1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院 科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
4 航天系统部驻绵阳地区军事代表室，四川 绵阳 621000
针对激光传输实验中传输内通道空间狭小、CO2浓度低的特点，结合波长调制TDLAS技术，设计了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的数字锁相放大器，实现锁相放大和数据采集功能一体化，并将其成功应用于低浓度CO2检测中。为解决低浓度CO2吸收微弱、噪声强等问题，设计了高精度ADC模块，电压分辨率可达0.3 mV；基于DDS原理内部产生正余弦参考信号，保证谐波信号单一性，且实现参考信号频率可调节，覆盖范围1~40 kHz；改进了CIC滤波器，并通过降采样级联FIR滤波器的方式，以较少的硬件资源消耗实现窄带低通滤波，积分时间200 μs~20 ms可调；基于CORDIC算法实现平方和开根运算，相较于JPL算法精度更高。为系统更加小型化，基于Qt实现上位机并结合串口通信，使锁相放大器兼具数据采集处理功能。常温常压光程30 m条件下，测量了CO2在2 μm波段的吸收光谱，获得波长调制吸收光谱信噪比为102.6，相较于直接吸收信噪比8.8，提高约11.7倍；设计并开展低浓度CO2标定实验，获取二次谐波信号幅值和CO2浓度之间的线性关系，相关度为0.996；在纯氮气条件下，利用Allan方差评估了系统性能，平均时间为2 s时，系统检测下限1.30 ppm (1 ppm=10−6)，平均时间为180 s时，系统检测下限0.19 ppm；分析了系统响应时间，可在0.5 s内获取气体浓度。实验结果表明，设计的数字锁相放大器具有测量灵敏度高、参数可调节、能够实时处理和小型化的特点，可满足传输内通道中低浓度CO2的检测需求。
数字锁相放大器 激光传输 FPGA TDLAS 数字滤波器 CORDIC算法 digital lock-in amplifier laser transmission FPGA TDLAS digital filter CORDIC algorithm 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230023
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春130033
2 中国科学院大学，北京100049
针对应变信号采集系统中的信号处理环节，设计并实现一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的FIR数字滤波器。首先，基于Matlab采用克莱德曼窗函数设计一个长度为16的15阶数字滤波器，并生成高斯白噪声与频率为2 kHz、8 kHz正弦波的合成信号，然后量化12位系数，将系数文件导入QuartusⅡ13.1软件，结合FPGA内部数字滤波器IP核，采用自上而下的方式设计出FIR数字滤波器，最终在Simulink环境下对其进行仿真。实验结果表明，滤波前后合成信号的均方误差下降28.5%，提高了低频信号质量，增强了应变信号采集系统的功能性和集成度。
信号采集 FIR数字滤波器 IP核 signal acquisition FIR digital filter FPGA FPGA IP core
1 苏州科技大学, 江苏 苏州 215009
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
针对传统光照功率计采用积分法测量功率引起的高误差, 从应用角度出发, 提出一种MSP430为主控制器的高精度光照功率计。光电传感器将光信号转换为毫安级电流信号, 经过负反馈电流放大转换电路, 再通过差分放大和滤波电路, 经过24位高精度AD模数转换芯片将模拟信号转为数字信号, 再融合递推和中位值数字滤波算法, 计算得到光照功率。通过LCD实时显示测量值, 并经过Savitzky-Golay滤波器后显示随时间变化的测量曲线。实验证明, 所设计的光照功率计误差低于0.3%, 具有功耗低、系统稳定、显示界面友好的优点, 可以存储测量数据, 显示光功率曲线。
低功耗 24位高精度 数字滤波 功率曲线 low power consumption 24-bit high-precision digital filter power curve
1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
数字均值滤波器在高精度测温系统中可以有效降低噪声,提高信噪比,但也会造成信号的失真,引入不确定度,而采集到的温度信号一般为离散时间序列信号,现有的滤波器评价方法很难量化这种信号带来的失真。为了解决该问题,分析了温度缓变对象的温度变化特性,通过低噪声、高精度测量仪器采集被测物的典型温度信号序列,并由此构建数字均值滤波器的输入序列,从而得到该滤波器在当前输入信号模型下的不确定度,建立了一套评价数字均值滤波器在高精度测温系统中所引入不确定度的方法。对温度稳定条件下的黑体进行测温实验,得到了该黑体的温度波动范围为(30.874±0.002)℃,其温度变化率服从正态分布函数,验证了本文建立的温度特性模型的正确性。使用Fluke 1595A测温仪采集典型温度序列,对数字均值滤波器进行了不确定度分析,得到了在不同采样间隔时间、不同滤波器长度条件下,均值滤波器所引入的不确定度。基本解决了数字均值滤波器在高精度测温系统中引入不确定度难以评估的问题。
测量 温度测量 数字滤波器 数字采样 不确定度 均值滤波器 光学学报
2020, 40(17): 1712001
中国电子科技集团公司光电研究院，天津 300308
针对机载光电跟瞄稳定问题，分析比对整体陀螺稳定和半捷联稳定的技术特点，揭示半捷联稳定原理；根据半捷联稳定下跟瞄框架的惯性空间角速度表达式，分析影响半捷联稳定的主要因素；通过设计巴特沃斯二阶低通滤波器，降低陀螺噪声；采用频率特性分析和预测误差法进行精确建模，设计超前控制环节，校正光栅量化误差和陀螺信号延迟，并进行仿真分析；利用原型样机进行试验研究，达到整体式陀螺稳定平台的稳定精度，具有较强的工程实用性。
光电跟瞄 半捷联稳定 陀螺稳定 稳定精度 数字滤波 electro-optical tracking and pointing semi-strapdown stabilization gyro stabilization stabilization precision digital filter
1 吉林大学仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130012
2 山东省科学院自动化研究所, 山东 济南 250014
对相位敏感光时域反射系统数字正交解调算法进行了研究。分析了正交解调算法中数字滤波器群延时对系统定位精度的影响, 提出采用重定位方法矫正定位误差; 同时, 研究了系统空间分辨率受正交解调算法中数字滤波器的影响, 并通过仿真和实验,验证并分析了上述问题。结果表明, 重定位方法可消除正交解调算法中数字滤波器造成的定位误差, 系统空间分辨率由系统结构与数字滤波器共同决定, 且由数字滤波器决定的空间分辨率随数字滤波器阶数的增加而增加。实验中解调选择112阶滤波器较佳。
光纤光学 光纤传感 相位敏感光时域反射系统 数字正交解调 数字滤波器 空间分辨率 中国激光
2017, 44(12): 1210002
复旦大学信息学院通信科学与工程系, 上海 200433
无载波幅度相位调制(Carrierless Amplitude and Phase, CAP)是超高速短距离光通信系统中的一种备选的方案,由于其成本低、频谱效率高、功耗小等优点,近年来越来越受到研究人员的关注。基于MATLAB与VPI联合仿真,探究10G/40G速率CAP系统中关键参数对系统性能的影响,包括数字滤波器滚降系数、滤波器抽头数,通过仿真找出最优系统参数值,同时对时钟偏移带来的影响也做了研究,以期为以后设计短距离CAP光通信系统有所帮助。
无载波幅度相位调制 数字滤波器 滚降系数 抽头数 时钟偏移 carrierless amplitude and phase modulation digital filter roll-off factor number of taps clock offset
1 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
自适应光纤准直器（AFOC）是一种快速、高精度调节出射准直激光束方向的新型无源光纤器件。随着其应用范围的拓展，对AFOC的谐振特性提出了更高的要求。对阶梯型减振结构改善AFOC谐振特性的方法进行了实验研究，结果表明该结构能提高AFOC的一阶谐振频率并减小谐振峰谷值。在此基础上，理论并实验研究了利用双二阶数字滤波器技术提高AFOC可用带宽的方法，实验结果表明，该方法有效地抵消了一阶谐振峰，将AFOC的可用带宽从约1.3 kHz提升至2.5 kHz。
光纤光学 自适应光学 自适应光纤准直器 谐振特性 双二阶数字滤波器 光学学报
2014, 34(s1): s106011
1 重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
2 重庆川仪自动化股份有限公司技术中心, 重庆 401121
由于基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的激光气体分析仪的二次谐波信号中存在较大的系统噪声, 本文利用有限长单位冲激响应(FIR), 提出了激光气体分析仪的二次谐波在线滤波方法。在分析FIR数字滤波器原理的基础上, 利用MATLAB窗函数设计了适合本激光气体分析仪的数字滤波器。然后, 将仿真的FIR数字滤波算法移植到激光气体分析仪嵌入式系统中。最后, 比较了滤波前后二次谐波信号波形, 说明了在激光气体分析仪嵌入式系统中采用基于FIR数字滤波器滤波算法的可行性。实验结果表明: FIR数字滤波器对一组二次谐波信号进行滤波的运算时间为230 ms, 滤波后的二次谐波信号波形获得了较好的去噪效果, 能够满足激光气体分析仪对含有噪声的二次谐波信号进行平滑去噪的要求, 且滤波算法结构简单、运算时间短、可移植性强。
激光气体分析仪 可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS) 二次谐波 有限长单位冲激响应(FIR)数字滤波器 数字信号处理器 laser gas analyzer Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy(TDLAS) second harmonic signal Finite Impulse Response(FIR) digital filter Digital Signal Processor(DSP)
中航工业飞行自动控制研究所，陕西 西安 710065
针对目前四频差动激光陀螺光学解调方案可靠性和温度特性差的特点，介绍一种基于FPGA的数字拍频解调方案。分析了四频差动激光陀螺数字拍频解调对电路系统的需求，对数字拍频解调的关键部件——低通滤波器进行了设计与实现。根据四频差动激光陀螺的特性参数计算滤波器的通带截止频率及阻带截止频率，使用MATLAB的滤波器设计和分析工具FDATool完成了有限冲击响应（FIR）数字滤波器的参数设计，并利用Xilinx公司的FPGA集成开发环境ISE实现FIR数字滤波器的片上系统设计。仿真和实验结果表明，所设计的FIR数字滤波器对四频差动激光陀螺的和频分量衰减达到-66 dB，满足四频差动激光陀螺拍频解调的需求，并有助于实现四频差动激光陀螺的小型化和数字化。
四频差动激光陀螺 数字拍频解调 FIR数字滤波器 four-frequency differential laser gyro digital signal demodulation FPGA FPGA FIR digital filter
