CN110146012B - 一种半导体激光器非线性调频预校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学调频连续波干涉测量技术领域，具体涉及一种半导体激光器非线性调频预校正方法。本发明通过测出每个调制周期中干涉信号波形的极值点在时间轴上的实际位置及其与理想位置的偏差，来确定半导体激光器调频非线性大小，再根据此偏差平移激光调制信号波形对应点在时间轴上的位置，经过分段插值或非线性拟合得到校正后的激光器调制波形，从而实现对半导体激光器调频连续波干涉非线性的校正。本方法可以利用计算机辅助检测，通过反复迭代得到最佳调制波形，从而提高非线性矫正精度，可用于各种基于半导体激光器的调频连续波干涉测量系统，提高其测量精度。

Description

一种半导体激光器非线性调频预校正方法

技术领域

本发明涉及光学调频连续波干涉测量技术领域，具体涉及一种半导体激光器非线性调频预校正方法。

背景技术

光学调频连续波(FMCW)干涉是一项21世纪出现的新技术，这种光学干涉技术需要使用一个光频率连续线性调制的相干光源，因为只有线性调频，得到的干涉信号拍频频率才能为一常数，便于精确地鉴别相位及其变化。目前，单模半导体激光器被认为是最合适的调频相干光源，因为半导体激光器调制频率方法比较简单，直接调制驱动电流就可以实现频率调制。但是，半导体激光器的驱动电流与输出光频率之间并非完全是线性关系，这会给基于光学调频连续波干涉原理的测量系统带来较大的测量误差。因此，如何消除半导体激光器调频的非线性，是光学调频连续波干涉测量的关键。

目前常见的方法中，消除半导体激光器调频非线性是通过测量恒定电流输入条件下的输出光频率，建立数据库，再拟合出使激光器输出频率线性化的驱动电流波形。然而这种方法存在的问题是：因为半导体激光器在恒定电流驱动时的光频响应特性与在连续变化电流驱动时的光频响应特性并不完全一致，因此矫正精度不高。

发明内容

本发明提供一种用于半导体激光器非线性调频预校正方法，以克服现有技术存在的矫正精度不高的问题。

为了达到本发明的目的，本发明提供的技术方案是：

一种用于半导体激光器非线性调频预校正方法，包括以下步骤：

步骤一：测量每个调制周期中干涉信号波形的所有极值点在时间轴上实际位置与理想位置的偏差，确定半导体激光器调频非线性大小；

步骤二：根据此偏差平移激光调制信号波形中时间轴上对应点的位置坐标；

步骤三：根据步骤二提供的坐标，利用分段插值或非线性拟合得到校正后的激光器调制信号波形；

所述半导体激光器驱动信号是由微处理器读取数据表格经过DA电路转换得到，数据表格是由线性插值构成，干涉信号是经过光电探测器转换成电信号再经过AD电路转换得到数字信号。

上述步骤一中，通过测量每个调制周期中干涉信号波形的极小值点在时间轴上实际位置与理想位置的偏差，来确定半导体激光器调频非线性大小，并以此校正激光器调制信号波形。

上述步骤一中，通过测量每个调制周期中干涉信号波形的极大值点在时间轴上实际位置与理想位置的偏差，来确定半导体激光器调频非线性大小，并以此校正激光器调制信号波形。

上述步骤二中，当干涉信号的初位相不为零时，每个极值点时间轴上的坐标都要减去初位相。

上述方法利用计算机使用多次迭代法进行矫正。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.本发明无需测量半导体激光器的光频率与驱动电流特性，通过直接对干涉信号进行非线性分析，得到半导体激光器线性调频驱动信号波形，方法简单快捷，非常易于实施。

2.该方法矫正精度高，调频非线性可减小30分贝以上。

3.该方法中使用多次迭代法进行矫正，不仅可以提高工作效率，而且可以进一步减小半导体激光器调频非线性，从而显著提高半导体激光器调频干涉传感系统的测量精度。

4.实现容易，可以根据具体半导体激光器干涉信号进行非线性的人工手动校正或计算机自动校正，可用于各种基于半导体激光器的调频连续波干涉测量系统。

附图说明

图1是校正前的非线性调频连续波激光干涉拍频信号波形。

图2是利用本发明所述方法对非线性调频拍频信号进行校正后之后的波形。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地描述。

根据光学调频连续波干涉理论，如果激光频率是线性调制(例如锯齿波调制)，对于任何双光束光学调频连续波干涉系统，干涉信号的光强度I(τ,t)可以表示为

I(τ，t)＝I₀[1+Vcos(aτt+ω_Oτ)] (1)

其中，I₀为干涉信号的平均光强度(I₀＝I₁+I₂，I₁为参考光强度，I₂为信号光强度)，V为干涉信号的对比度

ω₀为激光器中心角频率,τ为信号光相对于参考光的延时时间(τ＝OPD/c，OPD为信号光相对于参考光的光程差，c为光速)，α为激光器角频率调制率(α＝Δω/T_m,Δω为激光器角频率调制范围，T_m为调制信号周期)。

显然，线性调频连续波干涉信号是一个动态拍频信号，拍频频率是一个常数ατ，与时间有关的相位为

当t＝T_m时，

上述公式表示，只要t＝T_m，当延时时间τ不变时，干涉信号与时间有关的相位只与Δω有关。所以同时改变调制信号和干涉信号中某一对应点的位置，不会影响该点原来的相位，如果原来是极小值点，移动后还是极小值点，并且不会影响其他点的相位。利用这一特性，我们可以分别把每个极值点安排在各自线性调频时的理想位置，从而消除非线性的影响，而根据调制信号移动后的点作为节点，利用分段插值或非线性拟合得出的曲线，就是校正后的激光器调制信号波形。

本发明提供的一种半导体激光器非线性调频预校正方法，包括以下步骤：

步骤一：测量每个调制周期中干涉信号波形的所有极值点在时间轴上实际位置与理想位置的偏差，确定半导体激光器调频非线性大小；

步骤二：根据此偏差平移激光调制信号波形中时间轴上对应点的位置坐标；

步骤三：根据步骤二提供的坐标利用分段插值法得到校正后的激光器调制信号波形。

所说的半导体激光器驱动信号是由微处理器读取数据表格经过DA电路转换得到，数据表格是由线性插值构成，干涉信号是经过光电探测器转换成电信号再经过AD电路转换得到数字信号。

所说的极值点可以是极小值点，也可以是极大值点，还可以是包括二者。

实施例：

一种半导体激光器非线性调频预校正方法，包括下述步骤：

步骤1：设半导体激光器驱动信号是由微处理器读取数据表格经过DA电路转换得到，数据表格是由线性插值构成，干涉信号是经过光电探测器转换成电信号再经过AD电路转换得到数字信号。调整信号光和参考光之间的光程差使干涉信号在有效区间T_m内有20个极小值。在理想线性调频情况下，极小值分布均匀，它们在时间轴上的坐标应该是1T_m/20，2T_m/20，......19T_m/20。

步骤2：当存在非线性调频时，极小值分布不均匀，也不在理想位置，参见图1，此时可按照本专利提出的方法，分别计算出所有实际极小值位置与其对应理想极小值位置的偏差。当干涉信号的初位相不为零时，每个极值点时间轴上的坐标都要减去初位相。

步骤3：根据此偏差，在半导体激光器驱动信号波形实际极小值对应点坐标平移到理想位置，并将它们作为新的节点，参见图2，用分段线性插值的方法绘出曲线，作为校正后半导体激光器驱动信号波形。

本发明方法可以利用计算机使用多次迭代法进行矫正，从而提高半导体激光器非线性调频校正精度。

为了提高非线性校正精度，可加大延时时间τ，增大极值点密度。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (3)

1.一种半导体激光器非线性调频预校正方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：测量每个调制周期中干涉信号波形的所有极值点在时间轴上实际位置与理想位置的偏差，确定半导体激光器调频非线性大小；

步骤二：根据此偏差平移激光调制信号波形中时间轴上对应点的位置坐标；

步骤三：根据步骤二提供的坐标，利用分段插值或非线性拟合得到校正后的激光器调制信号波形；

所述半导体激光器驱动信号是由微处理器读取数据表格经过DA电路转换得到，数据表格是由线性插值构成，干涉信号是经过光电探测器转换成电信号再经过AD电路转换得到数字信号。

2.如权利要求1所述的一种半导体激光器非线性调频预校正方法，其特征在于：通过测量每个调制周期中干涉信号波形的极小值点在时间轴上实际位置与理想位置的偏差，来确定半导体激光器调频非线性大小，并以此校正激光器调制信号波形。

3.如权利要求1所述的一种半导体激光器非线性调频预校正方法，其特征在于：通过测量每个调制周期中干涉信号波形的极大值点在时间轴上实际位置与理想位置的偏差，来确定半导体激光器调频非线性大小，并以此校正激光器调制信号波形。

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