CN106058629B - 一种闭环反馈控制的光纤放大器及其反馈控制方法 - Google Patents

一种闭环反馈控制的光纤放大器及其反馈控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种闭环反馈控制的光纤放大器及其反馈控制方法，本放大器的环形器、窄带滤波器、掺杂光纤、波分复用器、光纤反射镜和泵浦激光器构成光学结构，环形器所接分束器的一输出端为放大器输出端，另一个输出端接监测端口，监测端口与电控组件的光电探测器连接。电控组件的光电探测器，峰值保持电路，AD模块，微处理器，DA模块和泵浦驱动电路依次连接，再连接泵浦激光器。微处理器由反馈信号获得控制量，对泵浦激光器的反馈控制。本反馈控制方法：I、先对反馈信号采样N次平均为稳定值AD0；Ⅱ、采样N次平均为转换值ADk，由二者的相对误差求得泵浦驱动电路当前控制量；重复执行Ⅱ。本发明有效抑制扰动，放大器高增益、低噪声、高稳定。

Description

一种闭环反馈控制的光纤放大器及其反馈控制方法
技术领域
本发明属于激光脉冲放大技术领域，具体涉及一种闭环反馈控制的光纤放大器及其反馈控制方法。
背景技术
自掺杂光纤研制成功以来，光纤激光系统得到了巨大的发展，许多大型光纤激光系统如雨后春笋般出现。大型光纤激光系统往往包含多级放大，涉及器件众多。在系统运行期间，由于温度、振动、器件老化等多种因素的影响，激光系统的输出会出现波动。脉冲型激光系统涉及的电光器件更多，而且激光脉冲对扰动更敏感，因此脉冲型激光系统的输出更容易受到环境影响。激光系统输出的波动直接影响其工作表现，提高输出稳定性激光系统才能胜任正常的工作。
光纤放大器是光纤激光系统的增益部件，特别是大型光纤激光系统有多级光纤放大器，整个光纤激光系统的稳定，首先取决于各级光纤放大器的稳定增益。显然，保证光纤激光系统稳定，首先需要解决关键问题是保证光纤放大器的稳定输出。
发明内容
本发明的目的是设计一种闭环反馈控制的光纤放大器，在现有的光纤放大器的输出端接分束器，分出的监测信号连接电控组件，电控组件含有微处理器和对监测信号进行处理的电路，电控组件得到对泵浦驱动电路的控制量，经泵浦驱动电路连接控制泵浦激光器的输入电流，从而保证了光纤放大器的稳定输出。
本发明的目的是设计一种闭环反馈控制的光纤放大器的反馈控制方法，微处理器调节泵浦驱动电路达到泵浦激光器设定值，先对监测信号N次采样平均后得到稳定值AD0，再N次采样平均后得到转换值ADk，由ADk和AD0求得相对误差e，由e获得对泵浦驱动电路的控制值u。反馈控制有效抑制输入信号以及放大器本身的扰动，保证放大器的高增益、低噪声和高稳定输出。
本发明设计的一种闭环反馈控制的光纤放大器，包括环形器、窄带滤波器、掺杂光纤、波分复用器、光纤反射镜和泵浦激光器，泵浦激光器输出的泵浦激光接入波分复用器第一端口，波分复用器的第二端口连接掺杂光纤的一端，波分复用器的第三端口连接光纤反射镜。脉冲信号光接入环形器第一端口，从环形器第二端口输出接入窄带滤波器，窄带滤波器连接掺杂光纤另一端。本发明在环形器的第三端口接分束器输入端，分束器的一个输出端为本放大器的输出端，分束器的另一个输出端连接监测端口，监测端口与电控组件的光电探测器连接，电控组件的输出端为泵浦驱动电路的输出端，泵浦驱动电路连接泵浦激光器，控制其输入电流。
所述电控组件包括依次连接的光电探测器、峰值保持电路、模数转换模块、微处理器、数模转换模块和泵浦驱动电路，其中光电探测器与分束器监测端口连接,接收输出的放大后的脉冲光并转换为电信号，峰值保持电路有效响应脉冲信号，并提取脉冲信号光的峰值信息。峰值保持电路将脉冲信号光峰值信息经模数转换模块转换为数字信号，作为反馈信号传输给微处理器，微处理器由反馈信号获得泵浦驱动的控制量，控制量经数模转换模块转换为模拟信号，送入泵浦驱动电路，控制输出的泵浦驱动电流，实现对泵浦激光器的闭环反馈控制。
所述的环形器、窄带滤波器、掺杂光纤、光纤反射镜、分束器和波分复用器均适用于脉冲信号光的波长，其中波分复用器同时适用于泵浦光的波长。
所述的窄带滤波器的带宽为1～8nm。
所述的脉冲信号光为脉冲宽度ns级、频率1Hz～10kHz的平顶脉冲光；
所述的分束器的分束比为(90/10)～(99/1)，接到本放大器的输出端的光束较大，占90～99％，其余光束接到监测端口，输出到电控组件的光电探测器。
所述的光电探测器为PIN型光电二极管，可响应ns级脉冲光信号。
所述的峰值保持电路为跨导型峰值保持电路，响应速度≤1ns。
所述的微处理器为Cortex-M4系列芯片，或者为主频大于72MHz，RAM大于64k的微处理器。
一种闭环反馈控制的光纤放大器的反馈控制方法包含以下步骤：
步骤Ⅰ、确定脉冲信号光稳定值
输入脉冲信号光，设置泵浦电流，泵浦电流小于或等于泵浦激光器的最大限定值，启动反馈控制，微处理器连续N次对模数转换模块送入的反馈信号采样，并取N次采样值的平均值作为稳定值AD0。所述N为10～20。
反馈信号是峰值保持电路提取的本装置输出的脉冲信号光的峰值信息转换的数字信号，故反馈信号直接反映本装置输出的激光脉冲信号光的峰值大小。
微处理器对模数转换模块的反馈信号的采样频率为10～50次/秒。
步骤Ⅱ、反馈控制
微处理器继续连续N次对模数转换模块送入的反馈信号采样，并取N次采样值的平均值作为当前转换值ADk，k为当前采样序号。微处理器比较当前转换值ADk与稳定值AD0，得到当前的相对误差e(k)＝(ADk-AD0)/AD0，基于当前相对误差e(k)得到泵浦驱动电路当前控制量u(k)，当前控制量u(k)的值决定泵浦激光器泵浦电流的当前电流修正量的大小，电流修正量ΔI＝u(k)Ik，求得下一时刻，即k+1时刻设置的反馈控制的泵浦电流Ik+1＝Ik·(1+u(k))。
其中，Ik+1为修正后的k+1时刻设置的反馈控制的泵浦电流值，Ik为当前k时刻设置的泵浦电流值，u(k)为当前微处理器输出的控制量。
泵浦驱动电路按Ik+1输出泵浦电流。
重复执行步骤Ⅱ，直到关闭反馈控制。
所述微处理器基于当前相对误差e(k)得到泵浦驱动电路控制量u(k)的方法为：对当前的相对误差e(k)进行比例积分微分计算，即PID算法，获得当前控制量u(k)。PID算法是一种广泛应用于工业领域的反馈计算方法，具有简单、实用、鲁棒性强等优点。所述比例积分微分计算公式如下：
Figure GDA0003165508680000041
其中，u(k)为当前控制量，kp比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数，e(k)为当前转换值ADk与稳定值AD0的相对误差。
与现有技术相比，本发明一种闭环反馈控制的光纤放大器及其反馈控制方法的优点为：1、电控组件的反馈控制结构，能够有效抑制输入信号以及放大器本身的扰动，保证放大器的高增益、低噪声和高稳定；2、电控组件的峰值保持电路能够有效获取ns级脉冲的峰值大小，减少了高速电器件的使用，有效降低成本，降低系统的复杂性；3、微处理器采用PID控制算法由相对误差取得泵浦驱动电路控制量，一方面有利于PID参数的整定，具有更宽泛的适应性，另一方面能够及时获取控制量，更快速有效地抑制输入信号以及放大器本身的扰动；4、光路结构新颖，脉冲信号光两次通过掺杂光纤，具有双程放大作用，可以获得更高的增益，同时有利于减少放大器的自发辐射(ASE)；5、光路结构内含窄带滤波器，脉冲信号光两次通过窄带滤波器，有效抑制非信号光成分，获得更高的信噪比。
附图说明
图1为本闭环反馈控制的光纤放大器实施例结构框图；
图2为图1中电控组件结构框图；
图3为本闭环反馈控制的光纤放大器的反馈控制方法实施例流程图；
图4为本闭环反馈控制的光纤放大器的反馈控制方法实施例未使用反馈控制时的脉冲信号光输出状态图；
图5为本闭环反馈控制的光纤放大器的反馈控制方法实施例脉冲信号光输出状态图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
闭环反馈控制的光纤放大器实施例
本闭环反馈的光纤放大器实施例如图1所示，图中的虚线连接符号表示光路，实线连接符号表示电路。本实施例包括环形器、窄带滤波器、掺杂光纤、波分复用器、光纤反射镜、泵浦激光器、分束器和电控组件，泵浦激光器输出的泵浦激光接入波分复用器第一端口，波分复用器的第二端口连接掺杂光纤的一端，波分复用器的第三端口连接光纤反射镜。脉冲信号光接入环形器第一端口，从环形器第二端口输出接入窄带滤波器，窄带滤波器连接掺杂光纤另一端。本例环形器的第三端口接分束器输入端，分束器的一个输出端为本放大器的输出端，分束器的另一个输出端连接监测端口，监测端口与电控组件的光电探测器连接，电控组件的输出端为泵浦驱动电路输出端，泵浦驱动电路连接泵浦激光器，控制其输入电流。
本例电控组件如图2所示，包括依次连接的光电探测器、峰值保持电路、模数转换模块(AD转换模块)、微处理器、数模转换模块(DA转换模块)和泵浦驱动电路。
本例的脉冲信号光为波长1053nm、脉冲宽度5ns的方波，重复频率1kHz。
本例泵浦光波长为976nm。
本例的环形器、窄带滤波器、掺杂光纤、光纤反射镜、分束器和波分复用器等各光器件为保偏器件，适用于脉冲信号光的波长1053nm，其中波分复用器还适用于泵浦光的波长976nm。
本例的窄带滤波器的带宽为2nm。
本例的分束器的分束比为99/1，99％的光束接到本放大器的输出端口，1％的光束接入监测端口。
本例光电探测器为PIN型光电二极管，能有效响应ns级脉冲光信号,具体为ChinaDaheng Group提供的GCPD-1P系列光电探测器。光电探测器与分束器监测端口连接,接收输出的放大后的脉冲光并转换为电信号。
本例的微处理器为Cortex-M4系列芯片，具体为Stm32f407vgt6。
闭环反馈控制的光纤放大器的反馈控制方法实施例
本反馈控制方法实施例采用上述的闭环反馈控制的光纤放大器实施例，其流程图如图3所示，包含以下步骤：
步骤Ⅰ、确定脉冲信号光稳定值
输入脉冲信号光，设置泵浦电流值小于或等于泵浦激光器的最大限定值，启动反馈控制，微处理器连续15次对模数转换模块送入的反馈信号采样，并取15次采样值的平均值作为稳定值AD0。
本例微处理器对模数转换模块的反馈信号的采样频率为15次/秒。
步骤Ⅱ、反馈控制
微处理器继续连续15次对模数转换模块送入的反馈信号采样，并取15次采样值的平均值作为当前转换值ADk，k为当前采样序号。微处理器比较当前转换值ADk与稳定值AD0，得到当前的相对误差e(k)＝(ADk-AD0)/AD0，采用比例积分微分(PID)计算公式计算当前控制量u(k)：
Figure GDA0003165508680000061
其中，e(k)为当前转换值ADk与稳定值AD0的相对误差。
本例比例系数kp＝-0.05，积分系数ki＝-0.02，本例应用中的扰动并非快速扰动，微分项影响极小，为了简化计算，舍弃此式中的微分项，即设微分系数kd＝0。
求得下一时刻，即k+1时刻设置的反馈控制泵浦电流Ik+1＝Ik·(1+u(k))，
其中，Ik+1为修正后的k+1时刻设置的反馈控制泵浦电流值，Ik为当前k时刻设置的泵浦电流值。
泵浦驱动电路按Ik+1输出泵浦电流。
重复执行步骤Ⅱ，直到关闭反馈控制。
本例的输入脉冲信号光的单脉冲能量约5nJ。开启上述光纤放大器实施例，设置泵浦驱动电路输出的泵浦电流800mA，输出能量约为550nJ。
当关闭本闭环反馈控制的光纤放大器的反馈控制时，光纤放大器的能量输出状态如图4所示，图中横坐标为时间T(min)，纵坐标为能量E(nJ)，图4中的曲线波动较大，系统运行1小时输出均方根(RMS)偏差值为4.5％，峰谷值(PV)偏差值为20.1％。
按上述反馈控制方法实施例对光纤放大器进行闭环反馈控制，光纤放大器的能量输出状态如图5所示，图中纵横坐标与图4相同。图5中可见输出稳定性大幅提升，运行1小时输出均方根(RMS)偏差值仅为0.8％，与未采用反馈控制时相比缩小至1/5，峰谷值(PV)偏差值为6.0％，也缩小到1/3。
显然，本发明的一种闭环反馈控制的光纤放大器及其反馈控制方法，使光纤放大器具备高增益、低噪声、高稳定等优点，有效地克服光纤放大器自身以及激光放大系统的扰动。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种闭环反馈控制的光纤放大器的反馈控制方法，所述闭环反馈控制的光纤放大器，包括环形器、窄带滤波器、掺杂光纤、波分复用器、光纤反射镜和泵浦激光器，泵浦激光器输出的泵浦激光接入波分复用器第一端口，波分复用器的第二端口连接掺杂光纤的一端，波分复用器的第三端口连接光纤反射镜；脉冲信号光接入环形器第一端口，从环形器第二端口输出接入窄带滤波器，窄带滤波器连接掺杂光纤另一端；
所述环形器的第三端口接分束器输入端，分束器的一个输出端为本放大器的输出端，分束器的另一个输出端连接监测端口，监测端口与电控组件的光电探测器连接，电控组件的输出端为泵浦驱动电路的输出端，泵浦驱动电路连接泵浦激光器，控制其输入电流；
所述电控组件包括依次连接的光电探测器、峰值保持电路、模数转换模块、微处理器、数模转换模块和泵浦驱动电路；
其特征在于包含以下步骤：
步骤Ⅰ、确定脉冲信号光稳定值
输入脉冲信号光，设置泵浦电流，泵浦电流值小于或等于泵浦激光器的最大限定值；启动反馈控制，微处理器连续N次对模数转换模块送入的反馈信号采样，并取N次采样值的平均值作为稳定值AD0；所述N为10～20；
步骤Ⅱ、反馈控制
微处理器继续连续N次对模数转换模块送入的反馈信号采样，并取N次采样值的平均值作为当前转换值ADk，k为当前采样序号；微处理器比较当前转换值ADk与稳定值AD0，得到当前的相对误差e(k)＝(ADk-AD0)/AD0，基于当前相对误差e(k)得到泵浦驱动电路当前控制量u(k)，当前控制量u(k)的值决定泵浦激光器泵浦电流的当前电流修正量的大小，电流修正量ΔI＝u(k)Ik；求得下一时刻，即k+1时刻设置的反馈控制泵浦电流Ik+1＝Ik·(1+u(k))，
其中，Ik+1为修正后的k+1时刻设置的反馈控制泵浦电流值，Ik为当前k时刻设置的泵浦电流值；
泵浦驱动电路按Ik+1输出泵浦电流；
重复执行步骤Ⅱ，直到关闭反馈控制。
2.根据权利要求1所述的闭环反馈控制的光纤放大器的反馈控制方法，其特征在于：
所述的环形器、窄带滤波器、掺杂光纤、光纤反射镜、分束器和波分复用器均适用于脉冲信号光的波长，其中波分复用器同时适用于泵浦光的波长。
3.根据权利要求2所述的闭环反馈控制的光纤放大器的反馈控制方法，其特征在于：
所述的窄带滤波器的带宽为1nm～8nm。
4.根据权利要求1所述的闭环反馈控制的光纤放大器的反馈控制方法，其特征在于：
所述的脉冲信号光为脉冲宽度ns级、频率1Hz～10kHz的平顶脉冲光。
5.根据权利要求1所述的闭环反馈控制的光纤放大器的反馈控制方法，其特征在于：
所述的分束器的分束比为(90/10)～(99/1)，接到本放大器的输出端的光束占90～99％，其余光束接到监测端口，输出到电控组件的光电探测器。
6.根据权利要求1所述的闭环反馈控制的光纤放大器的反馈控制方法，其特征在于：
所述的光电探测器为PIN型光电二极管。
7.根据权利要求1所述的闭环反馈控制的光纤放大器的反馈控制方法，其特征在于：
所述的峰值保持电路为跨导型峰值保持电路，响应速度≤1ns。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的闭环反馈控制的光纤放大器的反馈控制方法，其特征在于：
所述微处理器基于当前相对误差e(k)得到泵浦驱动电路控制量u(k)的方法为：对当前的相对误差e(k)进行比例积分微分计算，获得当前控制量u(k)；所述比例积分微分计算公式如下：
Figure FDA0003337618640000031
其中kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数。
9.根据权利要求8所述的闭环反馈控制的光纤放大器的反馈控制方法，其特征在于：
所述微处理器对模数转换模块的反馈信号的采样频率为10～50次/秒。
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