结语
在引力天体物理中心/OzGrav 澳大利亚国立大学, 安德鲁·韦德博士 和团队正在开发超稳定频率参考源，用于远程高精度激光传感项目。Moku:Pro 的 激光锁频/稳频器 并且其基于 FPGA 的数字实现使他们能够轻松获取锁定和调整参数，从而获得比以前的自定义设置更易于访问、更强大的解决方案。
挑战
澳大利亚国立大学 (ANU) 的研究人员致力于开发空间激光传感技术，而激光频率的精确测量和控制是关键。例如，当使用激光进行远距离测量时，比如在轨道卫星之间，即使激光频率发生微小变化，也会给测量结果带来显著的不确定性或噪声。确定激光频率并抑制其随时间变化的波动是 ANU 研究的关键所在。另一个挑战是，由于每个激光器和频率参考（谐振腔）都是定制的，因此控制系统必须针对每个装置进行定制。韦德博士指出：“模拟电路在带宽和环路延迟方面具有一定的优势，但通常更容易受到偏移、环境引起的漂移和杂散串扰的影响。此外，如何获取锁定和调谐环路参数也是一个问题，这通常是通过手动操作完成的：拨动开关和使用前面板旋钮进行调谐。”由于市场上可供选择的激光锁定装置非常有限，大多数实验室出于性能原因不得不自行制造，这导致在构建和维护这些装置方面产生了巨大的额外成本。
图 1：ANU 实验室设置将激光锁定到 100,000 精细度参考腔
Wade 博士及其团队正在使用市面上精度最高的腔体，这带来了进一步的挑战。100,000 精度腔体的谐振极窄，意味着线性捕获范围 庞德-德雷弗-霍尔 (PDH) 错误信号非常小，因此很难获取锁定。
解决方案
数字化实施 Moku:Pro 的 激光锁定盒解决了模拟电路设计方法的诸多不足。基于FPGA的架构允许重新配置，以适应不同的激光器或参考光源，同时实时参数调节以及误差和控制信号的可视化，使得回路设计的优化过程更加简便。作为一款集成的腔体锁定单元，Moku:Pro提供了直观的用户界面，使锁定和调节反馈控制器变得更加容易，同时降低了复杂性和潜在的故障点。“现在，调试断线和焊接PCB板似乎已经成为过去式了，”韦德博士说道。“数字化、解调、频率整形和执行器混合等所有环节都集成在一个单元中，使其安装和启动都非常快捷。”
图 2：Laser Lock Box iPad 接口框图和显示错误和控制信号的中间探测点 利用 Moku:Pro 上的多仪器模式，他们能够使用激光锁定盒将激光器锁定到光学腔体，同时还可以使用 频率响应分析仪 （FRA）无需额外的测试设备或接线。FRA 将干扰注入误差信号以测量系统的传递函数，从而检查闭环增益和相位裕度以及环路的干扰抑制性能。研究人员可以在 FRA 和激光锁箱之间快速切换，以调整 PID 参数，从而优化环路性能，确保稳定性并最大限度地抑制干扰。
图 3：研究人员使用多仪器模式下的频率响应分析仪在波特图上测量控制环路相位裕度 根据澳大利亚国立大学 (ANU) 对 Liquid Instruments 的反馈，激光锁定盒新增了免解调输入功能，使其能够利用 Moku:Pro 的标准仪器套件实现定制的激光腔读出方案。这项新功能避免了自行构建定制系统，节省了大量时间，凸显了 Moku:Pro 软件定义方法的优势。研究人员在收集到频率稳定性和环路特性数据后，可以保存并导出这些数据，用于文档记录、发表和离线建模。Moku:Pro 的 Wi-Fi 连接功能确保了这一过程可以远程快速完成。激光频率稳定性数据可以连续记录很长的日志时间，仅受限于存储容量。
成果
凭借 Moku:Pro 的功能和灵活性组合，ANU 能够快速启动和运行，避免了构建和维护自定义系统的开销。 “切换到 Moku:Pro 进行激光锁定节省了大量的设置时间，直观的用户界面使调整参数变得更加简单，”Wade 博士说。 该解决方案的可重构性和可升级性确保它可以适应新的实验，因为他们继续研究天基激光传感技术。