基于FPGA和DDS技术的激光测距仪

针对传统的相位式激光测距仪电路设计复杂、精度难以保证的缺点,把现场可编程逻辑门阵列(FPGA)器件和直接数字频率合成(DDS)信号发生技术应用于传统的相位式激光测距仪的电路设计中,实现了一种结构简单、体积小、可靠性高的短程激光测距系统,测量精度为cm量级。对测距系统误差的主要来源和进一步研究的方向进行了分析。     

基于激光拍频高准确度相位式测距方法

介绍一种基于相位式激光测距的高动态、高准确度测距系统.系统引入光频调制技术实现激光拍频产生高频调制信号并完成信号的高速变测尺调制.在对回波信号进行鉴相时,为降低鉴相偏差采用无窗全相位谱分析并实现对测量信号的相位计算.计算表明,该方法可以有效抑制频谱泄露,减小噪声对测量结果的影响,提高鉴相准确度.实验表明该测距系统可以有效地解决相位法测距中存在的抗干扰能力差、距离模糊较难抑制等问题,调制信号频率为100 MHz、信噪比为30dB时测距准确度优于0.5mm.     

快循环同步加速器射频加速电压幅度的数字化控制

 中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器（RCS）中的射频低电平控制系统是基于FPGA的全数字控制系统,旨在完成对射频频率、加速电压和同步加速相位的控制。介绍了CSNS/RCS射频系统的低电平数字化控制设计方案,并着重对射频加速电压幅度控制回路进行了分析与讨论。电压幅度控制环路通过射频电压幅度信号与电压幅度设定值的比较,得到误差信号。误差信号经过控制器来控制输入到射频腔的功率,以达到稳定和改变腔压的目的。通过对控制对象的分析和建模,得到了满足系统要求的控制器。详细介绍了数字系统的实现,尤其是信号的解调和控制算法的实现。用ALTERA公司的DSP builder进行数字控制系统开发,系统仿真结果表明,环路误差信号大约于10 μs（400个系统时钟）后归于0,整个电压幅度控制环路能稳定运行。     

基于I/Q解调原理的数字PAD研制

 I/Q解调器可以同时测量微波信号的相位和幅度。为了消除传统I/Q解调器的不平衡误差,根据I/Q解调原理,应用数字滤波器及Hilbert变换等数字信号处理方法实现了对微波信号的正交解调,可以精确测量任意包络形状微波信号的相位和幅度。测试表明,数字相位和幅度探测器的精度可达±0.5°,重复性误差小于0.2°,温度系数约为-0.1°/℃,相位测量的动态范围为-18~5 dBm,幅度测量的动态范围为-20~0 dBm,其各项指标都达到了BEPCⅡ直线加速器相控系统的要求。     

次谐波聚束系统固态放大器相位特性

 为研究BEPCⅡ直线加速器次谐波聚束系统使用的两台固态放大器（20 kW/142.8 MHz,10 kW/571.2 MHz）的相位特性,利用基于现场可编程门阵列(FPGA)的数字测量方法对两台固态放大器的脉内相移和相位稳定度进行了测量。测量系统硬件包括频率综合器、FPGA数字信号处理板和PC;软件部分包括FPGA内部算法、通信及PC端界面程序。该测量系统能真实地反映两台固态放大器的相位特性,为次谐波聚束器的相位补偿提供了参考。     

一种用于高场MRI的多源射频发射机

介绍了高场磁共振成像（MRI）多源发射技术的原理,提出了一种用于高场MRI系统的多源射频信号发射机.它能并行输出多路频率、相位、幅度,可快速独立调节的射频脉冲信号.该射频发射机的实现基于单片现场可编程门阵列（FPGA）和多通道数模转换器（DAC）芯片,FPGA读取预存于双端口随机存取存储器（RAM）中的射频信号参数,并利用读取的参数分别实现每路信号的直接数字频率合成（DDS）和信号调制等核心功能,获得多路数字射频信号;FPGA输出的数字信号经过高性能DAC转化为模拟信号,即所需要的射频信号.该射频发射机在设计中大量采用软件无线电技术,即利用Xilinx提供的IP核实现DDS和信号调制等主要功能,具有集成度高、体积小、灵活度高的优点,同时,该设计可以大大缩短开发时间,有效降低实现的难度和成本,为高场MRI谱仪的多源射频发射机的设计研制提供了一种低成本、高效、高性价比的方案.     

一种倍频因子及输出相位连续可调的微波光子移相系统

提出一种倍频因子连续可调,且相位连续变化的微波光子移相系统.系统主要由两个集成双偏振双平行马赫增德尔调制器组成,在不使用光滤波器的情况下,调节双平行马赫曾德尔调制器及相位调制器的射频驱动和直流偏置电压,生成二倍频,三倍频,…,六倍频微波信号,同时实现输出微波信号相位0～360°连续可调.仿真结果表明,当射频信号频率为10GHz时,可分别产生频率为20、30、40、50、60GHz的微波信号.调节相位调制器的直流偏置电压与半波电压比值从-1到1变化时,对应微波信号的相位从-180°到180°变化.此外,分析了调制器消光比对输出微波信号光载波抑制比和电杂散抑制比的影响,以及90°电桥相位平衡对微波信号相位漂移和幅度波动的影响.     

谐振腔光纤陀螺相位调制复位误差影响的研究

对数字相位斜波调制中2π复位误差对谐振腔光纤陀螺（R-FOG）的影响进行了研究.结果表明,相位复位误差将会导致R-FOG输出光强信号的波动,光强波动周期等于相位斜波复位周期.反射输出光强的波动在相位斜波的前后半周期明显不同,前后半周期输出光强平均值的差异与复位误差的大小和方向相关.提出了一种相位调制复位误差的消除方法,利用前后半周期平均光强差作误差信号,反馈控制相位调制通道增益,可实现复位误差的消除.     

兰州冷却储存实验环高可靠性低电平控制系统

为控制高频加速腔体产生具有稳定的幅度、相位和频率的射频加速电场,设计了实验环高频低电平控制系统。为保证控制的稳定性、可靠性和实时性,系统各功能模块以硬件模拟电路为主体,同时为了协调控制各功能模块的工作并补偿某些功能模块的非线性误差,增加了数字模块。该系统由相位稳定、幅度稳定和频率调谐3个子系统组成,采用高频鉴相、PID控制、DSP和FPGA等技术。目前,控制系统通过了长期稳定性的实验和高功率实验,幅度控制精度±3%,相位控制精度±2°,频率调谐精度±5°。     

相干场成像全相位目标直接重构法

回波信号处理和目标重构算法是相干场成像中的核心数据处理技术, 直接影响系统的成像质量. 基于全相位谱分析理论, 提出一种新的系统融合处理算法, 对接收端回波信号直接提取全相位谱相位及幅值信息实现目标图像重构, 能够有效抑制各种因素带来的频率误差. 经室外实验系统验证, 成像能力大大优于传统重构算法, 重构目标分辨率接近理论极限值.     

光学相位锁定激光在原子玻色-爱因斯坦凝聚中实现拉曼耦合

采用光学相位锁定环路技术将外腔反馈式半导体激光器锁定到与钛宝石激光器输出激光频率上. 锁定后两束激光的差频线宽从MHz降低到Hz量级, 同时两束激光的频率差可实现几百兆赫兹到7 GHz的精密调节. 锁定的两束激光作用在铷原子玻色-爱因斯坦凝聚的两个基态超精细态F=2, 1, 观测到在两个超精细态之间的拉曼跃迁. 该技术可用于超冷原子两个超精细态之间自旋轨道耦合.     

J-TEXT 动态扰动场交流电源控制系统设计

对 J-TEXT 动态扰动场交流电源及其控制系统进行了介绍,重点对基于FPGA 全数字锁相环的逆变控制单元进行了分析、设计和优化。给出了动态扰动场交流电源及其逆变控制单元的测试和实验结果。结果表明该设计的交流电源控制系统能够满足物理实验对电源输出电流频率、相位调节的需求,能够保证电源的可靠、稳定运行。     

XFEL飞秒同步与定时系统中光纤长度变化的数字化监测(英)

分析了X射线自由电子激光装置对飞秒同步定时系统的技术需求。系统中采用光纤来传输定时/相位信息。而光纤的光长度会随温度的慢漂而改变,因此通过对比实验研究了温度慢漂对光纤长度变化的影响。研制了基于现场可编程门阵列（FPGA）的数字化相位和幅度检测器对光纤长度变化进行数据监测。百米光纤在典型昼夜温差下导致的时间延迟约6 ps。结果显示此数字化相位和幅度检测器可以用于飞秒同步定时系统的长度变化监测和稳定控制系统当中。     

二次偏振调制测距系统中调制频率与测距精度的关系

本文在基于二次偏振调制激光测距系统的基础上, 对调制频率与激光测距系统精度的关系做了深入的理论推导和实验验证. 最终得出结论: 相位法激光测距系统的测量精度会随着调制频率的增大而提高, 且精度的提高程度正比于调制频率的不确定度Δf与测程范围内半波长数N值的比值. 并通过选取合适的调制频率来提高系统的测距精度, 提高后的测距精度可达10^-7.     

Timing-jitter reduction of a mode-locked Cr:LiSAF laser by simultaneous control of cavity length and pump power

The pulse-repetition frequency of a mode-locked Cr:LiSAF laser has been stabilized to an electrical reference signal by simultaneous control of the laser cavity length and the pump power. The phase difference between the laser pulse and an electrical reference signal is detected by use of a digital phase detector and fed back to a piezoelectric transducer and to a laser diode injection current. A rms timing jitter of 7.5 fs relative to the reference was obtained for the 25-mHz-10-kHz bandwidth.     

一种可编程全数字锁相环的设计与实现

针对传统的全数字锁相环电路参数不可调、锁相速度慢及锁相范围窄的缺点,提出了一种可编程全数字锁相环。采用电子设计自动化技术完成了该系统设计,并对所设计的电路进行了计算机仿真与分析,最后,采用FPGA予以硬件电路的实现。系统仿真与硬件实验证明,该锁相环中数字滤波器和数控振荡器的参数可以自主设定,改变数字滤波器的参数可加快锁相速度,改变数控振荡器的参数可扩大锁相范围。该锁相环具有锁相速度快、锁相范围宽、电路结构简单、参数设计灵活和易于集成等优点,可适用于许多不同用途的领域。     

Pulse timing stabilization of a mode-locked Cr:LiSAF laser

The pulse repetition frequency of a mode-locked Cr:LiSAF laser has been stabilized to an electrical reference oscillator by use of an electrical feedback technique. The phase and frequency differences between the laser and the reference are detected by use of a digital phase detector, which overcomes the difficulties of a conventional double-balanced mixer. We obtained rms timing jitters of 20 fs (25 mHz-10 kHz) and 7 fs (25 mHz-1 kHz) relative to the reference.     

用于原子-光耦合系统的光学锁相环的设计

光学锁相环(OPLL)是电子学锁相环在光学领域的拓展,它是基于光电探测器、鉴相器以及配套的电路,通过反馈回路控制半导体激光器的电流模块和压电陶瓷扫描模块,以达到锁定两束激光的频率和相位的目的。介绍了光学锁相环的结构、鉴频鉴相器(PFD)的工作原理,并基于锁相环路芯片ADF41020设计了一种光学锁相电路,设计锁定两束激光的频率差的范围为4GHz-18GHz。     

Active stabilization of a rapidly chirped laser by an optoelectronic digital servo-loop control

We propose and demonstrate a novel active stabilization scheme for wide and fast frequency chirps. The system measures the laser instantaneous frequency deviation from a perfectly linear chirp, thanks to a digital phase detection process, and provides an error signal that is used to servo-loop control the chirped laser. This way, the frequency errors affecting a laser scan over 10 GHz on the millisecond timescale are drastically reduced below 100 kHz. This active optoelectronic digital servo-loop control opens new and interesting perspectives in fields where rapidly chirped lasers are crucial.     

HIRFL数字化高频低电平控制系统研究

在HIRFL加速器系统中, 需要对射频加速电压的幅度和相位进行精确控制,以实现对重离子的精确俘获、 加速和引出。传统的幅度、相位稳定控制系统采用幅度和相位两个反馈闭合环路来分别稳定腔体电压的幅度和相位。 数字化高频低电平控制系统(LLRF) 基于可编程逻辑门阵列（FPGA）和数字信号处理（DSP）, 采用直接数字频率合成（DDS）与数字正交调制解调（I/Q）技术来实现对高频功率源的控制。 相位控制精度更高, 系统更加稳定。 目前控制系统在假负载上通过了长期稳定性的实验和高功率实验, 幅度偏差小于或等于±1％, 相位偏差小于或等于±0.5°。 In order to ensure that the beam quality is well enough, we need to precisely control the frequency, amplitude and phase of cavity electric field. Traditional control system consists of amplitude loop and phase loop. And these two loops control amplitude and phase stability respectively. The digital low level radio frequency (LLRF) system, which uses advanced digital control technology, needs only one feed back loop to control amplitude and phase stability. The phase control precision and stability of the system are higher than the traditional control system. The LLRF system is based on field programmable gate array (FPGA) and digital signal processing (DSP), and implemented by direct digital frequency synthesis (DDS) and digital orthogonal modulation and demodulation (I/Q) technology. The digital LLRF system has been tested in a long term stability and high power experiments. The amplitude deviation is lower than ±1%, and phase control accuracy is within ±1°. 