光学信号处理（共10篇）
光学信号处理 篇1
摘要：准确度和稳定性是光学电流互感器(OCT)的主要性能指标。文中在自适应光学传感器的基础上进行研究和改进,提出采用新型的稳定性高的传感头设计与锁定放大器进行微弱光电信号检测相结合的方法,即在磁光传感系统中采用螺线管聚磁光路结构,并缩短磁光传感材料,提高OCT的长期运行稳定性,信号处理部分采用锁定放大器和与传统电流互感器互补结合的方法综合提高OCT的暂态和稳态准确度。最后通过虚拟仪器LabVIEW对检测系统进行仿真实验。
关键词：光学电流互感器,锁定放大器,运行稳定性,测量精度,输出信噪比
0 引言
随着数字化变电站的发展,以法拉第磁光效应[1,2]为原理的自适应光学电流互感器(AOCT)[3]逐步实现了实用化[4]。以往的AOCT传感部分通常采用顺磁性磁光材料以便于实现自适应光学传感过程[5],然而顺磁性磁光材料Verdet常数比较大,当AOCT测量暂态大电流时法拉第旋转角非常大,导致非线性误差及各谐波所引起的畸变比较大。为了进一步完善和发展AOCT,解决其存在的问题,本文在螺线管聚磁光学传感头中采用抗磁性磁光材料,并缩短磁光材料的长度,以减小AOCT的非线性误差及各谐波所引起的畸变,并进一步提高其长期运行稳定性。但此时AOCT测量小电流得到的光电信号主要被AOCT内部固有噪声影响,严重时会被湮没,其测量值存在较大误差。因此,如何有效地去除噪声的影响,同时得到高精度的数据以确保实现自适应光学传感过程是必须解决的问题。在原有AOCT的基础上,本文通过在信号处理部分采用锁定放大器(LIA),使得改进后的AOCT实现大范围电流的高精度测量,综合提高AOCT的暂态和稳态准确度。通过基于虚拟仪器LabVIEW的检测系统对本文提出的电流测量过程进行仿真实验。
1 AOCT的电流测量过程
根据对光学电流互感器(OCT)数学模型[4]的分析可知,被测电流包括50 Hz的基波电流及各次谐波电流,各种电流成分作用下的光学传感系统所表现的特性始终是一致的[1],而且外界对OCT的影响也不会由于电流成分的不同而有所变化。因此,基波电流与其他电流成分所对应的OCT的比例系数相同。AOCT的系统原理如图1所示。
图1中的稳态电流参考模型是以传统电流互感器为传感元件的电子式互感器,提供高精度的基波电流量测量。在电力系统稳态时,稳态电流参考模型的测量值经过横向滤波器组直接输出,同时光学传感元件OCT部分通过整周期累加平均法计算基本光强P0,利用稳态电流参考模型所测得的电流信号作为光学传感元件的锁定放大器部分的同频率基波参考信号,在稳态电流参考模型和光学传感元件所测得的电流信号经锁定放大器后应用自适应算法计算自适应校正系数。
由于采用基于电磁感应原理的电流互感器作为参考模型来提高其稳态测量精度,当电力系统发生故障时,稳态电流参考模型会因电流中出现的非周期分量产生磁饱和现象而导致严重的波形失真。因此,在电力系统出现故障后必须停止计算自适应校正系数,以避免稳态电流参考模型的失真波形影响OCT的输出,同时需要停止计算P0。由于电力系统中故障时间非常短,外界因素如温度等对光学传感元件的影响在暂态过程中是不变的,故障前后的自适应校正系数也就不变,此时系统采用故障前一时刻稳态所计算出的自适应校正系数,使故障后AOCT的准确度也达到参考模型稳态准确度的水平;同时可认为短时间内OCT中的P0不变,将稳态情况下计算出的P0代入,在后续电路中直接减去该值,通过滤波器组直接输出故障电流信息。故障后的校正参数并不是以故障后参考模型的输出为基础计算得到的,因此故障后由饱和等因素引起的参考模型输出误差不会影响AOCT的暂态准确度。另外,由于通过直接减去P0而得到故障电流,保留了非周期分量,解决了原OCT的单光源单探测器交流/直流法不能测量非周期分量的问题。
为了能将稳态测量期间所获得的自适应校正系数以及P0值应用到暂态测量中,以更好地消除温度、双折射等因素的影响,必须在电流突变瞬间就捕获突变时刻和突变量的大小。本文采用突变量检测方法,检测出电力系统由稳态向暂态转变瞬间会在被测电流中出现的奇异点,以闭锁基本光强的计算过程及校正参数的自适应算法。当电力系统发生故障时,通过突变量检测立即停止计算P0,利用暂态测量通道输出故障电流值,此时不经过稳态测量通道,因此停止计算新的校正参数,并采用故障前一时刻的P0和稳态所计算出的自适应校正系数,通过横向滤波器组直接输出,如图1中虚线所示。
需要指出的是,由于在稳态电流参考模型和光学传感元件的输出信号之后都采用了锁定放大器,因此改进后的AOCT有效地抑制了AOCT内部噪声,提高了信噪比。在保证AOCT的非线性误差及各谐波畸变很小的前提下,提高了改进AOCT对大范围电流测量的精确度和其暂态及稳态准确度。
2 锁定放大器
将锁定放大器应用到AOCT微弱信号系统中,对光电探测器中的噪声[6]有很好的抑制作用。本文采用了正交矢量型锁定放大器[7]进行AOCT微弱信号的检测,其系统结构如图2所示。
电力系统稳态运行时,在不考虑谐波输出的情况下,对于被测稳态电流i=Imsin(ωt+φ),光电探测器输出的电压信号为[4]:
u(t)=P0(1+2θ)=P0+2P0VImsin(ωt+φ) (1)
式中:θ为法拉第旋转角;V为磁光材料的Verdet常数。
经过整周期累加平均方法可得P0,在后续电路中减去该值,即可得到携带有用电流信息的交流量,通过带通滤波器(BPF)及前置放大器后的输出信号为:
式中:Vs=2k1P0VNIm。
忽略光电探测器中白噪声,通过BPF后变成的以ω为中心频率的窄带噪声为n(t),选择参考信号为Vr1(t)=sin ωt,Vr2(t)=cos ωt,则相敏检测器PSD1的输出为:
up1(t)=-0.5Vscos(2ωt+φ)+0.5Vscos φ (3)
相敏检测器PSD2的输出为:
up2(t)=0.5Vssin(2ωt+φ)+0.5Vssin φ (4)
通过LPF和GDC后,便可以得到同相输出I和正交输出Q:
根据
考虑窄带噪声n(t)的影响[8],n(t)可分解为:
式中:nc(t)和ns(t)是2个相互独立的低频平稳随机过程,它们的均值都为0,幅度分布为高斯分布,功率谱密度在-B/2~B/2带宽范围内恒定为N0/2,且nc(t)和ns(t)的功率相同,都等于n(t)的功率。
n(t)Vr1(t)=(nc(t)cos ωt-ns(t)sin ωt)sin ωt=
0.5nc(t)sin 2ωt+0.5ns(t)cos 2ωt-
0.5ns(t) (8)
n(t)Vr2(t)=(nc(t)cos ωt-ns(t)sin ωt)cos ωt=
0.5nc(t)cos 2ωt+0.5nc(t)-
0.5ns(t)sin 2ωt (9)
噪声的和频项被滤除后,其噪声分别主要表现为-0.5ns(t)和0.5nc(t),且由于nc(t)和ns(t)的均值都为0,通过长时间的积分作用后,可大大滤除噪声。
由此可见,虽然磁光材料的缩短会使得改进AOCT输入信噪比降低,但其非线性误差及各谐波的畸变很小,所受外界温度干扰的影响也大为降低,使得其长期运行稳定性大为提高;同时,通过微弱信号检测过程可看出在信号处理部分采用锁定放大器能有效抑制光电探测器的主要噪声,将信号从噪声中分离出来,输出最初正确的微弱电流信号,从而提高了改进AOCT的输出信噪比和测量精度。
3 AOCT交流电流检测实验
为了检验改进AOCT的测量性能,需要进行交流电流的检测实验。实验电路如图3所示。
实验采用的设备包括调压器、400匝螺线管、滑线变阻器(取值100 Ω)、47 μF电容器、用于测量线路电流的PROVA-11型微电流交直流钳形表、HKA0.5-NP霍尔小电流传感器、LXYA 100 V/3.5 V微型精密高精度变换器、NI USB-6251数据采集卡。由于在实验室中没有直接产生600 A~1 000 A的大电流发生器,为此采用提高安匝数的办法将通过螺线管的小电流等效放大,以达到发生大电流的效果。需要强调的是,在实验中所采用的螺线管不是前文所述的光学传感系统中通过一次大电流的聚磁螺线管。在实际应用中,AOCT光学传感系统中的聚磁螺线管的匝数通常是几匝。
NI USB-6251是一款高速多功能数据采集模块,在高采样率下也能保持高精度。通过DAQ Assistant软件可以实现数据采集并将模拟信号与所编写好的LabVIEW程序[9,10]相连。本文采取用传统电流互感器作为参考信号,经移相得到正交的参考信号,计算AOCT测量值与电流互感器测量值,并得到两信号在噪声情况下的测量误差。AOCT信号检测结构如图4所示。
由于实验在非恒温条件下进行,所采集的AOCT和传统电流互感器信号会受到温度变化的影响,因此需要在运行一段时间后重新计算其整定值。调节接触调压器输出所要测量的AOCT信号和电流互感器信号,采样率选择10 kHz,被测信号频率为50 Hz,采样点数为105时,连续运行400次,记录每次AOCT测量值与电流互感器测量值之间的电流幅值最大误差,如图5所示。
实验结果证明AOCT与电流互感器通过锁定放大器后的测量值误差在0.2%以内,检测系统能有效滤除噪声,提高了输出信噪比和测量准确度。
4 结语
本文在采用AOCT中的螺线管聚磁光学传感头的基础上,改用抗磁性材料并缩短磁光材料的长度,提高了OCT的长期运行稳定性。在信号处理部分采用锁定放大器和与传统电流互感器互补结合的方法综合提高OCT的暂态和稳态准确度。同时,利用LabVIEW对检测系统进行了仿真实验,证明检测系统能有效滤除噪声,提高了输出信噪比和测量准确度。
感谢华北电力大学校内博士学位教师基金的资助。
参考文献
[1]张甦英,王玉宏,黄健.基于电子剪切散斑干涉技术的光学电流互感器.电力系统自动化,2007,31(17):83-86.ZHANG Suying,WANG Yuhong,HUANG Jian.An optical current transducer based on the electronic speckle-shearing patterninterferometer.Automation of Electric Power Systems,2007,31(17):83-86.
[2]王夏霄,张春熹,张朝阳,等.一种新型全数字闭环光纤电流互感器方案.电力系统自动化,2006,30(16):77-80.WANG Xiaxiao,ZHANG Chunxi,ZHANG Chaoyang,et al.A new all digital closed-loop fiber optic current transformer.Automation of Electric Power Systems,2006,30(16):77-80.
[3]李岩松,张国庆,于文斌,等.提高光学电流互感器准确度的组合方法.电力系统自动化,2003,27(19):43-47.LI Yansong,ZHANG Guoqing,YU Wenbin,et al.Combined method to improve the accuracy of optical current transducer.Automation of Electric Power Systems,2003,27(19):43-47.
[4]李岩松,郭志忠,杨以涵,等.自适应光学电流互感器的基础理论研究.中国电机工程学报,2005,25(22):21-26.LI Yansong,GUO Zhizhong,YANG Yihan,et al.Research on the basic theory of adaptive optical current transducer.Proceedings of the CSEE,2005,25(22):21-26.
[5]李岩松,刘君.自适应光学电流互感器的信号处理方法.电力系统自动化,2008,32(10):53-56.LI Yansong,LI U Jun.Signal processing method for adaptive optical current transducer.Automation of Electric Power Systems,2008,32(10):53-56.
[6]叶嘉雄,常大定,陈汝均.光电系统与信号处理.北京:科学出版社,1997.
[7]高晋占.微弱信号检测.北京:清华大学出版社,2004.
[8]陈佳圭.微弱信号检测.北京:中央广播电视大学出版社,1987.
[9]尚秋峰,杨以涵,于文斌,等.光电电流互感器测试与校验方法.电力系统自动化,2005,29(9):77-81.SHANG Qiufeng,YANG Yihan,YU Wenbin,et al.Test and calibration of optical electrical current transformer.Automation of Electric Power Systems,2005,29(9):77-81.
[10]陈锡辉,张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通.北京:清华大学出版社,2007.
光学信号处理 篇2
通过对光电经纬仪系统误差、设备布站、跟踪测量环境和数据处理方法等方面分析,对影响光学测量数据处理精度情况进行了阐述,为外弹道的.数据处理精度分析提供了有效的技术支持.
作 者：崔书华 王敏 胡绍林 CUI Shuhua WANG Min HU Shaolin 作者单位：崔书华,王敏,CUI Shuhua,WANG Min(西安卫星测控中心,西安,710043)
胡绍林,HU Shaolin(西安卫星测控中心,西安,710043;中国科学技术大学,合肥,230027)
光学信号处理 篇3
关键词： 光学设计； 显微物镜； Zemax； 正向光路； 长工作距离
中图分类号： TH 74文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.014
Optical system design of highresolution microscope objectives for
optical fiber fusion splicer
CHEN Lina， LIU Qiaoling， KE Huaheng， YU Huaen， PENG Jiazhong， LIANG Xiuling
（Fujian Provincial Key Laboratory of Photonics Technology， College of Photonic and
Electronic Engineering， Fujian Normal University， Fuzhou 350007， China）
Abstract： According to the requirement of highquality fiber fusion in the process of optical fiber fusion， a microscope objective for detecting the fiber core is designed to determine the position of the optical fiber core， which is optimized through the optical system design software Zemax. The designed system consists of six lenses. The magnification is eight. The object space NA is 0.25. The working distance is 13.4 mm. The conjugate distance is 85 mm and image receiver is a CCD. The optical lens is optimized through the method of forward optical path with the spectral range of 486～656 nm. Forward optical path design of the microscope objective is practical to detect the fiber core position more clearly and accurately. It has long working distance， short conjugate distance and high accuracy.
Keywords： optical design； microscope objective； Zemax； forward optical path； long working distance
引言随着光纤通信技术的广泛应用，越来越多的光纤线路需要维护和熔接接续。为了获得低熔接损耗的光纤，需要对光纤纤芯进行高精度对准。因此，设计一款适用于光纤熔接机的高质量显微物镜具有重要的意义。显微物镜是用于观察近距离物体，其像距大于物距，这样才起到放大的作用。光学设计一般从长距离方向计算，因此为了便于后续的像差优化，根据光路可逆原理，传统的设计方法均是采用逆向光路进行优化设计。采用逆向光路设计时，物镜的放大率为正向光路设计时的倒数1/β（β为正向光路设计时物镜的放大率），像差经过物镜后缩小，像差校正容易，但是逆向光路设计的光学系统其几何像差调制传递函数（MTF）、星点图等体现的是物面处的成像质量。而显微物镜在实际使用中都是采用正向光路，且正向光路设计的光学系统其几何像差、MTF、星点图等能够直观体现CCD接收靶面处的成像质量，因此正向光路设计的显微物镜更能贴近实际使用状态。本文中的显微物镜是按正向光路进行设计，它能够更加清晰呈现光纤的纤芯位置，提高光纤熔接机的对准精度，从而达到降低光纤熔接损耗的目的。图1纤芯对准系统的结构示意图
Fig.1Structure diagram of fiber
core alignment system1设计思路光纤纤芯对准系统的基本结构示意图如图1示，图中：l为物距；l′为像距；L为共轭距。像面接收器采用CCD，待熔光纤的直径为125 μm（即物高y为0.125 mm），纤芯直径为9 μm。当光纤在CCD的像面宽度上成像为1 mm（即像高y′为1 mm）左右时，能够较理想地实现光纤纤芯的高清晰对准，且光纤所成的像为倒像。因此可得该系统的放大率为β=y′y=-8（1）光学仪器第37卷
第2期陈丽娜，等：光纤熔接机高清显微物镜光学系统设计
图2包层和纤芯在CCD上的实际大小
Fig.2Real size of the cladding and fiber core in the CCD
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图3摄远型初始结构
Fig.3Initial structure of telephoto
此外，为了便于光纤的装夹、调节、对准、熔接等机构的安装，显微物镜的工作距离不能太小。拟定显微物镜的工作距离（即物距）为13.4 mm，长工作距离便于熔接操作。当工作距离为13.4 mm时，根据放大率公式β=nl′n′l（2）式中n和n′为空气的折射率，可得该系统的共轭距L=l′-l=120.6 mm。该系统在正常情况下其共轭距L将超过120 mm。为了缩短整个光路，将共轭距控制在85 mm以内，这为将来仪器的小型化设计提供了可靠的前提保证。本文中的显微物镜是按正向光路进行设计，纤芯和包层经过显微物镜放大后，其直径分别为0.072 mm和1 mm。由于光纤熔接时主要是检测断裂处纤芯的准确位置，光纤成像的最大视场在0.8ω（ω为物镜的视场角）处（如图2示），因此，系统只需校正0.8ω以内的像差即可满足设计要求。为了采集到高质量的光纤图像，显微物镜的数值孔径设置为0.25。系统拟采用高亮度的白光LED，设计光谱为486～656 nm。2优化设计
2.1优化过程为了缩短光学总长，镜头采用摄远型初始结构，由正透镜组和负透镜组组成，如图3所示。根据理论公式可以粗略计算出正负透镜组的基本参数，显微物镜的物距即正透镜组的物距l1为13.4 mm，由于该显微物镜的共轭距为85 mm，拟定其像距即负透镜组的像距l′2为65 mm，正负透镜组间隔d为6.6 mm。显微物镜数值孔径及角度放大率表达式分别为NA=nsin（-u）（3）
γ=u′u=nn′1β（4）式中：n为物方折射率；n′为像方折射率；u为透镜组的入射孔径角；u′为透镜组的出射孔径角。已知显微物镜的数值孔径NA为0.25，放大率β为-8，将值代入式（3）、式（4）可得：sin（-u）=0.25，sinu′=0.031 25。由摄远型初始结构图中的几何关系可知tanu′1=h1-h2d=-l1×tan（-u）-l′2×tanu′d=0.216 3（5）式中：u′1为正透镜组的出射孔径角；l1为正透镜组的物距；l′2为负透镜组的像距；h1和h2分别为光线在正负透镜组上的入射高度。计算出sinu′1=0.211 4，l′1=h1tanu′1=15.995 8 mm，l2=l′1-d=9.395 8 mm。再根据高斯公式及透镜组的光焦度φ的表达式为1l′-1l=1f′（6）
φ=φ1+φ2-dφ1φ2（7）式中：φ1为正透镜组的光焦度；φ2为负透镜组的光焦度。可计算出正负透镜组的焦距值及显微物镜的组合焦距值分别为：f′1=7.293 9 mm，f′2=-10.989 0 mm，f′=7.788 2 mm。由此可得，光纤经过显微物镜成像时可理解为经过了两次角度变化，即u=-14.477 5°→u′1=12.204 4°→u′=1.790 8°。正负透镜组所承担的偏向角δ1、δ2分别为26.681 9°和10.413 6°（见图3）。根据初始像差及其光学设计的经验，一般情况下，每个光学镜头承担的偏向角不要太大，单透镜承担的偏角为6°～9°，双胶合承担的偏角为11°～14°。这是因为光线的偏角越大，该表面的相对孔径也越大，会产生较大的高级像差，优化时很难达到像差平衡。本文显微物镜的正透镜组采用一片单透镜和一组双胶合透镜的透镜组合，而负透镜组则采用三片分离的单透镜组合，共有六片透镜组成。正透镜组剩余的偏折角可由负透镜组来承担。表1透镜组的基本参数
Tab.1Basic parameters of the lens group
组名形式焦距/mm空气间隔/mm正
透
镜
组单透镜16—空气—1双胶合12.57—空气—3.6负
透
镜
组单透镜-15.60—空气—1单透镜34—空气—1单透镜-17.12—
根据前面得到的正负透镜组结构参数，结合几何光学公式可得出每个透镜的焦距值及透镜间的空气间隔，如表1所示。显微系统的照明光源为白光LED，图像接收器件为CCD，为了能在CCD上得到0.8视场内的清晰像，要求显微物镜是平场消色差物镜。由于所设计的显微物镜是一个长工作距离、小视场的系统，有较小的场曲，因此主要校正其轴上像差，即球差和轴向色差，还要考虑彗差。显微物镜是按正向光路进行优化设计，球差、轴向色差等像差经过系统后被放大，这将增加其校正难度。为了得到优良的成像质量，系统的球差可通过正负透镜组合来进行校正。 彗差的校正。系统主要存在子午彗差，根据其定义，添加操作数TRAY，控制像平面上光线与像面交点到主光线的垂轴距离。对同一视场，不同孔径设置操作数TRAY，令其两者之和为零，可有效减小子午彗差。正向光路设计的显微系统像差放大，因此在优化过程中需要加重相应优化操作数的权重。 轴向色差的校正。对于薄透镜系统，其轴向色差系数为ΣC1=Σh2φν（其中h为光线的入射高度，φ为光焦度，ν为阿贝常数），系统在结构上采用双胶合和有空气隙的正负分离透镜组合。在优化过程中，适当地选择φ，ν及h值，使轴向色差系数尽可能小或为零。系统采用冕牌玻璃与火石玻璃的搭配亦可达到减小轴向色差的目的。
2.2设计结果镜头优化后的外形结构和系统参数分别如图4、表2所示。该系统由6片透镜组合而成，其中有一组双胶合透镜，两片双凸透镜，两片弯月形透镜。所选玻璃第一片来自肖特玻璃库，其余五片均来自成都玻璃库，其中玻璃材料从第一片到最后一片依次为：NPK52、HZK6、ZF5、HZF4、BAF3、HLAK4L。冕牌玻璃与火石玻璃的搭配有利于校正像差。
图4显微物镜的布局
Fig.4Layout of the microscope objective
表2显微物镜的系统参数
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Tab.2System parameters of the microscope objective
名称值物方数值孔径NA0.25有效焦距/mm6.738 307总长/mm71.600 55像方数值孔径NA0.032 286 71近轴像高/mm2近轴放大率-7.992 895入瞳直径/mm23.482 99出瞳直径/mm3.545 373
图5为显微物镜的MTF曲线，从MTF曲线可以看出，在空间频率为50 lp/mm处，全视场以内的调制传递函数MTF值均大于0.3，接近衍射极限，具有较高的分辨率。图6为显微物镜的点列图，由图可以看出，该系统各视场的成像弥散斑均方根半径均小于爱里斑半径，能量较集中，符合设计要求。
图5MTF曲线
Fig.5MTF curve图6点列图
Fig.6Spot diagram
显微物镜的像差公差用波像差来衡量，要求光学系统的波像差小于λ/4。显微物镜的几何像差分析如下：（1）球差由于该显微物镜的孔径较大，因此存在高级球差。该系统的边光球差容限值和剩余球差容限值分别为δL′m≤λn′sin2U′m=0.587 6×10-31×0.032 72 mm=0.549 5 mm（8）
δL′≤6λn′sin2U′m=6×0.587 6×10-31×0.032 72 mm=3.297 1 mm（9）图7为显微物镜的球差曲线，由图可知，该系统主波长的实际球差最大值为0.109 9 mm，在边光球差和剩余球差容限范围内，满足设计要求。（2）轴向色差该系统的轴向色差容限值为ΔL′FC≤λn′sin2U′m=0.587 6×10-31×0.032 72 mm=0.549 5 mm（10）由图7可看出，该系统的实际轴向色差最大值为0.033 6 mm，在容限范围内，符合要求。（3）其他像差图8为显微物镜的畸变图，由图可看出，系统的场曲、像散和畸变都很小，该系统主波长的实际子午场曲最大值为0.027 7 mm，弧矢场曲最大值为0.022 4 mm，实际像散最大值为0.005 2 mm，畸变值为0.24%，都满足设计要求。
图7球差曲线
Fig.7Longitudinal aberration curve图8畸变曲线
Fig.8Distortion curve
3公差分析
3.1公差分配原则系统在加工与装调过程中都将产生误差，使最终结果偏离设计结果。为了提高其成像质量，光学系统内所有参数都需要分配可变公差。如果系统对某一参数的变化很敏感，那么对该组公差要有较严的要求，反之则可以采用较为宽松的公差。显微物镜系统对成像质量有较高的要求，且该显微物镜各透镜的半径和厚度值均很小，因此对光学元件公差的要求相对较严。运用Zemax软件中的公差计算与分析程序计算光学系统内各参数性能下降的敏感度，即分析所有元件的加工、装调公差，确定敏感度。公差参数包括半径、光学元件厚度、空气间隔、偏心等。
3.2公差分配结果运用Zemax光学设计软件，通过灵敏度分析、反转灵敏度分析及蒙特卡罗分析得到显微物镜合理的公差分配。通过计算分析每一公差参数在Nyquist空间频率50 lp/mm处的MTF下降情况，最终确定合适的公差。灵敏度公差、蒙特卡罗公差分析结果分别如表3、表4所示。蒙特卡罗公差分析结果显示该显微物镜系统90%以上的蒙特卡罗样本MTF≥0.166 385 252，每个样本为一个模拟加工、装调后的光学系统。对显微物镜公差灵敏度的分析表明，元件的半径、厚度和偏心为敏感公差，其敏感公差主要位于元件3，4，5（表5所示）。因此，需要严格保证这些元件的加工与装调公差，确保最终实现光学系统的高精度、高性能要求。
表3灵敏度的公差分析结果
Tab.3Analysis of sensitive tolerance sensitivity
类型表面序号公差MTF改变量半径公差1+4光圈数
-4光圈数-0.050 733 329
-0.051 019 096表面偏心公差7±0.008 mm-0.051 884 756表面倾斜公差7±0.008 mm-0.052 259 487半径公差9+3光圈数
-3光圈数-0.054 000 761
-0.056 068 687表面偏心公差12±0.005 mm-0.063 947 077
表4蒙特卡罗公差分析结果
Tab.4The result of the analysis using
Monte Carlo method
蒙特卡罗样本百分比MTF值90%≥0.166 385 25250%≥0.203 524 68910%≥0.329 780 993
表5显微物镜的公差要求
Tab.5Tolerance demands of the microscope objective
元件
序号半径公差/
光圈数厚度公差/
mm偏心公差/
mm折射率
公差阿贝常数
公差/%1±4
±5±0.03
±0.03±0.015
±0.015±0.001 012±5
±5
±5±0.03
±0.03
±0.03±0.015
±0.015
±0.015±0.000 8
±0.001 013±3
±4±0.03
±0.03±0.008
±0.015±0.001 014±3
±4±0.03
±0.03±0.008
±0.015±0.001 015±2
±2±0.03
±0.005±0.005
±0.005±0.001 01
4结论所设计的光纤熔接机的显微物镜具有高放大率、高分辨率、结构简单、装配方便、成本低、适合大批量投产等特点。能够实现更高精度的光纤图像纤芯对准，提高图像识别精度，较为准确地定位纤芯位置，提高光纤熔接的质量。在本系统之后的研究中，将进行显微系统的机械结构和装调技术的研制，使生产过程中安装调节显微物镜简便且易操作，从而降低生产成本。参考文献：
[1]郝沛明，丁厚明，查来宾，等.目视观察和CCD探测两用显微物镜[J].量子电子学报，1997，14（5）：464469.
[2]庄振锋，王敏，陈荣.0.25×高分辨力视频显微镜设计[J].光学仪器，2008，30（1）：6365.
[3]毕卫红，许睿，付广伟，等.40倍长工作距离PCF熔接系统显微物镜设计[J].光电工程，2013，40（1）：4450.
[4]孙晶露，李湘宁，吴宇昊.用于光纤熔接系统的纤芯检测镜头设计[J].光学技术，2010，36（6）：816819.
[5]刘雨沁，张孟伟.变倍光学系统的公差分析[J].光学仪器，2013，35（2）：4245.
[6]王红，田铁印.三线阵测绘相机光学系统的设计和公差分析[J].光学 精密工程，2011，19（7）：14441450.
[7]李晓彤，岑兆丰，范世福.几何光学·像差·光学设计[M].2版.杭州：浙江大学出版社，2007：180181.
[8]毛文炜.光学镜头的优化设计[M].北京：清华大学出版社，2009：128148.
（编辑：张磊）
光学信号处理 篇4
1 路面状况分析
路面平整度是衡量路面状况的一个重要指标, 路面不平整度即高程起伏根据尺寸在纵向剖面可分为长波、短波不平度及粗糙纹理三种。不同的路面平整度对车辆造成的影响是不同的。通常情况下长波车辙是极易引起车辆低频振动的, 短波则能够引起高频振动, 粗糙纹理则会加重车辆轮胎的摩擦及产生行车噪音。对于这三种不同形式, 我们需要进行深入分析。
对于路面状况的评价, 工作人员通常是通过颠簸累积仪和传递函数方法来进行研究, 这种方法基于路面激励总体响应和乘员舒适感觉。这种方式虽然在一定程度上能够达到基本目的, 但是却不能够适应实际发展的要求。实际工作过程中人们逐渐研制出新的方法来进行检测。直接得到路面高程起伏的断面高程技术是当前研究的重点, 这种技术是以激光和现代光学原理为理论基础的。在人们对路面平整度的要求越来越高的背景下, 应该不断加强这方面的研究。
2 高程起伏的获得
对路面状况进行检测的关键就是获得高程起伏, 如何获得高程起伏是检测的重中之重, 而在获得高程起伏的过程中如何去消除车体自身的垂直位移又成为检测中的关键问题。对于这个问题, 工程人员决定采用共梁双高程传感器方案来解决。车辆行驶过程中两高程设计会因共梁自动消去车体共有位移。实际检测过程中, 以前后车轮着地点为基点和两高程计组成平整度测量系统。通过该测量系统将能够获得真实的路面高程起伏。该系统的形成对于消除车体自身运动产生的影响具有重要意义。
实际工作过程中对路面状况光学智能的检测, 重点是要对纵向不平度及横向车辙进行检测。对于横向车辙动态测量虽然有人提出采用车载激光测距仪沿着道路一侧行进来对路面进行横线扫描, 从而获得高程变化, 但是从实际测量结果来看, 这种方案也不能达到实际要求。在本次测量过程中, 工程人员决定采用摆动扫描来直接获得路面等高程线, 这种方法基于激光三角测距原理, 采用这种方法能够达到理想结果。在实际测量过程中, 如果给定基线长, 用专门仪器测出光斑在CCD上位移之后就能够得到高程值。由于测量精度和距离平方是成反比的, 因而我们可以知道, 当纵向平整度测量传感器和路面距离较小时就能够获得较高精度。所以在用摆动等高程扫描的时候就应该尽量减少测程, 从而达到提高精度的目的。
3 结果分析
应用共梁双高程计来进行测量, 效果十分明显, 能够反映路面真实情况。工程人员通过实际案例对这种方法进行了考察。
工作人员选择某市16条公路, 对其平整度进行年检。在不影响正常交通的情况下对道路连续进行了两天测量。经过精心测量, 工程人员获得了各条公路全程平整度平均值和102m区间值。从检测结果中可以发现, 数据真实地反映了各条公路真实的路面状况。比较苏杭路南京段和长江大桥路面的实际情况就会发现, 桥面平整度都要比两侧引桥平整度好, 这同实际情况完全吻合。详细分析南京机场高速公路平整度km标准差平均值和车辙深度km平均值曲线就可以发现, 尽管南京机场高速公路已经运行了很多年, 但是其平整度标准差全程平均值仍然处在高水平, 它的车辙深度全程平均值能够达到7.03mm。这一水平其实和新建高速公路是接近的。该公路之所以能够有这么好的质量, 是因为平时进行严格管理, 经常性地维修并严格禁止超重车。在对沪宁高速公路南京到常州路段的车辙及平整度进行检测之后, 工作人员发现尽管该路段是比较繁忙的路段, 车流量比较大, 但是该路段车辙深度处在8.0mm水平, 平整度标准差能够达到1.25mm, 处于高水平。检测结果同抽查结果一致。
4 线结构光车辙检测
线结构光车辙检测是一种专业的路面检测方法, 该方法的应用在精确测量路面结构情况方面有重要作用。线结构光车辙检测是今后发展的方向, 加强对这种检测方法的研究具有重要意义。采用这种方法进行检测的关键是要能够对线结构光纤变形图像进行专门处理。线结构光检测系统输出采用的是ROI光条图像, 通过采用这样一种形式将能够实现自动化控制、可批量化硬件预处理输出, 最终能够获得质量稳定、尺寸均匀的结构光图像。通过对图像进行处理, 能够获得用于车辙评价的特征参数。路面横向变形曲线提取和车辙特征参数提取是重要环节。经过大量实验就会发现, 利用大功率线激光能够实现对路面车辙进行自动化快速检测, 包络线最大车辙深度及填充面积可以当作自动检测条件下路面车辙的评价指标。
5 结语
进行路面状况智能检测是公路建设的必然要求, 在人们对公路质量要求越来越高的背景下, 加强线光学智能检测及信息处理的研究具有重要意义。在检测过程中, 关键是获得高程起伏, 只有获得高程起伏, 才能得出科学结论。
参考文献
[1]王鑫, 唐振民.一种新的自动路面车辙检测方法[J].计算机工程与应用, 2008 (10) .
缅怀光学专家 篇5
今年7月21日，著名光学专家王大珩先生永远离开了我们。
王大珩先生是我国著名科学家、“两弹一星功勋奖章”获得者、中国科学院院士、中国工程院院士、国际宇航科学院院士，是我国光学界公认的学术奠基人。他为开拓我国光学研究及光学仪器制造事业，特别是为我国国防光学工程的发展作出了重大贡献，为国家科技战略决策发挥了积极的作用，产生了深远的影响。
学业有成勿忘报效祖国
我第一次见到王大珩先生是1978年。他应邀到长春光学精密机械学院为恢复高考后的第一批大学生作学术报告。我是那批学生之一。他的渊博学识和对年轻人的殷切期望给我留下了深刻印象。
王大珩先生早年就读于清华大学物理系，曾与钱三强、何泽辉、于光远等著名学者为同班同学。1938年，他考取中英“庚子赔款”董事会第六届留英公费生，赴英国伦敦大学帝国理工学院物理系攻读光学专业研究生；1941年入英国谢菲尔德大学攻读玻璃专业博士研究生。在英国留学和工作期间，他取得了多项研究成果，受到光学科技界的广泛关注。1948年，王大珩先生怀着报效祖国的强烈愿望回国，为开拓和发展中国光学事业奋斗了60余年。
从王大珩先生的科学生涯中我们不难看出，他的工作与贡献很大部分都和国防事业有关：主持研制大型光测设备、参与“两弹一星”研制、联名提出“关于跟踪研究外国战略性高技术发展”建议（即“863”计划）、建议开展国产大飞机研制、倡议成立中国工程院等都均有强烈的国防背景。他非常关心和关注兵器工业光学企业和军用光学事业的发展，关心中国兵工学会的学术建设和人才建设。他曾多次参加中国兵工学会举办的光学和测试技术领域的学术会议，亲自担任中国兵工学会主办的光学和测试技术国际会议主席并在会上发表主题学术报告；他还数次参加兵器系统两院院士的推荐和提名工作。王大珩先生为兵工和国防科技事业倾注了很多心血。
殚精竭虑指引国防发展
8年前，我曾和王大珩先生等多位著名学者参与起草“国防科技发展战略建议”工作，在整个工作过程中，我有幸和王大珩先生密切接触，亲耳聆听了先生的教诲，切身感受到了老一辈科学家身上那种强烈的爱国情怀。王大珩先生很多关于国防科技的战略思想，对我们今天所从事国防科技工作仍有极其深刻的启迪作用。
2003年春，伊拉克战争爆发。中国科协书记处提议组织国内科技界就能源和国防问题两个重大命题开展座谈讨论，形成意见后上报中央。恰好我正和兵工领域的一批专家学者酝酿召开一个关于伊拉克战争的学术研讨会，科协遂决定由中国兵工学会牵头组织撰写关于国防科技方面的建议。
当时正值非典肆虐时期，上级要求在4月底之前不允许召开任何会议，只能靠电话联络。当我邀请王大珩先生参加时，他非常愿意，并表示此项工作相当重要，他正有一些想法要表达。
活动先期采取分头征求意见的方式，形成提纲后陆续召开了五次规模不等的座谈会和研讨会，而王大珩先生参加了其中的三次，他每次都精心准备，发表了很多重要意见。
王大珩先生的基本思想是：要面向未来战争和战场需求，务实求是，传承辟新，寻优勇进；要大力抓创新，抓基础，要瞄准国外高技术，知难而上，不要被西方束缚住手脚；在发展国防科技的过程中，由于特殊需要，可能不计成本，不惜代价，那是特殊时期，今后必须注重军民结合，要有长远发展规划；要注重人才培养，加强爱国主义教育；国防科技工业改革，既要体现国家意志，又要满足市场经济要求，要在确保国家安全的前提下，实现政府行为和市场行为的高度协调统一。
王大珩先生的上述观点对建议的最终定稿起了重要的指导作用。
我作为起草人之一，根据其他学者如：杨家墀、陈能宽、杜祥琬、王越、张履谦、胡光镇、何德全以及由9个全国学会推荐的近30余名学者发表的重要意见，形成初稿后经过反复讨论，最终将建议书的标题确定为：“在不对称状态下我国国防科技的发展战略建议”。
7月24日，我按约定到王大珩先生家去取他为“伊拉克战争学术研讨会”论文集题写的书名，同时带上杨家墀、陈能宽两位院士为论文集写的序。王大珩先生完全赞同两位院士的序。他那天谈了很多对于国防现代化建设的独到见解。后来（2003年8月6日），他在 “伊拉克战争学术研讨会”也表达过同样的意见。他指出，历史的经验证明，国防不是哪一个部门的事情，是全国的事情。我国国防工业有非常好的传统，在完成“两弹一星”任务中所体现出来的热爱祖国、无私奉献、艰苦奋斗、大力协同、勇于攀登的精神，应该在新时期焕发出勃勃生机，激励新一代科技工作者奋力拼搏、忘我工作。他还说，我们对外宣传，要讲以经济建设为中心，不能讲“以国防为中心”，但是，对于国防的重要性，必须有清醒的认识。他这样形容国防对于国家的重要性：“一个人三天不吃饭，死不了；如果三分钟没有空气，就会死掉。经济建设对于一个国家，好比粮食对人的作用；国防对于一个国家，就好比空气对人一样重要。”
2003年8月上旬，该建议书连同附件由中国科协上报国家有关部门。建议中的很多观点，后来陆续体现在我国政府发布的《国防白皮书》和国防科技工业产业政策中，对指导有關部门制订发展规划、促成某些国防重点专项立项发挥了一定的作用。2006年，该建议获得第五届全国优秀建议一等奖。
王大珩先生不但是一位成就卓著的科学家，更是一位把个人的科学生命和国家命运紧密联系在一起的爱国主义者，是一位知识渊博、胸怀远大的科技战略思想家。
在他老人家96华诞时，笔者曾赋诗一首，现录于此，以为纪怀。
忆秦娥•贺王老96华诞
——依叶帅《祝科学大会》词原韵
精光学，
微观宏宇应心着。
应心着，
汗洒千滴，
渊识一握。
珩老志在九天跃，
抛把粒子西方愕。
西方愕，
惊我华夏，
月揽鳖捉。
光学信号处理 篇6
随着社会的发展和进步,导航和定位技术在越来越多的领域体现了其重要作用,目前使用最多的就是惯性导航技术[1]。而由于新兴的MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems,微机电系统)技术的发展而出现的微机械陀螺(MEMS陀螺)具有体积小、重量轻、成本低、性能稳定、抗干扰力强,并且可以批量生产的优点,可以广泛应用于汽车安全、导航、医疗仪器、航海航空航天等领域,成为惯性导航系统发展的趋势,具有广阔的应用前景[2,3,4]。扫描隧道显微镜可以非接触测量纳米级微位移或振动信号[5,6],但是其价格昂贵,体积较大;虽然电容传感测量取得了丰硕的成果[7],但由于MEMS陀螺的输出信号检测方法(目前大多使用电容检测技术)和加工工艺的限制[8]。目前MEMS陀螺精度较低,只能达到战术级导航水平[9]。而高精度非接触式的微位移/振动测量系统研究就是其中的一个重要发展方向[10,11,12]。本文提出基于双光干涉相位检测机理的MEMS陀螺振动质量块微振动信号的探测,利用相位细分的方法对干涉信号进行处理,并进行了仿真研究,从而为提高MEMS陀螺的检测灵敏度和精度奠定基础。
1 MEMS陀螺基本原理
微机械陀螺是基于哥氏效应、利用微机械结构加工技术制作的敏感角速度器件。哥氏加速度是由于相对运动与牵连转动相互作用而形成的,这就是哥氏效应。如图1所示,当物体A沿X轴做周期性振动或其他运动,并且XY平面绕Z轴做角速度为Ω的旋转时,在物体A上会产生一个沿Y轴方向的哥氏力[13]:
式中,F是哥氏力,m是物体A的质量,Ω是旋转角速度,v是物体A的速度矢量。根据牛顿第二定律可得哥氏加速度的表达式为:
假设A为检测质量块,其水平(X轴)振动位移为:
其中,x为振动质量块的振动振幅。那么,其水平振动的速度可以表示为:
由欧拉动力学方程可以得到陀螺的运动方程:
其中,陀螺对Z轴的转动惯量I=2πR2,D为阻尼力矩,K为扭转弹性系数。
解1.5得:
式中,Q为品质因数,ωn为质量块的谐振频率。由此可得质量块前后振动的振幅为:
由此可见,陀螺的灵敏度与检测质量块的水平振幅x、品质因数Q成正比,与质量块的谐振频率成反比。
输入角速度引起的相位变化为:
由此可见,通过相位变化的测量值可以计算得到对应输入角速度的大小。
2 电路设计
2.1 半导体激光器驱动电路
本文使用的半导体激光器作为干涉仪的光源,选择其工作在恒流驱动模式下。半导体激光器驱动电路原理图如图
2.1 所示,主要包含电压基准电路、软启动电路、稳压电路、激光器保护电路等模块。
电压基准电路模块为恒流源提供一个稳定的工作电压,由一个5.1V稳压二极管D1(型号:1N4733A)和一个限流电阻R1串联组成。
软启动电路由三极管Q1、电阻R2和电容C2组成,其主要功能是电路启动时使电压缓慢加载到后续电路上,不至于在电源开关开启的瞬间产生的电压脉冲、电流浪涌冲击,及外界干扰产生的浪涌影响对半导体激光器造成击穿和损坏。
稳压电路由一个集成运算放大器和一个达林顿管构成,它们之间连接成一个反馈回路,从而输出稳定电压。为了保护激光器,将一个二极管D2、电容C4和继电器J2与之并联。
2.2 电流/电压(I/V)转换电路
本实验中使光电二极管工作在光电压模式。反馈电阻的阻值不宜过大,如果太大,电路的稳定性将变差,易造成干扰,且测量时间变长。因此如图2.2为光电转换电路原理图,其中Rf为反馈电阻,Cf为改善带宽和抑制噪声的补偿电容。根据电路图可知:
2.3 主放大电路
放大电路如图2.3所示,AD8220使用单一的+5V电源供电,R3为外接增益设置电阻,为了使增益为10倍左右,选择了5.1kΩ、精度为1%的金属薄膜电阻。C1、C2为电源旁路电容,连接在电源与地之间,实现电源解耦滤波。C3、C4为输入端的旁路电容、C5为去耦电容,这三个电容可以减少输入端的噪声。
2.4 滤波电路
本文中采用的是模拟二阶有源低通滤波器,如图2.4所示。这是一个巴特沃斯低通滤波器[15],截止频率为:
取R4=1kΩ,f0=2k Hz,C=0.01μF,则可计算出:R3=1.69kΩ,R=7.9578kΩ,α=1.59,C1=C2=0.01μF,R1=R2=7.5kΩ。传递函数为:
2.5 细分电路
信号细分与判向电路有多种实现形式,在参考文献[16]中给出了其实现原理和方法。在本课题中要实现对干涉信号进行20细分,根据细分集成电路的特点,选用了北京机械工业自动化研究所研制生产的五细分专用集成电路SJ0204[17]和四倍频芯片专用集成电路SJ0210[18]。
如表2.1所示:为了计数方式更灵活,可以使用双CP端,也可以将双CP端转换为单CP端和加减控制端,如图2.6。
3 实验结果与分析
3.1 实验结果
实验平台包括:半导体激光器、光纤、光电探测器、放大电路、滤波电路、细分电路、单片机、耳机(去掉耳机保护套仿真振动源),见图3.1:
将三路相位差为90°信号分别输入到SJ0204的三个输入端,在其输出端(O1和O2)通过示波器可以观察到两路相位差大约为90°的方波信号,如图3.2所示。从图3.2中的右图可以看出,五细分芯片SJ0204输出的方波信号频率为10KHz,即实现了对输入信号的五细分(五倍频)。SJ0204的输出信号作为SJ0210的输入信号后,在SJ0210的+CPo输出端可以得到负脉冲计数信号,而-CPo输出端输出的是高电平,如图3.3所示(示波器1通道连接到+CPo端,3通道连接到-CPo端)。
此时,20细分后的负脉冲由-CPo输出,而+CPo输出高电平。SJ0204和SJ0210的输出波形分别如图3.4和图3.5所示(示波器1通道连接到+CPo端,3通道连接到-CPo端)。
3.2 实验分析
图3.2和图3.4是在SJ0204输入信号sin和cos相位相对超前和滞后时的输出,从两种情况的输出波形可以看出输入波形的相位关系(超前或滞后)90°;而且,从输出波形可以看出,输出方波的周期为100μs(即频率为10k Hz),实现了对输入信号(频率为2k Hz)的五细分(五倍频)。
从图3.3和图3.5中可以看出,在输入信号(SJ0204的输出信号)相位相对超前和滞后90°时,SJ0210的输出情况:当0°输入端信号相位超前90°输入端90°时,+CPo端有负脉冲输出;而当0°输入端信号相位滞后90°输入端90°时,-CPo端有负脉冲输出;在500μs的时间内输出了20个负脉冲,输出信号周期大约为25μs(即频率为40k Hz),实现了对10k Hz方波信号的四细分(四倍频),也就意味着对SJ0204的输入正弦信号进行了20细分;并且根据两个CPo输出端的输出情况可以进行判向。
(10+x)每变化λ/2,由此引起的相位为2π,它们之间呈线性关系。利用20细分方法处理干涉信号,能够分辨的最小位移量为λ/40=32.75nm,式(1.7)及MEMS陀螺相关参数,可以求得此时MEMS所能敏感的最小角速度为:
9.382×10-3<0.01,由此可见,利用本课题的方法能够在理论上将MEMS陀螺的分辨力提高到0.01°/s。
利用这种方法所能检测到的最小相位为π/40,计数产生的误差为±1,也就是对位移量测量的误差为±λ/40,因此,MEMS陀螺角速度测量误差最大为±9.382×10-3°/s。而且这一误差是不可避免的,除非增加细分数目,使能够检测到的相位更小,这样就能使误差小一点。
4 结论
实验结果表明,利用本文提出的方法,进行20细分,在理论上可以将MEMS陀螺的分辨力提高到0.01°/s;若进行200细分,则分辨率能达到0.001°/s;实现MEMS陀螺的高精度,并且成本较低。
光学信号处理 篇7
超宽带(UWB)技术是一种新兴的无线技术,与传统无线通信技术不同,UWB技术不使用载波,而是以占空比很低(几十分之一)的超窄脉冲作为信息载体的无载波通信技术。美国联邦通信委员会(FCC)将中心频率大于2.5 GHz且-10 dB带宽至少为500 MHz或者相对带宽大于20%的系统定义为UWB系统。FCC规定UWB信号在室内传输带宽为3.1~10.6 GHz,且功率谱密度低于-41.3 dBm/MHz(FCC,part 15)[1,2,3]。由于具有很低的功率谱密度,所以UWB无线通信的传输距离被限制在数十米到数米。为了适合远距离传输,提出了一种利用低损耗光纤传输的新型UWB光传输系统(UWB-over-fiber)。
UWB的生成技术是UWB-over-fiber系统中关键技术之一,目前有在电域中利用电路技术生成UWB和在光域中利用光学方法生成UWB,光学生成UWB具有不需要光电转换、抗电磁干扰、设备体积小等优点而倍受国内外学者的关注,是UWB领域中的热点课题,目前提出的方法就其原理可以分为三种[4,5]:利用相位调制-强度调制转换、利用半导体的非线性效应、利用频谱塑形和色散所致的频域-时域映射。本文采用的是第二种方法,基于SOA非线性效应中的XGM产生UWB信号。
1 原理分析
我们设计了一种UWB信号产生方法,它的基本思想是产生一对不同波长的极性相反的高斯脉冲,并引入适当的时延产生UWB脉冲。
1.1 数学分析
UWB的波形选择直接影响到整个系统的性能,通常脉冲越窄,带宽越宽。利用高斯脉冲及其微分形式的波形简单,容易实现[6,7]。
高斯脉冲时域的表达式为:
y(t)=Ke-(t/τ)2 (1)
式中K为常数,τ为描述脉冲宽度的时间因子。对式(1)进行一阶微分可得到单周期的高斯脉冲,其表达式为:
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通过对式(2)的傅里叶变换可得到其频域表达式:
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如果设为τ=50 ps 可得-10 dB的带宽W=7.21 GHz,其中低端频率fl=1.44 GHz,高端频率fh=8.65 GHz 。FCC定义UWB的频率为3.1~10.6 GHz,带宽为7.5 GHz。可见,高斯脉冲的一阶微分形式的单周期脉冲的频谱符合FCC规定的UWB。
1.2 物理实现
从信号处理技术可知,对信号的微分可以利用滤波器来实现,一阶微分器可以用一个双抽头(1,-1)的滤波器实现[8,9,10]。基于双抽头(1,-1)滤波器产生UWB信号的工作原理如图1所示。
图2示出了利用SOA-XGM产生UWB的工作原理。当弱连续探测光和高功率信号光同时注入SOA时,由于SOA的XGM效应,探测光功率将随
信号光功率成反比变化,产生与信号光极性相反的脉冲,因此SOA输出一对极性相反的脉冲,如果在这两个脉冲间引进适当的时延,就可生成UWB脉冲,时延可利用FBG、光纤色散和延时器等实现。
2 系统模型设计
基于SOA的XGM效应产生光学单周期UWB脉冲信号的系统如图3所示。光源LD1发出的泵浦光由高斯电脉冲进行强度调制,通过掺铒光纤放大器(EDFA)对其功率进行放大,得到强泵浦光。强泵浦光与光源LD2发出的弱直流探测光一起经过耦合器进行耦合,并经过光隔离器(ISO)进入SOA中,ISO的作用是防止光反射回光源,引起震荡。强泵浦光会大量消耗载流子,由于SOA的增益饱和效应,这个期间探测光得到的增益减少,因而探测光会出现一个负脉冲,在SOA的输出端,得到一对相位互补的光学高斯脉冲。通过时延的方法将这对脉冲信号在时域上分开可形成UWB脉冲信号。
在本系统中,当信号光和探测光通过FBG1时,由于信号光和探测光波长不同,通过设定FBG1的反射波长,使信号光被反射而探测光通过;设定FBG2的反射波长,使探测光在FBG2处被反射,再利用环行器将这两个FBG反射的光信号合成。合成的光信号先经过一个可变光衰减器,然后再由光电二极管将光信号转换成电信号,最后利用一个电放大器将电信号放大。
3 仿真实验
仿真实验的实验结构如图3所示,仿真参数设置如下: LD1的工作波长为1 549.01 nm,输出功率为4.7 dBm,LD2的工作波长为1 552.8 nm,输出功率为-4.8 dBm。伪随机序列自定义为“0000010000000000”(每16位,一个“1”),脉冲序列速率为13.5 Gb/s。该高斯脉冲经过相位调制器调制从LD1出射的光载波,形成泵浦光,经EDFA放大后与从LD2出射的直流探测光同时注入SOA中,由于XGM效应,在SOA输出端的探测光被调制成相位与泵浦光互补且为高斯脉冲的信号,通过两个FGB引入适当的时延,FBG2和FGB1中心反射波长分别与LD2和LD1相同,并在两个光栅之间引入50 ps的时延,最后形成UWB脉冲信号。
实验形成的UWB波形和频谱分布如图4、图5所示。所得UWB波形的半高全宽(FWHM)约为51 ps,功率谱的中心频率为4.6 GHz,其中-10 dB带宽的下限频率约为1.4 GHz,上限频率约为7.8 GHz,相对带宽约为135%。仿真结果证明,此实验方案产生的UWB信号接近于FCC的UWB波形模板和频谱规范。
实验发现,如果将FBG1和FBG2的位置交换,并调整时延的大小,当时延为150 ps时,可得到一种波形相反的UWB信号,如图6、图7所示。波形的FWHM约为63 ps,功率谱的中心频率为4.4 GHz。-10 dB带宽的下限频率约为1.2 GHz,上
限频率约为7.6 GHz,计算得相对带宽约为146%。但是由于时延增大和光栅反射系数的改变,所以波形相反的UWB信号产生更多的干扰,比正极性的UWB信号的频谱差。
实验发现,耦合后的信号注入SOA后,电流大小对SOA的XGM效应的影响很明显。当注入电流为364.9 mA时,SOA的XGM效应达到最好,当SOA的注入电流大于或小于364.9 mA时,由于SOA的其他非线性效应,如交叉相位调制(XPM)和交叉偏振调制(XPOM)会对仿真产生干扰,达不到预期的效果。
4 结束语
本文提出了一种利用SOA-XGM和FBG生成UWB的方法并进行了仿真实验,得到了符合FCC标准的中心频率为4.6 GHz,-10 dB带宽为135%的UWB信号,验证了方法的可行性。
本方法产生的UWB波形与标准的波形有一定的失真,其原因主要有:由于SOA的XGM本身具有的噪声指数偏高、啁啾相对较大,使得反射的负脉冲信号展宽;SOA中的非线性效应有XGM、XPM和XPOM,虽然在强泵浦光作用下XGM占主要作用,但其他两种效应还是存在,必将对生成的UWB信号产生不利影响。
仿真实验发现,系统中的两个FBG还起到了带通滤波器的作用,将SOA产生的自发辐射滤除,减少了干扰。如何最大限度地减少噪声和啁啾干扰,使波形畸变达到最小,是以后需要改进的地方。
本文所提系统实际上可看成一个系数为(-1,1)的双抽头的微波光子延时滤波器,其负抽头是由基于XGM的SOA产生的。本文所提方法的核心部分是基于SOA的XGM,其实质与SOA-XGM波长变换工作原理一样,与波长变换的区别是没有滤除射出的泵浦光。对光学生成UWB信号的广泛深入研究具有重要的应用价值,本文所提UWB生成方法具有良好的应用前景,可望在UWB over fiber中得到广泛应用。
参考文献
[1]PORCINE D,RESEARCH P,HIRT W.Ultra-wideband radio technology:potential and challengesahead[J].IEEE Commun Mag,2003,41(7):66-74.
[2]AIELLO G R,ROGERSON G D.Ultra-widebandwireless systems[J].IEEE Microw Mag,2003,4(2):36-47.
[3]YANG L,GIANNAKIS G B.Ultra-widebandcommunications:an idea whose time has come[J].IEEE Signal Processing Mag,2004,21(6):26-54.
[4]刘洋,宁提纲,李晶.超宽带脉冲信号的光学生成方法研究[J].半导体光电,2010,31(6):830-833.
[5]杨春勇,唐红文,陈少平.基于光载无线电技术的超宽带脉冲信号产生方法[J].中南民族大学学报:自然科学版,2007,26(2):47-49.
[6]GHAVAMI M,MICHAEL L B,KOHNO R.Ultrawideband signals and systems in communicationengineering[M].NJ:Wiley,2004.
[7]YAO Jian-ping,ZENG Fei,WANG Qing.Photonicgeneration of ultra-wideband signals[J].LightwaveTechnology,2007,25(11):3219-3235.
[8]WANG Qing,YAO Jian-ping.Switchable opticalUWB monocycle and doublet generation using areconfigurable photonic microwave delay-line filter[J].Opt Express,2007,15(22):14667-14672.
[9]CHEN X,KIAEI S.Monocycle shapes for ultrawide-band system[J].IEEE Int Circuits andSystems,2002(1):26-29.
光学信号处理 篇8
UWB (超宽带) 技术是一种新兴的无线通信技术, 与传统无线通信技术不同的是, UWB技术是一种不使用载波, 并且以占空比很低 (几十分之一) 的超短窄脉冲作为信息载体的无载波通信技术。FCC (美国联邦通信委员会) 将中心频率大于2.5 GHz且-10 dB带宽至少为500 MHz或者FB (相对带宽) 大于20%的系统定义为UWB系统。FCC规定UWB信号在室内传输带宽为3.1～10.6 GHz, 且功率谱密度低于-41.3 dBm/MHz [1,2,3]。由于具有很低的功率谱密度, 所以UWB无线通信的传输距离被限制在数十米到数米。为了适应远距离传输, 本文提出一种利用低损耗光纤传输的新型UWB-over-fiber (UWB光传输) 系统。
UWB的生成技术是UWB-over-fiber系统的关键技术, 目前有两种生成UWB的方式:在电域利用电路技术生成UWB和在光域利用光学方法生成UWB, 其中光学生成UWB具有不需要光电转换、抗电磁干扰和设备体积小等优点, 倍受国内外学者的关注, 是UWB领域中的热点课题, 目前提出的方法按原理来分主要有3种:利用相位调制-强度调制转换的方法;利用半导体的非线性效应的方法;利用频谱朔形和色散所致的频域-时域映射。
1 原理分析
本文利用两种方法产生UWB信号, 这两种方法的基本思想是先产生两个波长相同的正极性脉冲和一个不同波长的负极性脉冲, 然后再通过适当的时间延迟产生UWB脉冲。
1.1 数学分析
UWB的波形选择直接影响到整个系统的性能, 一般来讲, 脉冲越窄, 带宽越宽。高斯脉冲及其微分形式的波形简单, 容易实现[4]。
高斯脉冲时域的表达式为
undefined
式中, K为常数;t为时间, t∈ (-∞, ∞) 。对其一阶微分可得到单周期的高斯脉冲, 其表达式为
undefined
对其二阶微分可得到对称型的高斯脉冲, 表达式为
undefined
式中, K1、K2均为常数;τ为脉冲宽度的时间因子。
高斯脉冲的频域表达式可通过对式 (2) 、 (3) 进行傅里叶变换分别得到:
undefined
如果τ=50 ps, 可得一阶单周期UWB信号-10 dB的带宽W1=7.21 GHz, 其中低频端fl1=1.44 GHz, 高频端fh1=8.65 GHz;也可得二阶对称型UWB信号-10 dB的带宽W2=7.35 GHz, 其中低频端fl2=3.07 GHz, 高频端fh2=10.42 GHz。FCC定义UWB的频段为3.1～10.6 GHz, 带宽为7.5 GHz。可见, 高斯脉冲的一阶微分形成的单周期脉冲的频谱接近FCC的UWB频谱范围, 二阶微分形成的对称型脉冲的频谱符合FCC对UWB的规定。
1.2 物理实现
由信号处理技术可知, 对信号的微分可以利用滤波器来实现, 一阶微分器可以用一个双抽头的 (+1, -1) 的滤波器来实现;二阶微分器可以用一个三抽头的 (+1, -2, +1) 的滤波器来实现。
SOA (半导体光放大器) 中载流子的密度会影响所有的输入光信号, 承载在一个波长上的信号将影响承载在另一个波长的信号增益, 这就是SOA中的XGM (交叉增益调制) 非线性效应。其优点是输出信号增益大、对偏振不敏感和结构简单等。缺点是输出信号有啁啾、消光比劣化等。利用SOA-XGM可以产生极性反转脉冲, 其原理如图1所示。
当一个高功率信号光注入到SOA中时, 信号光的功率调节SOA中的载流子, 使输出的信号光极性反转。当连续探测光和信号光同时注入SOA时, 探测光功率将随信号光功率成反比变化, 产生一对极性相反的脉冲。因为调整光栅的反射率可以只反射一部分波长, 所以通过设定光栅1和光栅3相同的反射波长可使两个光栅反射相同的正脉冲, 与光栅2反射的负脉冲合成并引入适当的时延生成对称型UWB脉冲。
为了降低系统成本, 我们对上述方法进行了改进, 采用一个光分配器代替其中的光栅2, 同样可以产生对称型UWB脉冲, 其原理如图2所示, 输出信号光通过光分配器后, 在两条支路上通过不同的时延后, 形成两个有一定时延的高斯正脉冲, 从而实现了与前面系统一样的效果。
2 系统模型设计
基于SOA-XGM产生光学对称型UWB信号的系统结构如图3所示。光源1 (LD1) 发出的泵浦光首先由高斯电脉冲进行强度调制, 再由EDFA (掺铒光纤放大器) 对其功率进行放大, 得到强泵浦光。该强泵浦光与光源2 (LD2) 发出的弱直流探测光进行耦合, 耦合后的信号经过一个ISO (光隔离器) 进入SOA, ISO的作用是防止光反射回光源, 引起震荡。强泵浦光会大量消耗载流子, 由于SOA的增益饱和效应, 这段时间探测光得到的增益减少, 因而在SOA的输出端, 探测光会出现一个负脉冲, 从而产生一对相位互补的光学高斯脉冲。
在利用3个光栅形成双周期UWB信号的系统中, 光栅时延模块使用图1所示的3个光栅。当信号光和探测光通过光栅1时, 由于两信号波长不同, 通过设定光栅1的反射波长, 使探测光被反射而信号光通过;设定光栅2的反射波长使信号光在光栅2处被反射, 设定光栅3的反射波长使光栅1和光栅3反射相同的探测光, 再利用一个环行器将3个光栅反射回来的光信号合成。合成后的光信号先经过一个VOA (可变光衰减器) , 然后再由PD (光电二极管) 将光信号转换成电信号, 最后利用一个电放大器对生成的电信号进行放大。
在利用两个光栅形成双周期UWB信号的系统中, 光栅时延模块使用图2所示的两个光栅和一个光分配器。同样使用光栅1反射探测光, 光栅2反射信号光, 所不同的是在光栅1后面加一个光分配器, 从而形成两个正极性的脉冲信号并对其中一个脉冲引入适当的时延, 同样利用一个环行器将光信号合成, 接下来的步骤与图1中的方法相同。
3 仿真实验
仿真实验的系统结构图如图3所示, 仿真参数设置如下: LD1的工作波长为1 549.01 nm, 输出功率为4.7 dBm;LD2的工作波长为1 552.8 nm, 输出功率为-4.8 dBm。伪随机序列自定义为“0000010000000000” (每16位中一个“1”) , 脉冲序列速率为13.5 Gbit/s。
在利用3个光栅形成UWB信号的仿真试验中, 将图1中的光栅1、光栅2和光栅3的反射系数分别设定为0.16、0.34和0.22, 并且光栅1和光栅3的反射波长与LD1相同, 光栅2的反射波长与LD2相同, 时延1为50 ps, 时延2为90 ps。仿真形成的UWB波形和频谱分别如图4和图5所示。所得UWB波形的上FWHM (半高全宽) 约为51 ps, 下FWHM约为58 ps, 功率谱的中心频率为4.7 GHz, 其中-10 dB带宽的下限频率点接近1.6 GHz, 上限频率点接近7.8 GHz, 相对带宽为132%, 完全符合FCC的相关规定。
在利用两个光栅和光分配器形成UWB信号的仿真实验中, 对图2中的光栅1和光栅2的反射系数分别设定为0.25和0.32, 并且光栅1的反射波长与LD1相同, 光栅2的反射波长与LD2相同, 时延1为50 ps, 时延2为130 ps。仿真形成的UWB波形和频谱分别如图6和图7所示。所得UWB波形的上FWHM约为48 ps, 下FWHM约为62 ps, 功率谱的中心频率为5.35 GHz, 其中-10 dB带宽的下限频率点接近2.3 GHz, 上限频率点接近8.4 GHz, 相对带宽为114%, 也完全符合FCC的相关规定。
以上方法产生的UWB波形与标准的波形相比有一定的失真。其原因有: (1) SOA-XGM本身噪声指数偏高、啁啾相对较大, 使得反射的负脉冲信号发生展宽; (2) SOA中的非线性效应有XGM、XPM (交叉相位调制) 和XPOM (交叉偏振调制) , 虽然在强泵浦光作用下XGM起主要作用, 但其他两种效应还是存在, 必将对生成的UWB信号产生不利影响。由仿真实验发现, 这两个光栅也同时起到了带通滤波器的作用, 可将SOA产生的自发辐射滤除, 减少了干扰。如何最大限度地减少噪声和啁啾干扰, 使波形畸变达到最小, 是今后需要改进的地方。
4 结束语
提出了两种基于SOA-XGM和FBG (光纤布拉格光栅) 生成双周期UWB信号的方法并进行了仿真, 得到了符合FCC标准的UWB信号, 验证了方
法的可行性。本文所提出的两个系统实际上都可看成一个系数为 (+1, -2, +1) 的双抽头的微波光子延时滤波器, 其负抽头是由基于XGM的SOA产生的。两种方法的核心部分是基于SOA的XGM, 其实质与SOA-XGM波长变换工作原理一样, 与波长变换的区别是没有滤除射出的泵浦光。利用SOA-XGM进行波长转换已得到广泛应用。目前FBG性能稳定, 价格适当。文中提出的两种方法均只利用了两个激光发射器就可以较好地生成对称型UWB信号, 与通常采用的3个激光发射器生成对称型UWB信号相比大大降低了成本, 减小了干扰, 并且这两种方法在实际应用中可操作性较好, 对光学生成UWB信号的广泛深入研究具有重要的应用价值, 可望在UWB over fiber中得到广泛应用。
摘要：文章提出了两种利用SOA (半导体光放大器) 的XGM (交叉增益调制) 和FBG (光纤布拉格光栅) 光学生成对称型UWB (超宽带) 信号的新方法。分析了该方法的工作原理并进行了仿真实验, 分别得到了符合FCC (美国联邦通信委员会) 标准的中心频率为5.35 GHz、相对带宽为114%以及中心频率为4.7 GHz、相对带宽为132%的对称型UWB信号, 仿真结果验证了该方法的可行性。文章还分析了这两种方法存在的问题。
关键词：超宽带信号,半导体光放大器,交叉增益调制,光纤布拉格光栅
参考文献
[1] Porcine D, Research P, Hirt W. Ultra-wideband radio technology: Potential and challenges ahead [J]. IEEE Commun Mag, 2003, 41 (7) : 66-74.
[2] Aiello G R , Rogerson G D. Ultra-wideband wireless systems [J].IEEE Microw Mag, 2003, 4 (2) : 36-47.
[3]Yang L, Giannakis G B.Ultra-wideband communica-tions:An idea whose time has come[J].IEEE SignalProcessing Mag, 2004, 21 (6) :26-54.
[4] Ghavami M, Michael L B, Kohno R. Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering [M]. Hoboken, NJ: Wiley, 2004.
光学信号处理 篇9
自适应光学系统能实时探测光波波前受大气湍流扰动引起的随机相位畸变, 并将测量到的信息加到波前校正元件上, 使波前畸变得到实时校正, 因此广泛运用于天文观测和激光大气传输中[1,2,3,4]。自适应光学系统对波前动态扰动的补偿能力直接关系到天体目标的成像质量和激光的聚焦效果, 通常采用以下几个指标来衡量:点扩散函数 (Point Spread Function, PSF) , 斯特列尔比 (Strehl Ratio, SR) , 半高全宽 (Full Width Half Maximum, FWHM) 和调制传递函数 (Modulation Transfer Function, MTF) 。
对自适应光学系统的性能进行评价, 传统实现手段是在自适应光学系统中搭建成像系统。自适应系统工作时, 成像系统负责采集目标的远场图像, 在事后对自适应光学系统的性能进行离线计算与分析。这种方法存在以下缺点:不能直观实时地反映自适应光学系统的校正性能;需要搭建成像系统, 使自适应光学系统的结构更加复杂化, 同时不可避免地会引入额外的像差;根据目标的图像特性, 该方法只能用于点目标的自适应光学系统, 不能用于扩展目标的自适应光学系统, 如太阳自适应光学系统。
随着自适应光学技术的发展, 在线评价自适应光学系统的性能成为了一个重要的研究方向。哈特曼波前传感器是一种以斜率测量为基础的波前测试仪器, 可以检测波前相位分布的时间特性和空间特性, 根据这些信息可以得到被测波前的近场和远场情况[5,6,7]。因此, 可以根据残余斜率进行自适应光学系统的在线性能评价。欧洲南方天文台ESO的SPARTA (Standard Platform for Adaptive optics Real Time Application) 平台中将数据通过网络传输到协处理机群, 基于Linux系统实现自适应光学系统在线的性能评价[8], 支持的波前处理机的帧频会受到网络速度的限制, 且集成度不高。为此, 本文提出了一种基于FPGA和DSP的嵌入式处理平台设计, 根据哈特曼波前传感器探测的残余波前斜率, 在自适应光学系统闭环工作时实现其性能指标的计算。
1 自适应光学系统性能指标描述
点扩散函数PSF描述了目标像平面上的光场分布, 可以表示为
式中:FT表示傅里叶变换;||2表示求模的平方;P (x, y) 为光波波前, 可以表示为
其中:A (x, y) 是光瞳函数, Φ (x, y) 是入射波前的相位分布, 可根据残余波前斜率G, 利用泽尼克模式波前复原算法[1]计算得到:
其中:D是重构矩阵, 由哈特曼波前传感器子孔径的布局决定;A是泽尼克多项式系数向量;i是泽尼克模式复原的阶数;ai是向量A的元素表示形式;Zi (x, y) 是第i阶泽尼克多项式。
峰值SR为实际光束轴上的远场峰值光强与其衍射极限峰值强度之比, 反映了远场轴上的峰值光强变化。计算时, 需要在截止频率内归一化能量。
半高全宽FWHM指探测目标远场图像上半峰值之间的宽度, 从分辨力方面反映自适应光学系统对波前畸变的校正能力。
光学传递函数 (Optical Transfer Function, OTF) 描述对比度和相位与空间频率的关系, 可由PSF的傅里叶变换变换得到。MTF为OTF的幅值, 反映光学系统传递对比度的能力。
2 基于FPGA和DSP的嵌入式处理平台设计
嵌入式处理平台的结构如图1所示, 主要由CPCI接口模块、协处理模块、主处理模块和网络通信模块组成。信号接口模块采用CPCI接口将残余斜率数据信号和同步信号由波前处理机以数据流的形式顺序进入处理平台, 协处理模块实现前端数据信号的缓存, 主处理模块根据协处理模块提供的数据信号, 实现自适应光学系统性能指标的计算, 并控制网络通信模块将计算结果传输到上位机。
2.1 协处理模块
残余斜率数据由波前处理机经CPCI接口进入到协处理模块中, 在同步信号的控制下实现存储。协处理模块采用FPGA芯片XC6VLX240作为处理器。XC6VLX240是Xilinx公司开发的一款Virtex6系列产品, 有37 680个Slices, 600个用户IO口, Block RAM空间容量为14 976 k B。
FPGA的片内逻辑由地址生成模块和乒乓缓存模块组成, 如图2所示。地址生成模块使用计数器对同步信号中的数据有效信号进行计数, 计数结果作为当前残余斜率数据所对应的哈特曼波前传感器的子孔径位置, 同步信号中的帧有效信号负责对计数器清零。乒乓缓存模块使用两片RAM构成, 由地址生成模块寻址, 将残余斜率以乒乓交替的方式进行缓存。每次存储连续的L帧残余斜率, L由自适应光学系统波前处理机的帧频和成像CCD的曝光时间决定。
2.2 主处理模块
主处理模块根据协处理模块缓存的残余波前斜率计算自适应光学系统的性能指标, 采用DSP芯片TMS320C6747作为处理器。TMS320C6747是TI公司开发的一款浮点型数字信号处理器, 主频为300 MHz, 有两个外部存储器接口空间:EMIFA和EMIFB。FPGA、FLASH和网络通信模块与DSP的EMIFA空间相连接, SDRAM与DSP的EMIFB空间相连接。
DSP内部的程序以2个任务相互配合的方式运行。首先, 任务1从FPGA中获取连续的L帧残余斜率, 计算曝光时间内自适应光学系统的性能指标。计算过程如图3所示。
1) 采用泽尼克波前复原算法, 根据残余波前斜率G计算残余波前相位Φ, 如式 (3) 。主要包括:由残余波前斜率G计算泽尼克多项式系数矩阵A, 由A计算残余波前相位。
2) 由残余波前相位分布、光瞳函数计算残余入射波前, 如式 (2) 。
3) 根据弗朗禾费衍射理论, 对残余入射波前做二维傅里叶变换并求模的平方, 得到点扩散函数PSF, 如式 (1) 。
4) 在截止频率内对点扩散函数PSF的能量进行归一化, 计算斯特列尔比SR和半高全宽FWHM。
5) 对点扩散函数PSF做二维傅里叶变换并求模, 得到调制传递函数MTF。
对于L帧残余斜率, 上述计算过程中从第1) 步到第3) 步的求解过程需要循环L次, 在根据L帧残余斜率得到长曝光情况下的点扩散函数后, 再求解各性能指标。
任务1结束后, 任务2获得处理器的使用权, 控制网络通信模块将自适应光学系统性能指标的计算结果基于TCP协议, 通过网络传输到上位机。当任务1运行时, 任务2阻塞, 当任务2运行时, 任务1阻塞, 二者交替循环运行, 如图4所示。
DSP的片内存储器资源有限, SDRAM用于扩展DSP的片外存储器容量, 提高DSP存储数据和程序的能力 (例如式 (3) 中所述的重构矩阵D、泽尼克多项式Zi等都是存放在SDRAM中) 。设计中使用了两片SDRAM芯片HY57V56162, 扩展容量为512 MB。在程序运行时, 根据需要搬移相应的数据到数字信号处理器的片内存储器中, 解决数据容量大与数据存储在片外时程序运行速度受限的矛盾。
2.3 网络通信模块
以太网接口电路主要由MAC (Media Access Layer, 媒质访问层) 和PHY (Physical Layer, 物理层) 两大部分构成, TMS320C6747包含了MAC控制功能, 只需外接PHY芯片以提供以太网接入通道即可。设计中使用的PHY芯片是KSZ8001, 由MICREL公司生产, 支持10/100 MHz以太网速率, 由主处理器DSP控制, 实现与上位机的通信。
2.4 可视化人机界面设计
为了对嵌入式处理平台进行设置, 设计了一个友好的人机界面, 如图5所示。该可视化人机界面基于Lab Windows/CVI, 用于控制上位机与嵌入式处理平台的网络连接、设置性能指标参数的存储、实时监控自适应光学系统等。
3 设计验证
为了检验嵌入式处理平台计算的正确性, 产生残余斜率数据, 分别在MATLAB和该嵌入式处理平台上进行自适应光学系统性能指标的计算, 并对二者的计算结果进行比较。使用的哈特曼波前传感器的子孔径排布为1313, 如图6所示。
3.1 运算精度
图7 (a) 是点扩散函数PSF的真实值, 是在MATLAB平台上得到的, 图7 (b) 是在嵌入式处理平台上得到的, 二者的计算误差如图7 (c) , 其中误差均值为2.1×10-20, 均方根误差为9.7×10-11 (能量归一化到1) 。根据点扩散函数PSF计算斯特列尔比SR的误差为1.5×10-3, 半高全宽FWHM在x方向上的误差为4.9×10-4倍衍射极限, y方向上的误差为9.7×10-5倍衍射极限。图8 (a) 是模式传递函数MTF在x方向上的真实值, 是在MATLAB平台上得到的, 图8 (b) 是在嵌入式处理平台上得到的, 二者的计算误差如图8 (c) , 其中误差均值为5.1×10-4, 均方根误差为6.8×10-4。图9 (a) 是模式传递函数MTF在y方向上的真实值, 是在MATLAB平台上得到的, 图9 (b) 是在嵌入式处理平台上得到的, 二者的计算误差如图9 (c) , 其中, 误差均值为5.0×10-4, 均方根误差为6.7×10-4。可以看出, 该嵌入式处理平台的计算精度很高。
3.2 实时性
自适应光学系统的性能指标点扩散函数PSF、斯特列尔比SR、半高全宽FWHM、调制传递函数MTF用{P}k表示, 下标表示该组性能指标是利用第k组数据信号计算得到的。输入数据信号、FPGA、DSP的时序图如图10所示。
当FPGA对第k+1组数据信号进行缓存时, DSP根据第k组数据信号进行计算。由于FPGA与DSP之间的数据交换采用了乒乓读写的方式, 第k+1组残余斜率数据将被写入FPGA的乒乓缓存模块的另一个缓存区, 不会影响DSP从乒乓缓存模块中读取第k组数据信号。自适应光学系统的性能指标的计算延时Tdelay定义为从波前处理机输出一组L帧数据信号的最后一个数据到该组性能指标计算完成的这段时间, 刷新周期Trefresh定义为输出第k-1组性能指标{P}k-1到输出第k组性能指标{P}k之间持续的时间。计算延时Tdelay和刷新周期Trefresh与协处理器FPGA和主处理器DSP运算消耗的时间有关, 最终由波前处理机的帧频、成像CCD的曝光时间和主处理器DSP的计算速度决定。
4 结论
本文提出了一种嵌入式处理平台的设计, 根据哈特曼波前传感器探测的残余波前斜率, 在自适应光学系统闭环工作时实现其性能指标点扩散函数PSF、斯特列尔比SR、半高全宽FWHM和调制传递函数MTF的计算, 改变了该领域内国内尚属空白的现状。该处理平台基于FPGA和DSP的架构, FPGA作为协处理器, 实现前端的高速数据缓存, DSP作为主处理器, 实现后端复杂的信号处理, 具有很高的精度。性能指标的计算延时和刷新周期由自适应光学系统中波前处理机的帧频、CCD的曝光时间和主处理器DSP的计算速度决定。该嵌入式处理平台体积小, 易于大规模集成, 在不改变硬件实现的基础上, 可应用于不同的自适应光学系统。
摘要：为了实现自适应光学系统性能的在线实时评估, 提出并设计了一种基于FPGA和DSP的嵌入式处理平台。该嵌入式处理平台以FPGA作为协处理器, 实现前端的高速数据缓存, 以DSP作为主处理器, 实现后端复杂的信号处理;根据哈特曼波前传感器探测的残余斜率, 在线实时计算自适应光学系统的点扩散函数、斯特列尔比、半高全宽和调制传递函数。结果表明, 系统点扩散函数计算误差为10-11量级, 斯特列尔比的计算误差为10-3量级, 半高全宽的计算误差为10-4倍衍射极限, 调制传递函数计算误差为10-4量级。该嵌入式处理平台具有运算精度高, 结构简单, 便于系统集成, 通用性强等优点。
关键词：在线性能评估,点扩散函数,斯特列尔比,半高全宽,调制传递函数,自适应光学系统
参考文献
[1]周仁忠.自适应光学[M].北京:国防工业出版社, 1996:180-188.ZHOU Ren-zhong.Adaptive Optics[M].Beijing:National Defence Industry Press, 1996:180-188.
[2]饶长辉, 姜文汉, 凌宁, 等.自适应光学系统对实际大气湍流波前的时域校正效果[J].光学学报, 2001, 21 (8) :933-938.RAO Chang-hui, JIANG Wen-han, LING Ning, et al.Temporal Correction Effectiveness of Adaptive Optics System for Light Wave Atmospheric Propagation[J].Acta Optica Sinica, 2001, 21 (8) :933-938.
[3]JIANG Wen-han, LI Ming-quan, TANG Guo-mao, et al.Adaptive optics image compensation experiments on stelar objects[J].Optical Engineering (S0091-3286) , 1995, 34 (1) :15-20.
[4]杜荣清, 张小军.大行程变形镜有限元分析[J].光电工程, 2011, 38 (5) :30-34.DU Rong-qing, ZHANG Xiao-jun.Finite Element Analysis on the Technology of Large-stroke Deformable Mirror[J].Opto-Electronic Engineering, 2011, 38 (5) :30-34.
[5]姜文汉, 鲜浩, 杨泽平, 等.哈特曼波前传感器的应用[J].量子电子学报, 1998, 15 (2) :228-235.JIANG Wen-han, XIAN Hao, YANG Ze-ping, et al.The application of Hartmann wavefront sensor[J].Chinese Journal of Quantum Electronics, 1998, 15 (2) :228-235.
[6]胡诗杰, 许冰, 侯静.H-S波前传感器在测量光束质量因子M2中的应用[J].光电工程, 2002, 29 (2) :6-9.HU Shi-jie, XU Bing, HOU Jing.Application of Hartmann-Shack Wavefront Sensor to Measurement of Beam Quality Factor M2[J].Opto-Electronic Engineering, 2002, 29 (2) :6-9.
[7]LI Hua-gui, JIANG Wen-han.Application of H-S Wavefront Sensor for Quality Diagnosis of Optical System and Light Beam[C]//In ICO-16Satellite Conference on Active and Adaptive Optics, Garching, Germany, Aug9-13, 1993:369-375.
如何学好初中光学知识 篇10
关键词：直线传播；反射；折射；光的颜色；成像
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2014）09-0035
我们的眼睛是如何看到物体的呢？首先，让我们来了解眼睛是如何成像的。实际上眼睛成像是透镜成像规律的重要应用。照相机与眼睛有相似的结构，自制照相机能使学生对利用凸透镜成缩小的实像有较直观、深刻的印象。因此，对眼睛成像的认识，可以从自制照相机开始。通过生理学中的眼模型或课件，将生理眼抽象成简化眼模型。将自制照相机与简化眼对比，使学生认识到眼睛可以看成是精巧的照相机，眼球中的角膜和晶状体的共同作用，相当于一个“凸透镜”，视网膜相当于照相机的底片。从物体发出的光线经过人眼的凸透镜在视网膜上形成倒立、缩小的实像，分布在视网膜上的视神经细胞受到光的刺激，把这个信号传输给大脑，人就可以看到这个物体了，这就是眼睛成像的基本原理。因此，必须有光线进入到我们的眼睛才能引起视觉。
我们看到影子和光的直线传播是有很大的关系的。光从光源传播出来，当光遇到不透明的物体时，部分光线会被物体吸收，部分光线会被反射，而其他未被物体挡住的光线，会继续前进，有光的地方有反射光线进入人的眼睛，在不透光的物体后面受不到光照射的地方就就没有反射光线进入人的眼睛，而呈现阴影的现象，所以形成了影子。例如，日食月食的形成是影子形成的例子。所以说，要是没有光，哪会有影子呢？
我们又是如何看清物体呢？那也是物体把各部分光线反射进入人的眼睛才能看见。例如，我们在教室内可以看到黑板上的字，是因为反射光线进入到我们的眼睛；黑板不光滑，光照到黑板上会向各个方向反射，发生了漫反射，所以坐在教室里的我们都能从各个方向看到黑板上的字。在一般情况下，光线是直线传播的，但是光导纤维却能让光线通过在内部的数次反射，走过一条“弯曲”的路线。类似地，如果能够发明出一种隐身器的表面材料以及合理的外形，使得光能够沿表面发生弯曲，绕过物体并继续沿直线传播，所以有反射光线进入人的眼睛，那么我们就可以看到物体背后的东西。同时，虽然隐身器就在我们面前，但是没有光线从其上反射到我们眼里，我们是看不到隐身器的。显然这个隐身器应该是球形，这样在各个方位都能达到“隐身”的目的。实际上物体是实实在在存在的，只是人的眼睛感受不到而已。
我们从水面上看水中物体，看到的是比物体的实际位置偏高（浅）的虚像，这是因为当光从水中射入空气时，在水与空气的交界面上发生折射，进入空气中的折射光线向水面偏折，位置降低，折射光线进入我们的眼睛，而我们认为光是沿直线传播的，所以看到的像比物体的实际位置偏浅。同理根据光路的可逆性，我们可以解释为什么潜水员从水中看水面以上的物体，看到的位置比物体的实际位置偏高的原因。
很多人认为我们能看到实像是因为光线进入人的眼睛，而我们看到虚像并没有光线进入人的眼睛，这种说法是错误的。因为无论我们看到的是实象还是虚象，都有光线进入我们的眼睛，只是他们的区别是：1. 成像原理不同：物体射出的光线经光学元件反射或折射后，重新会聚所成的像叫做实像，它是实际光线的交点。在凸透镜成像中，所成实像都是倒立的。如果物体发出的光经光学元件反射或折射后发散，则它们反向延长后相交所成的像叫做虚像。2. 承接方式不同：虚像能用眼睛直接观看，但不能用光屏承接；实像既可以用光屏承接，也可以用眼睛直接观看。人看虚像时，仍有光线进入人眼，但光线并不是来自虚像，而是被光学元件反射或折射的光线，只是人们有“光沿直线传播”的经验，以为它们是从虚像发出的。虚像可能因反射形成，也可能因折射形成，如平面镜成等大的虚像，凸透镜成放大的虚像。例子：我们看到的镜子里的像就是虚象，我们用相机照出来的就是实象。我们是如何看到物体的颜色的呢？为什么物体有各种各样的颜色呢？是物体吸收了特定的光，而反射了部分的光，那为什么物体会吸收特定的光呢？我们知道光是一种电磁波，不同的光对应着不同的波长，物体不管是有机物还是无机物，其原子、电子都有一定的能量当某一波长的光照射在这些物体表面而能引起物体表面原子、电子发生共振时，光就被吸收了，原子、电子就得到了光的能量，当一个连续波长的光。比如说是太阳光照射到物体表面能发生共振的波长的光被物体吸收了，其他的光则被原子挡在外面并反射出去，然后这些光经过组合原理就形成我们看到的物体的颜色。如果物体不吸收光也不反射光，而是让光通过，那物体就是透明的。在日常生活中，人们能看到各种色彩，如蓝蓝的天空、绿色的草原、朵朵白云、鲜红的玫瑰花瓣、绿色的庄稼、黄色的油菜花等。所有这些颜色都是在白天才能看见、分辨，也就是说只有在光线照射的条件下才能呈现出来。总之，透明物体的颜色就是它透过色光的颜色。不透明物体的颜色就是它反射色光的颜色。同时人们还注意到，在太阳光下看见某一物体呈现某种颜色，如果再把它放在白炽灯下（特别是某种彩色灯下），该物体的颜色就发生了改变。于是，人们推断人眼之所以能看到色彩，是由于有光的存在.颜色都是光作用在物体表面后，发生了不同的反映，再刺激人的眼睛后产生的。不同的光会产生不同的刺激，所以眼睛看到不同的物体就会有不同的颜色感觉。在黑暗条件下，人眼看不见不发光物体颜色的，只有当外来的光线照射在其表面后，它的颜色才能被人眼感知。所以，颜色是光照射到物体表面后的结果。但最终必须有光线进入人的眼睛，才能感受多彩的世界。
总之，无论是日、月食，还是岸上的人看到的是比物体的实际位置偏浅，还是看到物体的颜色，还是我们看到的是实象还是虚象，都是是否有光线进入人的眼睛的结果，都是是否能引起眼睛的视觉，都是眼睛惹的祸。正因如此，我们学会了光的反射、折射以及它们的应用，从而丰富了我们的认识。