FPGA主控型数字锁相放大器设计及光谱测量

作     者：张雷雷 曹振松 钟磬 黄印博 袁子豪 黄俊 齐刚 潘文雪 卢兴吉 Zhang Leilei;Cao Zhensong;Zhong Qing;Huang Yinbo;Yuan Zihao;Huang Jun;Qi Gang;Pan Wenxue;Lu Xingji

作者机构：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 中国科学技术大学研究生院科学岛分院安徽合肥230026 先进激光技术安徽省实验室安徽合肥230037 航天系统部驻绵阳地区军事代表室四川绵阳621000 

基　　金：国家自然科学基金项目(42027804) 先进激光技术安徽省实验室青年基金项目(AHL2021QN01) 

出 版 物：《红外与激光工程》 (Infrared and Laser Engineering)

年 卷 期：2023年第52卷第10期

页      码：127-138页

摘      要：针对激光传输实验中传输内通道空间狭小、CO_(2)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CO_(2)检测中。为解决低浓度CO_(2)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200μs~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CO_(2)在2μm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CO_(2)标定实验,获取二次谐波信号幅值和CO_(2)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CO_(2)的检测需求。

主 题 词：数字锁相放大器 激光传输 FPGA TDLAS 数字滤波器 CORDIC算法 

学科分类：080901[080901] 0809[工学-计算机类] 08[工学] 080401[080401] 0804[工学-材料学] 0803[工学-仪器类] 

核心收录：

D　O　I：10.3788/IRLA20230023

馆 藏 号：203124204...