基于AOTF多光譜成像的高性能射頻驅動系統

王耀利，溫廷敦，王志斌，張 瑞，李永帥

（1.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原030051；2.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原030051；3.山西省光電信息與儀器工程技術研究中心，山西 太原030051）

0 引 言

目前常用的分光器件包括分光棱鏡、光柵以及聲光可調諧濾光器 （acousto－optic tunable filter，AOTF）等。其中，聲光可調諧濾光器是基于聲光效應的一種新型分光器件，非共線性AOTF具有孔徑大、衍射效率高、結構簡單、設計靈活、無需機械運動等特點［1］，因此對于測試不同波長下的光譜信息AOTF 具有不可比擬的優點，可以得到被測物更多的物化特征，對于研究氣溶膠及大氣污染的監測有著特殊的優勢。AOTF 分光性能與射頻驅動的性能有很大關系，因此要求設計一套高性能的射頻驅動系統。

本文根據AOTF分光的基本原理，為使所研射頻驅動系統簡單可靠、易于控制，并結合單片機和高性能直接式數字頻率綜合器 （DDS）的特點，設計了一種基于單片機控制的以高性能DDS為核心的射頻驅動系統，使其能夠實現單頻和掃頻模式的功率輸出，并搭建實驗系統進行了硬件測試，實現了對AOTF的射頻驅動。

1 AOTF基本原理

AOTF一般基于反常布拉格 （Bragg）衍射的聲光相互作用原理：在晶體內產生高頻振蕩的超聲波，對晶體應變產生周期性的空間調制，其作用類似位相光柵。當滿足Bragg衍射條件時，入射光在晶體內將產生反常Bragg 衍射，其衍射光的波長與超聲波的頻率有著一一對應的關系。在實際應用中，通過射頻驅動使固定在晶體表面的壓電換能器產生超聲波，并耦合進入聲光晶體使其調制。AOTF的結 構如 圖1所示［2－4］。

圖1 AOTF原理

在滿足動量匹配的條件下，衍射光波長λ 和色散帶寬Δλ與聲速V、聲頻f、聲光作用距離L 和入射角θi之間的關系 如下［5，6］

其中，ne、no分別為e光和o 光的折射率，b是晶體色散常數。當平行的復色光入射到AOTF上時，各種波長的單色光入射角均為θ，在聲頻f 確定后，由上式即可確定衍射光的中心波長和帶寬。衍射波長和帶寬確定之后，根據衍射效率與帶寬、波長以及驅動功率的關系，即可得出衍射效率的關系曲線

其中，M2為聲光材料的聲光優值，l和h 分別表示壓電換能器的長度和寬度，Pa表示超聲驅動功率，λ0表示中心波長，η0 表示中心波長的衍射效率。

聲光可調諧濾光器 （AOTF）分光系統中，驅動功率、衍射光中心波長和衍射效率之間存在密切的關系，如圖2所示。

圖2 驅動頻率為100 MHz下功率，波長和效率之間的關系

從理論上看，對AOTF 施加一個特定頻率時，通過AOTF的光源其中一個對應波長被調制，AOTF 衍射光中心波長和驅動功率的關系服從1／f 函數分布。衍射效率在固定驅動頻率和驅動功率下，在中心波長周圍呈高斯分布。在確定的AOTF尺寸和入射角的情況下，在整個功率范圍內，每一個波長對應的衍射帶寬為常數，而且帶寬隨著波長的增加逐漸變寬，但是，由于信號源產生的失真以及壓電換能器尺寸的限制，衍射帶寬的值比理論上要大，尤其是驅動功率比較高的時候更為明顯。圖3為驅動頻率固定在100 MHz下衍射效率隨驅動功率的變化曲線，由于功率放大器引入的失真導致AOTF衍射效率的降低，同時，帶寬變大［7］。帶外諧波的影響凸顯。因此，需要對AOTF 的射頻驅動技術進行高要求的設計。

圖3 射頻驅動系統總體框架

2 AOTF射頻驅動技術

AOTF可以進行高速的光譜掃描，當射頻驅動頻率改變時，衍射波長變化所需的時間主要由超聲波充滿AOTF晶體的時間決定，一般為微秒級，因此整個光譜范圍的波長掃描十分迅速，對射頻驅動源頻率范圍、分辨率以及變化速度和功率大小都提出了較高要求。

AOTF射頻驅動系統包括射頻信號源以及功率放大部分［8］。射 頻 信 號 源 以 直 接 數 字 式 頻 率 綜 合 器 （DDS）AD9910為核心，系統頻率可以達到1GHz，輸出頻率范圍在DC—400 MHz，工作在數字域，跳頻速度高，分辨率也比較高。通過外部接有源晶振的方式為DDS 提供外部時鐘，然后由內部倍頻器和鎖相環實現穩定的系統頻率1 GHz。微控制器采用STC單片機，主要提供控制信號實現DDS的單頻輸出模式和DRG 掃頻輸出模式。

單頻模式下，AD9910通過SPI口將控制字寫入控制寄存器，同時profile［2：0］配合選擇寫入相應的內部寄存器［9］。輸出頻率由頻率控制字和系統時鐘以及相位累加器的位數共同決定

式中：fs——系統時鐘頻率1GHz，FTW——存儲在寄存器中的二進制頻率控制字，N——相位累加器的位數。

單頻模式下需要調用子函數對AD9910 控制寄存器CFR2、CFR3以及單頻調制Profile0 進行設置，分別對應地址0x01、0x02、0x0E。其中，CFR2 使能單音調制；CFR3設置相對應的輸出頻率的范圍和PLL 使能以及PLL倍頻系數；單頻調制Profile0配置幅度控制字和相位控制字，通過io＿update刷新操作得到相應的單個頻率輸出。設置AD9910 單頻模式的子函數為：AD9910＿SINGLE（single＿freq，single＿amp）；其中，single＿freq代表DDS單頻模式下的輸出頻率，single＿amp代表DDS 單頻模式下的輸出幅度控制。在主函數main中調用此函數即可通過上位機改變單頻模式下的輸出頻率和幅度。

設置輸出頻率100 Mhz，示波器顯示如圖4所示。

圖4 100 M 單頻輸出示波器顯示

DRG 掃頻模式采用正常斜坡發生方式，通過控制寄存器中的控制字設置掃描頻率的上限值、下限值以及掃描步長和掃描步進時間［10－12］。步進時間直接影響掃描時間，掃描步長則直接反映掃描信號的頻率分辨率

其中，P 為存儲在控制寄存器中的頻率控制字。通過配置對應地址為0x0b，0x0c，0x0d的寄存器，配置掃頻模式下AD9910的相應參數。下面函數為AD9910DRG 掃頻模式的子函數，可以在寄存器設置值的基礎上添加一個比值（0.232831）轉換成比較常見的十進制。

AD9910＿DRG （max ＿freq，min ＿freq，down ＿length，up＿length，down＿speed，up＿speed），其中，max＿freq代表掃描上限頻率，min＿freq代表掃描下限頻率，down＿length代表掃描遞減步長，up＿length代表掃描遞增步長，down＿speed代表掃描負斜率 （即改變一次頻率所需時間），up＿speed代表掃描正斜率。

在主函數main中調用此函數即可通過上位機改變掃頻模式下的對應參數。

射頻驅動源頻率范圍設置65～200 MHz，分辨率1 KHz，輸出功率2 W 以上，通過串口與上位機進行通信，該方式簡單方便，易于開發。功率放大部分采用三級放大，并設計源端和負載之間的阻抗匹配以達到最佳的功率輸出以及較高的輸出效率。在射頻驅動系統作用于AOTF 上，利用聲光器件的快速動態響應特性和直接數字頻率綜合器（DDS）快速調頻能力，通過設定起始頻率、終止頻率以及一個固定的掃描步長可以快速掃描聲頻。也可以固定一個頻率，自然光通過AOTF的濾光作用，一個與此頻率相對應的特定波長的光發生衍射，通過掃描整個波段可以得到相應的光譜信息。

3 實驗驗證

3.1 射頻驅動系統對AOTF 衍射帶寬和衍射效率的影響實驗

實驗裝置如圖5所示，入射光源為ABB白光光源，通過光闌去除雜散光使得入射光在AOTF 有效孔徑8 mm×8mm之內，偏振片濾除＋1級衍射光從而使AOTF輸出只有0級光和－1級衍射光。實驗用中國電子科技集團公司第26研究所研發的LSGDN－3Z型聲光可調濾光器。自行設計的射頻驅動系統作用在AOTF 內部的壓電換能器上實現同頻率的聲波對入射光波進行調制，使得相應頻率的對應波長發生衍射，另一部分未發生衍射的光透射到AOTF外部，衍射光經Ocean光譜儀計算機顯示和分析。

圖5 AOTF實驗測試裝置

實驗中打開射頻驅動源測量－1級衍射光得到衍射光強，關閉射頻驅動源直接測量0級光得到入射光強，二者比值得到AOTF 的衍射效率。光譜儀顯示－1級衍射光半波寬度得到衍射帶寬。實驗結果表明：由上位機控制射頻驅動系統在固定頻率100 MHz下不同功率施加到AOTF上時，入射復色光經由AOTF 調制后得到的衍射光的衍射效率和衍射帶寬均不同，如圖6 所示，隨著驅動功率變大，衍射效率也隨之增加，同時帶寬變大但總體不超過8nm。在掃頻模式下，得到AOTF 在不同中心波長處的衍射效率曲線如圖7所示，從圖中可以看出，衍射效率可達60%以上，相對較高。

圖6 頻率100 Mhz，施加3個不同功率下衍射效率和帶寬比較

圖7 在自行設計射頻驅動系統作用下，整個波段衍射效率

3.2 AOTF光譜成像實驗

實驗中將ABB白光光源打到一幅樓閣的照片上，射頻驅動系統提供不同頻率施加到AOTF 上，在－1級衍射光處放置可見光CCD 相機，從而使樓閣在不同波長下成像。成像結果如圖8所示。從實驗結果可以看出，同一幅圖在不同波長下的成像清晰，表現了圖像不同的特征。

圖8 不同波長下光譜成像

4 結束語

本文根據聲光可調諧濾光器 （AOTF）的工作原理，針對AOTF各種性能指標的影響因素，通過調諧能力強、頻率范圍寬、分辨率高的高速DDS 為核心的射頻驅動系統，分析了射頻驅動信號對AOTF分光能力的影響，并搭建相應的實驗系統進行驗證，最后在不同波長下實現光譜成像。實驗結果表明：在實驗所用AOTF可響應的波段內，頻率和波長能夠實現準確的對應關系，衍射效率可以達到60%以上。而且衍射帶寬比理論上寬，但總體在8nm 以內。隨著驅動功率的增大，衍射效率在一定范圍內增大，同時伴隨著帶寬的增加。且入射角度在±3°范圍內對衍射效率的影響可以忽略不計，不同波長下光譜成像清晰。

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