CN104078840B - 一种产生激光线性调频信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光线性调频信号生成技术领域，特别涉及一种产生激光线性调频信号的方法。该产生激光线性调频信号的方法包括以下步骤：第一光功率分束器将光信号分为两路；其中一路经过延迟光纤，两路光信号输入光学耦合器进行耦合处理，输出耦合后光信号；光电探测器接收耦合后光信号，转换为电压信号输入至鉴相器，参考信号输入另一输入端，鉴相器输出相位比较后信号，输入至积分放大器进行积分放大，得出积分放大后信号；将积分放大后信号和预置斜坡信号相加，压流转换器将相加后信号转换为驱动电流信号；在驱动电流信号的驱动下，分布反馈激光器产生线性调频光信号输出至第二光功率分束器，一路光信号输出至第一光功率分束器，另一路输出。

Description

一种产生激光线性调频信号的方法

技术领域

本发明属于激光线性调频信号生成技术领域，特别涉及一种产生激光线性调频信号的方法。本发明可以实现对目标距离的高精度探测，不仅可以应用于对近场目标的相干探测，还可以应用于高分辨相干激光雷达。

背景技术

近年来，相干激光探测成像成为激光成像的一个重要的研究领域。利用相干探测成像可以得到比普通利用光强度成像更为丰富的物体信息。因为激光相干探测成像可以得到被测物体的相位信息。而在激光相干探测中，发射信号的带宽决定这被探测成像物体的距离向的分辨率。

同微波探测成像雷达一样，线性调频信号是激光探测成像雷达一种理想的信号形式。然而同微波雷达不同的是，为了实现比微波雷达更高的分辨率，要求激光探测成像雷达的发射信号有着更大的带宽。然而目前激光大带宽的线性调频信号的线性度不好，势必在系统设计中要增加信号补偿通路的设计，由此增加了系统复杂度和信号处理的难度。目前实现激光线性调频信号的方式比较常见的是采用压电陶瓷(PZT)调节激光器的腔长的方式产生，这种方式的主要缺点是：采用压电陶瓷调节激光器腔长的方式产生线性调频信号的脉冲重复频率(PRF)不会太高，并且由这种方式产生的线性调频信号的带宽也不大，一般为10GHz左右。

发明内容

本发明的目的在于提出一种产生激光线性调频信号的方法。本发明利用分布反馈(DFB)半导体激光器的输出波长随注入电流变化的特性来实现大带宽的线性调频信号，由于分布反馈半导体激光器的波长与注入电流的变化关系并不是严格线性的，本发明利用一个负反馈环路可以实现线性调频信号的调频斜率的自动调制。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种产生激光线性调频信号的方法包括以下步骤：

步骤1，利用第一光功率分束器接收线性调频光信号，第一光功率分束器将接收的线性调频光信号分为两路线性调频光信号；对于第一光功率分束器生成的两路线性调频光信号，其中一路线性调频光信号通过延迟光纤后变为延迟后光信号，利用光学耦合器接收另一路线性调频光信号和延迟后光信号，光学耦合器对延迟后光信号和第一光功率分束器生成的另一路线性调频光信号进行耦合处理，得出耦合后光信号；

步骤2，利用光电探测器接收所述耦合后光信号，光电探测器将所述耦合后光信号转换为电压信号，然后将电压信号输出至鉴相器的一个输入端；鉴相器的另一个输入端接入参考信号，鉴相器对接收到的电压信号和参考信号进行相位比较，得出相位比较后信号，鉴相器将相位比较后信号输出至积分放大器，积分放大器对接收到的信号进行积分放大，得出积分放大后信号；

步骤3，将积分放大后信号和预置斜坡信号进行相加，得出相加后电压信号；利用压流转换器接收相加后电压信号，压流转换器将相加后电压信号转换为驱动电流信号；

步骤4，在驱动电流信号的驱动下，分布反馈半导体激光器产生线性调频光信号；分布反馈半导体激光器将其产生的线性调频光信号输出至第二光功率分束器；第二光功率分束器将接收的线性调频光信号分为两路线性调频光信号，对于第二光功率分束器生成的两路线性调频光信号，其中一路线性调频光信号作为第一光功率分束器的接收信号，另一路线性调频光信号作为向外输出的激光线性调频信号。

本发明的特点和进一步改进在于：

将步骤1替换为如下步骤：利用第一光功率分束器接收线性调频光信号，第一光功率分束器将线性调频光信号分为两路线性调频光信号；对于第一光功率分束器生成的两路线性调频光信号，其中一路线性调频光信号通过延时光纤后变为延迟后光信号，另一路线性调频光信号输入至声光调制器中，声光调制器对该路线性调频光信号进行频率偏移处理，得出频率偏移后光信号。利用光学耦合器接收延迟后光信号和频率偏移后光信号，光学耦合器对延迟后光信号和频率偏移后光信号进行耦合处理，得出耦合后光信号。

所述鉴相器通过环路低通滤波器电连接所述积分放大器；在步骤2中，鉴相器将相位比较后信号输出至环路低通滤波器；所述环路低通滤波器对相位比较后信号进行低通滤波，生成低通滤波后信号；环路低通滤波器将低通滤波后信号输出至积分放大器。

在步骤3中，所述预置斜坡信号为锯齿波周期信号。

在步骤1中，所述光学耦合器为2×2光学耦合器。

在步骤1中，所述第一光功率分束器按照1∶1的功率分配比例，将接收的线性调频光信号分为两路线性调频光信号。

在步骤4中，所述第二光功率分束器按照9∶1的功率分配比例，将接收的线性调频光信号分为两路线性调频光信号，其中，输入至第一光功率分束器的线性调频光信号和向外输出的线性调频光信号的功率比为1∶9。

本发明的有益效果为：本发明采用环路自校正的方法来实现激光线性调频信号，能够克服传统压电陶瓷调节激光器腔长实现激光线性调频方法脉冲重复频率不够高，线性度不够高，线性调频带宽不够大的缺点。首先，采用驱动电流自校正方法较传统腔长调节方法能够实现更高的脉冲重复频率；其次，光电环路自校正的反馈调节采用模拟电路方案，其反馈补偿是即时的，能够很好地改善调频信号的线性度；最后，分布反馈半导体激光器的电流可调节带宽能够达到上百GHz，能够获得更高的激光线性调频带宽。

附图说明

图1为本发明的产生激光线性调频信号的方法的框图；

图2为不采用反馈环时分布反馈半导体激光器驱动电流对输出频率的变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1，为本发明的产生激光线性调频信号的方法的框图。本发明的产生激光线性调频信号的方法包括以下步骤：

步骤1，利用第一光功率分束器接收线性调频光信号，第一光功率分束器将接收的线性调频光信号分为两路线性调频光信号；对于第一光功率分束器生成的两路线性调频光信号，其中一路线性调频光信号通过延迟光纤后变为延迟后光信号，利用光学耦合器接收另一路线性调频光信号和延迟后光信号，光学耦合器对延迟后光信号和第一光功率分束器生成的另一路线性调频光信号进行耦合处理，得出耦合后光信号。

优选地，作为本发明实施例的一种变形，将步骤1替换为如下步骤：利用第一光功率分束器接收线性调频光信号，第一光功率分束器将线性调频光信号分为两路线性调频光信号；对于第一光功率分束器生成的两路线性调频光信号，其中一路线性调频光信号通过延时光纤后变为延迟后光信号，另一路线性调频光信号输入至声光调制器(AOM)中，声光调制器对该路线性调频光信号进行频率偏移处理，得出频率偏移后光信号。利用光学耦合器接收延迟后光信号和频率偏移后光信号，光学耦合器对延迟后光信号和频率偏移后光信号进行耦合处理，得出耦合后光信号。

具体地说，对于第一光功率分束器接收的线性调频光信号，其中心频率为f_c，其脉冲宽度为T_p，其调频率为γ。第一光功率分束器按照1∶1的功率分配比例，将接收的线性调频光信号分为两路线性调频光信号。则延迟后光信号s₁(t)表示为：

其中，t表示时间，τ_r表示延时光纤的延迟量。rect(u)为矩形窗函数，rect(u)为：

本发明实施例中，频率偏移后光信号s₂(t)表示为：

其中，f_aom表示由声光调制器产生的频率偏移量。

本发明实施例中，光学耦合器为2×2光学耦合器，耦合后光信号S_c(t)表示为：

S_c(t)＝s₁(t)+s₂(t)

需要说明的是，声光调制器并不是本发明所必须的，但加入声光调制器会大大提高线性调频信号的产生速度。

步骤2，利用光电探测器接收所述耦合后光信号，光电探测器将所述耦合后光信号转换为电压信号，然后将电压信号输出至鉴相器的一个输入端；鉴相器的另一个输入端接入参考信号，鉴相器对接收到的电压信号和参考信号进行相位比较，得出相位比较后信号，鉴相器将相位比较后信号输出至积分放大器，积分放大器对接收到的信号进行积分放大，得出积分放大后信号；

优选地，鉴相器通过环路低通滤波器电连接所述积分放大器，鉴相器将相位比较后信号输出至环路低通滤波器；所述环路低通滤波器对相位比较后信号进行低通滤波，生成低通滤波后信号；环路低通滤波器将低通滤波后信号输出至积分放大器。

具体地说，光电探测器首先将所述耦合后光信号转换为对应的电流信号，光电探测器转换生成的电流信号i_d(t)为：

i_d(t)＝K_d(s_c(t))²

＝K_d(s₁(t)+s₂(t))²

＝K_d(s₁ ²(t)+s₂ ²(t)+2s₁(t)s₂(t))

＝K_ds₁ ²(t)+K_ds₂ ²(t)+2K_d cos(2πf_ct+2πf_aomt+πγt²)cos(2πf_c(t-τ_r)+πγ(t-τ_r)²)

＝K_ds₁ ²(t)+K_ds₂ ²(t)+K_d cos(2πf_ct+2πf_aomt+πγt²-2πf_c(t-τ_r)-πγ(t-τ_r)²)

+K_d cos(2πf_ct+2πf_aomt+πγt²+2πf_c(t-τ_r)+πγ(t-τ_r)²)

＝K_ds₁ ²(t)+K_ds₂ ²(t)+K_d cos(2πf_ct+2πf_aomt+πγt²-2πf_c(t-τ_r)-πγ(t-τ_r)²)

＝K_ds₁ ²(t)+K_ds₂ ²(t)+K_d cos(2π(f_aom+γτ_r)t+2πf_cτ_r-πγτ_r ²)

其中，K_d为光电探测器的光电转换系数。在光电探测器转换生成的电流信号i_d(t)的展开公式中，和频项为：

K_d cos(2πf_ct+2πf_aomt+πγt²+2πf_c(t-τ_r)+πγ(t-τ_r)²)

由于和频项对应的频率太高，超出了光电探测器的响应频率范围。所以在本发明实施例中，将和频项忽略，则光电探测器转换生成的电流信号i_d(t)为：

i_d(t)＝K_d(s_c(t))²

＝K_d(s₁(t)+s₂(t))²

＝K_d(s₁ ²(t)+s₂ ²(t)+2s₁(t)s₂(t))

＝K_ds₁ ²(t)+K_ds₂ ²(t)+2K_d cos(2πf_ct+2πf_aomt+πγt²)cos(2πf_c(t-τ_r)+πγ(t-τ_r)²)

＝K_ds₁ ²(t)+K_ds₂ ²(t)+K_d cos(2πf_ct+2πf_aomt+πγt²-2πf_c(t-τ_r)-πγ(t-τ_r)²)

＝K_ds₁ ²(t)+K_ds₂ ²(t)+K_d cos(2π(f_aom+γτ_r)t+2πf_cτ_r-πγτ_r ²)

在光电探测器转换生成的电流信号i_d(t)的展开公式中，K_ds₁ ²(t)和K_ds₂ ²(t)为常数项，这两个常数项对光电探测器的探测结果无影响，因此，在滤除在两个常数项之后，光电探测器将对应的电流信号转换为对应的电压信号，光电探测器转换生成的电压信号v_d(t)为：

v_d(t)＝K_dcos(2π(f_aom+γτ_r)t+2πf_cτ_r-πγτ_r ²)

本发明实施例中，为了提高检测后的信噪比，光电探测器采用外差平衡探测方法来生成对应的电压信号，采用这种外差平衡探测方法可以消除一些共同的噪声。

本发明实施例中，鉴相器接收的参考信号S_ref(t)为固定频率的参考信号，鉴相器接收的参考信号S_ref(t)表示为：

S_ref(t)＝cos(2πf_reft+φ_r)

其中，f_ref是参考信号的固定频率，φ_r是参考信号的初始相位。则鉴相器输出的相位比较后信号v_p(t)为：

v_p(t)＝K_p sin(2π(f_aom+γτ_r)t+2πf_cτ_r-πγτ_r ²-2πf_reft-φ_r)

＝K_p sin(2π(f_aom+γτ_r-f_ref)t+2πf_cτ_r-πγτ_r ²-φ_r)

其中，K_p表示鉴相器增益。

本发明实施例中，参考信号的固定频率f_ref应满足以下关系：

f_ref＝f_aom+γτ_r

因此第一光功率分束器接收的线性调频光信号的调频率γ为：

从上式中可以看出声光调制器的引起的频率偏移似乎是多余的，实际上采用声光调制器会提高反馈环的响应速度和灵敏度。

考虑到噪声和干扰信号时，鉴相器输出的相位比较后信号v_p(t)为：

v_p(t)＝K_p sin(2πf_cτ_r-πγτ_r ²-φ_r)+If(t)

上式中，If(t)表示鉴相器输出的噪声和干扰信号。

由于鉴相器的输出信号除了有用的相位信号外，还有噪声和干扰信号If(t)，If(t)是高频信号，与想要的信号在频率上可以分开，因此可以采用环路低通滤波器滤除干扰信号，环路低通滤波器输出的低通滤波后信号v_pf(t)为：

v_pf(t)＝K_pK_f sin(2πf_cτ_r-πγτ_r ²-φ_r)

其中，上式中K_f表示环路低通滤波器的增益。

本发明实施例中，积分放大后信号v_i(t)为：

v_i(t)＝K_pK_fK_isin(2πf_cτ_r-πγτ_r ²-φ_r)t

其中，K_i为积分放大器的积分系数。积分放大后信号v_i(t)是一个关于时间t的线性信号，在存在调频率误差的情况下，这个信号是一个误差补偿信号。

步骤3，将积分放大后信号和预置斜坡信号进行相加，得出相加后电压信号；利用压流转换器接收相加后电压信号，压流转换器将相加后电压信号转换为驱动电流信号。具体地说，预置斜坡信号为锯齿波周期信号。

步骤4，在驱动电流信号的驱动下，分布反馈半导体激光器产生线性调频光信号；分布反馈半导体激光器将其产生的线性调频光信号输出至第二光功率分束器；第二光功率分束器将接收的线性调频光信号分为两路线性调频光信号，对于第二光功率分束器生成的两路线性调频光信号，其中一路线性调频光信号作为第一光功率分束器的接收信号，另一路线性调频光信号作为向外输出的激光线性调频信号。

分布反馈半导体激光器产生的线性调频光信号s(t)为：

本发明实施例中，第二光功率分束器按照9∶1的功率分配比例，将接收的线性调频光信号分为两路线性调频光信号，其中，输入至第一光功率分束器的线性调频光信号和向外输出的线性调频光信号的功率比为1∶9。

由上可知，本发明实施例中，在产生向外输出的激光线性调频信号的过程中，形成了一个反馈环。锯齿波周期信号可以增加反馈环的稳定度，并且可以提高线性调频信号产生的脉冲重复频率。

本发明采用环路自校正的方法来实现激光线性调频信号，能够克服传统压电陶瓷调节激光器腔长实现激光线性调频方法脉冲重复频率不够高，线性度不够高，线性调频带宽不够大的缺点。首先，采用驱动电流自校正方法较传统腔长调节方法能够实现更高的脉冲重复频率；其次，光电环路自校正的反馈调节采用模拟电路方案，其反馈补偿是即时的，能够很好地改善调频信号的线性度；最后，分布反馈半导体激光器的电流可调节带宽能够达到上百GHz，能够获得更高的激光线性调频带宽。

参照图2，为不采用反馈环(本发明)时分布反馈半导体激光器驱动电流对输出频率的变化示意图。图2中，横轴代表输入激光器的电流，单位是mA；纵轴代表激光器输入的光频率，单位是Hz。从图2中可以看出由于驱动电流对输出频率变化的非线性，如果不采用反馈环而采用直接电流驱动的方法，其产生的线性调频信号的线性度会依赖于分布反馈半导体激光器输出频率对电流变化的线性度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种产生激光线性调频信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，利用第一光功率分束器接收线性调频光信号，第一光功率分束器将接收的线性调频光信号分为两路线性调频光信号；对于第一光功率分束器生成的两路线性调频光信号，其中一路线性调频光信号通过延迟光纤后变为延迟后光信号，利用光学耦合器接收另一路线性调频光信号和延迟后光信号，光学耦合器对延迟后光信号和第一光功率分束器生成的另一路线性调频光信号进行耦合处理，得出耦合后光信号；

步骤2，利用光电探测器接收所述耦合后光信号，光电探测器将所述耦合后光信号转换为电压信号，然后将电压信号输出至鉴相器的一个输入端；鉴相器的另一个输入端接入参考信号，鉴相器对接收到的电压信号和参考信号进行相位比较，得出相位比较后信号，鉴相器将相位比较后信号输出至积分放大器，积分放大器对接收到的信号进行积分放大，得出积分放大后信号；

步骤3，将积分放大后信号和预置斜坡信号进行相加，得出相加后电压信号；利用压流转换器接收相加后电压信号，压流转换器将相加后电压信号转换为驱动电流信号；

步骤4，在驱动电流信号的驱动下，分布反馈半导体激光器产生线性调频光信号；分布反馈半导体激光器将其产生的线性调频光信号输出至第二光功率分束器；第二光功率分束器将接收的线性调频光信号分为两路线性调频光信号，对于第二光功率分束器生成的两路线性调频光信号，其中一路线性调频光信号作为第一光功率分束器的接收信号，另一路线性调频光信号作为向外输出的激光线性调频信号。

2.如权利要求1所述的一种产生激光线性调频信号的方法，其特征在于，将步骤1替换为如下步骤：利用第一光功率分束器接收线性调频光信号，第一光功率分束器将线性调频光信号分为两路线性调频光信号；对于第一光功率分束器生成的两路线性调频光信号，其中一路线性调频光信号通过延时光纤后变为延迟后光信号，另一路线性调频光信号输入至声光调制器中，声光调制器对该路线性调频光信号进行频率偏移处理，得出频率偏移后光信号；利用光学耦合器接收延迟后光信号和频率偏移后光信号，光学耦合器对延迟后光信号和频率偏移后光信号进行耦合处理，得出耦合后光信号。

3.如权利要求1所述的一种产生激光线性调频信号的方法，其特征在于，所述鉴相器通过环路低通滤波器电连接所述积分放大器；

在步骤2中，鉴相器将相位比较后信号输出至环路低通滤波器；所述环路低通滤波器对相位比较后信号进行低通滤波，生成低通滤波后信号；环路低通滤波器将低通滤波后信号输出至积分放大器。

4.如权利要求1所述的一种产生激光线性调频信号的方法，其特征在于，在步骤3中，所述预置斜坡信号为锯齿波周期信号。

5.如权利要求1所述的一种产生激光线性调频信号的方法，其特征在于，在步骤1中，所述光学耦合器为2×2光学耦合器。

6.如权利要求1所述的一种产生激光线性调频信号的方法，其特征在于，在步骤1中，所述第一光功率分束器按照1∶1的功率分配比例，将接收的线性调频光信号分为两路线性调频光信号。

7.如权利要求1所述的一种产生激光线性调频信号的方法，其特征在于，在步骤4中，所述第二光功率分束器按照9∶1的功率分配比例，将接收的线性调频光信号分为两路线性调频光信号，其中，输入至第一光功率分束器的线性调频光信号和向外输出的线性调频光信号的功率比为1∶9。