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 中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051
2 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
相位延迟量是偏振光学元件的一个重要指标，为了精准快速地测量偏振元件的相位延迟量，提出一种具有相位补偿的级联调制的偏振元件相位延迟量检测方法。该方法采用弹光调制器（PEM）和电光调制器（EOM）作为相位延迟量检测系统的级联调制元件，利用Soleil-Barbinet相位补偿器对样品进行光学补偿。基于数字锁相技术与现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的片上可编程系统，检测光强极值点对应的Soleil-Barbinet相位补偿器的相位参数并进行数据处理，实现样品的相位延迟量检测。实验表明，利用该方法测量样品的相位延迟量的最大相对误差为0.857%，测量精度为99.143%，验证了将偏振调制法和补偿法相结合测量相位延迟量具有较高的精度，且降低了补偿器本身对测量误差的影响。
仪器，测量与计量 相位延迟量 弹光调制 电光调制 数字锁相技术 Soleil-Barbinet相位补偿器 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0112001
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
透过率的计算是红外目标被动测距技术的核心, 其精度直接影响到被测距离的精度, 而仪器分辨率又直接影响到光谱信号的精度。 为了研究光谱仪器分辨率对带平均透过率的影响, 选用氧气A带为研究对象, 采用基线拟合方式计算被测目标的带平均透过率, 利用随机Malkmus模型计算被测目标距离, 从而获得仪器分辨率对被动测距的影响。 为此, 搭建了被动测距实验系统, 通过对卤素灯光源在不同距离的光谱测量, 验证仪器分辨率对带平均模式被动测距的影响。 首先, 介绍氧气A带透过率的计算方法, 计算理论值; 以卤素灯为光源, 利用光谱仪分别测量相同距离不同分辨率的光谱曲线, 计算实测大气透过率, 分析光谱分辨率对单谱线的影响; 然后, 在分析比较透过率模型和实测透过率谱线的基础上, 对透过率计算模型进行拟合、 校正, 验证光谱分辨率对带模型的影响。 对于单条谱线, 仪器的不同分辨率可测得的谱线区别较大, 而对带平均谱线, 相同波数点的光谱信号取平均, 获得平均效应, 使得被测谱线几乎没有变化; 分辨率的模型选择需根据不同的应用场合、 不同的精度要求选择合适的分辨率。 实验结果表明: 分辨率对单谱线的透过率影响较大, 随着分辨率的降低, 被捕获的光谱信息点取值越少, 被测目标距离相关系数越小; 分辨率对带平均透过率的计算影响较小, 不同分辨率下测得的目标距离, 几乎重合; 而仪器分辨率越高则测量时间越长, 当使用带平均透过率计算被测目标距离, 在精度要求范围内, 可以适当降低仪器分辨率, 从而极大地提高测量速度, 并达到测量实时性, 同时降低系统搭建的成本。 该结论可为透过率测量的应用提供依据。
仪器分辨率 氧气A带 透过率 被动测距 曲线拟合 Instrument resolution Oxygen A band Transmittance Passive ranging Curve fitting 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1974
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 中北大学电气与控制工程学院，山西 太原 030051
4 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西 太原 030051
为了实现快速、准确的高温测量，在多光谱辐射理论的基础上，提出一种基于弹光调制光谱的多光谱温度测量方法。对基于弹光调制的多光谱测温装置系统结构进行了详细介绍，并且采用MATLAB软件对温度测量方法进行仿真分析，最后进行实验验证。实验中采用非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)算法将高温物体辐射产生的弹光调制傅里叶变换干涉信号进行复原，在对探测器进行光谱响应函数标定的基础上，根据响应函数进行修正得到实际光谱复原图，再利用多光谱温度反演算法得到黑体温度。结果表明，所提方法的温度计算误差为5%左右，并通过标准黑体辐射源进行实验，对温度测量进行了验证。
测量 信号处理 弹光调制光谱 多光谱辐射
刘梓良 1,2,3,4,*王志斌 2,3,4李克武 2,3,4李晋华 2,3,4[ ... ]李坤钰 2,3,4
1 中北大学 理学院, 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 南通智能光机电研究院, 江苏 南通 26000
4 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 山西 太原030051
弹光调制器利用各向同性晶体受迫振动后产生的双折射效应, 对入射的偏振光进行相位调制, 在偏振调制及测量方面具有重要应用。弹光调制器的相位延迟是其关键指标参数, 实际应用时需对驱动电压与相位延迟进行标定。但传统的弹光调制器定标系统中的元件体积较大, 且在使用前完成标定, 误差大。为了使弹光调制系统能够实现实时定标, 达到精确定标的目的, 同时提高使用的便捷性, 提出一种弹光调制器精确定标微系统设计, 通过缩小定标系统元件的尺寸, 集成固定在弹光调制器通光孔径边缘, 实现相位延迟实时标定。经实验验证, 弹光调制器定标微系统的能够在不影响中心光路情况下, 实时精确标定弹光调制器的相位延迟, 实验测试了1h相位延迟定标, 定标结果表明相位延迟偏差小于1%。
光学测量 弹光调制器 精确定标 相位调制 数字锁相技术 optical measurement photoelastic modulator precise calibration phase modulation digital phase-locked technique
1 中北大学 计算机与控制工程学院,太原 030051
2 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 太原 030051
在弹光调制测晶体电光系数系统中, 对弹光调制器工作控制和调制信号数据处理进行了优化设计, 并实现一种灵敏度高、测量快速、成本低和系统集成度高的晶体电光系数测量方案.针对弹光调制及调制信号的特点, 采用现场可编程门阵列完成弹光调制器的工作控制和测量数据的提取.现场可编程门阵列提供弹光调制器工作电压信号, 控制模数转换器的采样频率, 同时产生正弦和余弦参考序列来提取直流项、一倍频项的同向分量和正交分量, 并输入计算机中求解得出晶体电光系数.对铌酸锂样品进行了测试, 实验结果表明系统重复度和灵敏度为0.0016×10－12 m/V, 测量速率为1ms/数据点.较其他晶体电光系数测量方法, 本文方法具有更高的测量灵敏度和更快的测量速率, 为实现弹光调制测量晶体电光系数的智能系统奠定了基础.
晶体光学 电光系数 弹光调制 数字锁相 系统设计 Crystal optics Electro-optic coefficient Photo-elastic modulation Digital phase locking System design 光子学报
2017, 46(10): 1012001
1 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
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130039
为了研究被测目标在氧气A带的自发射光谱与透射率的关系, 根据透射率的计算方法, 提出了采用偏最小二乘回归法对氧气A带的光谱进行基线拟合, 搭建了实验系统, 验证了该方法拟合基线的准确度。首先, 以黑体辐射理论为依据, 给出氧气A带平均透射率计算方法, 以实际被测目标光谱为研究对象, 以带外数据为依据, 利用偏最小二乘法拟合被测目标在氧气A带的基线。为提高拟合精度, 剔除了测量奇异点, 并利用基线拟合不确定度来评价偏最小二乘回归法拟合基线的准确度。为了验证该方法的准确性, 以卤素灯为光源, 在0～130 m范围内, 获得不同距离处的光谱曲线, 以及相同距离不同分辨率下的光谱曲线, 将各种曲线分别进行基线拟合, 分析各自的标准偏差。结果表明, 同一距离处不同分辨率下的平均标准偏差为0.23%, 随着分辨率的降低, 基线拟合不确定度变小, 信噪比增大; 基线拟合不确定度还与测试设备的分辨率有关, 分辨率越高, 带外信息基线拟合不确定度越大, 反之, 带外基线拟合不确定度越小。
光谱学 氧气A带 基线拟合 偏最小二乘回归 拟合不确定度
1 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
2 中北大学 电子测试技术国家级重点实验室, 山西 太原 030051
针对比尔-朗伯定律单色传输和其他透过率模型计算速度慢的问题, 为了实现红外目标的高速被动测距, 研究了被动测距系统中氧分子A带吸收特征及大气中氧分子吸收率的计算方法。分析了大气中氧分子A带的吸收光谱及分布特性, 以当前大气参数和测量环境为基础, 结合HITRAN数据库, 将随机Malkums带模式引入到氧分子带平均吸收率计算中, 建立了基于随机Malkums带模式的被动测距数学模型。搭建了测距实验平台, 在12~128 m内对7个不同点进行了距离测量。实验结果表明, 在实际大气条件下, 利用该被动测距模型测得被测目标距离与实际距离的平均误差达到1.8%。该模型正确、可行, 满足红外目标被动测距的高速在线测试及隐蔽性、高精度、抗干扰能力强等要求。
红外目标 透过率计算 氧分子A带 随机Malkmus模型 被动测距 带平均吸收率 infrared target transmittance measurement molecular oxygen A-band random Malkmus band model passive ranging band average absorption
1 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
2 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
3 中北大学电子测试技术重点实验室, 山西 太原 030051
基于声光可调滤波器(acousto-optic tunable filter, AOTF)光谱成像分析仪在可见至红外光谱的多个谱区内广泛应用, 对AOTF的光谱带宽及衍射效率提出了更高的要求。 超声换能器作为AOTF的核心部件, 其3 dB工作带宽决定AOTF的光谱衍射范围, 故在同一声光介质上制作两片厚度不同的换能器来提高AOTF光谱带宽。 由于超声换能器在不同频率下具有不同的输入阻抗, 当驱动信号源输出阻抗与超声换能器输入阻抗失配时会产生能量损耗, 导致无法把功率最大限度的传递给超声换能器, 从而使AOTF光谱衍射效率降低, 影响光谱成像清晰度。 通过射频电路先进设计系统(ADS)仿真及实验测试, 设计了一种新型宽带阻抗匹配网络, 在60～200 MHz带宽范围内, 阻抗匹配网络功率效率达到90％以上, 光谱衍射效率最高达90％, 提高了在420～1 150 nm波段内的光谱灵敏度。
AOTF超声换能器 阻抗分析 宽带阻抗匹配网络 光谱测量 光谱衍射效率 AOTF ultrasonic transducer Impedance analysis Broadband impedance matching Spectral measurements Diffraction efficiency 光谱学与光谱分析
2016, 36(7): 2300
1 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051
2 中北大学电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051
3 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西 太原 030051
大气中氧分子浓度分布相对稳定，随纬度位置和季节变化不大；吸收波段跨越762 nm，易于被非低温探测器探知；带内无叠加其他大气组分吸收谱。据此提出基于其吸收特性的比尔定律被动测距。通过基线拟合寻找762 nm和690 nm附近的吸收率来反演距离。朗伯-比尔定律应用中的一项固有误差项被发现，定义为非线性初值。其本质是仪器非理想特性的限制引起的不可消除的线间辐射强度。搭建距离测算实验平台，对东经113°，北纬38°地区，不同季节不同时段不同天气条件，建立大量的不同组约束条件下的氧吸收率与距离的关系样本数据库。统计拟合得到经验模型实时修正理论模型中的非线性初值项，距离反演精度小于2.7%。
氧吸收特性 谐振频带 被动测距 统计实验 oxygen absorption characteristics resonant frequency band passive ranging statistical experimental
