双路AOTF驱动电路及其超声换能器匹配电路的设计

摘要

光谱成像技术是研究目标物质在不同波长下采集的图像信息和光谱信息，并根据其光谱特征对目标物质进行探测和分析，广泛应用于遥感测量、深空探测等领域。随着光谱成像技术的发展，对其光谱测量范围、光谱分辨率、成像清晰度等要求越来越高。当前采用第四代分光技术的声光可调谐滤光器(Acousto-Optic Tunable Filter，AOTF)被广泛应用于光谱成像系统，AOTF作为光谱成像系统的分光器件，其工作波长范围、光谱衍射效率及分辨率等参数对光谱成像系统的性能起到决定性的影响，因此研究如何提高AOTF性能参数对AOTF的发展具有一定的现实意义。
　　AOTF的性能主要受到AOTF驱动电路系统和AOTF内部的超声换能器匹配电路的影响，由此，本文设计了一种高性能AOTF驱动电路以及双路超声换能器匹配电路。AOTF作为功率驱动型器件，按其工作所需功率要求，设计了一种具有一定带宽且功率输出稳定的AOTF驱动电路，其输出功率在50～210MHz带宽范围内稳定在33～35dBm，较好地满足AOTF最佳工作要求。超声换能器作为AOTF重要部件，其在不同频率下具有不同的输入阻抗，当AOTF驱动电路的输出阻抗与换能器输入阻抗失配时会产生能量损耗，导致驱动功率无法最大限度的传递给换能器，从而使AOTF光谱衍射效率降低，影响光谱图像清晰度。为此，通过对超声换能器阻抗频率特性的深入研究，运用滤波器网络匹配理论及射频电路理论，设计了一种频带宽、光谱衍射效率及功率效率高的新型匹配电路。
　　在实验测试平台上，对AOTF驱动电路以及双路超声换能器匹配电路进行实验与优化，最终测得AOTF的光谱衍射效率最高达93.9％，光谱带宽小于5nm，双路换能器匹配电路功率效率达到90％以上，提高了在420～1150nm波段范围内的光谱衍射效率及分辨率。最后对光谱成像系统样机进行外景测试，实测目标的成像质量得到明显改善。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 基于AOTF光谱成像技术国内外研究现状

1．3 AOTF驱动电路及其匹配电路研究现状

1．3．1 AOTF驱动电路系统研究现状

1．3．2 AOTF超声换能器匹配电路研究现状

1．4 课题来源及研究内容

2 AOTF工作原理

2．1 声光互作用原理

2．2 Bragg衍射原理

2．2．1 进入Bragg衍射区条件

2．2．2 Bragg动量匹配

2．3 衍射波长与信号频率关系

2．4 双路AOTF工作原理

2．5 AOTF的主要性能参数

2．5．1 光谱分辨率R

2．5．2 光谱衍射效率η

2．6 本章小结

3 双路AOTF驱动电路系统设计

3．1 AOTF驱动电路系统总体设计

3．2 AOTF射频信号源电路设计

3．2．1 DDS工作原理

3．2．2 DDS输出信号转换电路

3．2．3 低通滤波器电路

3．3 AOTF射频信号源功率放大电路设计

3．3．1 射频电路传输线理论

3．3．2 射频宽带阻抗匹配技术

3．3．3 功率放大电路总体设计

3．3．4 功率放大器件选择

3．3．5 一级功率放大电路设计

3．3．6 二级功率放大电路设计

3．3．7 功率放大电路总体分析

3．4 AOTF驱动电路系统

3．5 本章小结

4 双路超声换能器匹配电路设计

4．1 双路超声换能器结构

4．2 超声换能器玛森等效电路

4．3 超声换能器频率特性

4．4 超声换能器镀膜厚度确定

4．5 集总元件宽带阻抗匹配技术

4．5．1 滤波器网络阻抗匹配理论

4．5．2 增大带宽技术

4．6 双路超声换能器阻抗匹配电路设计

4．7 本章小结

5 实验系统测试与分析

5．1 射频信号源电路测试与分析

5．2 射频功率放大电路测试与分析

5．3 双路超声换能器阻抗匹配电路测试与优化

5．4 AOTF光谱衍射效率实验测试与分析

5．5 基于AOTF光谱成像系统成像质量测试

5．6 本章小结

6．1 研究总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及取得的研究成果

致谢