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 中北大学 仪器与电子学院, 山西 太原 030051
2 中北大学 前沿交叉科学研究院, 山西 太原 030051
3 中北大学 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 山西 太原 030051
针对高精度、快速实时的偏振测量需求, 提出了一种双弹光差频调制的偏振参量测量方法。对偏振测量原理进行了详细分析, 针对双弹光调制器工作控制及信号解调需求, 设计了基于数字可编程逻辑门阵列(FPGA)的多通道数字锁相数据处理方案。FPGA提供一定频率占空比的脉冲宽度调制波(PWM), 经高压谐振电路输出正弦高压驱动弹光调制器工作, 与此同时, 探测器探测到的调制光信号经模数转换器(ADC)采集后进入FPGA中。FPGA提供本地参考信号完成多个频率信号的同时解调, 进而单次测量便可得到4个斯托克斯分量。搭建了实验系统进行了实验验证, 利用旋转1/4波片法建立了偏振产生装置, 实现了对线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光的测量。实验结果表明, 系统测量的相对误差小于0.8%, 重复性标准差小于0.2%, 单次测量时间小于200ms,实现了高精度、重复性好、实时的偏振测量。
弹光调制 偏振测量 斯托克斯矢量 数字锁相 photoelastic modulation polarization measurement stokes vector digital lock-in amplifier
1 上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
2 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
搭建了一套以返波振荡器(BWO)为辐射源的太赫兹透射式系统。通过高莱探测器、数字锁相放大器等完成测试信号的探测和存储,在LabVIEW编程环境下,完成配合系统硬件工作的软件平台的编写,利用VISA模块实现对下位机的参数设置以及数据采集工作。利用这套系统进行了单频和扫频实验,分别测试了不同葡萄糖溶液浓度的透过率。结果表明,葡萄糖溶液对太赫兹波有透过特征峰,不同浓度葡萄糖溶液对太赫兹波的吸收不一样。该研究为以后基于BWO的太赫兹生物传感器研究提供了参考。
太赫兹 返波振荡器 葡萄糖溶液 数字锁相放大器 terahertz backward wave oscillator glucose solution digital lock-in amplifier
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230031
2 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环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
介绍了波长调制光谱技术的检测原理，分析了传统的基于现场可编程门阵列（FPGA）的波长调制解调算法的优缺点，进而提出了一种基于坐标旋转数字计算机（CORDIC）原理的FPGA波长调制解调算法。介绍了该算法的原理和基于FPGA的实现过程，总结其相对于传统算法在精度、资源占用、耗时等方面的优势。最后给出该算法的综合和仿真结果，通过和理论对比验证了该算法的准确性，并且比较了两种算法的计算精度和综合后的资源占用情况。
光谱学 数字锁相放大器 二次谐波 坐标旋转数字计算机 现场可编程门阵列 激光与光电子学进展
2017, 54(7): 073002
1 吉林大学 电子科学与工程学院，集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，长春 130012
2 中国科学院半导体所 材料科学重点实验室，北京 100083
利用可调谐二极管激光吸收光谱技术检测气体浓度时，为了从红外传感信号中提取一次及二次谐波信号来表征气体浓度，研发了一种基于数字信号处理器的数字正交锁相放大器.介绍正交锁相放大原理，设计谐波提取算法，给出数字正交锁相放大器的软硬件实现方案.利用配备的浓度为1%~5%的甲烷样品以及研制的锁相放大器，开展气体实验.实验结果显示，当甲烷浓度为5%时，在二次谐波对应的频率点处，测得的系统信噪比为34 dB，表明设计的锁相放大器具有较好的性能；测得的二次与一次谐波信号峰峰值的比值与气体浓度成线性关系；考虑动态配气以及气体沿管道传输的时间，检测系统的响应时间约为96~98 s；气体浓度为20 000 ppm时，测试浓度波动范围为-92 ppm ~ +118 ppm；根据Allan方差预测的系统检测下限为29.52 ppm.与模拟锁相放大器以及商用锁相放大器相比，本文研制的数字正交锁相放大器硬件结构简单、体积小、成本低、易于集成，在红外气体检测领域具有很好的应用前景.
光电子学 红外光谱学 气体检测仪 红外吸收 数字锁相放大器 谐波分析 数字信号处理器 Optoelectronics Infrared spectroscopy Gas detectors Infrared absorption Digital lock-in amplifier Harmonic analysis Digital signal processors
1 江南大学物联网工程学院, 江苏 无锡 214132
2 武汉六九传感科技有限公司, 湖北 武汉 430200
实验设计了一种基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的甲烷传感系统，主要针对宽温度范围、全浓度、高精度的实时检测仪器进行研究。优选1653.7 nm 窄线宽分布反馈式激光器作为光源，采用多次反射气室，结合波长调谐和全数字锁相放大器的二次谐波信号检测技术，通过最小二乘法拟合不同温度和不同浓度下的二次谐波测量数据，对检测系统进行背景扣除和温度补偿，高精度地反演出甲烷气体的浓度。实验结果表明，系统在浓度为0~1%时的检测误差小于±0.02%，1%~100%时检测误差小于真值的±2%，响应时间小于10 s。长时间的稳定性测试和高低温实验证实该系统可靠性高，能够稳定工作在宽温度范围内(0 ℃~40 ℃)。该系统满足煤矿检测标准的要求，为防治瓦斯突出灾害提供了保障。
光谱学 可调谐二极管激光吸收光谱 二次谐波检测 全数字锁相 温度补偿 甲烷 激光与光电子学进展
2015, 52(12): 123001
中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽省光子器件与材料重点实验室, 安徽 合肥 230031
以HF气体检测为例，简要介绍了基于数字式控制模块的可调谐半导体激光吸收光谱学方法的工业气体分析技术。为了降低噪声干扰对系统监测的影响，针对工业现场环境，设计完成了集数字信号发生器,数字锁相放大器和数据采集卡与预处理等多重功能的数字式控制模块，替代了先前系统所采用的模拟单板结构和系统转接板等孤立单元。同时，为了降低系统因环境温度变化和其它干扰等因素带来的中心吸收波长漂移对最小二乘法应用的影响，采用信号相关方法实时锁定与调整激光器输出波长在待测气体吸收线中心位置，完成对浓度的实时计算。测试结果证明采用数字控制模块和数字处理方法在系统体积、成本以及灵敏度、稳定性和降低信号畸变等方面都对仪器的整体性能有较大的改善。
数字控制模块 可调谐半导体激光吸收光谱学 工业废气 锁相放大器 信号相关方法 光学学报
2011, 31(s1): s100304
1 四川大学 电子信息学院，成都 610064
2 西南技术物理研究所，成都 610041
通过对光学膜厚监控系统中光路部分、电路部分以及信号处理部分的噪声分析，设计出频率稳定性良好的斩光器、低噪声光接收电路和具有较强抗噪声性能的数字式锁相放大器，从而显著地提高了系统的精度和稳定性，为提高镀膜成功率和薄膜性能创造了有利的条件。将该系统应用于镀膜系统中，实验结果证实了该系统具有较高的精度和稳定性。
薄膜 光学膜厚监控 数字式锁相放大器 精度 信噪比 thin films optical thickness monitoring digital lock-in amplifier precision signal noise ratio
