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 重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065
2 东北大学计算机科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819
提出单边带直接检测数字滤波多址无源光网络（DFMA-PON）系统，抑制光纤色散引起的频率选择性衰落现象。同时，为消除直接检测时平方律特性引起的信号与信号间的拍频干扰（SSBI），在接收端设计了适用于DFMA-PON系统的Kramers-Kronig（KK）算法。该算法通过从接收信号的幅度信息中重构出相位信息来恢复原始信号，进而消除SSBI对接收信号的影响，提高接收机灵敏度。仿真结果表明，在不采用其他色散补偿算法的情况下，单边带传输系统较双边带传输系统的性能有显著提升。与接收端不采用KK算法的单边带系统相比，所提方案在经过25 km标准单模光纤传输后，接收机灵敏度最高可提高约5.0 dB。
光通信 色散 数字滤波多址-无源光网络 单边带 Kramers-Kronig算法 光学学报
2022, 42(14): 1406002
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
1 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094
2 中国电子科技集团公司第二十七研究所, 河南 郑州 450047
导引头对目标视线角速度的准确测量是导弹实现比例导引律的前提条件。对于速率陀螺稳定平台式导引头,由于速率陀螺固有的高频电噪声以及搭载平台的随机扰动,会导致导引头输出信号存在大幅随机噪声,无法实现视线角速度的准确测量。通过实验研究了一种搭载飞艇使用的电视导引头测量数据的滤波方法。基于对导引头原始输出数据的分析,获得随机扰动的特征频率,采用相应截止频率的低通滤波器对导引头输出数据进行数字滤波,有效滤除了陀螺高频电噪声和源自搭载平台的低频噪声,实现了对视线角速度的准确测量。
电视导引头 视线角速度 信号处理 数字滤波 TV seeker line-of-sight angular rate signal processing digital filtering
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院, 广西 桂林 541004
2 广西高校光电信息处理重点实验室 (桂林电子科技大学), 广西 桂林 541004
3 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 合肥 230031
结合辐射传输和朗伯比尔定律, 提出一种基于有限脉冲响应数字滤波器和多元线性回归分析的空间外差干涉谱目标匹配方法, 通过对干涉图直接分析来提取出钾共振双线的特征以实现目标识别。本文采用传统有限脉冲响应数字滤波的处理方法来消除有效目标干涉频率信息以外的背景信息和干扰信号。通过对滤波前后的时域干涉数据进行多元线性回归处理获得最佳的时域滤波系数, 以对目标信号、背景信号的干涉图直接进行滤波处理, 最后通过干涉图匹配技术来识别钾共振双线信号。该算法无需测量背景光谱或背景干涉图, 亦无需对干涉图做傅里叶变换获取光谱, 在提高计算效率的同时提高空间外差光谱仪遥感数据的分析反演能力。
空间外差光谱技术 干涉图 钾共振双线 有限脉冲响应数字滤波器 多元线性回归 spatial heterodyne spectrometer interferogram potassium double resonance finite impulse response multivariate linear regression
1 成都信息工程大学 电子工程学院, 成都 610225
2 成都欧飞凌通讯技术有限公司, 成都 610225
为了使光收发模块发射光波长稳定, 突破现有半导体激光器温控系统大都采用模拟器件实现的常规设计, 提出了一种基于数字滤波方式的控制方案, 采用数字信号处理方式, 以固件形式实现了半导体激光器温度控制。通过理论分析和实验验证, 取得了采用该方案的光收发模块在应用温度范围内的发射波长变化数据。结果表明, 该系统性能稳定, 温度控制精度达±0.053℃。
光电子学 温度控制 数字滤波 半导体激光器 optoelectronics temperature control digital filtering semiconductor laser
