電定標熱釋電輻射計系統(tǒng)的數(shù)字的發(fā)展策略分析

1、電定標熱釋電輻射計系統(tǒng)的數(shù)字的發(fā)展策略分析引言電定標熱釋電輻射計（electrically calibrated pyroelectric radiation，ECPR）是測量光輻射功率的一種高精度絕對輻射計，其基本原理是使用熱敏元件作為探測器，利用輻射的熱效應測量輻射功率。測量中，待測輻射所產(chǎn)生的信號與用電功率加熱所產(chǎn)生的校準信號進行比較，當兩個信號相等時，待測輻射功率就等于產(chǎn)生比較信號的電功率。這種輻射計也稱電平衡，其突出的優(yōu)點是用戶不需要用標準輻射源對儀器定標。由于該方法將光輻射功率的測量標準溯源到電學功率測量的標準上來，因此可以獲得很高的測量精度。電定標熱釋電輻射計的系統(tǒng)框圖如圖1所示

2、。相位測量廣泛應用于信號檢測技術中，目前測量相位的主要方法有頻率變化法、插脈沖法、過零比較法以及數(shù)字相關法等。由于模擬電路無法避免的電子線路噪聲干擾，以及外界因素的干擾，這導致測量相位的精度受到很大的影響。本文正是采用數(shù)字化測量方法中的IQ正交解調(diào)算法來完成對于信號相位差的計算，以此來解決模擬電路中的諸多問題，用數(shù)字信號處理方法，提高相位計的性能和精確度。光學儀器第35卷第5期張祥安，等：電定標熱釋電輻射計系統(tǒng)的數(shù)字相位計本文提出了一種ECPR系統(tǒng)中一種數(shù)字相位計的實現(xiàn)方法，該方法將數(shù)字信號處理的IQ正交解調(diào)算法引入了鑒相系統(tǒng)，利用FPGA的高速實時處理能力的優(yōu)勢，對采集到的信號數(shù)據(jù)進行IQ正

3、交計算，最后利用CORDIC算法得出輻射計系統(tǒng)中測量信號與參考信號之間的相位差。FPGA芯片以其獨到的高吞吐量和并發(fā)運算執(zhí)行，配合利用流水線技術，完成算法的執(zhí)行效率高、速度快、穩(wěn)定性好，與DSP或者ARM處理器相比，后者有著諸多難以克服的技術瓶頸，所以在現(xiàn)今各種復雜高端數(shù)字信號處理方面，F(xiàn)PGA有進一步取代DSP處理器的趨勢。1數(shù)字相位計的原理與實現(xiàn)1.1數(shù)字相位計原理數(shù)字相位計模塊框圖如圖2所示，整個模塊以處理兩部分信號為主。一路為被測信號，將微弱的被測輸入信號經(jīng)過OPA運放做前置交流放大處理，然后信號送至二階帶通濾波器，帶通濾波電路中心頻率14 Hz與斬波器斬波頻率相同，目的是將探測器輸出

4、的同頻率的微弱信號與其他高頻或工頻干擾信號分離開來。 此時將輸出具有相位延時信息的模擬正弦信號經(jīng)由A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸入到FPGA寄存器中。另一路為參考信號，參考信號是14 Hz的方波，在每個周期的上升沿階段觸發(fā)A/D采樣。ECPR系統(tǒng)會在測量初始化期間多次測量兩者信號的相位差，然后得到一個相位差平均數(shù)，通過矯正兩者相位差，使得兩者在后續(xù)光電平衡檢測電路中可以保持更高的檢測精度。1.2數(shù)字相位計在ECPR中的作用相位計模塊在整個ECPR系統(tǒng)中，起到一個同步被測與參考信號的作用，之所以要讓兩者同步，是為了在后續(xù)進行相敏檢波的時候，可以得到兩者幅值乘積的最大值，這樣積分輸出的直流信號就可以完全反應出

5、熱釋電光電加熱平衡的信息，已達到高精度的輻射計光功率檢測的目的。如圖3所示，在得到了初始化矯正后同步的被測與參考信號之后，被測信號進一步輸入到光電功率自平衡電路模塊中與移相的參考信號通過相敏檢波得到整流后的半波正弦信號，接著將整流信號轉(zhuǎn)為直流信號，根據(jù)輸入直流信號的幅值大小來決定對熱釋電加熱電功率輸出的大小，當加熱的電功率與輸入的光功率平衡時候，熱釋電將不再輸出信號，此時達到光電平衡狀態(tài)，然后通過電功率檢測模塊，計算得到的電加熱電功率值即是被測光信號光功率值。由上述分析可見，數(shù)字化方法對諧波信號和由于有源器件引起的隨機噪聲具有很強的抑制作用，在低信噪比條件下，也可有效檢測相位差，而且該方法為無

6、偏、一致的估計，適合用于微弱信號的精密檢測。1.4CORDIC算法計算arctan函數(shù)在數(shù)字信號處理、導航通訊等許多領域會大量使用反正切函數(shù)進行必要的計算，當FPGA系統(tǒng)應用于上述領域時常常會遇到如何使用硬件來完成反正切函數(shù)計算的問題。坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字式計算機（coordinate rotation digital computer，CORDIC）其基本思想是用一系列與運算基數(shù)相關的角度的不斷旋轉(zhuǎn)，逼近所需旋轉(zhuǎn)的角度，從廣義上講它是一個數(shù)值逼近的方法，由于這些固定的角度與計算基數(shù)有關，運算只有移位和加減法。2算法在FPGA中的實現(xiàn)相位計算法在FPGA中實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，系統(tǒng)采用主時鐘信號為

7、50 MHz，控制單元在參考信號上升沿觸發(fā)A/D采樣，把輸入的模擬正弦信號在一個周期內(nèi)等間隔轉(zhuǎn)換成12 bit的數(shù)字信號，在一個14 Hz周期內(nèi)，采樣脈沖有512個，得到512個離散數(shù)據(jù)點，每個數(shù)據(jù)點和FPGA中的參考正余弦對應做乘法運算，ROM查找表數(shù)據(jù)來源于MATLAB生成的mif文件，對于sin參考信號，數(shù)據(jù)為帶符號位寬12 bit整型，一個周期有512個離散數(shù)據(jù)點組成，同理cos參考信號與sin為正交，相位差90，每次計算之后的值保留在寄存器中累加，待完成一個周期的512個數(shù)據(jù)的IQ正交算法后得到I和Q的平均值，將兩者送入CORDIC內(nèi)核模塊中計算相位差?；贑ORDIC算法的 arc

8、tan 模塊基本的迭代結(jié)構(gòu)由三個寄存器、三個add模塊、兩個移位模塊和一個內(nèi)置ROM表構(gòu)成。其中，add_sub完成加法或者減法操作，具體是加法還是減法由寄存器Q_reg的最高位來進行控制，移位模塊完成式（6）中的2-n操作，而內(nèi)置的ROM表則事先把arctan（2-n）的值放入，每次計算時只需逐次把數(shù)據(jù)傳入add模塊即可。在設計中特別需要注意的是數(shù)據(jù)的量化，否則得不到正確的角度值。在計算完最后的結(jié)果之后，將多次周期的相位差信息取平均值反饋。3實驗結(jié)果如圖6所示，當只用光信號對探測器加熱時，斬波調(diào)制頻率14 Hz，測得放大電路，濾波電路，參考方波，相敏檢波以及積分器輸出波形，而光電平衡時探測器

9、輸出波形是光電同時在各自周期內(nèi)對熱釋電加熱，使得光電最后達到平衡。我們可以看到，經(jīng)過濾波處理后的輸入信號和相位調(diào)整過的參考方波相位同步一致，可以使得相敏檢波達到乘積最大值。系統(tǒng)在電功率加熱后，讓熱釋電達到光電功率平衡，最后探測器輸出幾乎為零，此時測得的電功率即為光功率，當測量精度為1 mW，其不確定度為1%。4結(jié)論本論文提出的數(shù)字相位計基于正交IQ解調(diào)和CORDIC算法，算法模塊都集成于FPGA中完成，在電定標熱釋電輻射計系統(tǒng)中發(fā)揮了作用，讓系統(tǒng)對于光功率的檢測精度得到了有效的提高，并且系統(tǒng)的運行速度和穩(wěn)定性也因加入了FPGA而得到進一步改善，具有良好的應用前景。參考文獻：【1】瑚琦，顧玲娟，

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