Page 96 - 《真空与低温》2026年第1期

刘 攀等：用于原子干涉的光学锁相环技术研究进展 93

本振
饱和吸收 反射镜 信号
光谱稳频 25 MHz 数字鉴频 数字环路 数字PID 数模
参考信号 鉴相器 滤波器 控制器 转换器
射频
频谱分析仪 信号 快电流
FPGA控制电路 通道
主激光器 波片 偏振分 高速光 低相噪 10 MHz
从激光器 光棱镜 标准源 等效数控振荡器 从激光器
电探头 放大器
高速光电 主激光器
压电陶瓷 耦合器 放大器 传感器
׈ 混频器 6.859 GHz
ੀ 直接数字频率 参考信号 混频器
ט 合成器 （80 MHz）
ᇅ 7 GHz信号源
慢反馈 2
Digilock110 图 11 浙江大学研制的 0.14 rad 残余相位误差方差
快反馈
锁频模块 且基于 FPGA 的 OPLL
拉曼光
鉴相模块 Fig. 11 FPGA-based OPLL with residual phase error variance
2
of 0.14 rad developed by Zhejiang University
2
图 10 兰州空间技术物理研究所研制的 6.32×10 rad /Hz
−10
@1kHz 相位噪声的自由空间光路 OPLL 2015 年，美国国家标准与技术研究所 Leibrandt
Fig. 10 The free-space optical path OPLL with phase noise of [62]
等 提出一种用于原子物理实验的通用数字伺服系
2
−10
6.32×10 rad /Hz@1 kHz developed by Lanzhou
统，采用 FPGA 的 OPLL 带宽约为 1 MHz。FPGA 能实
Institute of Physics
时计算反馈传递函数，支持五阶环路滤波器设计及
2011 年，浙江大学 Wang 等 [60] 提出基于 FPGA 自动重新锁定。2018 年，加拿大不列颠哥伦比亚大
的 OPLL，用于原子干涉重力测量。其采用全数字鉴 学 Yu 等 [63] 提出用于原子物理实验且采用 FPGA 的
相与可编程 PID 控制架构，拍频线宽低于 1 Hz 且 OPLL，其反馈带宽为 2.5 MHz，性能测试与模拟伺服
残余相位误差方差为 0.03 rad 。次年，他们提出全 相当。2018 年，加拿大拉瓦尔大学 Alex 等 [64] 提出基
2
[61]
数字 OPLL ，如图 11 所示，利用 FPGA 集成 PFD、 于 FPGA 且功能灵活的 OPLL，如图 12 所示，通过 PC
环路滤波器与 PID 控制器。拍频线宽低于 1 Hz，残 端接口实现远程控制和参数优化。在测试中，565 ns
2
余相位误差方差为 0.14 rad 且转换速度为 100 μs。 的系统总延迟限制理论控制带宽约为 225 kHz。

FPGA
频率计数器
差分相位提取
环路滤波器 补偿
I
×
K p +
cos (2πf ref t) 多路复用器 数模
K i
模数 θ dθ i 转换器
转换器 ~ f ref 反正切 微分 模运算 s
sin (2πf ref t) K ii
s 2 i
×
Q K d s
锁相模组
抖动
多路复用器 矢量网络 补偿 多路复用器 振荡器
压控
分析仪

差分相位 频率计数器
数模
数模
转换器 提取 多路复用器 环路虑波器 多路复用器 转换器
抖动
补偿
Legend
示波器至
下行通信 上行通信
计算机
图 12 拉瓦尔大学研制的 225 kHz 带宽且基于 FPGA 的 OPLL
Fig. 12 FPGA-based OPLL with bandwidth of 225 kHz developed by Laval University