CN110375778A - 一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置及锁定点探测方法 - Google Patents

一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置及锁定点探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置装及锁定点探测方法，包括电光调制器、耦合器、正弦信号发生电路、衰减器、放大器、DAC(数模转换器)、加法器、光探测电路、乘法器、低通滤波器、单片机。本发明还公开了一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定方法，本发明通过对电光调制器部分输出光的探测，实现对电光调制器偏置电压的控制，将电光调制器的工作点锁定于最佳工作点。

Description

一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置及锁定点 探测方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置装及锁定点探测方法。
背景技术
布里渊光时域反射(BOTDR)技术自1993年由T.Kurashima等人提出以来，一直受到广泛关注，特别是在最近几年之间发展迅速。BOTDR技术利用光纤中的背向布里渊散射光对温度应变敏感且成线性关系，通过对光纤中的背向布里渊散射光的探测，实现对光纤沿途的温度和应变的检测，由于BOTDR技术具有测量距离远，空间分辨率高等优点，可以对光纤检测区域的故障和隐患进行精准定位和识别，在大型基础工程设施如桥梁、隧道、大坝、体育馆、电力通信网络及油气管道等的安全健康检测和故障预警与评估中显示广阔的前景。
目前的BOTDR探测技术可分为直接探测方式和相干探测方式。直接探测技术是通过调制器将激光器发出的连续光调制成脉冲光，然后将脉冲光通过环形器注入至传感光纤，通过对环形器中散射回来的布里渊散射光直接进行探测。由于布里渊散射光信号非常微弱，限制了直接探测方式的测量精度。
相干探测法是将激光器发出的连续光分出一部分作为本地参考光,探测光与本地参考光通过耦合器拍频后输入到光电探测器中进行探测，可以使得最后探测器探测的中频交流分量与本振光功率和信号光功率的乘积的开方成正比，而不在是只与信号光功率成正比,可以很好地抑制电路中的噪声，获得极高的探测灵敏度和共模抑制比。
但是由于布里渊散射光与本征光存在较大频差，拍频后的中频信号在11GHz左右，需要高带宽的PD和数据采集设备,大大提高了系统成本。目前常用的方法是利用微波源驱动高频电光强度调制器对本地参考光进行移频,适当调节电光强度调制器的偏置电压和微波源的射频功率使电光调制器工作在抑制0阶光频，±1阶光频功率最大的调制深度上。即可以实现光的移频。最后使得相干信号的频率在百兆Hz量级，从而降低了对PD和数据采集设备带宽的要求，自外差相干探测BOTDR系统结构如附图2所示,图中有两个电光调制器,电光调制器1用于脉冲光调制,电光调制器2用于参考光移频。由于电光调制器工作点会随温度和振动发生漂移导致经电光调制器调制的脉冲光消光比下降，经电光调制器调制的移频光移频效率降低，所以两个电光调制器的偏置电压都需要自动控制。常见的电光调制器偏置电压自动控制方法有：基于锁相放大器的控制方法，基于PID算法的软件控制方法，基于“步进跟随”算法的反馈控制方法。2007年加拿大鲍晓毅教授工作组提出了一种基于锁相放大器的电光调制器工作点控制方法，这种方法通过向电光调制器偏置电压加入一个与锁相放大器参考信号同频的扰动信号，探测电光调制器的小部分输出光并将探测信号输出至锁相放大器。通过对锁相放大器的输出电信号锁定电光调制器最佳工作点。2009年华北电力大学尹成群等人提出了一种基于锁相放大器的结合虚拟仪器技术的简便自动偏压控制方案，通过在电光调制器偏置端加入扰动信号，利用数据采集卡采集电光调制器小部分输出光经光电转换后的波形信息至上位机，并在上位机上用LabVIEW进行数字信号处理后对电光调制器工作点进行锁定。上述两种基于锁相放大原理的锁定方法中，都需要用到大型设备如示波器、锁相放大器、计算机等，成本较高，未能实现自动反馈控制，在实际应用中很不方便，并且所使用的光电探测电路为直流光探测电路，放大倍数低，导致锁定精度不高。在自外差相干探测BOTDR系统结构中，两个电光调制器的作用不同，通常采用工作点锁定方法也不相同，需要两种不同结构的工作点锁定装置对两个电光调制器工作点进行锁定，导致整体电路复杂，不易于集成。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提供一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置及方法，可以同时实现电光调制器微波移频工作点锁定以及电光调制器脉冲光调制工作点锁定，并且锁定精度高，能够快速锁定最佳工作点，适应度高，在不同的应用情况下无需软硬件调整。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置，该装置包括电光调制器、耦合器、正弦信号发生电路、衰减器、放大器、数模转换器、加法器、光探测电路、乘法器、低通滤波器、单片机，其中：
电光调制器，接收输入光和射频信号，用于合成脉冲光或移频光，通过控制偏置电压来将其工作点锁定在最佳工作点；
耦合器，用于将电光调制器的输出光分出一部分到光探测电路；
正弦信号发生电路，用于产生低频正弦信号，并输出至衰减器和放大器；
衰减器，用于将正弦信号发生电路输入的低频正弦信号电压进行衰减，输出至加法器；
放大器，用于将正弦信号发生电路输入的低频正弦信号电压进行放大，输出至乘法器；
光探测电路，用于将耦合器分出的光转换成电信号输出至乘法器；
乘法器，用于将放大器输出的信号和光探测信号相乘，将相乘结果输出至低通滤波器；
低通滤波器：将乘法器输入的信号进行低通滤波，并将低通滤波后的结果输出至单片机；
单片机，用于接收低通滤波器输出信号，根据此信号对输出至数模转换器的直流电压的数字信号进行调整；
数模转换器，用于将单片机输出的直流电压数字信号转换成模拟信号，输出至加法器；
加法器，用于将衰减器输出的正弦信号和数模转换器输出直流信号相加，输出至电光调制器偏置端。
作为本发明所述的一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置进一步优化方案，所述正弦信号发生电路产生的正弦信号频率在1KHz至10KHz。
作为本发明所述的一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置进一步优化方案，所述耦合器为90:10耦合器。
作为本发明所述的一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置进一步优化方案，所述光探测电路为交流光探测电路。
作为本发明所述的一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置进一步优化方案，所述衰减器输出的信号的电压幅值为电光调制器半波电压的千分之三至千分之五。
基于上述的一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定方法，包括以下步骤：
步骤一、向电光调制器输入功率恒定的激光；
步骤二、单片机向数模转换器输出预先设定的直流电压的数字信号，正弦信号发生电路产生固定频率且相位相同的第一正弦信号和第二正弦信号分别输出至衰减器和放大器；
步骤三、数模转换器将单片机输出的数字信号转换成直流电压输出至加法器，衰减器将正弦信号发生电路输出的第一正弦信号衰减输出至加法器，加法器将数模转换器输出的直流电压和衰减器输出的信号相加，输出偏置电压至电光调制器偏置端；
步骤四、耦合器从电光调制器输出光分出部分光至光探测电路，光探测电路将输入光信号转换为电信号输出至乘法器，放大器将正弦信号发生电路输出的第二正弦信号放大输出至乘法器；
步骤五、乘法器将光探测电路输出的光探测信号与放大器输出的信号相乘输出至低通滤波器，低通滤波器将乘法器输出的信号进行低通滤波输出至单片机；
步骤六、单片机将低通滤波器输出信号的电压值与预先设定的锁定工作点的数值进行比较，并根据比较结果对输出至数模转换器的数字信号进行调整；
步骤七：循环步骤三至步骤六，直至使得低通滤波器输出的信号的电压值与预先设定的锁定工作点的数值相等，即电光调制器的工作点位于最佳工作点，并一直保持。
进一步的，步骤六中，单片机将低通滤波器输出信号的电压值与预先设定的锁定工作点的数值进行比较，若低通滤波器输出信号电压值大于预先设定的锁定工作点的数值，则减小单片机输出至数模转换器的直流电压；若低通滤波器输出信号电压值小于预先设定的锁定工作点的数值，则增大单片机输出至数模转换器的直流电压。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
(1)可实现电光调制器在微波移频和脉冲光调制应用中的最佳工作点锁定；
(2)工作点锁定精度高，在不同应用间切换无需软硬件调整。
附图说明
图1是本发明的装置结构图。
图2是自外差相干探测BOTDR系统结构图。
图3a是未对电光调制器进行偏压控制时电光调制器输出脉冲光波形。
图3b是未对电光调制器进行偏压控制时电光调制器输出移频光光谱图。
图3c是使用本发明装置及方法对电光调制器偏置电压进行自动控制的电光调制器输出脉冲光波形。
图3d是使用本发明装置及方法对电光调制器偏置电压进行自动控制的电光调制器输出移频光光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示是本发明公开的一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置装系统结构图，该装置包括电光调制器、耦合器、正弦信号发生电路、衰减器、DAC、加法器、光探测电路、乘法器、低通滤波器、单片机，其中：
电光调制器，接收输入光和射频信号，用于合成脉冲光或移频光，通过控制偏置电压来将其工作点锁定在最佳工作点；
电光调制器，接收输入光和射频信号，用于合成脉冲光或移频光，需要通过控制偏置电压来将其工作点锁定在最佳工作点；
耦合器，用于将电光调制器的输出光分出一部分到光探测电路；
正弦信号发生电路，用于产生低频正弦信号，并输出至衰减器和放大器；
衰减器，用于将正弦信号发生电路输入的低频正弦信号电压进行衰减，输出至加法器；
放大器，用于将正弦信号发生电路输入的低频正弦信号电压进行放大，输出至乘法器；
光探测电路，用于将耦合器分出的光转换成电信号输出至乘法器；
乘法器，用于将放大器输出的信号和光探测信号相乘，将相乘结果输出至低通滤波器；
低通滤波器：将乘法器输入的信号进行低通滤波，并将低通滤波后的结果输出至单片机；
单片机，用于接收低通滤波器输出信号，根据此信号对输出至数模转换器的直流电压的数字信号进行调整；
数模转换器，用于将单片机输出的直流电压数字信号转换成模拟信号，输出至加法器；
加法器，用于将衰减器输出的正弦信号和数模转换器输出直流信号相加，输出至电光调制器偏置端。
所述正弦信号发生电路产生的正弦信号频率为1KHz至10KHz。
所述耦合器为90:10耦合器。
所述光探测电路为交流光探测电路。
所述衰减器输出的信号的电压幅值为电光调制器半波电压的千分之三至千分之五。
本发明输入光波长为1550nm，线宽为100kHz，光功率为10dBm；电光调制器型号为中电GC15MZPC7813，工作频率1-12GHz；射频信号源型号为安捷伦E8257D微波源，输出功率25dBm，频率10.8GHz/普源DG1062脉冲信号源,输出脉冲周期1KHz，幅值5V，脉宽100ns。上述具体参数仅仅作为举例说明，实际工作中，可以根据实际需要设置不同的参数。
结合实验参数的具体步骤如下：
步骤一、向电光调制器输入光功率为10dBm，中心频率1550nm的激光；
步骤二、单片机向数模转换器输出预先设定的直流电压的数字信号，正弦信号发生电路产生幅值300mV频率1KHz相位相同的第一正弦信号和第二正弦信号分别输出至衰减器和放大器；
步骤三、数模转换器将单片机输出的数字信号转换成直流电压输出至加法器，衰减器将正弦信号发生电路输出的第一正弦信号幅值衰减至电光调制器半波电压的千分之四，输出至加法器。加法器将数模转换器输出的直流电压和衰减器输出的信号相加，输出偏置电压至电光调制器偏置端；
步骤四、耦合器从电光调制器输出光分出10％的光至光探测电路，光探测电路将输入光信号转换为电信号输出至乘法器，放大器将正弦信号发生电路输出的第二正弦信号放大10倍输出至乘法器；
步骤五、乘法器将光探测电路输出的光探测信号与放大器输出的信号相乘输出至低通滤波器，低通滤波器将乘法器输出的信号进行低通滤波输出至单片机；
步骤六、单片机将低通滤波器输出信号的电压值与预先设定的锁定工作点的数值进行比较，并根据比较结果对输出至数模转换器的数字信号进行调整；
步骤七：循环步骤三至步骤六，直至使得低通滤波器输出的信号的电压值与预先设定的锁定工作点的数值相等，即电光调制器的工作点位于最佳工作点，并一直保持。
步骤六中，单片机将低通滤波器输出信号的电压值与预先设定的锁定工作点的数值进行比较，若低通滤波器输出信号电压值大于预先设定的锁定工作点的数值，则减小单片机输出至数模转换器的直流电压；若低通滤波器输出信号电压值小于预先设定的锁定工作点的数值，则增大单片机输出至数模转换器的直流电压。
实验测得的未对电光调制器进行偏压控制时电光调制器输出脉冲光波形如图3a所示，图3b是未对电光调制器进行偏压控制时电光调制器输出移频光光谱图，图3c是使用本发明装置及方法对电光调制器偏置电压进行自动控制的电光调制器输出脉冲光波形，图3d是使用本发明装置及方法对电光调制器偏置电压进行自动控制的电光调制器输出移频光光谱图。通过图3a—图3d的对比，可以说明本发明装置及方法可以适用于电光调制器在参考光移频和脉冲光调制应用中，将电光调制器工作点的锁定于最佳工作点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置，该装置包括电光调制器、耦合器、正弦信号发生电路、衰减器、放大器、数模转换器、加法器、光探测电路、乘法器、低通滤波器、单片机，其特征在于：
电光调制器，接收输入光和射频信号，用于合成脉冲光或移频光，通过控制偏置电压将其工作点锁定在最佳工作点；
耦合器，用于将电光调制器的输出光分出一部分到光探测电路；
正弦信号发生电路，用于产生低频正弦信号并输出至衰减器和放大器；
衰减器，用于将正弦信号发生电路输入的低频正弦信号电压进行衰减，输出至加法器；
放大器，用于将正弦信号发生电路输入的低频正弦信号电压进行放大，输出至乘法器；
光探测电路，用于将耦合器分出的光转换成电信号输出至乘法器；
乘法器，用于将放大器输出的信号和光探测信号相乘，并将相乘结果输出至低通滤波器；
低通滤波器：将乘法器输入的信号进行低通滤波，并将低通滤波后的结果输出至单片机；
单片机，用于接收低通滤波器输出信号，根据此信号对输出至数模转换器的直流电压的数字信号进行调整；
数模转换器，用于将单片机输出的直流电压数字信号转换成模拟信号，输出至加法器；
加法器，用于将衰减器输出的正弦信号和数模转换器输出直流信号相加，输出至电光调制器偏置端。
2.根据权利要求1所述的一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置，其特征在于，所述正弦信号发生电路产生的正弦信号频率为1KHz至10KHz。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置，其特征在于，所述耦合器为90:10耦合器。
4.根据权利要求1或2所述的一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置，其特征在于，所述光探测电路为交流光探测电路。
5.根据权利要求1或2所述的一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置，其特征在于，所述衰减器输出的信号的电压幅值为电光调制器半波电压的千分之三至千分之五。
6.基于权利要求1-5中任一项所述的一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、向电光调制器输入功率恒定的激光；
步骤二、单片机向数模转换器输出预先设定的直流电压的数字信号，正弦信号发生电路产生固定频率且相位相同的第一正弦信号和第二正弦信号分别输出至衰减器和放大器；
步骤三、数模转换器将单片机输出的数字信号转换成直流电压输出至加法器，衰减器将正弦信号发生电路输出的第一正弦信号衰减输出至加法器，加法器将数模转换器输出的直流电压和衰减器输出的信号相加，输出偏置电压至电光调制器偏置端；
步骤四、耦合器从电光调制器输出光分出部分光至光探测电路，光探测电路将输入光信号转换为电信号输出至乘法器，放大器将正弦信号发生电路输出的第二正弦信号放大输出至乘法器；
步骤五、乘法器将光探测电路输出的光探测信号与放大器输出的信号相乘输出至低通滤波器，低通滤波器将乘法器输出的信号进行低通滤波输出至单片机；
步骤六、单片机将低通滤波器输出信号的电压值与预先设定的锁定工作点的数值进行比较，并根据比较结果对输出至数模转换器的数字信号进行调整；
步骤七：循环步骤三至步骤六，直至使得低通滤波器输出的信号的电压值与预先设定的锁定工作点的数值相等，即电光调制器的工作点位于最佳工作点，并一直保持。
7.根据权利要求6所述的一种具有自适应能力的电光调制器工作点锁定装置的探测方法，其特征在于，步骤六的具体方法如下：单片机将低通滤波器输出信号的电压值与预先设定的锁定工作点的数值进行比较，若低通滤波器输出信号电压值大于预先设定的锁定工作点的数值，则减小单片机输出至数模转换器的直流电压；若低通滤波器输出信号电压值小于预先设定的锁定工作点的数值，则增大单片机输出至数模转换器的直流电压。
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