一种弹光调制器的驱动控制装置及方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明一种弹光调制器的驱动控制装置及方法，属于弹光调制干涉仪技术领域。
【背景技术】
[0002] 以弹光调制干涉仪为核心的弹光调制傅里叶变换光谱仪具有测量速度快、光谱范 围宽，抗震性能好、采用点探测器等优点，其在瞬态光谱探测领域具有潜在的应用价值。弹 光调制器作为弹光调制干涉仪的主要部件，是由弹光晶体和压电石英晶体组成。为了使弹 光调制干涉仪产生高分辨率的干涉图，需要构成弹光调制器的弹光晶体的瞬态双折射率差 有比较大的形变量。
[0003] 要使弹光晶体的双折射率差比较大，则需要高压信号驱动压电晶体产生形变，以 带动弹光晶体的形变。为了满足光谱分辨率为IOcm 1的近红外波段光谱探测的需求，在谐 振状态下，弹光调制器驱动电压的幅值需达到1000V以上。
[0004] 弹光调制器是一个热机电耦合器件，工作于谐振状态。
[0005] 弹光调制器在高压信号驱动下进行机械振动，则产生热损耗和自身温度升高，改 变了弹光调制器固有谐振频率。
[0006] 为了使弹光调制器工作时，有比较高的品质因数，需要调节驱动信号频率，以跟踪 弹光调制器的谐振频率。
[0007] 弹光调制器的高压驱动电路是由LC构成的谐振电路，在驱动信号频率发生变化 时，将改变驱动电路中LC谐振电路的Q值。从而，改变了施加在弹光调制器上的驱动电压 幅值，减小了弹光调制干涉图的最大光程差。
[0008] 为了产生高分辨率的弹光调制干涉图，因此，需要对弹光调制干涉仪的高压驱动 和控制技术进行研究。
[0009] [1] Buican. T. N, Carrieri. A. H. Ultra-high speed solid-state FTIR spectroscopy and applications for chemical defense[C]. Proceedings for the army science conference (24th), 2004.12.
[2] Buican. T. N. Real-time Fourier transform spectrometry for fluorescence imaging and flow cytometry[C]. Bio-imaging and two. dimensional spectroscopy, SPIE,1990, 1205: 126-133.
[3] Buican. T. N. Birefringence interferometers for ultra-high-speed FT spectrometry and hyperspectral imaging: I. Dynamic model of the resonant photoelastic modulator[J]. Vibrational spectroscopy, 2006, 42(1): 51-58.
[4] Buican. T. N. High retardation - amplitude photoelastic modulator. US 7, 764, 415B2[P], 2010.7.27. 在文献[1]~[4]中，对弹光调制器的工作原理、干涉图的特性进行论述，并提出采用高 压开关管驱动弹光调制器的方法。为了解决PEM谐振频率的漂移，通过锁相技术控制开关 管的工作状态，以实现PEM的稳定工作。但是该文献仅提出弹光调制器的驱动控制思路，并 没有对整个驱动控制系统进行理论验证和系统设计，而且也没有提到驱动信号幅值调节技 术和方法。因此，有必要对现有技术进行改进。
【发明内容】
[0010] 为了克服现有技术中所存在的不足，提供一种高分辨率弹光调制驱动控制装置及 方法，可实现近红外波段（8-14 范围内，光谱分辨率达到IOcm1的弹光调制干涉仪的 稳定驱动和控制。
[0011] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为： 一种弹光调制器的驱动控制装置，包括以FPGA为核心的控制器、反向差分高压谐振驱 动电路、驱动电流检测电路和最大光程差检测电路。
[0012] 所述弹光调制器的驱动控制装置是以FPGA为控制核心，结合反向差分高压谐振 驱动电路、驱动电流检测电路和最大光程差检测电路，实现弹光调制驱动控制信号的频率 和电压的调节，产生稳定的干涉图。
[0013] 所述的反向差分高压谐振驱动电路是由两路相位差为180°的电路结构、参数完 全相同的功率放大电路组成，其输入电压信号相同，驱动信号均为方波信号，采用这种驱动 方式，可使施加在弹光调制器上的电压增加1倍，使干涉图的最大光程差得到提高。
[0014] 所述的驱动电流检测电路是将正弦波的电流信号经过相位延迟电路变换为方波 信号，而且方波信号的下降沿变化陡峭，可用来进行相位差比较。
[0015] 所述的最大光程差检测电路是以一个双通道的高速比较器ADCMP551组成，将激 光干涉图信号和弹光调制器的驱动信号变换为方波信号，利用驱动信号的上升沿和下降 沿，实现激光干涉图过零计数的起始点和终止点。
[0016] -种弹光调制器的驱动控制方法，其特征在于：所述的弹光调制器的驱动控制方 法是针对改进的kemp型弹光调制器，其振动频率为50KHz时，在驱动控制信号作用下，产生 比较大的形变，以产生高分辨率的干涉图。
[0017] 所述弹光调制器是热机电耦合器件，其谐振频率随着温度变化、工作状态产生漂 移时，驱动控制信号的频率能及时的跟踪弹光调制器的谐振频率的变化而进行变化，以保 证弹光调制器有比较高的品质因数，所述谐振频率的跟踪，是通过检测驱动电流和驱动电 压的相位差，基于FPGA编程实现锁相功能，以实现频率的跟踪和相位调节。
[0018] 所述相位差的检测方法，是将正弦波形的驱动电流通过波形变换电路，变换为方 波信号，并将方波信号的下降沿与FPGA产生的方波驱动信号的下降沿进行比较，获取相位 差?目息。
[0019] 所述的驱动控制信号跟随弹光调制器固有谐振频率调制时，将改变了高压谐振 驱动电路的谐振程度，减小了施加在弹光调制器两端的电压，以致于减小了弹光调制器的 形变量和干涉图的最大光程差，为保证弹光调制器的形变量和干涉图的最大光程差为恒定 值，在调节驱动控制信号频率的基础上，通过调节功率放大电路的输入电压，调节施加在弹 光调制器两端的电压，以保持弹光调制器的形变量和干涉图的最大光程差为恒定值。
[0020] 所述功率放大电路的输入电压的调节，是根据检测的干涉图最大光程差的变化量 进行调节。
[0021] 本发明与现有技术相比所具有的有益效果为： 本发明提供了一种弹光调制干涉仪的驱动控制装置及方法，可实现弹光调制干涉仪的 相位差连续调节，产生高分辨率的干涉图，同时，基于驱动信号的频率锁相、幅值闭环调节， 可减小弹光调制器温度漂移对谐振品质因数的影响，提高弹光调制傅里叶变换光谱仪的精 度和准确度。
【附图说明】
[0022] 下面通过附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0023] 图1为弹光调制干涉图中等时间采样时的窄带干涉图； 图2为弹光调制干涉图中等时间采样的窄复色光干涉图； 图3为弹光调制驱动控制装置的结构图； 图4为尚压驱动电路的结构图； 图5为高压驱动电路图； 图6为驱动电流检测电路图； 图7