu)成RC時(shí)間常數(shù)很小的低通濾波電路濾除高頻成分，得到反映湍流變化的直流脈動信號/(0。綜合以上兩種情況，絕對值檢波電路的輸出和輸入關(guān)系為
權(quán)利要求
1、適用于大口徑激光閃爍儀的調(diào)制解調(diào)方法，其特征在于(1)、利用數(shù)字邏輯電路組成多諧振蕩電路，輸出頻率和占空比可調(diào)的直流方波信號，控制半導(dǎo)體激光器發(fā)出載波信號fc(t)；(2)、載波信號在湍流大氣中傳輸，受到湍流波動信號的調(diào)制作用，且為振幅調(diào)制模式，得到調(diào)幅波fm(t)；(3)、利用PMT探測器接收調(diào)幅波fm(t)，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，獲得包含背景的調(diào)幅信號n(t)，此信號表征光電子的數(shù)量；(4)、PMT探測器采用陰極接地型供電電路，其電信號輸出端外接電容耦合式信號輸出電路，以消除慢變的背景雜散光和系統(tǒng)噪聲的影響，避免后續(xù)信號放大器的飽和，電容耦合式信號輸出電路輸出不含慢變背景的電流型直流調(diào)幅信號i(t)；(5)、調(diào)幅信號i(t)經(jīng)放大器放大后為電壓型直流信號ua(t)；(6)、直流信號ua(t)經(jīng)過電容耦合，成為正負(fù)對稱的交流方波信號uc(t)，信號幅值保持不變，信號隨后進(jìn)入電壓跟隨器，電壓跟隨器對信號沒有影響，只進(jìn)行阻抗變換，隔離前后電路；(7)、交流方波信號uc(t)經(jīng)絕對值檢波電路全波整流后為直流信號ud(t)；(8)、用低通濾波電路濾除方波信號uc(t)中高頻成分，最終得到反映湍流脈動信息的直流脈動信號ft(t)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于大口徑激光閃爍儀的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，大口徑激光閃爍儀是用來測量大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的設(shè)備，利用數(shù)字邏輯器件組成多諧振蕩電路，輸出頻率和占空比可調(diào)的方波信號，控制激光器發(fā)出高頻載波激光，經(jīng)過湍流大氣傳輸時(shí)，湍流對載波信號進(jìn)行振幅調(diào)制，調(diào)幅波由反射式望遠(yuǎn)鏡接收，并由光電倍增管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過陰極接地供電電路，并配合電容耦合型信號輸出電路濾除背景雜散光等直流噪聲成分，隨后經(jīng)跨導(dǎo)放大器放大，輸出不含背景的直流調(diào)幅信號，該信號經(jīng)電容耦合成為正負(fù)對稱的交流方波信號，通過絕對值檢波電路獲得僅含高頻尖峰的直流信號，利用RC時(shí)間常數(shù)很小的低通濾波電路濾除高頻尖峰，完成信號解調(diào)，得到湍流脈動信號。調(diào)制解調(diào)技術(shù)的運(yùn)用改善了大口徑激光閃爍儀的信噪比，提高了儀器的抗干擾能力和測量精度，使儀器性能更加穩(wěn)定，該方法同樣適用于利用光電倍增管進(jìn)行微弱信號探測的其他領(lǐng)域。
文檔編號G01N21/41GK101162198SQ20071019036
公開日2008年4月16日 申請日期2007年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月19日
發(fā)明者朱文越, 賈先德, 饒瑞中, 馬曉珊 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所