引言

Fabry-Pérot（簡稱F-P）干涉儀由Fabry和Pérot于1899年提出[1]，具有極強的光譜分辨本領(lǐng)，在天文、通信和環(huán)境檢測等多個方面都有廣泛應(yīng)用。F-P的高透過率、較大通光孔徑和中心波長易調(diào)節(jié)都使它成為很理想的微光探測儀器。此外，F(xiàn)-P采用不同的腔體材質(zhì)和膜層介質(zhì)可以讓其在各個波長范圍內(nèi)使用[2]。天文上實際使用的F-P濾光器由光學(xué)機械部件和控制器兩大核心組成。光學(xué)核心部件是兩塊嚴(yán)格平行的光學(xué)平板，實現(xiàn)極窄帶濾光，并通過調(diào)節(jié)平板間距實現(xiàn)中心波長掃描。

F-P要實現(xiàn)高透過率和強光譜分辨本領(lǐng)，需要確保平行玻璃板的平行度，以及板間距離的穩(wěn)定精確的調(diào)節(jié)，這一功能由電路控制系統(tǒng)實現(xiàn)，即由F-P控制器實現(xiàn)。本文延用基于壓電陶瓷促動器的電容式伺服F-P電路控制系統(tǒng)并做了重要改進。電容式伺服F-P控制系統(tǒng)基于差分電容原理，利用差分電容傳感器將F-P濾光器平行板的平行度信息轉(zhuǎn)化為電壓信號進行測量，并將電壓信號作用在壓電陶瓷促動器上實現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋控制。

F-P濾光器平行板上電容電極板和壓電陶瓷促動器布置方式多種多樣，如圖1所示，F(xiàn)-P平板內(nèi)側(cè)上下表面鍍制上導(dǎo)電膜，當(dāng)兩個平行板相對放置時，會形成5個電容器，與一個外接的參考電容器一起組成了3條通道（圖2），其中x通道和y通道用來檢測F-P濾光器平行板x、y方向的平行度，z通道的電容與外接標(biāo)準(zhǔn)電容相連，用來檢測間距變化。

圖1　F-P濾光器電容對與陶瓷壓電促動器示意圖

在前人成功的技術(shù)路線中，普遍采用電路產(chǎn)生兩路等大反相信號以驅(qū)動電容差分測量電路，輸出攜帶平行度信息的電壓信號，經(jīng)由相敏檢波電路檢出后驅(qū)動壓電陶瓷促動器改變平行度和間距，實現(xiàn)負(fù)反饋調(diào)節(jié)。

圖2　典型電容式F-P模擬控制電路簡化圖

三條通道電路一致，以其中一條為例。在x路，Jones等人采用變壓器產(chǎn)生兩路等大反相的正弦波驅(qū)動信號，驅(qū)動差分電容檢測電路檢測極微弱信號，并采用方波與正弦波相乘的“Chopper”方式實現(xiàn)相敏檢波。當(dāng)使用變壓器時，由于工藝的限制，繞組無法對稱，難以產(chǎn)生真正的對稱正弦波，Jones等人采用了復(fù)雜的補償電路，未解決這一問題[3]。為此，王良凱等人將這部分電路改進為運放實現(xiàn)，信號對稱度達到10-6，系統(tǒng)穩(wěn)定時間可達到4小時，但隨時間漂移的問題仍沒有根本解決[4]。

其二，對于相敏檢波部分，理論上，應(yīng)當(dāng)采用正弦參考信號與待測信號（即差分電容對的輸出信號）相關(guān)，王良凱等人估算出此時相位裕度約為，然而，當(dāng)采用“Chopper”方式進行相關(guān)時，相位寬容度急劇下降，MATLAB仿真顯示1°的相位漂移即可導(dǎo)致檢出誤差超過容許范圍，而傳統(tǒng)的基于RC的移相電路，1°的穩(wěn)定度是難以實現(xiàn)的。

根據(jù)上述分析，結(jié)合電子技術(shù)近期發(fā)展，本設(shè)計提出兩個改進點：

（1）不再使用對稱正弦波驅(qū)動差分電容對，而采用單一正弦波驅(qū)動；

（2）將模擬相敏檢波器（Phase Sensitive Detection，PSD）改進為數(shù)字相敏檢波器（Digital Phase Sensitive Detection，DPSD），從而真正實現(xiàn)相關(guān)運算。

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作者信息：

史會賢1，2，馬琳1，3，許駿1，3

（1.中國科學(xué)院云南天文臺，云南 昆明 650216；

2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 101408；

3.云南省太陽物理與空間目標(biāo)監(jiān)測重點實驗室，云南 昆明 650216）