脉冲号测量仪

2014 年 7 月 18 日，超短脉冲测量技术研讨会在北京物科宾馆举办。本次研讨会聚集了来自北京的众多光学专家和研究者。会议期间，瞬渺光电公司相关产品应用工程师就产品性能及主要应用：如传统 FROG、新型标准化 GRENOUILLE、及其应用如 fs 脉冲测量、空间啁啾和前沿倾斜测量、双脉冲及其他复杂脉冲信号测量与紫外光，超弱荧光（aJ）等方面的应用做了重点介绍。共有约 20 名来自北大、清华、北工大和相关研究所的光学研究者参加了这次研讨会，大家就各自感兴趣的领域踊跃发言提问，相互交流，进一步认识了产品性能，深入了解产品应用，取得了很好的效果。与会者普遍反映，通过此次技术报告会，对超短脉冲测量仪 FROG 及 GRENOUILLE 的产品性能和应用有了更全面深入的了解， 对各自的研究应用很有帮助。图为上海瞬渺技术工程师讲解超短脉冲测量技术上海瞬渺光电技术有限公司成立于 2004 年,坐落于国家级航天科技城--上海莘庄工业园区.主要从事国际知名品牌激光、光电子、光机械、光学仪器和光纤通讯等光电产品的设计、 引进、咨询和经销。团队的核心成员具有 10 年以上的激光光电子领域工作经验，早在 2005年我们就开始立足为客户提供专业级光电实验室解决方案,公司有多名来自知名高校研究所的技术中坚， 加之具有多年丰富商务经验的销售,采购,财务人员.我们坚信我们的服务能让光电领域的科研人员满意.经过数年的勤奋创新,目前已经成为中国最大的光电产品一站式服务供应商之一.上海瞬渺光电技术有限公司Rayscience Optoelectronic Innovation地址: 上海市闵行区都会路 2338 号总部一号 21 号楼 5 楼邮编：201108电话：021-34635258/59/61/62传真：021-34635260邮件：saleschina@rayscience.com网址：www.rayscience.com

导读：进入21世纪以来，科学技术的发展已难以用日新月异来描述。新工艺、新材料、新的制造技术催生了新的一代电子元器件，同时也促使电子测量技术和电子测量仪器产生了新概念和新发展趋势。本文拟从现代电子测量仪器发展的三个明显特点入手，进而介绍下一代自动测试系统的概念和基本技术，引入合成仪器的概念，以供读者参考。 　　现代电子测量仪器的发展趋势 　　仪器性能更加优异 　　仪器的性能更加优异，测量功能更加强大，仪器的测量精度，测试灵敏度，测量的动态范围等都达到了前所未有的高度。例如，Agilent公司的PSA频谱分析仪的测量灵敏度高达169dBm(接近物理界热噪声174dBm)，PNA网络分析仪的动态范围高达143dB，Agilent83453A高分辨率分光计分辨带宽=0.0001nm(亚皮米)(突破皮米分辨带宽的壁垒)，Agilent86107A精密时基参考模块，对小于100ns的时延，抖动为1.7psRMS(突破皮秒抖动瓶颈)，DSO80000系列的示波器，其单一A/D芯片具有20GSa/s实时高采样率，使之成为世界上采样率最快的示波器(40GSa/s实时采样率，13GHz带宽)。另外，更多强大的测量功能被赋予单台仪表中，如Agilent公司的8960系列无线综合测试仪(集移动手机和基站的射频测试与协议测试于一身) ESG/PSG矢量信号源可以灵活产生包括连续波/调幅/调频/调相/脉冲调制，全制式通信协议(GSM/EDGE/WCDMA/TD2SCDMA/CDMAOne/CDMA2000/CDMA20001X2EV/蓝牙/WLAN/PHS/PDC/NADC/DECT/TETRA等)，任意波形及用于今后的其他信号 MSO混合信号示波器(2/4个模拟测量通道16个逻辑分析通道)使单台仪器同时具备示波器和逻辑分析仪的功能 Infiniium示波器内装VSA矢量信号分析软件后也成为世界上测量分析带宽最宽的矢量信号分析仪。 　　仪器与计算机融为一体 　　仪器和计算机技术的前所未有的融合。首先，越来越多的仪器选用以Windows软件和Intel芯片为平台，采用WindowsGUI和基于军用标准的软件，用Windows软件代替仪器内部操作软件，并易于与MS办公室应用软件连接，充分发挥其效能，如Agilent公司的仪器可用Word语言捕获屏幕图像，用Excel语言绘制的波形数据，用Excel语言捕获测量数据，易于自由地从互联网下载和升级最新的软件版本，利用WindowsHelp提高了仪器操作学习的方便性 同时，触摸屏被广泛利用，话音控制可解决双手同时被占用时操作仪器的问题，通过网络控制仪器操作，并用基于MSWindows和MSVisualStudio实现测试自动化 另外，仪器内部的VBA软件可有效地帮助实现生产过程中的测试自动化。 　　其次，由于计算机技术被大量应用到仪器之中，使得仪器具备了更加先进的连通性，如Agilent公司的仪器大都具备采用了USB接口，LAN接口，GPIB接口。同时，也安装了标准光标指示器(鼠标、跟踪球、触摸键、操纵杆等)和其他部件(键盘、CDRW驱动器、直接连结打印机的并行接口，用于外部监视器的VGA输出，内部硬盘驱动器等)。特别值得一提的是，在军工等特殊行业，测试数据的安全性和保密性要求格外重要，为此，Agilent公司在仪器上设计了可卸出的硬盘(如PNA矢量网络分析仪和Infiniium示波器)，使工作人员在实验室完成测试任务后，卸出硬盘，单独运输仪器至测试现场(如战地)，再由操作人员取出随身携带的硬盘装入仪器，再进行现场测量，从而保证了数据的安全性和保密性。 　　测试及仿真软件在仪器中广泛应用 　　随着计算机的运算速度和处理数据能力的不断增加，及计算机仿真技术的广泛应用，仪器的硬件和测试软件及仿真软件的结合越来越紧密。首先，硬件的模块化设计，使得通过不同的硬件模块组合配以不同的软件，从而形成不同功能的仪器和不同的测试解决方案，如Agilent公司的DAC-J宽带示波器86100C，通过插入不同的模块并配以不同软件，该仪器可成为抖动分析仪，宽带示波器，数字通信分析仪，时域反射分析仪 此外，VXI结构的测试仪器更加充分地解释了模块化结构仪器的灵活配置和应用。 　　其次，软件无线电的概念已有了全新的解释和现实的应用，Agilent公司的89601A矢量分析软件是实现这一理念的最好例证，它利用计算机强大的数学运算和数据处理能力将大量的数字信号处理功能和数据分析功能充分展现在计算机软件之中，通过与不同的数据采集前端(如VXI结构的矢量信号分析仪，频谱分析仪，Infiniium数字示波器)相结合，组合出不同功能的矢量信号分析仪。 　　同时，其捕获的信号和数据分析的结果可以作为EDA仿真软件(如Agilent公司的ADS高级设计仿真软件)的数据输入来源，用于驱动ADS高级设计仿真软件进行部件及系统级仿真 并且，ADS高级设计仿真软件的仿真结果可送入Agilent公司的ESG/PSG矢量信号源产生出信号通过VSA矢量信号分析仪的捕获和分析，反过来可进行产品设计与真实产品之间的数据验证，即实现设计、仿真、测量和验证的有机结合。以AgilentADS高级设计仿真软件为代表的EDA软件，通过与Agilent公司测试仪器(包括:频谱分析仪，网络分析仪，信号源，示波器，逻辑分析仪等)的动态链接，从而实现了测量域与仿真域的有机结合，在设计、仿真和验证之间架起了桥梁，从而加速设计，提高设计质量，完善系统及部件的半实物仿真手段，达到迅速拓展满足需要的测量解决方案的目的。 　　自动测试系统的发展历史和现状 　　随着测量仪器功能的不断提高和完善，与其相关的自动测试系统(特别是军用ATS测试系统)的组建与发展也经历了从台式仪器ATS系统到卡式仪器ATS系统，从卡式仪器ATS系统到卡式仪器与台式仪器混合的ATS系统的发展过程。到目前为止，VXI结构的仪器(主要对于大通道数的数字信号测量)与GPIB标准的台式仪器(主要对于性能要求严格的射频/微波信号测量)相结合组建ATS测试系统已成为军用ATS测试系统普遍遵从的主流原则和典范。这与以美国为代表的军工用户在90年代提倡的采用COTS(CommercialOff-the-Shelf)流行商用仪器来构建军用ATS测试系统有很大关系，它可以极大地降低整个测试系统的组建、开发、维护、替换和升级的成本。 　　但是，由于军工行业系统研制周期和认证周期相对较长，系统维护和需要支持的周期通常在10年至20年，而民用科技的发展日新月异，流行商用仪器的更新速度越来越快，一些COTS产品在军工行业被大规模全面使用之前就已废型和停产，对于已定型的测试系统的维护和支持成为军工客户面临的最大问题，特别是那些基于特定硬件而开发的测试软件(TPS)的维护、支持和更新更是面临巨大的挑战。这一点在中国的客户群中也遇到了同样的问题。如何实现硬件的可互换性和软件的可互操作性成为保证整个系统生命力和生命周期的关键。与此同时，军用ATS测试系统还要满足其可靠性、机动性和灵活性的要求，并尽可能地降低开发、维护的成本，节省人力资源，改进硬件的现场替换效率和维修中心替换效率，改进武器系统快速应对地区乃至全球支持的战略要求。 　　下一代的自动测试系统 　　下一代测试技术及测试系统的标准 　　以美国为首的用户和仪器厂商近一年以来提出了一种新的测试仪器理念和技术以解决COTS仪器带来的问题，并同时满足未来测试系统的发展要求。该技术称之为NxTest，它就是基于LAN的模块化合成仪器(SyntheticInstrument)。安捷伦科技公司和VXITechnology公司于2004年9月为自动测试系统推出基于LAN的下一代模块化平台标准化-LXI。 　　LXI(仪器的LAN扩展)不仅提供了机架和堆叠式仪器的嵌入式测量技术和PC标准I/O连接能力，还实现了基于插卡式仪器的系统的模块化特点并减小了体积。对于为航空/国防、汽车、工业、医疗和消费电子市场开发电子产品的研发和制造工程师来说，LXI紧凑灵活的封装、高速输入/输出和可靠的测量功能有效地满足了他们的需求。VXI总线为所有高密度高速度应用提供了理想的标准，LXI则同时融合了VXI和以太网的优势，为用户提供了一个良好的高性能仪器平台，满足VXI通常没有满足的应用需求。LXI基于LAN的结构为例，为在航空和国防行业中长寿命仪器的实现奠定了基础。LXI没有带宽、软件或计算机底板结构限制。它可以利用日益提高的以太网吞吐量，为面临下一代自动测试系统挑战的工程师提供理想的解决方案。 　　LXI标准将由LXI协会负责管理。LXI协会是一家由主要测试测量公司组成的非营利机构。该集团的目标是开发、支持和推广LXI标准。安捷伦科技公司和VXITechnology公司利用其拥有悠久历史的模块化仪器设计，推出LXI平台，这是测试系统使用的开放式标准仪器发展中必然的可行一步。由于几乎每台电脑中都内置了以太网(LAN)，以太网已经成为业界广泛认同的通信接口。互联网硬件价格正不断下降，速度正不断提高，局域网提供了其它点到点接口标准中没有提供的对等通信。测试和测量工程师日益认识到使用高速局域网替代专有测试测量接口(如GPIB)的好处，业内需要更低成本、更高带宽和更快的数据传送速率，这给专有测试测量接口提出了挑战。 　　LXI测试测量模块是为用于设计检验或制造测试系统而优化的。连接局域网的能力使得各模块可以装在世界上任何地方，并从世界上任何地方访问模块。与采用昂贵电源、底板、控制器和MXI卡和电缆的模块化组件不同，LXI模块自带处理器、局域网连接、电源和触发输入。LXI模块可以采用全宽或半宽，高度为一个机架单位或两个机架单位，实现了非常简便的混配功能。信号输入和输出位于正面，局域网和输入交流电源则位于每个LXI模块的背面。LXI模块由计算机控制，不要求传统机架和堆叠式仪器配备的显示器、按钮和拨号装置。LXI模块采用标准网络浏览器诊断问题，使用IVI-COM驱动程序进行通信，简化了系统集成。 　　LXI仪器的特点 　　LXI仪器具备了以下五大特点： 　　(1)开放式工业标准 　　LAN和AC电源是业界最稳定和生命周期最长的开放式工业标准，也由于其开发成本低廉，使得各厂商很容易将现有的仪器产品移植到该LAN-Based仪器平台上来。 　　(2)向后兼容性 　　因为LAN-Based模块只占1/2的标准机柜宽度，体积上比可扩展式(VXI/PXI)仪器更小。同时，升级现有的ATS不需重新配置，并允许扩展为大型卡式仪器(VXI/PXI)系统。 　　(3)成本低廉 　　在满足军用和民用客户要求的同时，保有现存台式仪器的核心技术，结合最新科技，保证新的LAN-based模块的成本低于相应的台式仪器和VXI/PXI仪器。 　　(4)互操作性 　　作为合成仪器(SyntheticInstruments)模块，只需30～40种左右的通用模块即可解决军用客户的主要测试需求。如此相对较少的模块种类，可以高效且灵活地组合成面向目标服务的各种测试单元，从而彻底降低ATS系统的体积，提高系统的机动性和灵活性。 　　(5)新技术及时方便的引入 　　由于这些模块具备完备的I/O定义文档(由军标定义)，所以，模块和系统的升级仅需核实新技术是否涵盖其替代产品的全部功能。如此看来，合成仪器(SyntheticSystems)将实现下述五大目标:①非常长的产品和系统支持周期，应用软件将不再依赖于特定的硬件。②很小的系统体积，仪器不包含多余的显示、输入和其它美学设计部分。③应用清晰明确，仪器界面一致，升级快捷方便。④系统生命周期与产品生命周期保持一致。⑤供应商独立，测量硬件与测量技术没有直接联系。 　　展望未来 　　综上所述，21世纪的电子测量仪器随着芯片技术和DSP技术的发展将达到前所未有的高性能，随着计算机技术与仪器的进一步融合，仪器的易操作性，易升级性，测量能力，数据处理和分析能力，都得到了大幅度提高。与此同时，软件无线电正越来越多地被应用到各个领域，仿真技术将为用户的设计和验证提供了更加强大和方便的工具。自动测试系统经历了从GPIB系统到VXI系统，从VXI系统到VXI与GPIB混合系统的发展历程，越来越多的军工用户希望拥有一种长寿命且高性能的系统标准体系来承担日益复杂的测试压力和维护成本的压力，面对未来的挑战，LXI仪器将在继承现有测试技术的基础之上，为下一代测试技术和测试仪器，特别是ATS测试系统的革新带来新的希望。

2004年3月27日，由中科院电工研究所承担的“低场脉冲核磁共振分析测量仪”项目顺利通过了中国科学院组织的专家验收。该项目是我国自行研制、具有完整自主知识产权的仪器设备，填补了我国在这一领域的空白，达到了国际同类产品的先进水平，部分指标处于国际领先地位。该项目的顺利完成表明我国已经掌握了低场脉冲核磁共振核心技术。那么，我们国家为什么要发展低场脉冲核磁共振技术呢？这项技术具体可以应用在哪些领域呢？带着众多疑问，笔者（以下简称：instrument）近日专程走访了该项目的负责人，中科院电工所的张一鸣研究员（以下简称：张）。　　Instrument：张研究员，您好！首先能否请您介绍一下，我国为什么要发展低场脉冲核磁共振技术？这也是仪器信息网的广大网友最为关注的话题。　　张：好的。在回答你这个问题之前，我想先提出一个判据，也就是是否发展一项技术，首先应该看如下两个方面：第一、看应用，通俗一点说就是我们国家是否需要这项技术；第二、看条件，也就是发展这项技术所需要的硬件资源我们国家是否具备。如果这两个条件都满足，那么我认为发展这项技术就应该成为一个国家行为。　　有了这个判据，现在，我就可以回答你的第一个问题了。从应用层面上看，核磁共振技术向低场脉冲方向发展是继高场波谱技术、医用成像技术之后的又一发展趋势，由电磁、电子、控制等技术和近代物理、分析化学、地球物理等学科的交叉结合而成，是核磁共振技术从面向科学研究、高档医疗诊断等高端需求转变成为面向工农业生产和地下资源勘探的普遍需求的关键技术，以此技术为核心平台的应用可以拓展到石油、天然气的勘探(核磁共振测井仪)、地下水的查找(地面核磁共振找水仪)、矿产、考古等地下资源的调查(核磁共振磁力仪)等。特别是在石油勘探、水资源查找方面显得尤为重要，因为这些领域都涉及到了国家战略资源安全的大问题。　　除此之外，该技术也为食品、农产品、石化、医药、纺织、环保等行业的分析测试提供了一项快速、无损、无需制备样品和无毒无副作用的新方法。目前，国际标准化组织已经公布了五项采用低场脉冲核磁共振技术无损同步检测含油种子含油量和水分含量以及动植物中固体脂肪含量的标准。因此研究和开发低场脉冲核磁共振技术的科学价值是，为我国工农业等应用行业能够买得起低场脉冲核磁共振分析测量仪器打下了坚实的产业基础；为我国突破国外技术封锁，自行研制勘探地下资源的核磁共振仪器奠定了厚实的技术积累；为核磁共振技术的创新应用提供了完整的技术平台。例如，应用低场脉冲核磁共振技术对油料种子的无损评估是完全可能的。通俗地讲，如果不考虑费用，采用核磁共振技术检查人体和挑选西瓜没有太大的本质区别；为大幅度降低医用磁共振成像仪(MRI)的造价，使更多的医院拥有MRI，更多的人能够接受磁共振检查提供了可能的技术途径。　　再从发展这项技术的硬件资源层面上看，发展这项技术所需的硬件资源主要有两大块：一块就是低场脉冲核磁共振技术的关键，也就是磁体材料---天然磁石（钕铁硼），它的作用是提供一个背景场强，营造一个电场环境，满足发生核磁共振发生的条件。而钕铁硼这种材料资源我国是最丰富的，据相关部门统计，目前我国钕铁硼的年产量已达9000多吨，占世界总产量的50%，而且今后还将进一步提高。那么该如何充分利用这些资源呢？只是单纯地出口原材料肯定是不行的，一定要通过提高永磁材料的科技含量来提升其附加值，这也是我们义不容辞的责任；另一块硬件资源就是电子元器件方面，虽然我们国家还不是一个电子元器件方面的设计大国，但经过二十多年的改革开放，我国已经成为了一个电子元器件的制造大国。　　了解了以上两点，再回到我一开始提出的那个判据，判据里的两个条件都满足了，那么发展低场脉冲核磁共振技术也就是顺理成章，水到渠成的事了。　　Instrument：目前国外在低场脉冲核磁共振技术方面的发展情况如何呢？是否已经有商品化的低场脉冲核磁共振仪器？　　张：是的。在分析测试领域，目前世界上有三家公司提供相应的商品化仪器，很巧的是这三家公司都已经参加了贵网举办的“网上仪器展览”，分别是布鲁克公司、牛津仪器公司和共振仪器公司。当然进口仪器的价格也非常贵，最便宜的大概也要5万美金左右。在用于地下石油勘探的核磁共振测井仪方面，目前只有两家美国公司在做：一家是斯仑贝谢公司（CMR型），但这家公司不向中国出售仪器，只提供勘探服务；另一家是哈里伯顿公司（MRIL型），该公司虽然可以向中国出售相关仪器，但要附加许多限制条件，譬如出售给中国用户的仪器不允许在中国大陆以外的地区使用，而这一点极大限制了中国石油企业走出国门，参与到全球化的竞争当中去。再加上一套核磁共振测井设备的价格高得惊人，一般在150万美金左右。因此为了突破国外对我们的技术封锁，我们也必须要发展具有自主知识产权的核磁共振测井仪器。　　Instrument：您刚才提到了低场脉冲核磁共振技术可以无损同步检测含油种子含油量和水分含量以及动植物中固体脂肪含量等，那么是否有其他的分析技术也可以完成同样的任务呢？如果有的话，这些技术与低场脉冲核磁共振技术相比，各自的优劣是什么？　　张：有的，那就是近红外技术。如果将近红外技术和低场脉冲核磁共振技术进行比较的话，应该说是各有优势，也各有缺陷。从仪器的价格上说，近红外仪器较之核磁共振仪器要便宜许多，因此也易于推广，尤其是像粮食收购部门这样的广大的基层应用单位。但是采用近红外技术首先需要通过化学方法建立模型，譬如测量种子的含油量，对于不同产地的种子，需要分别建立模型，工作量太大。而核磁共振就不存在这个问题了，检测过程非常简单。此外，低场脉冲核磁共振技术除了可以进行定量分析外，还可以进行被测物质的形态分析，譬如在对注水肉进行检测时，不仅能测定肉中的水含量，而且可以测定水究竟是以什么形态存在的，是附着在肉纤维上，还是存在于肉纤维之间。　　Instrument：您认为今后在推广这项技术的过程中，最迫切需要做的是什么？　　张：我想主要将集中在以下两个方面：第一、通过大力宣传以引起广大应用研究人员的关注，要让他们了解我们的这项技术能够帮助他们解决工作中的哪些问题，这也是目前我们课题组面临的最迫切的任务，也就是如何支持广大的应用研究人员。而要做到这一点光凭我们自己的力量是不够的，需要有外力的支持；第二、要进一步控制仪器的生产制造成本。因为从低场脉冲核磁共振技术的应用角度来看，它不同于高场核磁波谱技术，高场核磁波谱技术可能更多地是应用在科学研究方面，尤其是化学结构分析方面，对实验环境的要求非常苛刻，对操作人员的技术背景、使用经验等方面的要求也非常高，而这些问题对于低场脉冲核磁共振技术是不存在的。我们现在需要做的就是如何让广大基层用户能够买得起这种仪器，真正做到经济、节省。　　采访过程中，张研究员尤其向笔者强调，低场脉冲核磁共振技术将会越来越多地被国际组织、地区和国家接纳成为产业标准，应用的行业和领域也会越来越广，低场脉冲核磁共振仪器在工农业生产上作为一种分析测量手段也已在我国开始应用。随着我国加入WTO组织，标准化的过程直接影响到贸易中技术壁垒的形成和消除。因此我们希望借助贵刊一角，呼吁相关的政府部门和企业以及科研院所，未雨绸缪，行动起来，积极推动低场脉冲核磁共振事业在我国的兴起和发展。我们也欢迎国内有意向应用此项技术的单位与我们联系，共同开拓和推广我国具有自主知识产权的低场脉冲核磁共振技术。 　　联系电话：010-62629767　　E-mail：ymzhang@mail.iee.ac.cn　　单位地址：北京市海淀区中关村北二条六号（100080）