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弹光调制傅里叶变换光谱仪稳定性研究

作　者: 王艳超
导　师: 王召巴
学　校: 中北大学
专　业: 光电子技术与仪器
关键词: 弹光调制傅里叶变换光谱仪热耗散反谐振匹配带宽匹配波长精密度稳定性
分类号: TH744.1
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

弹光调制傅里叶变换光谱仪作为一种高速、高灵敏度、宽光谱范围的光谱测量技术，在深空探测、环境保护、生物医学、国防建设等瞬态光谱探测领域具有潜在的应用价值和发展前景。弹光调制器作为弹光调制傅里叶变换光谱仪的核心干涉部件，在工作过程中普遍存在因热耗散导致的调制效率降低和光程差不稳定现象，制约着弹光调制傅里叶变换光谱仪的波长精密度和测量稳定性。因此，如何降低热耗散对弹光调制器光程差稳定性的影响，使弹光调制傅里叶变换光谱仪在长时间工作过程中保持高的测量稳定性，成为弹光调制傅里叶变换光谱仪需要解决的重要科学问题。论文基于弹光调制傅里叶变换光谱技术的基本原理及多物理场耦合特性，对弹光调制傅里叶变换光谱仪的稳定性进行研究，开发出了高稳定性弹光调制干涉仪及控制系统。首先，论文研究了热耗散对弹光调制器稳定性的影响机理。基于弹光调制器振动模态和损耗类型，分析了匹配特性对弹光调制器振动性能的影响；结合弹光调制器的温漂模型及频率漂移模型，分析了热耗散对压电驱动器和弹光晶体品质因数及匹配特性的影响，得到了热耗散对弹光调制器的调制效率和光程差稳定性的影响特性，并进行实验验证。为弹光调制傅里叶变换光谱仪稳定性研究，奠定了理论基础和实验依据。其次，为降低弹光调制器工作过程中的升温幅度，提出了一种反谐振匹配型弹光调制器设计方案。基于高压驱动下压电体的电致伸缩效应，对比了谐振匹配方案与反谐振匹配方案的品质因数和调制效率，分析了反谐振匹配方案对升温幅度的降低作用，并结合研制的高压驱动电路对方案的可行性进行了验证。第三，为消除热耗散对弹光调制傅里叶变换光谱仪稳定性的影响，在反谐振匹配的基础上，研制出带宽匹配型弹光调制器及双闭环自适应控制系统。以弹光调制器匹配特性和调制效率为基础，分析了初始频率偏移量与驱动频率间的函数关系，建立了包含驱动频率、升温幅度和光程差因子的稳定控制数学模型，结合Lyapunov稳定控制理论完成控制系统硬件及程序设计。最后，将多次反射方式与带宽匹配型弹光调制器相结合，搭建了弹光调制傅里叶变换光谱测量平台，验证其波长精密度和测量稳定性。结果表明，该方案将弹光调制傅里叶变换光谱仪的波长精密度提高了70倍。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-29
  1.1 选题的背景及研究意义  13-14
  1.2 弹光调制傅里叶变换光谱仪稳定控制技术发展  14-27
    1.2.1 弹光调制器  14-17
    1.2.2 PEM 驱动技术的研究现状  17-19
    1.2.3 弹光调制傅里叶变换光谱仪及其控制技术  19-27
  1.3 本论文的主要研究目标及内容  27-29
第二章热耗散对弹光调制器稳定性的影响机理  29-53
  2.1 振动模型及匹配特性分析  29-35
    2.1.1 弹光晶体振动模型  29-32
    2.1.2 弹光调制器振动模型  32-34
    2.1.3 谐振频率匹配型 PEM 原理  34-35
  2.2 PEM 品质因数及温漂模型  35-39
    2.2.1 PEM 品质因数分析  35-38
    2.2.2 PEM 温漂模型  38-39
  2.3 温漂对调制稳定性的影响  39-46
    2.3.1 ZnSe 弹光晶体频率温度系数  40-41
    2.3.2 压电驱动器选材及频率温度系数  41-43
    2.3.3 弹光晶体与压电驱动器升温幅度关系  43-44
    2.3.4 频率漂移模型及其对调制稳定性的影响  44-46
  2.4 实际测试及结果分析  46-52
    2.4.1 PEM 振动模型及匹配特性仿真  46-48
    2.4.2 PEM 频率漂移测试  48-50
    2.4.3 升温幅度及光程差稳定性测试  50-52
  2.5 本章小结  52-53
第三章反谐振匹配型 PEM 研究  53-73
  3.1 压电石英驱动器损耗及导纳特性  53-57
  3.2 谐振和反谐振状态下品质因数对比  57-63
    3.2.1 谐振频率下品质因数  57-58
    3.2.2 反谐振频率下品质因数  58-60
    3.2.3 大光程差 PEM 中压电驱动器Qa 与Qr 比较  60-62
    3.2.4 反谐振匹配型 PEM 设计  62-63
  3.3 反谐振匹配型 PEM 驱动电路设计  63-66
    3.3.1 匹配网络设计  63-64
    3.3.2 高压驱动电路设计  64-65
    3.3.3 反向串接驱动电路  65-66
  3.4 反谐振匹配型 PEM 研制及验证  66-72
    3.4.1 反谐振匹配型 PEM 研制  66-69
    3.4.2 反谐振驱动电路输入输出特性测试  69-70
    3.4.3 反谐振匹配 PEM 与谐振匹配 PEM 调制效率对比  70-72
  3.5 本章小结  72-73
第四章带宽匹配型 PEM 及控制系统设计  73-106
  4.1 反谐振匹配型 PEM 升温幅度与光程差变化分析  73-82
    4.1.1 温漂造成的输出响应变化模型  73-76
    4.1.2 应力与 ZnSe 晶体调制光程差模型  76-81
    4.1.3 升温幅度与光程差变化模型  81-82
  4.2 反谐振匹配型 PEM 稳定性模型分析  82-87
    4.2.1 压电驱动器和 ZnSe 晶体频率温度系数校正  82-86
    4.2.2 反谐振匹配型 PEM 升温幅度与光程差因子变化模型  86-87
  4.3 带宽匹配型 PEM 可行性分析  87-89
  4.4 带宽匹配型 PEM 稳定模型及参数分析  89-95
    4.4.1 稳定调制带宽及升温幅度分析  89-94
    4.4.2 稳定调制光程差计算  94-95
  4.5 光程差稳定控制系统设计  95-105
    4.5.1 光程差稳定控制模型  95-97
    4.5.2 双闭环自适应控制系统工作流程  97-99
    4.5.3 相位差、频率和电压调节步长确定  99-101
    4.5.4 控制系统硬件结构及实现  101-104
    4.5.5 控制系统硬件性能测试  104-105
  4.6 本章小结  105-106
第五章系统测试与分析  106-117
  5.1 带宽匹配干涉仪光程差精密度测试平台  106-110
    5.1.1 弹光调制干涉实验系统  106-107
    5.1.2 激光光源稳定性测试  107-108
    5.1.3 光程差精密度测试  108-110
    5.1.4 光程差精密度测试结果分析  110
  5.2 弹光调制傅里叶变换光谱测量精密度分析  110-116
    5.2.1 激光光谱测量平台  110-112
    5.2.2 激光光谱测量结果与精密度分析  112-113
    5.2.3 高温黑体辐射光谱测量平台  113-114
    5.2.4 黑体辐射光谱测量结果与精密度分析  114-116
  5.3 本章小结  116-117
第六章总结与展望  117-120
  6.1 本论文的主要研究工作  117-118
  6.2 本论文的主要创新点  118
  6.3 待拓展的研究工作  118-120
参考文献  120-130
攻读博士学位期间发表的论文及所参与的科研项目  130-132
  一、发表的论文  130-131
  二、申请的发明专利  131
  三、参与的科研项目  131-132
致谢  132-133

弹光调制傅里叶变换光谱仪稳定性研究

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