Moku:Lab应用解决方案-引力波探测

引力波的探测装置通常需要使用一套复杂的测试测量仪器，比如用来进行信号读取或实时闭环反馈的多通道振幅相位检测装置，信号发生装置，温度压力探测装置等等。这些复杂的装置不仅占用很大的空间，信号通讯或者数字-模拟/模拟-数字转换期间可能都会产生额外的延时或噪声，从而衰减测试的质量。Moku仪器平台是一个基于FPGA开发的多功能数字信号处理工具。通过片上仪器(Instrument-on-Chip)这一理念，我们将多种引力波探测常用的测试测量功能和控制模块整合在了同一个硬件设备当中，从而大大降低了系统的复杂度，减少了延时和噪声。

Moku:Lab的解决方案可以部署到地面或者空间中的引力波探测装置当中。Moku:Lab的激光锁频器或锁相放大器可以将激光的频率长期稳定地锁定到共振腔上，并在仪器中内嵌了PID控制器、示波器、以及信号记录仪。用户可以实时地对信号与参数进行调整与监测。双通道数字相位测量仪可以实时追踪输入信号的相位、振幅、以及频率，并绘制功率密度图、Allan Deviation等常用图表。频率响应分析仪可以表征干涉仪等仪器的复频谱响应，快速绘制出系统的传递函数。同时，内置的 FIR滤波器可以产生极为精确的信号延迟(完整应用说明请点击“阅读原文”)。

Moku:Lab功能与参数

主要参数

• 双通道200 MHz模拟输入
• 双通道300 MHz模拟输出
• 12-bit 500 MSa/s 低噪声ADC
• Xilinx Zynq 7000 Series FPGA
• <20 nV/√Hz 输入噪声(高于 1 MHz时)

主要功能

• 集成了12个不同的测试测量仪器
• 专门为Pound–Drever–Hall和其他常见的激光锁频方式所开

发的仪器功能

• 双通道基于锁相环的相位/频率探测装置

• Python, MATLAB, 和LabVIEW的API支持

• 易于操作的iPad OS图形化交互式控制软件

主要功能展示

全数字锁相环

Moku:Lab基于全数字锁相环的相位表可同时对一个拍频信号的频率、相位、以及振幅进行连续的探测。通过锁相环的方式，相位表拥有远超于一个周期的相位探测范围。同时，相位表可以将锁相环中内置的数控振荡器的信号通过模拟输出输送给其他仪器，可驱动高速共振元件，或对某特定频率进行提取。

主动激光锁频

Moku:Lab的激光锁频仪器是专门为高精度主动激光锁频设计的数字信号处理仪器。仪器中内置了相位检测模块、PID控制器、高频振荡器、低频扫频器等一系列Pound-Drver-Hall或其他锁频技术所需要的仪器。不同模块之间的信号交流完全发生在同一块FPGA之上，极大地减少了仪器之间的通讯延时与损耗。整个系统最低可做到小于1 微秒的输入输出延时，使高带宽闭环控制成为可 能。 (完整应用说明请查阅“PDH Technique with Moku:Lab’s Laser Lock Box” 和此篇“应用说明”)

多输入输出PID控制器

Moku:Lab的双通道PID控制器内置了两个可独立调节和控制的PID控制器。基于FPGA的超低延时的特性，信号的输入输出延时小于1微秒，极大地提高了闭环系统可达到的闭环带宽。PID控制器可以通过实时交互的Bode图在频域进行调节，也可通过进阶模式，分别调整系统的P、I、与 D的增益。可分别对PID的两个不同频率区间(可重合)进行独立设置。同时，系统支持双重积分器，以及积分微分饱和设置。

关于Liquid Instruments

Liquid Instruments 由澳大利亚国立大学（ANU）物理系教授Daniel Shaddock建立，2017年诺贝尔物理学奖引力波论文署名作者之一。创始团队将过去参与LIGO、LISA、GRACE Follow-on等项目中运用数字信号处理技术进行高精度信号测量的成果转化成通用的测试测量平台Moku。目前Liquid Instruments研发三款产品Moku:Lab、Moku:Go和Moku:Pro旨在为科学家、学生、工程师等实验人员创造更加灵活高效的实验室体验，更好地进行研究、学习和产品研发。

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