CN105006736A - 基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，包括：扫频激光源、耦合器、延迟光纤、声光频移器、光电探测器、频谱分析仪、数字鉴频鉴相器、加法器。同时提供了上述系统的校准方法：扫频激光源发出相位连续的光信号，光信号一路经过光纤延迟，另一路用声光频移器将光频搬移，两路光信号合路后，用平衡光电探测器探测拍频光信号；拍频光信号与射频参考信号用数字鉴频鉴相器进行相位比较，输出的误差信号经信号调理后反馈回激光器，从而完成整个环路的闭环控制。本发明对扫频激光源输出光频中的非线性进行精确校准，输出光频线性度明显提高，大大提高了光调频连续波测距系统的空间分辨率。

Description

基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统及方法

技术领域

本发明涉及光调频技术领域，具体地，涉及一种基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统及方法。

背景技术

光调频连续波(FMCW)是一种通过测量发射光信号与回波信号相干得到的拍频信号的频域响应来获取被测目标位置，速度等参量的技术，其核心模块是一个需要频率线性调制的激光源。

在各种类型的激光源中，窄线宽半导体激光器可能是最为合适的，因为它的输出频率可以通过改变激光器的注入电流来灵活控制，然而，通常情况下由于半导体激光器本身固有的频率调制效应，激光器的输出频率对于调制电流呈现明显的非线性。

现有的能减小扫频激光源非线性的方法，是基于调制电流预畸变的机制，然而，使用该方法只能使扫频激光源的输出频率中的非线性减小到一个比较小的范围内，却不能从原理上完全消除，采用这种方法难以实现高精度大范围的线性扫频。

发明内容

本发明的内容在于克服光调频连续波中的扫频非线性，提出一种基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统及方法，该系统及方法是一种基于马赫曾得干涉仪延迟外差锁相的闭环反馈方案，通过该系统及方法可以实现对输出光频的扫频斜率和形状进行精确控制，使激光器在扫频过程中对非线性频率误差进行主动校准，可以对不同类型的激光源进行校准。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，包括扫频激光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、延迟光纤、声光频移器、平衡光电探测器、频谱分析仪、数字鉴频鉴相器以及加法器；其中：

所述扫频激光源、第一耦合器和第二耦合器依次设置，所述第二耦合器分别与延迟光纤和声光频移器的第一端相连，所述延迟光纤和声光频移器的第二端分别与第三耦合器相连，所述第三耦合器、平衡光电探测器、数字鉴频鉴相器、加法器依次设置，所述频谱分析仪与平衡光电探测器相连，所述加法器输出至扫频激光源。

优选地，所述扫频激光源采用窄线宽半导体激光器，并通过预畸变电流信号直接调制，发出相位连续的光信号。

优选地，第一耦合器采用1×2保偏耦合器。

优选地，所述第二耦合器和第三耦合器均采用2×2保偏耦合器

优选地，所述平衡光电探测器采用两个参数相同的平衡放大光电探测器作为一个平衡接收器。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准方法，包括如下步骤：

步骤1，扫频激光源经预畸变电流信号直接调制，发出相位连续的光信号；

步骤2，相位连续的光信号经过第一耦合器后输出两部分，其中一部分用作系统输出，另外一部分用于系统闭环反馈控制；

步骤3，用于系统闭环反馈控制的光信号，经过第二耦合器后输出两部分，其中一部分进入延迟光纤，另外一部分进入声光频移器将光频搬移，经过延迟光纤和声光频移器后输出的两路光信号经过第三耦合器合路；

步骤4，经过第三耦合器合路的光信号通过平衡光电探测器探测拍频光信号，并通过频谱分析仪分析拍频信号的频谱；

步骤5，将平衡光电探测器探测的拍频光信号与一个频率稳定的射频参考信号通过数字鉴频鉴相器进行相位比较后，输出的误差信号经信号调理后与预畸变电流信号经过加法器相加反馈回扫频激光源，从而完成整个环路的闭环控制。

优选地，所述第一耦合器采用10∶90的耦合器，其中，90％的部分用作系统输出，10％的部分用于系统闭环反馈控制。

优选地，扫频激光源发出1550nm或者1310nm波长的连续光信号。

优选地，所述数字鉴频鉴相器对拍频光信号和射频参考信号的频率和/或相位信息进行比较，其中，输出的相位误差信息以输出电流脉冲的占空比表征。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明可以对扫频激光源输出光频中的非线性进行精确校准，输出光频线 性度明显提高，大大提高了光调频连续波测距系统的空间分辨率。

2、本发明对扫频激光源的非线性的校准为主动实时校准，减少了后期算法补偿的开销，提高了测量系统的系统效率。

3、本发明可以灵活控制扫频激光源的扫频斜率和形状，可以实现不同扫频斜率和不同扫频形状的光频扫描控制。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为光调频连续波扫频非线性闭环校准系统的结构示意图。

图2为系统开环时的拍频信号的频谱图。

图3为系统闭环后拍频信号的频谱图。

图中：

1 为扫频激光源 

2 为第一耦合器 

3 为第二耦合器 

4 为延迟光纤 

5 为声光频移器 

6 为第三耦合器 

7 为平衡光电探测器

8 为频谱分析仪 

9 为数字鉴频鉴相器

10 为加法器

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例提供了一种基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，包括扫频激光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、延迟光纤、声光频移器、平衡光电探测器、频谱分析仪、数字鉴频鉴相器以及加法器；其中：

所述扫频激光源、第一耦合器和第二耦合器依次设置，所述第二耦合器分别与延迟光纤和声光频移器的第一端相连，所述延迟光纤和声光频移器的第二端分别与第三耦合器相连，所述第三耦合器、平衡光电探测器、数字鉴频鉴相器、加法器依次设置，所述频谱分析仪与平衡光电探测器相连，所述加法器输出至扫频激光源。

进一步地，所述扫频激光源采用窄线宽半导体激光器，并通过预畸变电流信号直接调制，发出相位连续的光信号。

进一步地，所述第一耦合器采用10∶90保偏耦合器。

进一步地，所述第二耦合器采用50∶50保偏耦合器。

进一步地，所述第三耦合器采用50∶50保偏耦合器。

进一步地，所述平衡光电探测器采用两个参数相同的平衡放大光电探测器作为一个平衡接收器，对两路输入光信号做差分接收，消除了共模噪声。

本实施例提供的基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，其校准方法，包括如下步骤：

步骤1，扫频激光源经预畸变电流信号直接调制，发出相位连续的光信号；

步骤2，相位连续的光信号经过第一耦合器后输出两部分，其中一部分用作系统输出，另外一部分用于系统闭环反馈控制；

步骤3，用于系统闭环反馈控制的光信号，经过第二耦合器后输出两部分，其中一部分进入延迟光纤，另外一部分进入声光频移器将光频搬移，经过延迟光纤和声光频移器后输出的两路光信号经过第三耦合器合路；

步骤4，经过第三耦合器合路的光信号通过平衡光电探测器探测拍频光信号，并通过频谱分析仪分析拍频信号的频谱；

步骤5，将平衡光电探测器探测的拍频光信号与一个频率稳定的射频参考信号通过数字鉴频鉴相器进行相位比较后，输出的误差信号经信号调理后与预畸变电流信号经过加法器相加反馈回扫频激光源，从而完成整个环路的闭环控制。

进一步地，所述第一耦合器采用10∶90的耦合器，其中，90％的部分用作系统输出，10％的部分用于系统闭环反馈控制。

进一步地，扫频激光源发出1550nm或者1310nm波长的连续光信号。

进一步地，所述数字鉴频鉴相器对拍频光信号和射频参考信号的频率和/或相位信息进行比较，其中，输出的相位误差信息以输出电流脉冲的占空比表征。

下面结合附图对本实施例进一步描述。

如图1所示，基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，包括扫频激光源、三个光耦合器、延迟光纤、声光频移器、平衡光电探测器、频谱分析仪、数字鉴频鉴相器以及加法器。

扫频激光源采用1310nm或1550nm波长的半导体激光器，并由预畸变方法得到的电流信号驱动，发出光频为一定线性度相位连续的光信号。输出光信号由一个10∶90第一耦合器分成两路，90％部分用作系统输出，10％部分耦合进入反馈环路；用于反馈校准的光信号进一步用一个50∶50第二耦合器分成两路，一路经过一定长度延迟为τ₀的光纤，另一路用声光频移器搬移一定频率，这两路光信号经第三耦合器进行合路，由于扫频激光源的输出光频随时间变化，两路的光信号存在一定的光纤延迟，在接收端光电探测器可以探测到一定频率的拍频信号。将探测到的拍频信号与一个稳定的射频参考信号用数字鉴频鉴相器进行相位比较，输出的误差信号经信号调理后反馈回激光器完成整个环路的闭环控制。设扫频激光源的输出如下：

v(t)＝v₀+rt                      (1) 

这里，v₀为初始光频，t为时间，r为激光器的调频斜率，对应的输出光相位为：

φ(t)＝∫2πv(t)dt＝πrt²+2πv₀t+φ₀              (2) 

φ₀为初始相位，光电探测器探测两路光信号的相位差，其输出为：

这里，K_P是光电探测器的增益，它与探测到的光功率和光电探测器的灵敏度相关；τ₀是干涉仪的两臂间的光纤延迟，f_beat＝rτ₀是由激光源扫频导致的拍频频率，f_AOFS为驱动声光频移器的射频信号频率，为AOFS驱动信号的初相，φ(t)为参考臂的光相位，φ(t-τ₀)为延迟臂的光相位。由式(3)可以看出当扫频激光源的扫频斜率为一个常数时，输出的电信号为一个频率为f_PD＝f_beat+f_AOFS的单频信号，因此，扫频光源的瞬时输出频率可以用拍频电信号的瞬时相位表征。选择参考信号的频率为：

f_ref＝f_beat+f_AOFS＝rτ₀+f_AOFS               (4) 

鉴频鉴相器的输出信号为：

其中K_O为鉴频鉴相器的增益，是参考信号的初始相位。输出信号经信号调理后用加法器跟预畸变电流信号相加后反馈回激光器，激光器根据误差信号调整输出光频率，使输出的光频随时间线性变化。

在本实施例中：

窄线宽半导体激光器由预畸变电流信号直接调制，发出相位连续的光信号，经过1×2保偏耦合器分为两部分，一部分用作系统输出，另一部分用于系统闭环反馈控制用。

用于闭环反馈的光输出进一步分为两路，进入一个通过延迟光纤和声光频移器形成的马赫曾得干涉仪，一路经过一定长度的延迟光纤延迟，另一路用声光频移器(AOFS)将光频搬移，两路光信号用一个2×2保偏耦合器进行合路，用平衡光电探测器探测拍频光信号，用频谱分析仪分析拍频信号的频谱。

探测到的拍频信号与一个频率稳定的射频参考信号用数字鉴频鉴相器进行相位比较，输出的误差信号经信号调理后与预畸变电流信号相加反馈给激光器，从而完成整个环路的闭环控制。

下面以550nm波长的窄线宽DFB半导体激光器发出连续的扫频光信号为例：

1550nm波长的窄线宽DFB半导体激光器发出连续的扫频光信号，进入反馈环路的信号一路经过50m的光纤延迟，另一路经声光频移器移频40MHz，两路光信号经耦合器合路后由光电探测器探测拍频信号。环路开环时，频谱分析仪输出拍频信号的频谱为图2所示，可以看出环路未闭合时，由于扫频光源非线性的存在，拍频信号的频谱显得杂乱，峰值功率下降，且分散在多个频点。环路闭环时，频谱分析仪输出的拍频信号的频谱如图3所示，可以看出环路闭合时，拍频信号的频谱得到明显改善，功率集中在单频，表征扫频激光源的输出随时间线性变化。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，其特征在于，包括扫频激光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、延迟光纤、声光频移器、平衡光电探测器、频谱分析仪、数字鉴频鉴相器以及加法器；其中：

所述扫频激光源、第一耦合器和第二耦合器依次设置，所述第二耦合器分别与延迟光纤和声光频移器的第一端相连，所述延迟光纤和声光频移器的第二端分别与第三耦合器相连，所述第三耦合器、平衡光电探测器、数字鉴频鉴相器、加法器依次设置，所述频谱分析仪与平衡光电探测器相连，所述加法器输出至扫频激光源。

2.根据权利要求1所述的基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，其特征在于，所述扫频激光源采用窄线宽半导体激光器，并通过预畸变电流信号直接调制，发出相位连续的光信号。

3.根据权利要求1所述的基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，其特征在于，所述第一耦合器采用1×2保偏耦合器。

4.根据权利要求1所述的基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，其特征在于，所述第二耦合器和第三耦合器均采用2×2保偏耦合器。

5.根据权利要求1所述的基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，其特征在于，所述平衡光电探测器采用两个参数相同的平衡放大光电探测器作为一个平衡接收器。

6.一种基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准方法，其特征在于，采用权利要求1至5中任一项所述的基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，包括如下步骤：

步骤1，扫频激光源经预畸变电流信号直接调制，发出相位连续的光信号；

步骤2，相位连续的光信号经过第一耦合器后输出两部分，其中一部分用作系统输出，另外一部分用于系统闭环反馈控制；

步骤3，用于系统闭环反馈控制的光信号，经过第二耦合器后输出两部分，其中一部分进入延迟光纤，另外一部分进入声光频移器将光频搬移，经过延迟光纤和声光频移器后输出的两路光信号经过第三耦合器合路；

步骤4，经过第三耦合器合路的光信号通过平衡光电探测器探测拍频光信号，并通过频谱分析仪分析拍频信号的频谱；

步骤5，将平衡光电探测器探测的拍频光信号与一个频率稳定的射频参考信号通过数字鉴频鉴相器进行相位比较后，输出的误差信号经信号调理后与预畸变电流信号经过加法器相加反馈回扫频激光源，从而完成整个环路的闭环控制。

7.根据权利要求6所述的基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准方法，其特征在于，所述第一耦合器采用1×2的耦合器，其中，90％的部分用作系统输出，10％的部分用于系统闭环反馈控制。

8.根据权利要求6所述的基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准方法，其特征在于，扫频激光源发出1550nm或者1310nm波长的连续光信号。

9.根据权利要求6所述的基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准方法，其特征在于，所述数字鉴频鉴相器对拍频光信号和射频参考信号的频率和/或相位信息进行比较，其中，输出的相位误差信息以输出电流脉冲的占空比表征。