基于AOTF多光谱成像的高性能射频驱动系统

王耀利，温廷敦，王志斌，张 瑞，李永帅

（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 电子测试技术国家重点实验室，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）

0 引 言

目前常用的分光器件包括分光棱镜、光栅以及声光可调谐滤光器 （acousto－optic tunable filter，AOTF）等。其中，声光可调谐滤光器是基于声光效应的一种新型分光器件，非共线性AOTF具有孔径大、衍射效率高、结构简单、设计灵活、无需机械运动等特点［1］，因此对于测试不同波长下的光谱信息AOTF 具有不可比拟的优点，可以得到被测物更多的物化特征，对于研究气溶胶及大气污染的监测有着特殊的优势。AOTF 分光性能与射频驱动的性能有很大关系，因此要求设计一套高性能的射频驱动系统。

本文根据AOTF分光的基本原理，为使所研射频驱动系统简单可靠、易于控制，并结合单片机和高性能直接式数字频率综合器 （DDS）的特点，设计了一种基于单片机控制的以高性能DDS为核心的射频驱动系统，使其能够实现单频和扫频模式的功率输出，并搭建实验系统进行了硬件测试，实现了对AOTF的射频驱动。

1 AOTF基本原理

AOTF一般基于反常布拉格 （Bragg）衍射的声光相互作用原理：在晶体内产生高频振荡的超声波，对晶体应变产生周期性的空间调制，其作用类似位相光栅。当满足Bragg衍射条件时，入射光在晶体内将产生反常Bragg 衍射，其衍射光的波长与超声波的频率有着一一对应的关系。在实际应用中，通过射频驱动使固定在晶体表面的压电换能器产生超声波，并耦合进入声光晶体使其调制。AOTF的结 构如 图1所示［2－4］。

图1 AOTF原理

在满足动量匹配的条件下，衍射光波长λ 和色散带宽Δλ与声速V、声频f、声光作用距离L 和入射角θi之间的关系 如下［5，6］

其中，ne、no分别为e光和o 光的折射率，b是晶体色散常数。当平行的复色光入射到AOTF上时，各种波长的单色光入射角均为θ，在声频f 确定后，由上式即可确定衍射光的中心波长和带宽。衍射波长和带宽确定之后，根据衍射效率与带宽、波长以及驱动功率的关系，即可得出衍射效率的关系曲线

其中，M2为声光材料的声光优值，l和h 分别表示压电换能器的长度和宽度，Pa表示超声驱动功率，λ0表示中心波长，η0 表示中心波长的衍射效率。

声光可调谐滤光器 （AOTF）分光系统中，驱动功率、衍射光中心波长和衍射效率之间存在密切的关系，如图2所示。

图2 驱动频率为100 MHz下功率，波长和效率之间的关系

从理论上看，对AOTF 施加一个特定频率时，通过AOTF的光源其中一个对应波长被调制，AOTF 衍射光中心波长和驱动功率的关系服从1／f 函数分布。衍射效率在固定驱动频率和驱动功率下，在中心波长周围呈高斯分布。在确定的AOTF尺寸和入射角的情况下，在整个功率范围内，每一个波长对应的衍射带宽为常数，而且带宽随着波长的增加逐渐变宽，但是，由于信号源产生的失真以及压电换能器尺寸的限制，衍射带宽的值比理论上要大，尤其是驱动功率比较高的时候更为明显。图3为驱动频率固定在100 MHz下衍射效率随驱动功率的变化曲线，由于功率放大器引入的失真导致AOTF衍射效率的降低，同时，带宽变大［7］。带外谐波的影响凸显。因此，需要对AOTF 的射频驱动技术进行高要求的设计。

图3 射频驱动系统总体框架

2 AOTF射频驱动技术

AOTF可以进行高速的光谱扫描，当射频驱动频率改变时，衍射波长变化所需的时间主要由超声波充满AOTF晶体的时间决定，一般为微秒级，因此整个光谱范围的波长扫描十分迅速，对射频驱动源频率范围、分辨率以及变化速度和功率大小都提出了较高要求。

AOTF射频驱动系统包括射频信号源以及功率放大部分［8］。射 频 信 号 源 以 直 接 数 字 式 频 率 综 合 器 （DDS）AD9910为核心，系统频率可以达到1GHz，输出频率范围在DC—400 MHz，工作在数字域，跳频速度高，分辨率也比较高。通过外部接有源晶振的方式为DDS 提供外部时钟，然后由内部倍频器和锁相环实现稳定的系统频率1 GHz。微控制器采用STC单片机，主要提供控制信号实现DDS的单频输出模式和DRG 扫频输出模式。

单频模式下，AD9910通过SPI口将控制字写入控制寄存器，同时profile［2：0］配合选择写入相应的内部寄存器［9］。输出频率由频率控制字和系统时钟以及相位累加器的位数共同决定

式中：fs——系统时钟频率1GHz，FTW——存储在寄存器中的二进制频率控制字，N——相位累加器的位数。

单频模式下需要调用子函数对AD9910 控制寄存器CFR2、CFR3以及单频调制Profile0 进行设置，分别对应地址0x01、0x02、0x0E。其中，CFR2 使能单音调制；CFR3设置相对应的输出频率的范围和PLL 使能以及PLL倍频系数；单频调制Profile0配置幅度控制字和相位控制字，通过io＿update刷新操作得到相应的单个频率输出。设置AD9910 单频模式的子函数为：AD9910＿SINGLE（single＿freq，single＿amp）；其中，single＿freq代表DDS单频模式下的输出频率，single＿amp代表DDS 单频模式下的输出幅度控制。在主函数main中调用此函数即可通过上位机改变单频模式下的输出频率和幅度。

设置输出频率100 Mhz，示波器显示如图4所示。

图4 100 M 单频输出示波器显示

DRG 扫频模式采用正常斜坡发生方式，通过控制寄存器中的控制字设置扫描频率的上限值、下限值以及扫描步长和扫描步进时间［10－12］。步进时间直接影响扫描时间，扫描步长则直接反映扫描信号的频率分辨率

其中，P 为存储在控制寄存器中的频率控制字。通过配置对应地址为0x0b，0x0c，0x0d的寄存器，配置扫频模式下AD9910的相应参数。下面函数为AD9910DRG 扫频模式的子函数，可以在寄存器设置值的基础上添加一个比值（0.232831）转换成比较常见的十进制。

AD9910＿DRG （max ＿freq，min ＿freq，down ＿length，up＿length，down＿speed，up＿speed），其中，max＿freq代表扫描上限频率，min＿freq代表扫描下限频率，down＿length代表扫描递减步长，up＿length代表扫描递增步长，down＿speed代表扫描负斜率 （即改变一次频率所需时间），up＿speed代表扫描正斜率。

在主函数main中调用此函数即可通过上位机改变扫频模式下的对应参数。

射频驱动源频率范围设置65～200 MHz，分辨率1 KHz，输出功率2 W 以上，通过串口与上位机进行通信，该方式简单方便，易于开发。功率放大部分采用三级放大，并设计源端和负载之间的阻抗匹配以达到最佳的功率输出以及较高的输出效率。在射频驱动系统作用于AOTF 上，利用声光器件的快速动态响应特性和直接数字频率综合器（DDS）快速调频能力，通过设定起始频率、终止频率以及一个固定的扫描步长可以快速扫描声频。也可以固定一个频率，自然光通过AOTF的滤光作用，一个与此频率相对应的特定波长的光发生衍射，通过扫描整个波段可以得到相应的光谱信息。

3 实验验证

3.1 射频驱动系统对AOTF 衍射带宽和衍射效率的影响实验

实验装置如图5所示，入射光源为ABB白光光源，通过光阑去除杂散光使得入射光在AOTF 有效孔径8 mm×8mm之内，偏振片滤除＋1级衍射光从而使AOTF输出只有0级光和－1级衍射光。实验用中国电子科技集团公司第26研究所研发的LSGDN－3Z型声光可调滤光器。自行设计的射频驱动系统作用在AOTF 内部的压电换能器上实现同频率的声波对入射光波进行调制，使得相应频率的对应波长发生衍射，另一部分未发生衍射的光透射到AOTF外部，衍射光经Ocean光谱仪计算机显示和分析。

图5 AOTF实验测试装置

实验中打开射频驱动源测量－1级衍射光得到衍射光强，关闭射频驱动源直接测量0级光得到入射光强，二者比值得到AOTF 的衍射效率。光谱仪显示－1级衍射光半波宽度得到衍射带宽。实验结果表明：由上位机控制射频驱动系统在固定频率100 MHz下不同功率施加到AOTF上时，入射复色光经由AOTF 调制后得到的衍射光的衍射效率和衍射带宽均不同，如图6 所示，随着驱动功率变大，衍射效率也随之增加，同时带宽变大但总体不超过8nm。在扫频模式下，得到AOTF 在不同中心波长处的衍射效率曲线如图7所示，从图中可以看出，衍射效率可达60%以上，相对较高。

图6 频率100 Mhz，施加3个不同功率下衍射效率和带宽比较

图7 在自行设计射频驱动系统作用下，整个波段衍射效率

3.2 AOTF光谱成像实验

实验中将ABB白光光源打到一幅楼阁的照片上，射频驱动系统提供不同频率施加到AOTF 上，在－1级衍射光处放置可见光CCD 相机，从而使楼阁在不同波长下成像。成像结果如图8所示。从实验结果可以看出，同一幅图在不同波长下的成像清晰，表现了图像不同的特征。

图8 不同波长下光谱成像

4 结束语

本文根据声光可调谐滤光器 （AOTF）的工作原理，针对AOTF各种性能指标的影响因素，通过调谐能力强、频率范围宽、分辨率高的高速DDS 为核心的射频驱动系统，分析了射频驱动信号对AOTF分光能力的影响，并搭建相应的实验系统进行验证，最后在不同波长下实现光谱成像。实验结果表明：在实验所用AOTF可响应的波段内，频率和波长能够实现准确的对应关系，衍射效率可以达到60%以上。而且衍射带宽比理论上宽，但总体在8nm 以内。随着驱动功率的增大，衍射效率在一定范围内增大，同时伴随着带宽的增加。且入射角度在±3°范围内对衍射效率的影响可以忽略不计，不同波长下光谱成像清晰。

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