一种基于光学系统的光束自动校准装置及方法

技术领域

本发明涉及硬件集成电路领域和光学技术领域，尤其涉及一种基于光学系统的光束自动校准装置及方法。

背景技术

光通信在这几十年有巨大的发展，从耳熟能详的家用光纤，到如今的光刻机，光通信应用的普及，促进了各类学科科研成果的发展。每一个光通信系统自然离不开光路系统，而光路系统的目的就是将光束从光源按照特定需求完好地输送到目的地，其中，光束的稳定性是不可忽视的环节。

传统的光束校准模块一般通过精简指令集械器（Advanced RISC Machine，ARM）来实现信号采集与模数转换，以及实现比例、积分、微分单元（PID）算法。虽然ARM本身功能齐全，但并不如各类芯片独立运行来的更高效、更精确。

发明内容

本发明基于现有的光束校准技术，提供了一种基于光学系统的光束自动校准装置及方法；采用搭建电路形成电路板的形式实现。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于光学系统的光束自动校准装置，包括位移四象限探测器、角度四象限探测器、前置运算放大器、低通滤波器、模数转换芯片、现场可编程逻辑门序列、数模转换芯片、后置运算放大器、快速反射镜、和压电平台；

所述位移四象限探测器和角度四象限探测器产生电压量，并将产生的电压量通过射频线缆将电压信号输送至位移四象限探测器接口和角度四象限探测器接口，再传输到前置运算放大器上；所述前置运算放大器对电信号进行幅值调整，将信号阻抗变为低阻，再传输到低通滤波器上；然后低通滤波器滤除电信号的高频干扰杂质，并将处理过的电信号输送至模数转换芯片，使电信号由模拟信号转换为数字信号；再输送至现场可编程逻辑门序列进行PID算法处理，完成后通过数模转换芯片；然后数模转换芯片将电信号由数字信号转换为模拟信号，再通过后置放大电路将电信号进一步放大信号幅值，最终输送到快速反射镜和压电平台上。

进一步地，还包括整流器、电源转换电路、输入/输出接口和电源供电接口；所述整流器用于将交流信号转换为直流信号，还用于将低压信号转换高压信号的作用；所述高压信号用于驱动快速反射镜或压电平台。

进一步地，所述装置的输入、输出均为模拟信号；其中输出为高压模拟信号，用于驱动快速反射镜或者压电平台。

进一步地，所述低通滤波器为无源滤波器，所述模数转换芯片和数模转换芯片与现场可编程逻辑门序列的通信均为低电平差分信号接口。

进一步地，所述现场可编程逻辑门序列及其外围电路和接口集成于母板，其他电路均集成于子板；所述母板和子板由标准FMC接插件进行对接通信。

进一步地，还包括固定模块；所述固定模块用于母板和子板对扣时，子板不会因重量倾斜导致接插件而松动。

进一步地，还包括激光发射器、第一全反射镜、回归反射镜、快速反射镜、第一半反半透镜、第二半反半透镜、第一透镜、位移四象限探测器、第二透镜、第二全反射镜、第三透镜、角度四象限探测器。

一种基于光学系统的光束自动校准方法，包括以下步骤：

步骤一：利用激光发射器产生一束激光入射至光路，经过第一全反射镜反射至回归反射镜，再全反射至快速反射镜；然后通过第一半反半透镜把一部分光输送至后面的光路，另一部分光则继续进行分光，分出的其中一束光通过第二半反半透镜和第一透镜输送至位移四象限探测器，另一束光通过第二透镜、第二全反射镜和第三透镜输送至角度四象限探测器；

当光束在水平轴向和垂直轴向发生偏移抖动时，所述位移四象限探测器采集到的两个偏移值产生变化，通过位移四象限探测器内部的光电转换之后，位移四象限探测器随着抖动的量输出电压值；

当光束在俯仰轴向和摇摆轴向发生偏移抖动时，角度四象限探测器采集到的两个偏移值亦产生变化，通过角度四象限探测器内部的光电转换之后，角度四象限探测器随着抖动的量输出电压值，

步骤二：将位移四象限探测器和角度四象限探测器产生的电压量通过射频线缆将电压信号输送至位移四象限探测器接口和角度四象限探测器接口上，通过两个前置运算放大器对电信号进行幅值调整，并将信号阻抗变为低阻；再通过低通滤波器滤除电信号的高频干扰杂质；然后将处理过的电信号输送至模数转换芯片，使电信号经过数字化处理，由模拟信号转换为数字信号；再将处理后的电信号输送至现场可编程逻辑门序列进行PID算法处理，使偏移量经过不断迭代运算最终变为目标值；

步骤三：完成PID算法计算后，现场可编程逻辑门序列与数模转换芯片进行互联，实现数据交互，将计算好的数值传至下级电路；数模转换芯片执行数据接收，并将数字信号转换为模拟信号，数模转换芯片完成电信号类型转换后，通过后置放大电路将电信号进一步放大信号幅值；然后通过整流桥将交流信号整流为直流信号，最终输送至后端设备 实现整个校准的闭环控制。

进一步地，所述位移四象限探测器输出的电压值和偏移抖动有一定线性关系；所述角度四象限探测器输出的电压值和偏移抖动亦具有线性关系。

进一步地，所述后端设备为通过高压来驱动陶瓷实现位移的设备，包括快速反射镜、压电位移镜或压电平台。

本发明的有益效果是：

1、本发明设计所采用的高精度模数转换芯片ADC最大可支持8通道信号输入，数模转换芯片可支持4通道模拟信号输出。两颗芯片均采用低电压差分信号（LVDS）传输方式与现场可编程逻辑门序列FPGA实现信息交互，使整个光束校准装置达到多通道输入/输出和高速处理的性能，相比于市面上较多的产品通道更多，速率更高。

2、本发明设计的前置放大电路、后置放大电路经过ADS等仿真软件的验证，具有很高的可靠性；由于电路通道数目较多，本发明采用严密的印制板布局将整个装置的电路走线最优化，在保证信号传输距离最短的前提下，合理运用板卡面积完成铺铜与走线设计。利用“子电路模块化”的设计理念，将不同功能的电路于印制电路板(Printed CircuitBoard，PCB板)区域分割设计，便于新人快速入手学习的同时，也合理的将模拟和数字信号完美去耦，确保二者信号互不干扰。

3、本发明采用母板和子板对扣连接的设计理念，把采集和输出信号的主体电路规划在子板上，将信号算法实现的电路用母版来实现。子板与母版对扣采用商用常见的FMC接插件，FMC接插件是被认可的常见高速信号传输接插件，如今有VITA 57.1和VITA57.4的相关标准。本发明的母板可以用类似性能的带有FMC接插件的FPGA母板来替代，具有很高的兼容性和通用性。

附图说明

图1为本发明一种基于光学系统的光束自动校准装置的电路示意图；

图2为本发明一种基于光学系统的光束自动校准装置的光路示意图；

图3为本发明一种基于光学系统的光束自动校准装置的仿真示意图；

图4为本发明一种基于光学系统的光束自动校准装置的波形为V1、V2的仿真示意图；

图5为本发明一种基于光学系统的光束自动校准装置的波形为V3的仿真示意图；

图中：激光光源1、全反射镜2、回归反射镜3、快速反射镜4、第一半反半透镜5、第二半反半透镜6、透镜7、光探测器8、透镜9、全反射镜10、透镜11、光探测器12。

具体实施方式

下面将结合实施例和实施例中的附图对本发明进行说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于光学系统的光束自动校准装置，包括位移四象限探测器8、角度四象限探测器12、两个前置运算放大器（OP1、OP2）、四个低通滤波器（LPF1、LPF2、LPF3、LPF4）、模数转换芯片ADC、现场可编程逻辑门序列FPGA、数模转换芯片DAC、四个后置运算放大器（OP3、OP4、OP5、OP6）、快速反射镜4、和压电平台Piezo；还包括整流器以及光探测器接口、输入/输出接口、电源供电接口、快速反射镜电压控制接口、电源接口等。该装置还包括固定模块；所述固定模块用于母板和子板对扣时，子板不会因重量倾斜导致接插件而松动。

所述低通滤波器为无源滤波器，模数转换芯片ADC和数模转换芯片DAC与现场可编程逻辑门序列FPGA的通信均为低电平差分信号接口。所述现场可编程逻辑门序列FPGA及其外围电路和接口集成于母板，其他电路均集成于子板；所述母板和子板由标准FMC接插件进行对接通信。所述整流器用于将交流信号转换为直流信号，还用于将低压信号转换高压信号的作用；所述高压信号用于驱动快速反射镜4或压电平台。

该装置的输入、输出均为模拟信号；其中输出为高压模拟信号，用于驱动快速反射镜4或者压电平台。

该装置还包括激光发射器1、第一全反射镜2、回归反射镜3、快速反射镜4、第一半反半透镜5、第二半反半透镜6、第一透镜7、位移四象限探测器8、第二透镜9、第二全反射镜10、第三透镜11、角度四象限探测器12。

所述位移四象限探测器8和角度四象限探测器12产生电压量，并将产生的电压量通过射频线缆将电压信号输送至位移四象限探测器8接口和角度四象限探测器12接口，再传输到前置运算放大器（OP1、OP2）上；所述前置运算放大器（OP1、OP2）对电信号进行幅值调整，将信号阻抗变为低阻，再传输到低通滤波器（LPF1、LPF2）上；然后低通滤波器（LPF1、LPF2）滤除电信号的高频干扰杂质，并将处理过的电信号输送至模数转换芯片ADC，使电信号由模拟信号转换为数字信号；再输送至现场可编程逻辑门序列FPGA进行PID算法处理，完成后通过数模转换芯片DAC；然后数模转换芯片DAC将电信号由数字信号转换为模拟信号，再通过后置放大电路（OP3、OP4、OP5、OP6）将电信号进一步放大信号幅值，最终输送到快速反射镜4和压电平台Piezo上。

本发明设计的模数转换芯片ADC和数模转换芯片DAC可以支持更高精度的信号采集和传输，现场可编程逻辑门序列FPGA提供了纳秒级的运算速率，使整个装置的延迟减小到尽可能低，实现几乎瞬时的算法处理。此外，LVDS通信协议编译上手快，调试方便，在本发明中可以实现模数转换芯片ADC、数模转换芯片DAC和现场可编程逻辑门序列FPGA之间的通信。

本发明使用多阶无源滤波器来代替传统有源滤波器的设计，多阶无源滤波器有更好的宽带滤波特性，在合理运用PCB布局后，其焊接面积与有源滤波器电路基本一致。

采用图1所示基于光学系统的光束自动校准装置的一种基于光学系统的光束自动校准方法如下：

如图2所示，利用激光发射器1产生一束激光入射至光路，经过第一全反射镜2反射至回归反射镜3，再全反射至快速反射镜4；然后通过第一半反半透镜5把一部分光输送至后面的光路，另一部分光则继续进行分光，分出的其中一束光通过第二半反半透镜6和第一透镜7输送至位移四象限探测器8，另一束光通过第二透镜9、第二全反射镜10和第三透镜11输送至角度四象限探测器12。其中，位移四象限探测器8负责测量光斑的偏移量，主要采集水平轴向和垂直轴向的两个偏移值；角度四象限探测器12则负责测量光斑的俯仰轴向和摇摆轴向的两个偏移值。

当光束在水平轴向和垂直轴向发生偏移抖动时，位移四象限探测器8采集到的两个偏移值将产生变化，通过其内部的光电转换之后，位移四象限探测器8输出将随着抖动的量输出电压值，并且此组电压值和抖动有一定线性关系，具体表示为：

式中，k

同理，光束在俯仰轴向和摇摆轴向发生偏移抖动时，角度四象限探测器12采集到的两个偏移值亦产生变化，通过其内部的光电转换之后，角度四象限探测器12输出将随着抖动的量输出电压值，此组电压值和抖动同样具有线性关系，具体表示为：

其中，k

位移四象限探测器8和角度四象限探测器12分别会产生三个电压量（V

本发明设计使用的各类集成电路芯片的反应速度均是百兆赫兹以上，整个算法运行的过程用时不到1毫秒，灵敏性很高。

现场可编程逻辑门序列FPGA收到上级发送的四组变量（x,y,α,β）后，利用PID算法使四组偏移量经过不断迭代运算最终变为目标值，实现光束校准的目标值通常为参数在其轴向的中心值，即中心零点。那么初始状态下，有以下表达式：

PID运算是通过考虑当前值与目标值的差值，由P、I、D三个参数因子分别做影响，其中各个因子对于调节速度、调节预判以及调节幅度的侧重点不同。本发明结合实际应用光路，最终的调节计算值与偏移量的表达关系式如下：

其中，V

完成PID算法计算后，现场可编程逻辑门序列FPGA以指定的通信接口与数模转换芯片DAC进行互联，实现数据交互，将计算好的数值传至下级电路。数模转换芯片DAC完成和上级的“握手”后，执行数据接收并开始进行数字信号转换为模拟信号的工作，此工作的目的是为了使所需信号转换为后端设备可识别的信号类型。由于数模转换芯片DAC产生的电流信号往往会夹杂数个谐波信号一起，此时低通滤波器（LPF3和LPF4）则需要进行谐波处理，提升输出信号的Q值。数模转换芯片DAC完成电信号类型转换后，此时的信号幅值不足以驱动后端设备，则通过后置放大电路（OP3、OP4、OP5、OP6）将信号进一步放大信号幅值；此时信号是交流信号，仍不能被直接使用，需通过整流桥将交流信号整流为高压直流信号。在本申请中，先用仿真软件对电路进行预仿真，参见图3的仿真示意图，VAC模拟为数模转换芯片的输出信号，RI为输出阻抗，电阻R1、R2和R3与前置运算放大器OP1组成一路运算放大电路，电阻R4、R5和R6与前置运算放大器OP2组成另一路运算放大电路，T1为变压器，R8为变压器后端阻抗，二极管D1、D2、D3和D4为全波整流桥，二极管D1、D2、D3和D4与电容CL和电阻RL组成全波整流电路，V1、V2和V3为三处仿真波形；先使用仿真软件的探针检测变压器后端的升压交流信号，当仿真结果符合本发明预期后，参见图4的仿真示意图，图中显示波形为V1、V2的仿真结果，将此部分仿真结果落实到后置运算放大器（OP3和OP4）上；继续仿真变压器后端全波整流电路，当仿真结果符合本发明预期后，参见图5的仿真示意图，图中显示波形为V3的仿真结果，将此部分仿真结果落实到后置运算放大器（OP5和OP6）上。高压直流信号产生后，最终输送至后端设备快速反射镜4、压电平台Piezo等进行使用。

本发明在设计上光学系统的光束稳定领域具有潜在的应用价值，因接口的通用性，本发明可与其他相等性能模块兼容和替换。

本发明已完成实物设计并进行实物测试，实际参数和指标根据光学系统本身来进行调试。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的原理和精神，均应涵盖在本发明的保护范围内。