CN113395109A - 一种光频梳的自动锁定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光频梳的自动锁定方法及系统，本发明将光梳自动锁定的过程是通过运算控制单元和数字PI实现的，不采用上位机软件实现，人机交互接口只用于参数的设置以及光频梳系统运行状态和锁定指标的导出，减少了与上位机的通信过程消耗的时间以及通信误码的风险，提高了闭环控制的带宽。采用数字鉴相的方法可以无死区大范围地提取相位误差信号，使系统不容易失锁，提高了光频梳系统的可靠性。采用数字快PI和数字慢PI结合，不仅提高了锁定指标，而且增加了锁定动态范围，使光频梳可以适应较为恶劣的工作环境。
Description
技术领域
本发明属于频率控制领域，具体涉及一种光频梳的自动锁定方法及系统。
背景技术
光频梳作为一个光学频和射频频率链接的重要手段，是迄今为止最有效的进行绝对光学频率测量的工具，可将微波原子频标与光频标准确而简单的联系起来，为发展高分辨率、高精度、高准确性的频率标准提供了载体，也为精密光谱、天文物理、量子操控等科学研究方向提供了较为理想的研究工具，在光学频率精密测量、原子离子跃迁能级的测量、远程信号时钟同步与卫星导航等领域中有广泛的应用空间。
光频梳重复频率和载波包络相位信号频率(Fceo)的高精度锁定是光频梳应用的基础。目前光频梳的锁定往往采用模拟电子线路进行闭环，而且需要技术人员采用人工的方式调整参数控制锁定，操作复杂，很大程度上限制了光频梳的应用。虽然已公开的光频梳的自动锁定方法可以实现光频梳的锁定，但这些技术往往是通过上位机的程序控制实现自动锁定，数据通信量大，消耗时间长，限制了控制带宽，影响了系统的可靠性。在处理光频梳偏移反馈调节能力问题时，现有的方法大都是当偏移调节量超出反馈调节能力时，采用设置其他工作参数的方式，使偏移调节量回到反馈调节能力内。这样容易使系统出现失锁现象，而且调节其他参数时容易出现系统工作状态的跳跃，影响光频梳系统锁定的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种光频梳的自动锁定方法及系统，利用AD转换器和数字鉴相测量出相位误差、运算控制单元和数字PI进行闭环反馈，分别实现对光频梳重复频率和载波包络相位信号进行自动锁定。
为了达到上述目的，一种光频梳的自动锁定方法，包括光频梳重复频率锁定方法和载波包络相位信号锁定方法，光频梳重复频率锁定方法和载波包络相位信号锁定方法同时进行；
光频梳重复频率锁定方法包括以下步骤：
S11，将光频梳光学系统输出的光信号转化为电信号；
S12，电信号通过发大后转换为数字信号；
S13，将数字信号进行数字鉴相；
S14，进行数字鉴相后的信号分为两路，一路进行PI运算，另一路作为实时评估光频梳重频锁定的指标；
S15，通过PI运算后的信号分为两路，一路用于快速小范围地控制Fr，另一路路用于慢速大范围地控制Fr，完成光频梳重复频率的自动锁定；
载波包络相位信号锁定方法包括以下步骤：
S21，将光频梳光学系统输出的光信号转化为电信号；
S22，电信号通过发大后转换为数字信号；
S23，将数字信号进行数字鉴相；
S24，进行数字鉴相后的信号分为两路，一路进行PI运算，另一路作为实时评估光频梳载波包络相位信号锁定的指标；
S25，通过PI运算后的信号分为两路，一路用于快速小范围地控制Fceo，另一路用于慢速大范围地控制Fceo，完成光频梳载波包络相位信号的自动锁定。
S11中，光频梳光学系统输出的光信号通过Fr产生模块或Fbeat产生模块输出。
Fr产生模块或Fbeat产生模块输出的光均包含重频信号频率相位信息；
Fr产生模块是将光频梳的光信号直接输出；
Fbeat产生模块是通过将光频梳的光信号与输入的参考单频激光器的光信号进行合束后输出。
S13中，进行数字鉴相具体方法如下：
数字鉴相器根据来自模拟数字转换器的数据以及Fr频率或Fbeat频率设定值，在FPGA上采用FFT算法计算出Fr产生模块与Fr频率设定值间的相位误差或者计算出Fbeat产生模块与Fbeat频率设定值间的相位误差。
锁定监测状态下，若修改了Fr产生模块或Fbeat产生模块的频率设定值，则修改S12中的带通滤波器的中心频率，使重复频率自动锁定在新的设定值上。
S21中，光频梳光学系统输出的光信号通过Fceo产生模块输出。
S23中，进行数字鉴相具体方法如下：
数字鉴相器根据来自模拟数字转换器的数据以及Fceo频率设定值，在FPGA上采用FFT算法计算出Fceo产生模块与Fceo频率设定值间的相位误差。
锁定监测状态下，若修改了Fceo的频率设定值，则修改S22中带通滤波器的中心频率，使载波包络相位信号频率自动锁定在新的设定值上。
一种光频梳的自动锁定系统，包括光频梳光学系统，光频梳光学系统连接第一光电探测器和第二光电探测器，第一光电探测器连接第一可变带通放大器，第一可变带通放大器连接第一数字鉴相器，第一可变带通放大器和第一数字鉴相器输入参考时钟信号，第二光电探测器连接第二可变带通放大器，第二可变带通放大器连接第二数字鉴相器，第二可变带通放大器和第二数字鉴相器输入参考时钟信号，第一数字鉴相器和第二数字鉴相器均邻居均连接运算控制单元，第一数字鉴相器连接第一数字快PI，第一数字快PI连接第一数字慢PI，第一数字慢PI连接第一驱动器，第一数字快PI连接第二驱动器，第二数字鉴相器连接第二数字快PI，第二数字快PI连接第二数字慢PI，第二数字快PI连接第三驱动器，第二数字慢PI连接第四驱动器，第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器均连接光频梳光学系统。
光频梳光学系统包括Fr或Fbeat产生单元、Fr控制单元、Fceo控制单元和Fceo产生单元；
Fr或Fbeat产生单元连接第一光电探测器，Fr控制单元连接第一驱动器和第二驱动器，Fceo控制单元连接第三驱动器和第四驱动器，Fceo产生单元连接第二光电探测器。
与现有技术相比，本发明将光梳自动锁定的过程是通过运算控制单元和数字PI实现的，不采用上位机软件实现，人机交互接口只用于参数的设置以及光频梳系统运行状态和锁定指标的导出，减少了与上位机的通信过程消耗的时间以及通信误码的风险，提高了闭环控制的带宽。采用数字鉴相的方法可以无死区大范围地提取相位误差信号，使系统不容易失锁，提高了光频梳系统的可靠性。采用数字快PI和数字慢PI结合，不仅提高了锁定指标，而且增加了锁定动态范围，使光频梳可以适应较为恶劣的工作环境。
本发明的系统采用模拟数字转换器和数字鉴相测量出相位误差、运算控制单元和数字PI进行闭环反馈，分别实现对光频梳重复频率和载波包络相位信号进行自动锁定。减少了与上位机的通信过程消耗的时间以及通信误码的风险，提高了闭环控制的带宽。采用数字鉴相的方法可以无死区大范围地提取相位误差信号，使系统不容易失锁，提高了光频梳系统的可靠性。采用数字快PI和数字慢PI结合，不仅提高了锁定指标，而且增加了锁定动态范围，使光频梳可以适应较为恶劣的工作环境。
附图说明
图1为本发明的系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，一种光频梳的自动锁定系统，包括光频梳光学系统，光频梳光学系统连接第一光电探测器和第二光电探测器，第一光电探测器连接第一可变带通放大器，第一可变带通放大器连接第一数字鉴相器，第一可变带通放大器和第一数字鉴相器输入参考时钟信号，第二光电探测器连接第二可变带通放大器，第二可变带通放大器连接第二数字鉴相器，第二可变带通放大器和第二数字鉴相器输入参考时钟信号，第一数字鉴相器和第二数字鉴相器均邻居均连接运算控制单元，第一数字鉴相器连接第一数字快PI，第一数字快PI连接第一数字慢PI，第一数字慢PI连接第一驱动器，第一数字快PI连接第二驱动器，第二数字鉴相器连接第二数字快PI，第二数字快PI连接第二数字慢PI，第二数字快PI连接第三驱动器，第二数字慢PI连接第四驱动器，第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器均连接光频梳光学系统。光频梳光学系统包括Fr或Fbeat产生单元、Fr控制单元、Fceo控制单元和Fceo产生单元；Fr或Fbeat产生单元连接第一光电探测器，Fr控制单元连接第一驱动器和第二驱动器，Fceo控制单元连接第三驱动器和第四驱动器，Fceo产生单元连接第二光电探测器。
本发明包含光频梳重复频率锁定和载波包络相位信号锁定两个同时进行的过程。
1、光频梳重复频率锁定过程：
1)光频梳光学系统的Fr或Fbeat产生模块输出的光信号，经过第一光电探测器PD后转化为电信号。
此处的Fr或Fbeat产生模块输出的光包含重频信号频率相位信息。其中Fr的产生是将光频梳的光信号直接输出。而Fbeat产生是通过将光频梳的光信号与输入的参考单频激光器的光信号进行合束后输出。
2)、步骤1)中第一光电探测器PD输出的电信号，经过第一可变带通放大器后输入到第一模拟数字转换器AD中进行模拟数字转换器。
此处第一可变带通放大器内的带通滤波器的中心频率由运算控制单元控制在Fr或Fbeat设定值附近。
3)、第一模拟数字转换器AD输出的数据输入到第一数字鉴相器中，进行数字鉴相。
第一模拟数字转换器AD与第一数字鉴相器采用共同的参考时钟，以保证光频梳重复频率相位误差计算的准确性。此处的数字鉴相过程为，第一数字鉴相器根据来自第一模拟数字转换器AD的数据以及Fr或Fbeat频率设定值，在FPGA上采用FFT算法计算出Fr与Fr频率设定值间的相位误差或者计算出Fbeat与Fbeat频率设定值间的相位误差。
4)、第一数字鉴相器输出的相位误差信号分两路，一路输入到第一数字快PI中，进行PI运算，另一路输入到运算控制单元中用于实时评估光频梳重频锁定的指标。
5)、第一数字快PI输出的信号分两路，一路输出到第二驱动器中，另一路输入到第一数字慢PI。
第二驱动器输出到光频梳的Fr控制模块，用于快速小范围地控制Fr。
6)、第一数字慢PI输出的信号输出到第一驱动器中。
第一驱动器输出到光频梳的Fr控制模块，用于慢速大范围地控制Fr。
7)、至此，实现了光频梳重复频率的自动锁定，进入锁定监测状态。
8)、锁定监测状态下，如果修改了Fr或Fbeat的频率设定值，运算控制单元将把步骤2)的第一可变带通放大器内的带通滤波器的中心频率设置在Fr或Fbeat设定值附近，从而使重复频率自动锁定在新的设定值上。
2、光频梳载波包络相位信号锁定过程：
1)光频梳光学系统的Fceo产生模块输出的光信号，经过第二光电探测器PD后转化为电信号。
2)、步骤1)第二光电探测器PD输出的电信号，经过第二可变带通放大器后输入到第二模拟数字转换器AD中进行模拟数字转换器。
此处第二可变带通放大器内的带通滤波器的中心频率由运算控制单元控制在Fceo设定值附近。
3)、第二模拟数字转换器AD输出的数据输入到第二数字鉴相器中，进行数字鉴相。
第二模拟数字转换器AD与第二数字鉴相器采用共同的参考时钟，以保证光频梳Fceo相位误差计算的准确性。此处的数字鉴相过程为，第二数字鉴相器根据来自第二模拟数字转换器AD的数据以及Fceo频率设定值，在FPGA上采用FFT算法计算出Fceo与Fceo频率设定值间的相位误差。
4)、第二数字鉴相器输出的相位误差信号分两路，一路输入到第二数字快PI中，进行PI运算，另一路输入到运算控制单元中用于实时评估光频梳载波包络相位信号锁定的指标。
5)、第二数字快PI输出的信号分两路，一路输出到第三驱动器中，另一路输入到第二数字慢PI。
第三驱动器输出到光频梳的Fceo控制模块，用于快速小范围地控制Fceo。
6)、第二数字慢PI输出的信号输出到第四驱动器中。
第四驱动器输出到光频梳的Fceo控制模块，用于慢速大范围地控制Fceo。
7)、至此，实现了光频梳载波包络相位信号的自动锁定，进入锁定监测状态。
8)、锁定监测状态下，如果修改了Fceo的频率设定值，运算控制单元将把步骤2)的可变带通放大器2内的带通滤波器的中心频率设置在Fceo设定值附近，从而使载波包络相位信号频率自动锁定在新的设定值上。
运算控制单元通过人机交互接口实现参数的设置以及光频梳系统运行状态和锁定指标的导出。此处的人机交互接口包括但不限于LCD触摸屏、键盘或上位机软件。
现有方法的控制带宽往往难以大于100kHz，锁定稳定度难以达到E-16/s，而本发明的控制带宽可以达到1MHz，锁定稳定度可以达到E-18/s。
Claims (10)
1.一种光频梳的自动锁定方法，其特征在于，包括光频梳重复频率锁定方法和载波包络相位信号锁定方法，光频梳重复频率锁定方法和载波包络相位信号锁定方法同时进行；
光频梳重复频率锁定方法包括以下步骤：
S11，将光频梳光学系统输出的光信号转化为电信号；
S12，电信号通过发大后转换为数字信号；
S13，将数字信号进行数字鉴相；
S14，进行数字鉴相后的信号分为两路，一路进行PI运算，另一路作为实时评估光频梳重频锁定的指标；
S15，通过PI运算后的信号分为两路，一路用于快速小范围地控制Fr，另一路路用于慢速大范围地控制Fr，完成光频梳重复频率的自动锁定；
载波包络相位信号锁定方法包括以下步骤：
S21，将光频梳光学系统输出的光信号转化为电信号；
S22，电信号通过发大后转换为数字信号；
S23，将数字信号进行数字鉴相；
S24，进行数字鉴相后的信号分为两路，一路进行PI运算，另一路作为实时评估光频梳载波包络相位信号锁定的指标；
S25，通过PI运算后的信号分为两路，一路用于快速小范围地控制Fceo，另一路用于慢速大范围地控制Fceo，完成光频梳载波包络相位信号的自动锁定。
2.根据权利要求1所述的一种光频梳的自动锁定方法，其特征在于，S11中，光频梳光学系统输出的光信号通过Fr产生模块或Fbeat产生模块输出。
3.根据权利要求2所述的一种光频梳的自动锁定方法，其特征在于，Fr产生模块或Fbeat产生模块输出的光均包含重频信号频率相位信息；
Fr产生模块是将光频梳的光信号直接输出；
Fbeat产生模块是通过将光频梳的光信号与输入的参考单频激光器的光信号进行合束后输出。
4.根据权利要求1所述的一种光频梳的自动锁定方法，其特征在于，S13中，进行数字鉴相具体方法如下：
数字鉴相器根据来自模拟数字转换器的数据以及Fr频率或Fbeat频率设定值，在FPGA上采用FFT算法计算出Fr产生模块与Fr频率设定值间的相位误差或者计算出Fbeat产生模块与Fbeat频率设定值间的相位误差。
5.根据权利要求1所述的一种光频梳的自动锁定方法，其特征在于，锁定监测状态下，若修改了Fr产生模块或Fbeat产生模块的频率设定值，则修改S12中的带通滤波器的中心频率，使重复频率自动锁定在新的设定值上。
6.根据权利要求1所述的一种光频梳的自动锁定方法，其特征在于，S21中，光频梳光学系统输出的光信号通过Fceo产生模块输出。
7.根据权利要求1所述的一种光频梳的自动锁定方法，其特征在于，S23中，进行数字鉴相具体方法如下：
数字鉴相器根据来自模拟数字转换器的数据以及Fceo频率设定值，在FPGA上采用FFT算法计算出Fceo产生模块与Fceo频率设定值间的相位误差。
8.根据权利要求1所述的一种光频梳的自动锁定方法，其特征在于，锁定监测状态下，若修改了Fceo的频率设定值，则修改S22中带通滤波器的中心频率，使载波包络相位信号频率自动锁定在新的设定值上。
9.一种光频梳的自动锁定系统，其特征在于，包括光频梳光学系统，光频梳光学系统连接第一光电探测器和第二光电探测器，第一光电探测器连接第一可变带通放大器，第一可变带通放大器连接第一数字鉴相器，第一可变带通放大器和第一数字鉴相器输入参考时钟信号，第二光电探测器连接第二可变带通放大器，第二可变带通放大器连接第二数字鉴相器，第二可变带通放大器和第二数字鉴相器输入参考时钟信号，第一数字鉴相器和第二数字鉴相器均邻居均连接运算控制单元，第一数字鉴相器连接第一数字快PI，第一数字快PI连接第一数字慢PI，第一数字慢PI连接第一驱动器，第一数字快PI连接第二驱动器，第二数字鉴相器连接第二数字快PI，第二数字快PI连接第二数字慢PI，第二数字快PI连接第三驱动器，第二数字慢PI连接第四驱动器，第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器均连接光频梳光学系统。
10.根据权利要求9所述的一种光频梳的自动锁定系统，其特征在于，光频梳光学系统包括Fr或Fbeat产生单元、Fr控制单元、Fceo控制单元和Fceo产生单元；
Fr或Fbeat产生单元连接第一光电探测器，Fr控制单元连接第一驱动器和第二驱动器，Fceo控制单元连接第三驱动器和第四驱动器，Fceo产生单元连接第二光电探测器。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |