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 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
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 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
兰州交通大学自动化与电气工程学院， 甘肃 兰州 730070
针对含裂纹缺陷的红外热像图对比度差、信噪比低的特点，提出了一种涉及噪声消除、图像细节增强、区域分割等多个方面的红外图像处理算法。算法首先通过时域有限冲激响应（FIR）滤波去除了图像中的部分噪声，然后利用提升小波变换与模糊逻辑非线性算子相结合的方法实现了对红外图像的增强，最后采用改进的区域生长方法对图像中的裂纹区域进行了分割处理。实验结果表明，本文算法有效地滤除了噪声干扰，提高了裂纹图像的对比度，同时很好地保留了整条裂纹中各小段灰度等级不同的特征，为后续测量裂纹深度奠定了必要的基础。
裂纹图像处理 FIR数字滤波器 二代小波变换 非线性增强 crack image processing FIR filter second-generation wavelet transform no-linear enhancement
南京邮电大学 通信与信息工程学院, 南京 210003
在高速相干光通信系统中, 完全使用电子色散补偿时会引入均衡增强相位噪声.本文提出在已有10 Gbit/s光纤通信链路上使用电子色散补偿来补偿残留色散的混合色散补偿方案, 实现了特定通道100 Gbit/s以上高速数据传输.使用虚拟光学仪器软件仿真了在112 Gbit/s相干光通信系统中, 分别采用有限脉冲响应均衡器和重叠频域均衡器对现有光纤信道进行残留色散补偿后的系统性能.仿真结果表明:相同的抽头长度下, 有限脉冲响应均衡器相比重叠频域均衡器有更好的残留色散补偿能力, 并且有限脉冲响应均衡器均衡性能更稳定而且计算复杂度更低.因而, 有限脉冲响应均衡器相较于重叠频域均衡器更适于混合色散补偿.
光通信 残留色散补偿 数字滤波器 色散 相干检测 相位调制 相位噪声 Optical communications Residual chromatic dispersion compensation Digital filters Chromatic dispersion Coherent detection Phase modulation Phase noise
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 东北石油大学 电子科学学院,黑龙江 大庆163318
2 东北石油大学 黑龙江省高校校企业共建测试计量技术及仪器仪表研发中心,黑龙江 大庆163318
为了减少FPGA综合时FIR滤波器硬件资源的占用,提高运算速度,在分析分布式算法基础上,提出分布式算法的改进算法,以解决分布式算法大量占用存储器空间的问题,提高硬件资源的使用率和运算速率。在QuartusII软件环境下,结合算法进行了仿真。验证了算法的正确性和有效性。
FIR数字滤波器 改进算法 仿真 FPGA FPGA digital filters improvement algorithm simulation
