CN104795724B - 一种多相滤波结构的Pound-Drever-Hall数字激光稳频系统 - Google Patents
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Abstract
一种多相滤波结构的Pound-Drever-Hall数字激光稳频系统，射频信号源只为电光调制器提供驱动电压，不作为解调参考信号；模数转换器采集光电探测器的拍频信号进入FPGA控制器，在FPGA控制器内进行多相滤波正交解调运算和频率漂移信号计算，达到稳频效果。本发明不使用混频器和低通滤波器，解调算法采用多相滤波结构，在FPGA控制器内实现。同时，FPGA控制器还进行PID控制运算。用多相滤波结构代替混频器和低通滤波器，减小了混频器和低通滤波器带来的失真和镜频干扰，提高了稳频精度。
Description
技术领域
本发明属于激光稳频系统技术领域，特别涉及一种多相滤波结构的Pound-Drever-Hall数字激光稳频系统。
背景技术
Pound-Drever-Hall稳频方法由于其不易失锁，系统抗干扰能力强，稳定度高，不受波长限制等优点而广泛应用于窄线宽超稳定激光器稳频系统中。该方法的原理是：电光调制器由一射频信号驱动，激光器输出光束经过电光调制器进行相位调制后垂直入射到F-P参考腔，三束反射光在光电探测器上进行拍频。若激光频率等于参考腔谐振频率，拍频后的调制频率信号输出为零；反之，则有该频率的拍频电流输出。将射频信号经过一定的相移补偿其通过不同路径的误差后，与拍频信号在双平衡混频器内混频解调，得到色散型鉴频特性信号。它通过伺服系统，控制激光器固定在一端反射镜上的压电陶瓷调节激光器腔长，使激光频率的偏移量回复到零，从而将激光频率锁定在参考腔谐振频率上，实现稳频。
目前的Pound-Drever-Hall稳频系统中都采用相敏检波方法来提取频率漂移信号。这就需要将射频信号与光电探测器输出的拍频信号混频再通过低通滤波器。射频信号的长期幅度不稳定性和模拟混频器带来的失真和镜频干扰大大降低了稳频精度。数字混频器需要产生数字正交参考信号，这个过程会带来一定的量化误差，也会降低稳频精度。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多相滤波结构的Pound-Drever-Hall数字激光稳频系统，本系统不采用相敏检波算法来提取频率漂移信号，而是直接对光电探测器输出信号进行采样，采用多项滤波结构对频率漂移信号进行提取，具有结构简单，稳频精度高的特点。
一种多相滤波结构的Pound-Drever-Hall数字激光稳频系统，包括激光源1，激光源1出射的激光进入光隔离器2进行反射光隔离，再入射进偏振片3进行偏振方向调整，最后入射进电光调制器4的光孔进行相位调制；射频信号源15的电压输出端与电光调制器4的驱动电压输入端相连；电光调制器4出射的激光入射进偏振分束器5和其后的四分之一波片6，垂直入射进入参考腔7，从参考腔7反射的激光再次经过四分之一波片6和偏振分束器5入射进入光电探测器8的光孔；光电探测器8的电压输出端与选频放大网络9的电压输入端相连，选频放大网络9的电压输出端与模数转换器10的模拟信号输入端相连，模数转换器10的数字信号输出端D0～D7与FPGA控制器11的通用IO口A7～A15相连，模数转换器10的时钟输入端与FPGA控制器11的通用IO口A6相连；FPGA控制器11的通用IO口B7～B15与数模转换器12的数字信号输入端相连，FPGA控制器11的通用IO口B6与数模转换器12的时钟输入端相连，数模转换器12的模拟信号输出端与伺服电路13的信号输入端相连，伺服电路13的信号输出端与压电陶瓷14上的电极相连，压电陶瓷14粘在激光源1上。
所述的FPGA控制器11内包括多相滤波单元、特征值提取单元和PID控制单元，其中，时序控制单元为模数转换器10、数模转换器12和多项滤波单元提供时钟信号，频率漂移信号的提取由多项滤波单元和特征值提取单元完成，PID控制单元在系统出现失锁时调节频率漂移信号的大小以保证系统在短时间内重新锁定；信号提取原理为：经过模数转换器10采样的数据经过一个2倍奇偶抽取滤波器把数据分为两部分，2倍奇抽取滤波器的输出为同相分量，2倍偶抽取滤波器的输出为正交分量，对两部分数据分别经过符号变换器(-1)n，实质是将两部分数据同乘以(-1)n；同相分量经过3/4延时内插滤波器，正交分量经过1/4延时内插滤波器来补偿抽取时的延时；时序控制为数模转换器10提供采样时钟，同时为2组抽取滤波器、2组符号变换器和2组延时内插滤波器提供时序控制，2组延时内插滤波器的两路输出I和Q进行幅度运算，可得到频率漂移信号；该信号通过与FPGA控制器11相连的数模转换器12输出；数模转换器12的采样时钟也由FPGA控制器11提供。
所述的多项滤波单元包括一个2倍奇偶抽取滤波器、两个符号变换器、两个延时内插滤波器和两个4倍抽取低通滤波器，经过模数转换器10采样的数据D经过一个2倍奇偶抽取滤波器把数据分为两部分，偶数抽取值x(2n)作为同相分量的输入，奇数抽取值x(2n+1)作为正交分量的输入，对两部分数据分别经过符号变换器(-1)n，将两部分数据同乘以(-1)n；偶数抽取值x(2n)经过3/4延时内插滤波器补偿抽取时的延时，经过4倍抽取低通滤波器滤除高频分量得到同相分量I；奇数抽取值x(2n+1)经过1/4延时内插滤波器补偿抽取时的延时，经过4倍抽取低通滤波器滤除高频分量得到正交分量Q，n为采样点序数；
为了保证I、Q两路信号的时间一致性，采用延时内插滤波器来进行时延校正，多项滤波单元中的两组延时内插滤波器设计步骤为：①采用FPGA控制器的IP核设计FIR线性相位低通原型滤波器，阶数N＝32，截止频率ωc＝π/4。②计算其冲击响应h(n)(0≤n≤N-1)。③选择两路正交分量的冲击响应分别为hI(n)＝h(4n+3)和hQ(n)＝h(4n+1)，hI(n)为同相分量的冲击响应；hQ(n)为正交分量的冲击响应，n＝0,1,…,7；④根据hI(n)设计3/4延时内插滤波器，hQ(n)设计1/4延时内插滤波器。
本发明的特点在于：
1、所述的射频信号源(15)只为电光调制器(4)提供驱动电压，不作为解调参考信号。
2、采用多相滤波结构和特征值提取算法提取频率漂移信号。
3、FPGA内包括多项滤波单元、特征值提取单元和PID控制单元。
4、多相滤波单元结构采用双路滤波，两路滤波器的系数从同一FIR低通原型滤波器中抽取得到，具有很高的镜频抑制效果，提高了稳频精度。
5、本发明激光稳频系统减少了硬件个数，简化了结构，克服了混频器和低通滤波器带来的系统检测误差，提高了稳频精度。
6、本发明解调检测采用全数字系统，减小了测量和计算误差，实现了全自动跟踪锁定。
附图说明
图1为本发明多项滤波结构的Pound-Drever-Hall数字激光稳频系统结构示意图。
图2为本发明多项滤波结构的Pound-Drever-Hall数字激光稳频系统PDH信号检测方法图。
图3为本发明多项滤波结构的Pound-Drever-Hall数字激光稳频系统多项滤波器组设计流程图。
图4为本发明多项滤波结构的Pound-Drever-Hall数字激光稳频系统多项滤波单元中的两组延时内插滤波器设计步骤图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
参照图1，多项滤波结构的Pound-Drever-Hall数字激光稳频系统，包括激光源1，激光源1输出的激光经过光隔离器2进入偏振片3，光隔离器2的作用是避免反射光进入激光器1影响其工作稳定性；偏振片3调整激光入射到电光调制器4的偏振方向，使其减小剩余幅度调制；偏振片3输出光入射进电光调制器4进行相位调制，调制频率即为射频信号源15的频率。射频信号源15产生频率为f0的正弦信号，为电光调制器4提供驱动。经过相位调制的光进入偏振分束器5，偏振分束器5的输出光经过四分之一波片6垂直入射到参考腔7，参考腔7的反射光再次经过四分之一波片6和偏振分束器5进入光电探测器8，在光电探测器8内拍频。拍频输出进入选频放大网络9进行滤波放大，提取频率为f0的信号。该信号经过模数转换器10进入FPGA控制器11的IO口，采样频率fs为在FPGA控制器11内进行频率漂移信号提取和PID控制运算，FPGA控制器11的IO口输出进入数模转换器12转化为模拟信号。FPGA控制器11为模数转换器10和数模转换器12提供采样时钟信号。数模转换器12输出的模拟信号作为伺服电路13的输入，经放大后加在与激光源1粘在一起的压电陶瓷14上，使激光源1的光束锁定到参考腔7的谐振频率上。
参照图2，FPGA控制器11内包括多相滤波单元、特征值提取单元和PID控制单元，其中，时序控制单元为模数转换器10、数模转换器12和多项滤波单元提供时钟信号，频率漂移信号的提取由多项滤波单元和特征值提取单元完成，PID控制单元在系统出现失锁时调节频率漂移信号的大小以保证系统在短时间内重新锁定；信号提取原理为：经过模数转换器10采样的数据经过一个2倍奇偶抽取滤波器把数据分为两部分，2倍奇抽取滤波器的输出为同相分量，2倍偶抽取滤波器的输出为正交分量，对两部分数据分别经过符号变换器(-1)n，实质是将两部分数据同乘以(-1)n；同相分量经过3/4延时内插滤波器，正交分量经过1/4延时内插滤波器来补偿抽取时的延时；时序控制为数模转换器10提供采样时钟，同时为2组抽取滤波器、2组符号变换器和2组延时内插滤波器提供时序控制。2组延时内插滤波器的两路输出I和Q进行幅度运算，可得到频率漂移信号。该信号通过与FPGA控制器11相连的数模转换器12输出。数模转换器12的采样时钟也由FPGA控制器11提供。
参照图3，所述的多项滤波单元包括一个2倍奇偶抽取滤波器、两个符号变换器、两个延时内插滤波器和两个4倍抽取低通滤波器，经过模数转换器10采样的数据D经过一个2倍奇偶抽取滤波器把数据分为两部分，偶数抽取值x(2n)作为同相分量的输入，奇数抽取值x(2n+1)作为正交分量的输入，对两部分数据分别经过符号变换器(-1)n，将两部分数据同乘以(-1)n；偶数抽取值x(2n)经过3/4延时内插滤波器补偿抽取时的延时，经过4倍抽取低通滤波器滤除高频分量得到同相分量I；奇数抽取值x(2n+1)经过1/4延时内插滤波器补偿抽取时的延时，经过4倍抽取低通滤波器滤除高频分量得到正交分量Q，n为采样点序数；
参照图4，为了保证I、Q两路信号的时间一致性，采用延时内插滤波器来进行时延校正。多项滤波单元中的两组延时内插滤波器设计步骤为：①采用FPGA控制器的IP核设计FIR线性相位低通原型滤波器，阶数N＝32，截止频率ωc＝π/4。②计算其冲击响应h(n)(0≤n≤N-1)。③选择两路正交分量的冲击响应分别为hI(n)＝h(4n+3)和hQ(n)＝h(4n+1)，hI(n)为同相分量的冲击响应；hQ(n)为正交分量的冲击响应，n＝0,1,…,7；④根据hI(n)设计3/4延时内插滤波器，hQ(n)设计1/4延时内插滤波器。
本发明工作原理如下：
激光器1输出的激光经过光隔离器2和偏振片3进入电光调制器4进行相位调制。光隔离器2避免反射光进入激光器1影响其工作稳定性；偏振片3调整激光入射到电光调制器4的偏振方向，使其减小剩余幅度调制；射频信号源15为电光调制器4提供驱动信号；相位调制后的激光经过偏振分束器5和四分之一波片6垂直入射到参考腔7；参考腔7的反射光再次经过四分之一波片6和偏振分束器5进入光电探测器8进行拍频，光电探测器8的拍频信号经过选频放大网络9进行调理后进入模数转换器10被采样，经过采样的信号送入FPGA控制器11。FPGA控制器11内包括时序控制单元、多项滤波单元、特征值提取单元和PID控制单元；被采样的拍频信号经过多项滤波单元和特征值提取单元得到频率漂移信号，在PID控制单元进行运算，得到控制电压；同时，FPGA控制器11为模数转换器10和数模转换器12提供采样时钟；控制电压经过数模转换器12变为模拟直流量送入伺服电路13进行放大处理，放大后的驱动信号加在与激光源1粘在一起的压电陶瓷14上，使激光源1的光束锁定到参考腔7的谐振频率上。
Claims (3)
1.一种多相滤波结构的Pound-Drever-Hall数字激光稳频系统，其特征在于，包括激光源(1)，激光源(1)出射的激光进入光隔离器(2)进行反射光隔离，再入射进偏振片(3)进行偏振方向调整，最后入射进电光调制器(4)的光孔进行相位调制；射频信号源(15)的电压输出端与电光调制器(4)的驱动电压输入端相连；电光调制器(4)出射的激光入射进偏振分束器(5)和其后的四分之一波片(6)，垂直入射进入参考腔(7)，从参考腔(7)反射的激光再次经过四分之一波片(6)和偏振分束器(5)入射进入光电探测器(8)的光孔；光电探测器(8)的电压输出端与选频放大网络(9)的电压输入端相连，选频放大网络(9)的电压输出端与模数转换器(10)的模拟信号输入端相连，模数转换器(10)的数字信号输出端(D0～D7)与FPGA控制器(11)的通用IO口(A7～A15)相连，模数转换器(10)的时钟输入端与FPGA控制器(11)的通用IO口(A6)相连；FPGA控制器(11)的通用IO口(B7～B15)与数模转换器(12)的数字信号输入端相连，FPGA控制器(11)的通用IO口(B6)与数模转换器(12)的时钟输入端相连，数模转换器(12)的模拟信号输出端与伺服电路(13)的信号输入端相连，伺服电路(13)的信号输出端与压电陶瓷(14)上的电极相连，压电陶瓷(14)粘在激光源(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种多相滤波结构的Pound-Drever-Hall数字激光稳频系统，其特征在于，所述的FPGA控制器(11)内包括多相滤波单元、特征值提取单元和PID控制单元，其中，时序控制单元为模数转换器(10)、数模转换器(12)和多相滤波单元提供时钟信号，频率漂移信号的提取由多相滤波单元和特征值提取单元完成，PID控制单元在系统出现失锁时调节频率漂移信号的大小以保证系统在短时间内重新锁定；信号提取原理为：经过模数转换器(10)采样的数据经过一个2倍奇偶抽取滤波器把数据分为两部分，2倍奇抽取滤波器的输出为同相分量，2倍偶抽取滤波器的输出为正交分量，对两部分数据分别经过符号变换器，实质是将两部分数据同乘以(-1)n；同相分量经过3/4延时内插滤波器，正交分量经过1/4延时内插滤波器来补偿抽取时的延时；时序控制为数模转换器(10)提供采样时钟，同时为2组抽取滤波器、2组符号变换器和2组延时内插滤波器提供时序控制，2组延时内插滤波器的两路输出I和Q进行幅度运算，可得到频率漂移信号；该信号通过与FPGA控制器(11)相连的数模转换器(12)输出；数模转换器(12)的采样时钟也由FPGA控制器(11)提供。
3.根据权利要求2所述的一种多相滤波结构的Pound-Drever-Hall数字激光稳频系统，其特征在于，所述的多相滤波单元包括一个2倍奇偶抽取滤波器、两个符号变换器、两个延时内插滤波器和两个4倍抽取低通滤波器，经过模数转换器(10)采样的数据D经过一个2倍奇偶抽取滤波器把数据分为两部分，偶数抽取值x(2n)作为同相分量的输入，奇数抽取值x(2n+1)作为正交分量的输入，对两部分数据分别经过符号变换器，将两部分数据同乘以(-1)n；偶数抽取值x(2n)经过3/4延时内插滤波器补偿抽取时的延时，经过4倍抽取低通滤波器滤除高频分量得到同相分量I；奇数抽取值x(2n+1)经过1/4延时内插滤波器补偿抽取时的延时，经过4倍抽取低通滤波器滤除高频分量得到正交分量Q，n为采样点序数；
为了保证I、Q两路信号的时间一致性，采用延时内插滤波器来进行时延校正，多相滤波单元中的两组延时内插滤波器设计步骤为：①采用FPGA控制器的IP核设计FIR线性相位低通原型滤波器，阶数N＝32，截止频率ωc＝π/4；②计算其冲击响应h(m)(0≤m≤N-1)；③选择两路正交分量的冲击响应分别为hI(m)＝h(4m+3)和hQ(m)＝h(4m+1)，hI(m)为同相分量的冲击响应；hQ(m)为正交分量的冲击响应，m＝0,1,…,7；④根据hI(m)设计3/4延时内插滤波器，hQ(m)设计1/4延时内插滤波器。
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