CN111045229B - 一种电光调制器偏置电压线性工作点控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电光调制器偏置电压线性工作点控制方法，所采用的控制系统为闭环系统，包括激光器、电光调制器、5％分光片、光电探测放大模块、正弦信号发生器、锁相放大器、积分电路、A/D采集模块、控制单元单片机、D/A转换模块、加法电路、光功率计，通过判断A/D采集的直流电压变化梯度来跟踪和控制输出的偏置电压，进而使得工作点稳定在线性工作点处进而稳定工作点。

Description

一种电光调制器偏置电压线性工作点控制方法

技术领域

本发明涉及电光调制器领域，特别涉及一种电光调制器偏置电压线性工作点自动控制算法。

背景技术

电光调制器在微波光子学领域中的应用越来越广泛，如光载微波测距就是用微波调制光波，以调制波作为测量信号，该过程需要用到电光调制器。在使用电光调制器的过程中，需要一个合适的偏置工作点，即施加一个合适的偏置电压。当电光调制器被用于光载微波干涉测距的时候，工作点必须稳定在线性工作点，即偏置相位为π/2。然而由于其自身结构原因，导致工作点会随着机械振动，环境温度变化，输入光偏振态变化等发生缓慢漂移，工作点的漂移会使得输出调制光的波形发生改变，进而影响频率，这对于光载微波干涉测距的后续测量会产生巨大影响。因此，对电光调制器的工作点进行跟踪和控制是十分必要的。

目前，常用的电光调制器工作点控制方法主要包括直接测量光功率法、二次谐波检测法、透光率检测法和锁相放大法(①张益昕,傅思怡,张旭苹,徐伟弘,王顺,单媛媛,杜鹏昊.一种无扰动的电光调制器的最佳工作点控制装置及方法[P].江苏省：CN108491016B,2019-10-22.②张治恒.基于FPGA的MZ电光调制器偏置电压控制系统的设计[D].天津大学,2018.③韩旭.电光MZ调制器的自动偏置控制装置的设计与制作[D].北京邮电大学,2017.④高法德.电光调制器偏置电压漂移检测及校正技术研究[D].长春理工大学,2016.)。直接测量光功率的缺点是控制精度很容易受到光源功率的影响，不能随意改变输入光功率。二次谐波检测法是通过检测电光调制器输出调制信号的二次谐波和一次谐波的关系来确定工作点位置，这种方案需要用到倍频器，结构相对复杂。透光率检测法是利用线性工作点处输出光功率与输入光功率的比值为50％来稳定工作点的，这种方法需要在电光调制器前后分别分出一束光进入两个光电探测器，这种方法结构复杂且对光源的稳定性要求也很高。锁相放大法是利用输入扰动信号和扰动对应输出信号相乘积分后的直流电压与工作点位置的关系来控制工作点的。这种方法常用PID控制来使于工作点稳定在斜率最小处，而对于在线性工作点处的控制方法还有待改进。现有的工作点控制算法一般都分为两个步骤，第一步是控制偏置电压快速扫描整个取值范围，同时记录每个步进电压对应的光功率，从而标定对应工作点处的偏置电压值，第二步利用PID控制方法将偏置电压值稳定在第一步得到的初始偏置电压值。这样的方法不能自动寻找工作点，控制过程繁琐。

发明内容

为了解决自动寻找工作点和简化控制步骤的问题，本发明提出了一种新的电光调制器偏置电压线性工作点控制方法，基于利用锁相放大器的闭环控制结构，采用变步长扰动观察算法控制偏置电压稳定在线性工作点。技术方案如下：

一种电光调制器偏置电压线性工作点控制方法，所采用的控制系统为闭环系统，包括激光器、电光调制器、5％分光片、光电探测放大模块、正弦信号发生器、锁相放大器、积分电路、A/D采集模块、控制单元单片机、D/A转换模块、加法电路、光功率计，激光器发出的光进入电光调制器，同时偏置电压和扰动信号加载到电光调制器，电光调制器的输出光通过5％分光片分出一束光进入光电探测放大模块，光信号转换为电信号之后进入锁相放大器，正弦信号发生器产生的扰动信号同时进入锁相放大器变为同频的方波信号，两路信号在锁相放大器中相乘，从而选出和扰动信号同频的信号，之后输出信号经过积分电路变为一直流信号，该直流信号被A/D采集模块采集，进入控制单元；在控制单元中运行变步长扰动观察算法，输出的数字信号经过D/A转换变为模拟信号，即偏置电压，该偏置电压和扰动信号经过加法电路后加载到电光调制器，完成整个闭环。所述的变步长扰动观察算法，通过判断A/D采集的直流电压变化梯度来跟踪和控制输出的偏置电压，进而使得工作点稳定在线性工作点处进而稳定工作点。

优选的，设D/A输出的偏置电压为x，A/D采集的直流电压为y，x_i为第i步输出的偏置电压，y_i为对应采集到的直流电压，Δx_i为输出偏置电压的步进值，运行此算法之前需设置初始输出偏置电压x₀和x₁，其中：

Δx_max＝x₁-x₀

所述的变步长扰动观察算法的执行步骤如下：

(1)判断第i步采集到的直流电压y_i和第i-1步采集到的直流电压y_i-1的大小是否相等，如果不相等，执行(2)，如果相等，执行(5)；

(2)判断y_i是否小于y_i-1，如果是，执行(3)，否则执行(4)；

(3)判断x_i是否大于x_i-1，如果是，执行(6)，否则执行(7)；

(4)判断x_i是否大于x_i-1，如果是，执行(7)，否则执行(6)；

(5)判断x_i是否大于x_i-1，如果是，执行(8)，否则执行(9)；

(6)执行设置D/A输出x_i+1＝x_i+Δx_i，获取A/D采集的电压y_i+1，返回执行1；

(7)执行设置D/A输出x_i+1＝x_i-Δx_i，获取A/D采集的电压y_i+1，返回执行(1)；

(8)执行设置D/A输出x_i+1＝x_i-Δx_i/2，获取A/D采集的电压y_i+1，返回执行(1)；

(9)执行设置D/A输出x_i+1＝x_i+Δx_i/2，获取A/D采集的电压y_i+1，返回执行(1)。

本发明可实现对电光调制器偏置电压线性工作点的自动跟踪和控制，无需进行第一步的全电压范围扫描，可自动寻找工作点，并且步长随A/D采集电压变化梯度而变化，达到自适应稳定工作点的效果，提高了自动控制效率。

附图说明

图1为电光调制器偏置电压控制系统结构图。

图2为电光调制器偏置电压控制原理示意图。

图3为变步长扰动观察算法框图。

具体实施方式

本方案是基于电光调制器偏置电压控制系统，采用变步长扰动观察算法对偏置电压进行自动控制。

电光调制器偏置电压控制装置为一闭环结构，包括激光器、电光调制器(如iXblue公司的马赫曾德电光强度调制器MXAN-LN-10)、5％分光片、光电探测放大模块(如北京世维通光通信技术有限公司的光电探测器PDS443-C-CPIN)、正弦信号发生器(如AD9833)、锁相放大器(如AD630)、积分电路、A/D采集模块(如ADS1259)、控制单元单片机(如STM32F103)、D/A转换模块(如DAC8563)、加法电路、光功率计(如Thorlabs公司的光功率计套装PM122D)。

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

电光调制器偏置电压控制装置结构如图1所示：

激光器发出的光进入电光调制器，同时偏置电压和扰动信号加载到电光调制器，电光调制器的输出光通过5％分光片分出一束光进入光电探测放大模块，光信号转换为电信号之后进入锁相放大器，正弦信号发生器产生的扰动信号同时进入锁相放大器变为同频的方波信号，两路信号在锁相放大器中相乘，从而选出和扰动信号同频的信号，之后输出信号经过积分电路变为一直流信号，该直流信号被A/D采集模块采集，进入控制单元单片机。在控制单元单片机中运行变步长扰动观察算法，控制改变单片机输出。输出数字信号经过D/A转换变为模拟信号，即偏置电压。该偏置电压和扰动信号经过加法电路后加载到电光调制器，完成整个闭环。

如图2所示，电光调制器的传输特性曲线可以用以下表达式表示：

其中P_out表示电光调制器的输出的光功率，α表示系数，P_in表示输入电光调制器的光功率，V_π表示电光调制器的半波电压(与电光调制器有关，为定值)，V表示电光调制器的外加电压(包含直流偏置电压和调制信号)，

表示偏移相位,包括初始相位和漂移相位，P₀表示电光调制器泄露的光功率。

正弦信号发生器产生的扰动信号

V＝Asin(ω(t)) (2)

D/A转换电路输出的偏置电压为V_bias，同扰动信号V＝Asin(ω(t))经过加法电路后作为电光调制器的外加电压。代入(1)式得电光调制器的输出：

正弦信号发生器产生的扰动信号进入锁相放大器后转换为同频的方波信号：

该方波信号(4)和电光调制器输出信号(3)在锁相放大器中相乘后经过积分电路输出一直流信号：

其中

为一常数，故(5)式可简化为：

其中

由(6)式可得图2中的直流电压和偏置电压的关系曲线图。由该图可知当偏置电压设置在线性工作点时，A/D采集到的直流信号应为最小值或最大值，这里以最小值为例。故采用变步长扰动观察算法来控制偏置电压输出，以自动寻找和稳定在A/D采集的最小值。

图3为变步长扰动观察算法框图。基于上述电光调制器偏置电压控制装置，由理论推导可知，当工作点在线性工作点时，A/D采集的直流电压为最小值，因此提出了一种变步长扰动观察算法，通过判断A/D采集的直流电压变化梯度来跟踪和控制输出的偏置电压，进而稳定工作点。算法流程如下：

D/A输出的偏置电压为x，A/D采集的直流电压为y。x_i为第i步输出的偏置电压，y_i为对应采集到的直流电压，Δx_i为输出偏置电压的步进值。运行此算法之前需设置初始输出偏置电压x₀和x₁。其中：

Δx_max＝x₁-x₀

1.判断第i步采集到的直流电压y_i和第i-1步采集到的直流电压y_i-1的大小是否相等。如果不相等，执行2，如果相等，执行5.

2.判断y_i是否小于y_i-1。如果是，执行3，否则执行4.

3.判断x_i是否大于x_i-1。如果是，执行6，否则执行7.

4.判断x_i是否大于x_i-1。如果是，执行7，否则执行6.

5.判断x_i是否大于x_i-1。如果是，执行8，否则执行9.

6.执行设置D/A输出x_i+1＝x_i+Δx_i，获取A/D采集的电压y_i+1，返回执行1。

7.执行设置D/A输出x_i+1＝x_i-Δx_i，获取A/D采集的电压y_i+1，返回执行1。

8.执行设置D/A输出x_i+1＝x_i-Δx_i/2，获取A/D采集的电压y_i+1，返回执行1。

9.执行设置D/A输出x_i+1＝x_i+Δx_i/2，获取A/D采集的电压y_i+1，返回执行1。

由此实现通过判断A/D采集的电压值是否达到最小值来不断改变D/A输出的偏置电压值，进而使得工作点稳定在线性工作点处。

Claims (1)

1.一种电光调制器偏置电压线性工作点控制方法，所采用的控制系统为闭环系统，包括激光器、电光调制器、5％分光片、光电探测放大模块、正弦信号发生器、锁相放大器、积分电路、A/D采集模块、控制单元单片机、D/A转换模块、加法电路、光功率计，激光器发出的光进入电光调制器，同时偏置电压和扰动信号加载到电光调制器，电光调制器的输出光通过5％分光片分出一束光进入光电探测放大模块，光信号转换为电信号之后进入锁相放大器，正弦信号发生器产生的扰动信号同时进入锁相放大器变为同频的方波信号，两路信号在锁相放大器中相乘，从而选出和扰动信号同频的信号，之后输出信号经过积分电路变为一直流信号，该直流信号被A/D采集模块采集，进入控制单元；在控制单元中运行变步长扰动观察算法，输出的数字信号经过D/A转换变为模拟信号，即偏置电压，该偏置电压和扰动信号经过加法电路后加载到电光调制器，完成整个闭环；

所述的变步长扰动观察算法，通过判断A/D采集的直流电压变化梯度来跟踪和控制输出的偏置电压，进而使得工作点稳定在线性工作点处进而稳定工作；设D/A输出的偏置电压为x，A/D采集的直流电压为y，x_i为第i步输出的偏置电压，y_i为对应采集到的直流电压，Δx_i为输出偏置电压的步进值，运行此算法之前需设置初始输出偏置电压x₀和x₁，其中：

Δx_max＝x₁-x₀

所述的变步长扰动观察算法的执行步骤如下：

(1)判断第i步采集到的直流电压y_i和第i-1步采集到的直流电压y_i-1的大小是否相等，如果不相等，执行(2)，如果相等，执行(5)；

(2)判断y_i是否小于y_i-1，如果是，执行(3)，否则执行(4)；

(3)判断x_i是否大于x_i-1，如果是，执行(6)，否则执行(7)；

(4)判断x_i是否大于x_i-1，如果是，执行(7)，否则执行(6)；

(5)判断x_i是否大于x_i-1，如果是，执行(8)，否则执行(9)；

(6)执行设置D/A输出x_i+1＝x_i+Δx_i，获取A/D采集的电压y_i+1，返回执行(1)；

(7)执行设置D/A输出x_i+1＝x_i-Δx_i，获取A/D采集的电压y_i+1，返回执行(1)；

(8)执行设置D/A输出x_i+1＝x_i-Δx_i/2，获取A/D采集的电压y_i+1，返回执行(1)；

(9)执行设置D/A输出x_i+1＝x_i+Δx_i/2，获取A/D采集的电压y_i+1，返回执行(1)。

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