硕士论文-基于DSP的FTIR光谱仪定镜调整系统的研究与应用.doc

分类号 tp273.5 密级 u d c 编号 10486 武武 汉汉 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 基于 dsp 的 ftir 光谱仪 定镜调整系统的研究与应用 研研 究究 生生 姓姓 名：名： 指导教师姓名、职称：指导教师姓名、职称： 学学 科科 专专 业业 名名 称：测试计量技术及仪器称：测试计量技术及仪器 研研 究究 方方 向：光谱仪器研制、向：光谱仪器研制、dsp 应用应用 二二七年五月七年五月 郑郑 重重 声声 明明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、 抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，否则本人愿意承担由此 而产生的法律后果和法律责任，特此郑重声明。 学位论文作者（签名）： 年 月 日 - i - 摘摘 要要 基于傅立叶变换光谱学原理的傅立叶变换红外光谱仪（fourier transform infrared spectrometerftir 光谱仪）是继棱镜式、光栅式红外分光光度计后 发展起来的第三代红外光谱仪，通过获得物质的红外吸收光谱来鉴别组成物 质的成分，具有光通量大、准确度高和分辨率高等特点。 michelson 干涉仪是 ftir 光谱仪的核心部件，其准直性的好坏对动镜运 动的平稳性和获得的光谱图的质量有着直接的影响，继而影响到整机的性能 指标。论文即对干涉仪准直性的保证做了多方面的研究，主要包括干涉仪准 直性失调的理论分析、定镜动态校正系统软、硬件的设计与实现。 本文围绕干涉仪准直性失调的校正技术展开，制定了对动镜和定镜像间 倾斜角度实时校正的控制策略，设计并实现了以 tms320vc5416 dsp 微处理 器为主控器件的控制系统动态跟踪动镜的倾斜状态以调整定镜平面姿态，达 到校正干涉仪准直性失调的目的。 首先对干涉仪中各类准直性失调的来源进行了分析，从中找到相应的改 善措施。在干涉仪失调时的光路模型中，讨论了表征干涉仪准直性的两大参 数调制度和相位误差，通过推导建立了调整算法的数学模型。 为获得系统所需的控制信号，本文所讨论的 ftir 光谱仪中激光和红外光 同光路，并通过检测电路的冗余误差带设计有效得保证了 50%的占空比和过 零检测的精度，获得较为理想的激光干涉信号的方波脉冲。 建立模型以后，从硬件和软件两方面对控制系统进行设计：硬件上，通 过相位检测电路获取相位差信息，送给 dsp 进行调节计算后输出数字调整量， 经 da 转换和功放放大后，通过改变永磁电磁混合式电磁致动器的电磁线 圈中电流大小来控制导磁体的微位移，从而调整定镜平面的姿态，实现对动 镜和定镜像间倾斜角度的有效控制。软件上，通过读取状态寄存器中的标志 位获悉动镜的运动情况和主机的控制指令，采用改进 pid 算法对相位差进行 调节，提出了分段式调整定镜平面姿态的思想，以保证调整的精度和稳定性。 同时还开发了人机交互接口同计算机通信，以方便用户在更换分束器后对干 涉仪的准直性进行校正，扩宽仪器的波段范围。 最后本文在调整定镜和不调整定镜的情况下，分别从干涉仪的准直性能 （激光调制度和相位误差） 、动镜运动的平稳性和获得的光谱图质量三个方面 进行了比较，实验结果表明本文所开发的定镜动态调整系统具有足够的精度 和实时性，能够保证 ftir 光谱仪中干涉仪所需的准直性要求。 关键词：关键词：傅立叶变换红外光谱仪 准直性失调 定镜动态调整 dsp cpld - ii - abstract fourier transform infrared (ftir) spectrometer, on the principle of fourier transform spectrography, is the third generation of infrared spectrometers, after prism and grating infrared spectrophotometer. it identifies the composition of the matter through the infrared absorption spectrum, with the characteristics of great luminous-flux, high accuracy and resolution and so on. as the kernel of ftir spectrometer, michelson interferometer should have good performance of collimation, which influences the stability of the moving-mirror and the quality of the spectrum, and also takes effect on the performance index of the instrument. this thesis researches much on the guarantee for the collimation of the interferometer, including the theory analysis for the misalignment of the interferometer, the design and implemention of software and hardware of the control system for dynamically adjusting the fixed-mirror. this thesis focuses on the technology of calibration for the misalignment of the interferometer, by giving the control strategy for adjust the tilt angle between the moving-mirror and the image of the fixed-mirror, and designing the control system, in the charge of tms320vc5416 dsp, to adjust the fixed-mirror through tracing the declivity of the moving-mirror so that the control system can correct the misalignment of the interferometer. at first, this thesis analyzes the sources of various alignments of the interferomenter, and finds the ways for the improvment. in the light path model of the alignment of the interferometer, it dicusses the two parameters of the collimation performance of the interferometer which are modulation degree and phase difference, and establishes the mathematic model of the adjusting algorithm. in order to obtain the control signal, the light path of the laser and infrared light of ftir spectrometer given in this thesis are the same. the thesis designs error band of the detecting circuit to guarantee the duty cycle of 50% and high accuracy of the zero-crossing detection, and it gets the idea pulse of laser signal finally. this thesis takes the control system into consideration from two aspects of hardware and software after the establishment of the model. when it comes to hardware, it gets the information of phase difference from the zero-crossing detection circuit, and then sends it to dsp for the regulation to get digital value of adjustment, which can change the current in the magnetic coil of the electromagnetic actuator to control the micro-displacement of the magnetic conductor after the conversion of the da circuit and the amplification of the power amplifier. therefore, the attitude of the fixed-mirror can be adjusted, and the tilt angle between the moving-mirror and the image of the fixed-mirror can be limited. as far as software is concerned, - iii - the thesis gets to know the movement of the moving-mirror and instruction from the host by reading the flag bits in the status register, adopts modified pid algorithm to adjust the phase difference, and brings about the sectional control for the adjustment of the fixed-mirrors attitude to guarantee the accuracy and stability. this thesis develops man-machine interface to communicate with the computer, so that the client can correct the alignment of the interferometer after changing beam-splitter, which expands the band range of the instrument. under the circumstance of adjusting or non-adjusting the fixed-mirror, this thesis compares them in the light of collimation performance of the interferometer which consists of modulation degree and phase difference, stability of the moving-mirror and the quality of the spectrum. the experimental data show that the control system designed and implemented by this thesis has the enough accuracy and real-time, meaning that it can satisfy the requirment of collimation of the interferometer in the ftir spectrometer. key words: ftir spectrometer；misalignment； dynamic adjustment of the fixed-mirror；dsp；cpld - iv - 目 录 摘摘 要要i abstract.ii 引引 言言1 第一章第一章 绪绪 论论2 1.1 傅立叶变换红外光谱仪的发展2 1.2 国内外发展和研究现状4 1.3 研究背景和选题意义6 1.4 本文主要研究内容7 第二章第二章 干涉仪非准直误差理论分析干涉仪非准直误差理论分析9 2.1 概述9 2.2 干涉仪准直性失调的种类和来源9 2.3 干涉系统准直性失调时的光路模型分析10 2.4 入射孔径的形状对干涉图的影响12 2.4.1 信号光束的入射孔径为矩形12 2.4.2 信号光束的入射孔径为圆形13 2.5 倾斜误差分析与讨论14 2.5.1 调制度分析14 2.5.2 相位误差分析15 第三章第三章 系统基本结构系统基本结构18 3.1 硬件模块18 3.1.1 核心部件 dsp 简介.19 3.1.2 逻辑器件 cpld 简介21 3.1.3 系统硬件模块实现22 3.2 软件模块23 3.2.1 调整算法23 3.2.2 控制策略26 第四章第四章 系统电路设计系统电路设计28 4.1 参考激光干涉系统28 4.1.1 动镜与定镜像间倾斜角度获取29 4.1.2 电路实现30 4.2 dsp 控制模块32 4.2.1 电源电路33 4.2.2 存储器扩展设计36 4.2.3 时钟电路37 4.2.4 jtag 仿真电路 37 4.3 驱动模块38 4.3.1 电磁致动器简介38 - v - 4.3.2 da 电路设计 39 4.3.3 功放驱动电路41 第五章第五章 调整算法实现调整算法实现43 5.1 软件编写概述43 5.1.1 dsp 集成开发环境简介.43 5.1.2 基于 c 和汇编语言混合编程 .44 5.1.3 定点 dsp 实现浮点运算的基本原理.44 5.2 cpld 逻辑设计.46 5.2.1 相位检测原理47 5.2.2 计数器模块48 5.2.3 状态寄存器和控制寄存器50 5.2.4 串并转换移位模块51 5.2.5 其他功能51 5.3 控制程序总体结构51 5.3.1 系统初始化模块51 5.3.2 中断服务子程序51 5.3.3 控制算法实现52 5.3.4 bootloader 模块 54 第六章第六章 实验结果及讨论实验结果及讨论56 6.1 定镜可调范围分析56 6.1.1 倾角与相位差间的关系56 6.1.2 数据处理实例57 6.1.3 系统调整范围限定57 6.2 误差理论分析58 6.2.1 调整性能分析58 6.2.2 调整误差分析59 6.3 实验条件60 6.4 实验数据及讨论61 6.4.1 从干涉仪准直性能评价定镜动态调整的效果61 6.4.2 从动镜运动平稳性评价定镜动态调整的效果63 6.4.3 从谱图质量评价定镜动态调整的效果64 6.4.4 实验小结66 第七章第七章 总结与展望总结与展望67 7.1 本文工作总结67 7.2 展望68 参考文献参考文献70 致致 谢谢72 - 1 - 引引 言言 自 kirchhoff 和 bunsen 于 1859 年制成了世界上第一台结构完整的光谱仪器以 来，光谱仪器本身及其应用也发展到相当完善的程度。在本世纪 60 年代左右光谱 技术和光谱仪器的发展似乎已经停滞，在原理、设计、应用个方面似乎已经满足了 当时科技、产业的需求，从真空紫外到远红外，都已建立了完整的光谱定性、定量 分析方法及整套光谱线谱、图谱，并发展了与之相适应的各种光谱仪器。 ftir 光谱仪利用干涉图和光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图并对干涉 图进行傅立叶积分变换的方法来得到光谱图。随着现代化光电子技术和计算机技术 的发展，ftir 光谱仪一方面逐步向小型化的便携式方向发展，另一方面则是向着 大规模的多功能方向发展，本文研制的定镜动态调整系统就是针对实验室用的多功 能 ftir 光谱仪的性能保证而提出的。 ftir 光谱仪的定性和定量功能的实现是通过动镜得不断运动改变光程差来得 以实现的，动镜运动过程中的位置误差和平稳性决定了干涉效果和获得的光谱图质 量，而激光干涉信号的好坏则决定了驱动动镜运动的电机的运动性能，因此动镜和 定镜在动镜运动过程中的准直状态的保持尤为重要。 建立在离散信号和系统的基础之上的 dsp 理论易于进行数学处理，能够通过 对模拟信号采样来获得离散时间信号。因此基于 dsp 的控制系统可用 dsp 处理器、 adc 和 dac 代替放大器、调制器和滤波器等模拟装置，以软件实现特定信号处理 算法或计算说明来执行数字运算、处理数字信号。同时 dsp 系统的成本一直在持 续降低，而性能一直在升高。 本论文即以 dsp 处理器为主控装置的控制系统，在动镜运动过程中动态跟踪 动镜的倾斜，将倾斜量预处理后经 dsp 运算得到定镜修正的偏转角度，再通过功 放输出驱动微位移驱动器控制定镜平面姿态，以保证动镜和定镜间的良好准直状态。 同时还设计了人机交互接口，方便操作人员操作计算机通过 usb 单片机发指令给 dsp 来校正定镜平面姿态，以扩展仪器的谱段范围，具有良好的操作性和扩展性。 - 2 - 第一章第一章 绪绪 论论 本章摘要本章首先介绍 ftir 光谱仪的发展历史，然后介绍了其核心部件干涉仪准直性保证的国内外现状， 并给出了本文实现的基本方案和策略，在此基础上得出了本文的选题意义，最后简述了本文各章的组织构成和论 文的安排情况。 1.1 傅立叶变换红外光谱仪的发展傅立叶变换红外光谱仪的发展 ftir 光谱仪也是用来获得物质的红外吸收光谱，但其测定原理不同于其他类 型的红外光谱仪1。ftir 光谱仪是采用双光束干涉原理,使相干光束间的相位差连 续变化，通过采集记录干涉图（中央条纹的光强变化曲线） ，然后对其进行傅立叶 积分变换获得光谱图2, 3。与传统的色散型光谱仪和布里珀罗干涉光谱仪不同， ftir 光谱仪不是使不同波长的光谱组元在空间分解开来、在不同的空间位置获得 不同波长的光谱信息3，而是以某种数学方式对光谱信息进行编码的摄谱仪，能同 时测量、记录所有谱元的信号，并以更高的效率采集来自光源的辐射能量，从而使 它具有比传统光谱仪高得多的信噪比和分辨率4；其数字化的光谱数据，也便于数 据的计算机处理和演绎。正是这些基本优点，使傅立叶变换光谱方法发展为目前红 外和远红外波段中最有力的光谱工具，并向近红外5、可见和近紫外6波段扩展， 和荧光、喇曼散射等其他光谱技术相结合。它的研究、开发和应用已经形成了光谱 学的一个独立分支傅立叶变换光谱学，或称干涉光谱学7。 1880 年，michelson 发明了能方便而精确地改变和控制两相干光束间的光程差 的干涉仪，并以他的名字命名为 michelson 干涉仪8。michelson 还认识到，从干涉 仪的干涉条纹，有可能导出某些光谱信息。他据此推测出氢原子光谱的巴尔末红线 是一条双线而非单线，这在当时是无法用任何其他实验方法来分辨的。 接着瑞利认识到，由干涉仪产生的干涉条纹即我们所称的干涉图，可以通过傅 立叶积分变换的数学运算同通过干涉仪的辐射光谱联系起来。首次对干涉图的准确 测量，则是由 rubens4等人在本世纪初采用双束干涉仪方法实现的，他们还根据 假定的光谱分布计算了干涉图，来与实验测得的干涉图进行比较。 尽管如此，直到上世纪 50 年代，傅立叶变换光谱学才得到真正的突破和开发。 - 3 - 1949 年，fellgett4第一次真正通过对干涉图的傅立叶积分变换获得光谱图。他首 先指出，注重采用干涉方法测量光谱的主要优点是同时接收和测量来自所有光谱频 率的讯号。因而在相同信噪比、分辨率情况下可大大减少测量时间，或在维持同样 测量时间的条件下可以获得比色散型光谱仪高得多的信噪比。干涉光谱学方法的这 一优点，借用无线电测量的术语，称之为多频道优点。干涉光谱学方法的另一基本 优点，所谓高通量优点则是在 50 年代初期由 jacquinot4首先认识到的。 在 fellgett 和 jacquinot 提出了傅立叶变换光谱方法的基本优点以后， j.d.strong 和他的合作者 h.a.gebbie，e.v.loewenstein 和 g.vanasse 在开发这一光 谱方法方面作出了重要贡献。他们的实验证实了上述干涉光谱学方法的基本优点是 可以实现的。他们研制的傅立叶变换光谱仪获得了良好的分辨率和信噪比。除此以 外，他们还首先发展了用于远红外和亚毫米波段的片状光栅型干涉仪。l.genzel 等 人也同时发展了这种亚毫米波段的片状光栅型干涉仪并以周期性扫描模式工作。 jacquinot 的学生 p.connes 和 j.connes 夫妇在发展近红外傅立叶光谱方法、傅 立叶变换数据处理和用于天文观测方面作出了重要贡献。j.connes 还在 60 年代初 期总结和阐述了傅立叶光谱方法的主要理论问题。 到了 60 年代中期，傅立叶变换光谱学方法得到了决定性的突破，即所谓快速 傅立叶交换算法(fft)的发现和推广9。采用常规的傅立叶变换运算，即使是采用 当时最大型的数字电子计算机进行处理也需要几个小时才能完成一个较高分辨率的 变换光谱的运算。这就大大限制了傅立叶变换光谱学方法的使用范围。而采用 cooleytukey 发现的快速傅立叶变换算法，几分钟就能完成原来需要几小时才能 完成的变换运算。计算一个较低分辨率的光谱，甚至只需要几秒钟的时间。这一计 算方法的发现和推广为后来商用傅立叶光谱仪的实时光谱显示和记录奠定了坚实的 基础。 所有上述这些贡献以及其他大量在文中无法提及的工作使得 70-80 年代傅立叶 变换光谱学方法得到了迅速的发展和普及，许多光谱仪器制造厂商竞相开发和生产 多种形式的傅立叶变换红外光谱仪，使之成为当今红外光谱仪的主导产品1。应用 方面，它们也已成为红外、远红外、亚毫米波段10以至近红外波段最有效的和常 规的光谱方法而广泛用于物理、化学、生物和医药的基本研究和检测，天文观测， 各种工业生产过程、大气环境污染状况的检测和控制，核同位素分析和等离子体热 - 4 - 核反应温度测量等各种方面，而且在综合性能、使用方便、价格等方面也超过了传 统的色散型光谱装置，以至传统色散型光谱方法也正努力借鉴傅立叶光谱方法的优 点。 1.2 国内外发展和研究现状国内外发展和研究现状 对于 ftir 光谱仪的核心部件干涉仪而言，如果动镜和定镜的波面存在夹角， 会使得干涉图的干涉区域减小，条纹调制度下降，相位误差增大，势必影响到还原 后的频谱图。理论上要求 ftir 光谱仪的最终波面误差小于 1/4，其中为光 min min 谱仪工作波长的最小值11。举例来说，假设反射镜直径为，仪器工作波长mm45 的最小值为，则要求波面误差不超过 1/4时，动镜和定镜像间的倾斜角必m1 min 须控制在小于的范围内。可见单纯依靠机械加工是难以保证的，因此必须采用一 1 定的措施控制动镜和定镜像的倾斜角度在允许范围内。 目前国际上解决这个问题的方法有两种：一种是采用角反射镜或猫眼反射镜形 成光束自动准直12；另一种是采用动态调整定镜平面姿态的方法13。采用角镜或 猫眼镜保证干涉系统的准直性会增加系统光路的复杂性，增加驱动动镜的音圈电机 的负载重量，同时它们对加工精度以及温度稳定性等都有着非常严格的要求。一方 面，角镜或猫眼镜的准直性能是具有一定的限度，会为准直性带来如光束中心横向 偏移等问题14；另一方面，光谱仪在工作过程中，环境温度的变化对仪器影响是 无规律的，因此对于那些不能预见的影响，无法实现自适应校正的效果。从动态校 正的角度出发用高速倾斜镜作定镜15，根据检测到的倾斜误差迅速地对动镜和定 镜像之间的夹角进行补偿校正，达到保持准直的目的。采用动态准直系统13, 16， 能够克服由机械结构带来的误差，由温度变化引起的准直性变化，以及由外界震动 引起的性能下降，并能从一定程度上放宽对动镜运动的要求17。 表 1-1 两种常用倾斜镜驱动装置的性能比较 调整装置调整螺丝、转矩或两者结合压电晶体 校正速度慢快 相应频率低(10hz)高(几百 hz,几 khz) 精度低高(0.01)m 调整范围几十个波长（大）小于十个波长 调整时间几分钟到十几分钟几秒 电机速度慢快 参考光束激光或白光激光 - 5 - 代表产品 unicam research series frir bomen da2 系列 utah 大学 ftir afgl(walker and rex) beckman ftir its，his uv-vis 在动态校正领域里，曾有采用压电倾斜镜的方法进行校正应用研究11，本课 题组在研发早期也曾对此进行了相关研究。相对于早期驱动装置，压电晶体在动态 校正领域具有明显的优势，如表 1-1 所示。但压电型驱动器在工作时需要高压，驱 动电路部分显得庞大，使用时还需格外注意高压短路方面的防护。压电陶瓷采用叠 片式结构，因此自身组织易出现不规则的应变和蠕变，会产生飘移现象。 利用新功能材料稀土超磁致伸缩材料（giant magnetostrictive material gmm）设计的微位移驱动器具有分辨力高、体积紧凑、传动无间隙等优点；但同 时也无法回避超磁致伸缩驱动器体积大、安装不便、温度影响难以控制等缺点。相 比而言，利用电磁原理设计制作的电磁驱动器，较其它几种有明显的优越性：线性 度高、重复性好，对磁铁线圈优化设计得到电磁力的线性关系以后，通过控制电 流大小就可以很好地实现对力的控制，从而能够事先知道所加力的大小，解决了微 小力测量的困难。将其应用于光谱仪定镜平面控制，获得了较好效果。从降低成本、 减小体积的角度出发，本论文的定镜动态系统采用了电磁驱动器来控制定镜的倾斜。 通常的动态校正系统的驱动部份是安装在定镜上的，也有将系统校正驱动安放 在动镜上的，将驱动器安放在不同部位各有利弊。将驱动器安放在动镜部分，使系 统运动部件比较集中，干涉仪其它部分固定，系统稳定性好；但是动镜部分由于加 装了动态校正系统而变得复杂，另外校正驱动器会随着动镜的运动而运动，并随之 震动，这对校正系统的正常工作以及校正精度都有影响，因此应用较少。本文即是 将驱动部分固定于定镜之上的。 1956 年 b. leighton 在天文望远镜上用一个的电磁控制的倾斜跟踪补偿像hz5 晃动，得到了当时的最佳照片，这是人们首次实现对光学系统的自适应校正。早期 应用于动态校正的驱动装置，由于没有特定的用于该应用的装置，因此多数采用自 制的电磁或电动装置17。国内外自适应校正的应用非常广泛，在 ftir 光谱仪方面 的应用尤为明显。早期主要应用于商用 ftir 光谱仪，这些产品采用动态校正系统 主要是为了克服热梯度震动等引起的准直性变差的问题。由于早期的 ftir 光谱仪 - 6 - 都是商用仪器，扫描速度较慢，对动态校正的速度要求不高，多采用步进电机等调 整装置，如 bomen 公司的 da2 系统产品17。随着 ftir 光谱仪越来越广泛的应用， 动镜的扫描速度越来越快，同样对动态校正系统的速度要求也越来越高，因此多采 用压电晶体进行实时校正，例如 its(interferometer thermal sounder)光谱仪和 his(high-resolution interferometer sounder)光谱仪，在 nicolet 系列智能傅立叶光谱 仪中，采用了电磁驱动实现数字化连续动态调整18。作为在 20 世纪 60 年代开始 普及的数字信号处理器（dsp） ，具有数字硬件速度快、使用简单、价格便宜、可 用性强等优点，还能使用算法来升级系统的参数以适应动态变化的环境，因而成为 信号处理中的首选方法19，本文所设计的控制系统即是基于 dsp 处理器的。 1.3 研究背景和选题意义研究背景和选题意义 ftir 光谱仪利用频率调制方法，使不同波长的光受到不同频率调制，然后通 过傅里叶积分变换进行解调而获取不同波长的光谱信息3。在 ftir 光谱仪中，首 先通过 michelson 干涉仪将光源发出的光变成干涉光，再照射到样品上，通过检测 器调制可获得干涉图，而实际的吸收谱图则是在计算机内进行傅里叶变换后得到的 1。由此可见基于光束的 michelson 干涉仪是 ftir 光谱仪的核心，一般包括主干 涉仪和激光干涉仪，主干涉仪用来获取样品的干涉图，而激光干涉仪则用于实现对 样品干涉图的等间隔取样、动镜移动速度和行程的监控20，基本结构如图 1-1 所 示。 从上图不难看出，ftir 光谱仪要求动镜在扫描过程具有高精度的匀速性和在 图 1-1 ftir 光谱仪结构示意图 - 7 - 垂轴方向很小的摆动，这就对仪器的机械精度和系统稳定性提出了很高的要求，特 别是对干涉仪准直性的要求。实验发现，动镜的运动情况21及其与定镜间的准直 情况对仪器性能有着至关重要的影响，而动镜的运动状态由受到动镜和定镜的准直 性制约，因此如若无法保证良好的干涉状态，仪器的整体指标将无法上去。本论文 的研究内容就是主要围绕 ftir 光谱仪的干涉仪准直性的控制系统的实现展开，以 期实现动镜运动过程中保持干涉仪良好的干涉状态，以保证仪器的性能指标。因此 本论文的选题无论是在理论上还是在实用上都具有重要的意义。 1.4 本文主要研究内容本文主要研究内容 本论文研究的课题受到“十五”国家科技攻关项目“傅立叶红外及激光拉曼光 谱仪的研制与开发” （no.2004ba210a02）的资助。文中所设计研制的控制系统是 针对光谱仪中的核心部件 michelson 干涉仪的，研究成果对于精密驱动与定位、快 速跟踪与调整、反馈控制、人机交互等领域都具有重要的参考意义。 结合本课题组开展的控制系统的设计研究，本论文的研究目的就是以 dsp 微 处理器为核心元件，在数字控制研究和调整算法改进的基础上，开发研制出实时跟 踪并及时调整定镜平面姿态的控制系统。 本论文的主要目的是构建出响应快、精度高的控制系统，我们以 ti-dsp 为核 心元件，通过执行改进 pid 算法得出调节量从而驱动定镜平面产生一定角度的倾 斜以校正动镜运动过程中的倾斜。为此本论文主要开展了以下几方面的研究工作： 1. 理论模型的建立 在 ftir 光谱仪工作原理的基础上，对仪器的核心部件 michelson 干涉仪的 准直性失调进行了分析，找到其各种误差的来源以进行控制来加以改善，通过 对光路模型的分析，推导出数学模型，得出系统的控制策略。 2激光干涉信号检测模块的设计 激光干涉信号是仪器工作的源信号，一方面它用作动镜驱动的反馈脉冲， 反映了动镜的运动状态；另一方面通过三路激光信号间的不同相位可以跟踪动 镜运动过程中的倾斜程度，反映了动镜和定镜间的准直状态；此外它还用作采 集红外干涉信号的采样脉冲。由此可见，激光干涉信号检测模块是整台仪器正 常工作的基础，所获得的信号的好坏反映了仪器性能的优劣。本文为此设计了 - 8 - 过零冗余误差带来实现高精度的过零检测，保证了 50%的占空比并控制了初始 相位差。 3. 相位检测的实现 可编程的复杂可编程逻辑器件(cpld)因其时序严格、速度较快、可编程性 好，故而非常适合于实现译码和专门逻辑电路，也能够适应对译码速度要求较 快的 dsp 处理器的需求。本文利用了 cpld 的丰富资源来配合 dsp，在其内部 的设计了三个 10 位的计数器来检测相位差，以获取动镜运动过程中的倾斜信息。 4驱动电路的设计 在对比各类驱动器的性能以后，本论文采用了高精度、大范围的电磁式微 位移驱动系统来调整定镜，该微位移驱动系统以电磁线圈、永磁铁、弹性材料 为核心元件，通过改变螺线管线圈产生的激励磁场来改变作用在弹性材料上的 电磁力，进而偏转定镜平面来改变其倾角。本文采用了电压输入的精确控制策 略，设计了高稳定性驱动电路为电磁致动单元提供稳定的驱动电流，以精确得 调整定镜平面姿态。 5控制算法的 dsp 片上实现 dsp 处理器中 c 编译器效率的提高使得控制算法的片上实现更为简单、执 行更快。本文对控制领域中应用较为成熟的 pid 算法进行了改进，提出分段控 制的策略对定镜平面的姿态进行有效合理的控制。 6. 人机交互接口的设计 为了拓宽仪器的使用谱段范围，本文还通过 usb 接口实现了与计算机间的 通信，使得更换分束器后能够实现对干涉仪的准直校正，保证仪器开始工作前 处于最佳状态。 - 9 - 第二章第二章 干涉仪非准直误差理论分析干涉仪非准直误差理论分析 本章摘要本章在介绍干涉仪准直性失调的种类和来源的基础上，建立了光路模型，针对信号光束孔径的差异 分析、讨论、比较了倾斜误差对干涉图及其复原谱图质量的影响，最后建立了系统的数学理论模型。 2.1 概述概述 在 ftir 光谱仪中，michelson 干涉仪是其光学系统的核心部件。光谱性能好 坏，很大程度上取决于干涉系统中动镜和定镜的准直精度22。光谱仪要求动镜沿 直线做扫描运动的同时，必须与定镜保持严格的准直关系，主要就是为了减小系统 非准直失调带来的各种误差11, 17, 23, 24。 2.2 干涉仪准直性失调的种类和来源干涉仪准直性失调的种类和来源 在 ftir 光谱仪的研制中发现，系统准直性失调有多种来源，但影响最终都可 以归结为：动镜相对理想状态的定镜产生倾斜，使得动镜和定镜对分束器的镜像不 再保持平行。 根据失调随光程差变化而变化的特性，产生干涉仪准直性失调的来源主要有以 下四类25：一、器件加工缺陷或安装不良所引起的固定误差；二、运动部件缺陷 造成的随动镜位置变化而变化的系统误差；三、频率较低的外界振动或外加信号的 随机干扰；四、频率较高的随机扰动。 图 2-1 随光程差变化出现的各种倾斜误差分布 - 10 - 动镜运动过程中，动镜和定镜对分束器的镜像间的平行性误差包含有很多种， 原理上可分为系统误差和随机误差24两大类。其中系统误差主要包括静态单向失 调，和由系统加工设计及安装产生的准直性失调；随机失调则包括模型化的失调和 真实仪器的失调。 在图 2-1 所示的各种失调误差曲线中：曲线(a)所示的误差量属于系统误差，在 动镜运动过程中保持不变，它是由器件加工出现的偏差或安装不良造成的，例如电 机轴与反射镜粘接的不垂直、电机轴和光轴的不平行等。曲线(b)和(c)所示的误差 量则随着动镜位置的变化而变化，且与动镜位置基本成线性关系，二者不同之处在 于相对零光程差位置的对称和不对称。该误差量由运动部件结构缺陷或者加工缺陷 造成，例如电机轴弯曲或者支撑力量随动镜位置变化而变化。除此以外，还存在一 些非线性的系统误差，不过由于系统误差具有规律性，因此都比较容易校正。曲线 (d)是典型的随机误差曲线，变化不规律且频率较高，但其幅度基本上处在确定的 范围内。该误差的来源比较复杂，可看作是各种随机干扰的综合。曲线(e)是某些 低频振动或外加信号所产生的误差曲线。实际干涉系统中的准直性失调是由上述各 种误差迭加在一起所产生的。 2.3 干涉系统准直性失调时的光路模型分析干涉系统准直性失调时的光路模型分析 图 2-2 michelson 干涉仪各组成部分坐标对应关系 - 11 - 图 2-2 代表了 michelson 干涉仪中动镜、定镜及它们的干涉面坐标对应关系， 动镜位于平面上，其中心轴线为 z，x 轴则垂直于定镜平面。理想情况下，动xoy 镜随驱动系统只沿 z 轴作扫描运动。但由于外部环境震动等多种原因，动镜还会具 有其他运动方式：沿 x 和 y 方向的平移，绕 x 轴、y 轴和 z 轴三条轴线平行轴的轻 微转动。这五种运动形式中，轻微平移和绕 z 轴平行轴的轻微转动对系统的影响可 忽略，但是绕 x 轴和 y 轴平行轴的转动则分别带来了动镜在俯仰和左右两个方向上 的倾斜，会对干涉系统产生巨大的影响。 图 2-2 中的 michelson 干涉仪，入射光束的中心光线与 z 轴共线，通过分束器 后分为光束 和光束两部分，它们分别经定镜和动镜的反射后，在干涉面 s 上形 成干涉条纹。设动镜以点为倾斜中心，在俯仰方向倾斜角，在左右方) 0 , ,( 00 yxo 向上倾斜角，此时动镜平面的法线方向矢量为： (2-1)coscos,cossin,sincos(i 1. ，动镜处于理想状态0 光束和光束在 s 平面处发生干涉，形成亮度均匀的干涉条纹，且条 纹会随着动镜的移动而明暗交替变化。对波长为的单色光来说，在探测器 上接收到的干涉图可表示为： (2-2) ( )( )1cos(2)i lb vvl 式中， 为波数， 为光束和光束之间的光程差。v1/l 2. 不同时为 0 时，动镜发生倾斜和 此时在干涉面 s 上分布着光强不均匀的条纹状干涉光斑。假设动镜平面 以点发生了倾斜，则在图 2-2 所示的坐标系中，根据式(2-1)可得 00 (,0)o xy 动镜平面的方程： - 12 - (2-3)0coscoscossin)(sincos)( 00 zyyxx 在的值非常小的情况下,动镜平面方程可简化为：和 (2-4) 00 0xxyyz 光束的光线通过动镜反射后，与理想状态相比产生了的附加光2lz 程差，即光束中过点的光线通过动镜反射以后，所产生的附加光程) 0 , ,(yx 差为： (2-5) 00 22lxxyy 图 2-2 所示的坐标系中，通过动镜中心点的光线在此干涉平面)0 , 0 , 0(o s 上对应着点，以点为原点建立与理想动镜平面相对应的干涉平面坐 2 o 2 o 标系，此时原点处的光程差为，则任意点所 2 o 2 o 00 22xyl( , )n 对应的光程差为 (2-6) )(2)(2),( 00 yxll 由式(2-6)可知，在干涉面上，直线位置处)(2)(2 00 yxlk 恰好为亮条纹，同理可得直线位置处恰)(2)(2)2/1( 00 yxlk 好为暗条纹，其中为整数。综上所述，光程差 随着动镜运动而变化时，kl 干涉图案中明暗条纹的位置也随着光程差 的变化而移动：l (1) 为 0 时，明暗条纹与轴平行，相邻明暗条纹间距为；4/ (2) 为 0 时，明暗条纹与轴平行，相邻明暗条纹间距为；4/ (3) 和都为不为 0 时，明暗条纹为斜条纹，斜率由和的比值确定， 相邻明暗条纹间距为。)4/( 22 2.4 入射孔径的形状对干涉图的影响入射孔径的形状对干涉图的影响 2.4.1 信号光束的入射孔径为矩形 信号光束的入射孔径为矩形时，假设矩形的两边分别平行于图 2-2 所示的 x 轴 - 13 - 和 y 轴，中心光线与 z 轴共线，尺寸大小为，则式(2-6)中的变量被限 21 dd 和 制在矩形的区域范围内。2/, 2/,2/, 2/ 2211 dddd 对信号光束而言，探测器接收的是整个干涉面上的光通量，那么采用波数为 的单色光源，以倾斜中心处光程差 为变量，探测器上获取的干涉图为vl (2-7)ddyxlvvb dd li d d d d 2/ 2/ 2/ 2/ 00 21 2 2 1 1 )(2)(22cos1)( 1 )( 进行积分变换，可得 (2-8) 1200 ( )( ) 1 sin (2)sin (2)cos2(22)i lb vcdcvdv lxy 由上式可知，动镜发生倾斜时，干涉图中的余弦分量受到了两个 sinc 函数的幅 度调制，调制度为 (2-9) 1212 (, , )sin (2)sin (2)m d dcdcvd 同时，余弦分量中还出现了随和变换而不断变化的初始相位 00 (,)xy, (2-10) 0000 (,; , , )4()xyvvxy 2.4.2 信号光束的入射孔径为圆形 信号光束入射孔径为圆形时，对式(2-7)进行二重积分来也能求得其干涉图的表 达式，但是计算比较复杂，为此我们转换思路来考虑这个问题。无论入射孔径形状 如何，动镜平面同时绕 x 轴和 y 轴平行轴的转动都等价于动镜单独绕平面内某条直 线的转动，该直线即为倾斜后的动镜平面与理想动镜平面的交线，可表示为 图 2-3 倾斜角度和的合成示意 图 - 14 - (2-11)0)(2)(2 00 yx 假设动镜绕 x 轴和 y 轴分别转动了和角度，则可被合成为动镜绕动镜平面 内直线转动的一个角度，如图 2-3 所示，由几何关系可得：p (2-12) 22222 tgtgtg 因此只需建立动镜倾斜一个角度时的模型26即可表达出动镜的各种倾斜姿态。 这种分析思路所建立的模型，对于矩形孔径而言是