CN111092361B - 光梳时频智能控制方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光梳时频智能控制方法与系统，解决了对于光梳时频偏移的调节能力不足的技术问题。系统中配置有按照控制方法执行的光梳时频智能控制程序；控制方法包括以下步骤：启动光梳，锁定重复频率与载波包络相位信号；获取监测数据，包括工作温度、锁模频率与泵光功率，锁模频率是指启动完成时锁定的重复频率与载波包络相位；判断当前锁模频率的偏移量是否超出硬件调节电路的自反馈调节范围，当重复频率与载波包络相位中任意一个超出自反馈调节范围，则调控工作温度或泵光功率，直到锁模频率回复到自反馈调节范围。本发明能够提高光梳时频偏移的调节能力，还能通过提高信号质量与通信效率来提高锁模频率的精度。

Description

光梳时频智能控制方法与系统
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种飞秒光梳时频智能控制系统与控制方法。
背景技术
光学频率梳已经成为继超短脉冲激光问世之后激光技术领域又一重大突破。在该领域内，开展开创性工作的两位科学家J.Hall和T.W.Hansch于2005年获得了诺贝尔奖。原理上，光学频率梳在频域上表现为具有相等频率间隔的光学频率序列，在时域上表现为具有飞秒量级时间宽度的电磁场振荡包络，其光学频率序列的频谱宽度与电磁场振荡慢变包络的时间宽度满足傅里叶变换关系。超短脉冲的这种在时域和频域上的分布特性就好似我们日常所用的梳子，形象化的称之光学波段的频率梳，简称“光梳”。光梳相当于一个光学频率综合发生器，是迄今为止最有效的进行绝对光学频率测量的工具，可将铯原子微波频标与光频标准确而简单的联系起来，为发展高分辨率、高精度、高准确性的频率标准提供了载体，也为精密光谱、天文物理、量子操控等科学研究方向提供了较为理想的研究工具，逐渐被人们运用于光学频率精密测量、原子离子跃迁能级的测量、远程信号时钟同步与卫星导航等领域中。
2015年，美国加利福尼亚州立大学的一个研究团队创建了一种“频率梳”装置，能够预测并解决光纤传播信息过程中的信号失真问题，进而不需依赖信号增强装置，即可直接传输比通常情况强20倍的信号。研究人员工作重点是将这些“频率梳”应用到已有的光纤电缆中，一经应用，不仅能大大提高光纤电缆的传输效率，还能消除对互联网的速度限制，最重要的是它能大规模降低相关成本。
目前对于光梳应用存在的主要问题在于光梳容易受到环境因素的影响，如环境温度与振动，使得光梳的重复频率与载波包络相位不稳定。目前，为了克服光梳频率不稳定的问题，主要采用硬件调节电路进行反馈调节，但是硬件调节电路的自反馈调控范围的量级较大，一般是在100mHz-1mHz或者Hz量级，对于更高量级(如KHz)的偏移，超出了电路反馈的调控能力，因此，由于对于高量级的偏移无法调节，导致光梳系统的测量精度下降。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种光梳时频智能控制方法，解决对于光梳时频偏移的调节能力不足的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种光梳时频智能控制方法，包括以下步骤：启动光梳，锁定重复频率与载波包络相位信号；获取监测数据，包括工作温度、锁模频率与泵光功率，锁模频率是指启动完成时锁定的重复频率与载波包络相位；判断当前锁模频率的偏移量是否超出硬件调节电路的自反馈调节范围，当重复频率与载波包络相位中任意一个超出自反馈调节范围，则调控工作温度或泵光功率，直到锁模频率回复到自反馈调节范围。
进一步的，按如下方式控制光梳启动：首先，稳定工作温度至设定温度；然后，提高泵光功率直到重复频率与载波包络相位信号出现，光梳锁模；再然后，降低泵光功率，直到光梳失锁；之后逐次缩小泵光功率扫描区间来交替提高泵光功率与降低泵光功率，使得光梳锁模与光梳失锁交替出现，多次扫描，得到能让光梳锁模的最小泵光功率，锁定最小泵光功率所对应的重复频率与载波包络相位信号。
本发明还提供一种光梳时频智能控制系统，包括配置有光梳时频智能控制程序的上位机，光梳时频智能控制程序按照上述光梳时频智能控制方法进行执行。
进一步的，光梳时频智能控制系统还包括与上位机连接的控制芯片，控制芯片用于连接下级电路；所述控制芯片内搭载有并行通信系统；
并行通信系统包括以下功能模块：上级模块、中断轮询模块与下级模块；上级模块通过中断轮询模块与下级模块双向并行通信连接；
上级模块包括用于连接上位机的串口收发模块；下级模块包括数据缓存模块与分别用于连接下级电路的接口模块；
中断轮询模块中配置有指令缓存模块与工作信号监测模块：指令缓存模块用于将上级模块下发的工作指令缓存至数据缓存模块中；工作信号监测模块用于通过接口模块将下级电路刷新的工作数据缓存至数据缓存模块中。
进一步的，上级模块还包括自启动模块、计时模块与异常监测模块；自启动模块用于接收光梳自启动请求，并控制光梳自启动；计时模块用于记录下级模块的工作时间；异常监测模块用于自动访问下级模块的工作状态，当发现异常时，进行报警。
进一步的，中断轮询模块根据上级模块的优先级对缓存至数据缓存模块中的工作指令进行解析；数据缓存模块根据下级模块的优先级对工作数据进行缓存；用于连接上位机的串口收发模块具有最高优先级。
进一步的，上级模块与下级模块进行通信时，遵循如下通信协议：协议帧从头至尾依次包括传输帧头、源设备地址、后续数据长度、模块主分类号、模块从分类号与传输数据；
传输帧头作为判断协议帧的起始位置以及是否为有效帧的依据；
源设备地址是指上级模块地址，每个上级模块均具有区别与其它上级模块的唯一源设备地址；
后续数据长度，代表其后续的数据长度；
模块主分类号用于区分读操作与写操作；读操作表示通过接口模块驱动下级电路工作，并将工作数据缓存至数据缓存模块；写操作表示从数据缓存模块中读取工作数据或工作指令；
模块从分类号用于区分各个下级模块，每个下级模块均具有区别与其它下级模块的唯一模块从分类号；
传输数据为工作指令的具体内容或工作数据的具体内容。
进一步的，控制芯片采用FPGA或CPLD；上位机带有用于人机交互的操作界面，所述操作界面包括泵光控制面板、温度控制面板、锁定信号监测面板与光梳参数设置面板；
自启动模块与上位机均按如下方式控制光梳启动：首先，稳定工作温度至设定温度；然后，提高泵光功率直到重复频率与载波包络相位信号出现，光梳锁模；再然后，降低泵光功率，直到光梳失锁；之后逐次缩小泵光功率扫描区间来交替提高泵光功率与降低泵光功率，使得光梳锁模与光梳失锁交替出现，多次扫描，得到能让光梳锁模的最小泵光功率，锁定最小泵光功率所对应的重复频率与载波包络相位信号。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、现有技术中采用硬件调节电路对光梳的偏移量进行调节，对于低量级(如Hz、mHz)的偏移具有较好的调节作用，但是环境条件变化较大时，如温度和振动，会使得光梳产生更高量级的偏移，超出了硬件电路的调节范围，无论如何调节，光梳的重复频率与载波包络相位都不能回复到稳定状态。因此，本发明通过软件控制来改变工作温度或泵光功率，以使光梳的锁模频率回复到硬件调节电路的自反馈调节范围，形成粗调，之后硬件电路能够发挥调节作用，形成精调，显著改善了调节能力不足的问题。
2、现有技术中，在启动光梳时，需要人为启动，对技术人员的知识经验水平要求较高，而且往往需要反复进行调试，启动过程繁琐，效率较低。本发明通过自启动程序，自动控制启动过程，并且能够让光梳锁模的最小泵光功率，锁定最小泵光功率所对应的重复频率与载波包络相位信号，确保光梳信号的质量最优(泵光功率越小，信号质量越好)。
3、现有技术中上位机与下级电路一般采用串行通信直接连接，上位机与下级电路的通信速度差异较大，上位机具有较高的读写速度，下级电路的读写速度较慢，导致上位机从下级电路中读写数据需要等待较长时间，通信延迟现象较为严重，这会严重制约提高锁模频率稳定控制的精度。本发明的光梳时频智能控制系统能实现对光梳启动过程与工作过程进行自动控制，还通过对通信系统的改进：本发明增加搭载并行通信系统的控制芯片，使上位机虽然与控制芯片串行通信，但是工作指令缓存入数据缓存模块中，因此，可以连续发送多条工作指令，而无需对下级电路的接收过程进行等待，中断轮询模块从缓存中解析工作指令后，再分发到下级模块；下级模块的工作数据可并行发送至中断轮询模块中，并缓存至数据缓存模块中，而不必耗费较长时间进行串行发送，上级模块从缓存中读取工数据，通信效率提高，通信延迟降低，从而下级电路能够更快的执行工作指令，上位机也能更快的接收到工作数据。
4、由于通信效率的提高，使得控制程序获取到的监测数据的时实性更高，调控的实时性更高，从而能够更加准确的对锁模频率进行调节，提高锁模频率的精度。
5、通信协议中设置模块主分类号用于区分读操作与写操作，读写操作可同时独立进行，避免读写操作发生冲突，提高读写效率，提高通信效率。模块从分类号起到作为下级模块地址的作用。
6、自启动模块能够用于实现一键启动，方便快捷。上位机带有用于人机交互的操作界面，可实现人为对光梳进行调控，可对工作温度的设定值进行修改。
附图说明
图1为本具体实施方式中光梳时频智能控制方法的总流程框图；
图2为光梳时频智能控制系统的硬件框图；
图3为控制芯片内的并行通信系统的原理框图；
图4为通信协议的协议帧格式示意图；
图5为上位机的操作界面图；
图6为重复频率锁定效果图；
图7为载波包络相位锁定效果图；
图8为野外环境下的锁模频率稳定效果图；
图9为上级模块发送指令流程示意图；
图10为上级模块读取指令流程示意图；
图11为上位机与光梳通信流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。
(一)系统架构说明
一种光梳时频智能控制方法，总体流程参考图1所示，包括以下步骤：启动光梳，锁定重复频率与载波包络相位信号；获取监测数据，包括工作温度、锁模频率与泵光功率，锁模频率是指启动完成时锁定的重复频率与载波包络相位；判断当前锁模频率的偏移量是否超出硬件调节电路的自反馈调节范围，当重复频率与载波包络相位中任意一个超出自反馈调节范围，则调控工作温度或泵光功率，直到锁模频率回复到自反馈调节范围。
对于光梳启动过程，可以人工启动，也可以采用本发明的自启动程序自动启动：
首先，稳定工作温度至设定温度；然后，提高泵光功率直到重复频率与载波包络相位信号出现，光梳锁模；再然后，降低泵光功率，直到光梳失锁；之后逐次缩小泵光功率扫描区间来交替提高泵光功率与降低泵光功率，使得光梳锁模与光梳失锁交替出现，多次扫描，得到能让光梳锁模的最小泵光功率，锁定最小泵光功率所对应的重复频率与载波包络相位信号。
当重复频率的偏移量超出自反馈调节范围时，则对工作温度进行调控；当载波包络相位的偏移量超出自反馈调节范围时，则对工作温度或泵光功率进行调控。
一种光梳时频智能控制系统，包括配置有光梳时频智能控制程序的上位机，光梳时频智能控制程序按照上述光梳时频智能控制方法进行执行。
参考图2与图3所示，光梳时频智能控制系统还包括与上位机连接的控制芯片(控制芯片采用FPGA或CPLD，均能支持并行通信)，控制芯片用于连接下级电路，下级电路用于采集对光梳测量系统的监测数据以及对光梳测量系统的工作温度或泵光功率进行调控；所述控制芯片内搭载有并行通信系统；
并行通信系统包括以下功能模块：上级模块、中断轮询模块与下级模块；上级模块通过中断轮询模块与下级模块双向并行通信连接；
上级模块包括用于连接上位机的串口收发模块；下级模块包括数据缓存模块与分别用于连接下级电路的接口模块；
中断轮询模块中配置有指令缓存模块与工作信号监测模块：指令缓存模块用于将上级模块下发的工作指令缓存至数据缓存模块中；工作信号监测模块用于通过接口模块将下级电路刷新的工作数据缓存至数据缓存模块中。
上级模块还包括自启动模块、计时模块与异常监测模块；自启动模块用于接收光梳自启动请求，并控制光梳自启动；计时模块用于记录下级模块的工作时间；异常监测模块用于自动访问下级模块的工作状态，当发现异常时，进行报警。
参考图4所示，上级模块与下级模块进行通信时，遵循如下通信协议：协议帧从头至尾依次包括传输帧头、源设备地址、后续数据长度、模块主分类号、模块从分类号与传输数据；
传输帧头作为判断协议帧的起始位置以及是否为有效帧的依据；
源设备地址是指上级模块地址，每个上级模块均具有区别与其它上级模块的唯一源设备地址；
后续数据长度，代表其后续的数据长度；
模块主分类号用于区分读操作与写操作；读操作表示通过接口模块驱动下级电路工作，并将工作数据缓存至数据缓存模块；写操作表示从数据缓存模块中读取工作数据或工作指令；
模块从分类号用于区分各个下级模块，每个下级模块均具有区别与其它下级模块的唯一模块从分类号；
传输数据为工作指令的具体内容或工作数据的具体内容。
参考图5所示，上位机带有用于人机交互的操作界面，所述操作界面包括泵光控制面板、温度控制面板、锁定信号监测面板与光梳参数设置面板。自启动模块与上位机均按可按照本发明的自启动程序控制光梳自动启动。自启动模块连接自启动按键，则可以实现一键启动。上位机既可以通过操作界面实现人工启动，也可以自动启动，上位机自动启动与一键启动的主要区别在于：位机自动起的的工作温度的设定值可调节，而一键启动的温度工作温度的设定值已经预先设定完成。
本发明的控制系统对锁模频率的稳定效果参考图6至图8所示，重复频率的锁定效果参考图6所示，载波包络相位参考图7所示。产生稳定的77.59MHz的锁模激光信号，同时锁定了载波包络相位CEP信号；采集24小时以上光梳信号，如图8所示，其抖动在毫赫兹量级。
下级模块中用于连接下级电路的接口模块包括分别用于连接温度监测电路、温度控制电路、泵光监测电路、泵光控制电路、锁相电路与频率监测电路的底层驱动模块。
中断轮询模块根据上级模块的优先级对缓存至数据缓存模块中的工作指令进行解析；中断轮询模块根据下级模块的优先级对工作数据进行缓存；用于连接上位机的串口收发模块具有最高优先级。优先级按下表所示：
模块名称 上/下级 优先级(数字越小优先级越高)
串口接受与发送模块 上级 1
自启动模块 上级 2
计时器模块 上级 3
异常监测模块 上级 4
底层驱动模块 下级 1
数据缓存模块 下级 2
(二)读写操作举例说明
写操作举例
参考图9所示，以上级模块中的自启动模块控制恒流源驱动器提高泵光为例，此为写操作，模块主分类号为00，对应从分类号为00，逻辑方法中各个模块传输数据和解析的方式如下：自启动模块发送帧结构为：
帧头 源设备地址 后续数据长度 主分类号 从分类号 数据
AA 11 05 00 00 XXXXXX
主分类对应的解析模块接受自启动发送的数据帧后，首先缓存该指令，并判断指令的有效性，若由于噪声影响帧头传输不正确，则丢弃该数据帧。在数据帧正确的情况下解析指令，发送至正确的下级驱动模块，下级驱动模块工作完成后自动将工作情况信息缓存至RAM模块(数据缓存模块)，准备上级模块的读取工作。
本例程完成了逻辑结构内部模块一次发送指令的完整流程，指令由逻辑内部模块产生，数据完成了一个从自启动模块发送，经过中断请求模块，发送至解析写模块，最后驱动下级模块中的恒流源驱动器的流程。
读操作举例1
上级异常监测模块需要从下级驱动模块中获取当前光梳工作情况信息，而获取信息为读操作，属于主分类号为11，如图10所示，读取信息需先驱动下级读取模块进行读取缓存，再发送指令读取数据缓存模块，共需两次指令发送，各个模块传输数据和解析的方式如下：
异常监测模块首先触发负责读取数据的下级模块，发送帧结构为：
帧头 源设备地址 后续数据长度 主分类号 从分类号 数据
AA 14 03 11 01 XX
主分类对应的解析模块接受自启动发送的数据帧后，首先缓存该指令，并判断指令的有效性，若由于噪声影响帧头传输不正确，则丢弃该数据帧。在数据帧正确的情况下解析指令，发送至正确的下级驱动模块，下级模块读取对应数据进行缓存至RAM等待读取；
异常监测模块等待下级模块工作缓存完成后，再进行读取工作，发送帧为：
帧头 源设备地址 后续数据长度 主分类号 从分类号 数据
AA 14 03 11 00 01
对应11主分类号的解析模块接受数据从对应的00的从分类号中读取数据，即缓存数据的RAM中获取对应的数据。
本例完成了逻辑结构内部模块一次发送指令与读取数据的完整流程，指令由逻辑内部模块产生，数据完成了一个从异常监测模块发送第一条指令，最后驱动下级模块读取并缓存，再通过第二条指令取出缓存数据的流程。
读操作举例2
电脑(上位机)需要获取当前光梳工作情况信息，下级模块除了接受指令外，光梳内部需要自行产生指令，返回数据至电脑，如图11所示，电脑发送指令至模块05，模块05读取信息后等待读取指令，返回对应数据，逻辑方法中各个模块传输数据和解析的方式如下：
电脑发送至模块05使其读取数据缓存的数据帧结构为：
帧头 源设备地址 后续数据长度 主分类号 从分类号 数据
AA 12 03 00 05 XX
电脑发送至光梳请求返回模块05数据的数据帧结构为：
帧头 源设备地址 后续数据长度 主分类号 从分类号 数据
AA 12 03 11 00 05
发送至模块05后，模块05进行工作并缓存读取的数据至RAM，因此第二次读取时从分类号为00对应RAM，而RAM地址05与模块05相对应，因此数据为05；
光梳返回数据至电脑的数据帧格式为：
帧头 源设备地址 后续数据长度 主分类号 从分类号 数据
AA 12 06 11 00 05XXXXXX
电脑接受返回数据后，首选缓存数据，判断帧头与设备地址是否正确，按照后续数据长度电脑上位机进行指令记录，通过对主分类和从分类号的判断，找出对应的外设名单进行数据记录，最后可形成表格与图像。
本例的特点在于完成了外界信号对光梳的控制，完成了一次电脑发送指令与接受数据的过程，体现了人为操作的可行性，利用人为操作与光梳自动控制共同完成了光梳的正常工作。

Claims (7)

1.一种光梳时频智能控制系统，其特征在于，包括配置有光梳时频智能控制程序的上位机，还包括与上位机连接的控制芯片，控制芯片用于连接下级电路；所述控制芯片内搭载有并行通信系统；并行通信系统包括以下功能模块：上级模块、中断轮询模块与下级模块；
其中，上级模块通过中断轮询模块与下级模块双向并行通信连接；上级模块包括用于连接上位机的串口收发模块；下级模块包括数据缓存模块与分别用于连接下级电路的接口模块；中断轮询模块中配置有指令缓存模块与工作信号监测模块：指令缓存模块用于将上级模块下发的工作指令缓存至数据缓存模块中；工作信号监测模块用于通过接口模块将下级电路刷新的工作数据缓存至数据缓存模块中；
光梳时频智能控制程序包括如下控制步骤：
启动光梳，锁定重复频率与载波包络相位信号；获取监测数据，包括工作温度、锁模频率与泵光功率，锁模频率是指启动完成时锁定的重复频率与载波包络相位；判断当前锁模频率的偏移量是否超出硬件调节电路的自反馈调节范围，当重复频率与载波包络相位中任意一个超出自反馈调节范围，则调控工作温度或泵光功率，直到锁模频率回复到自反馈调节范围；
其中，控制光梳启动方法包括：首先，稳定工作温度至设定温度；然后，提高泵光功率直到重复频率与载波包络相位信号出现，光梳锁模；再然后，降低泵光功率，直到光梳失锁；之后逐次缩小泵光功率扫描区间来交替提高泵光功率与降低泵光功率，使得光梳锁模与光梳失锁交替出现，多次扫描，得到能让光梳锁模的最小泵光功率，锁定最小泵光功率所对应的重复频率与载波包络相位信号。
2.根据权利要求1所述的光梳时频智能控制系统，其特征在于，当重复频率的偏移量超出自反馈调节范围时，则对工作温度进行调控；当载波包络相位的偏移量超出自反馈调节范围时，则对工作温度或泵光功率进行调控。
3.根据权利要求1所述的光梳时频智能控制系统，其特征在于，上级模块还包括自启动模块、计时模块与异常监测模块；自启动模块用于接收光梳自启动请求，并控制光梳自启动；计时模块用于记录下级模块的工作时间；异常监测模块用于自动访问下级模块的工作状态，当发现异常时，进行报警。
4.根据权利要求1所述的光梳时频智能控制系统，其特征在于，所述中断轮询模块根据上级模块的优先级对缓存至数据缓存模块中的工作指令进行解析；数据缓存模块根据下级模块的优先级对工作数据进行缓存；用于连接上位机的串口收发模块具有最高优先级。
5.根据权利要求1所述的光梳时频智能控制系统，其特征在于，所述上级模块与下级模块进行通信时，遵循如下通信协议：协议帧从头至尾依次包括传输帧头、源设备地址、后续数据长度、模块主分类号、模块从分类号与传输数据；
传输帧头作为判断协议帧的起始位置以及是否为有效帧的依据；
源设备地址是指上级模块地址，每个上级模块均具有区别与其它上级模块的唯一源设备地址；后续数据长度，代表其后续的数据长度；
模块主分类号用于区分读操作与写操作；读操作表示通过接口模块驱动下级电路工作，并将工作数据缓存至数据缓存模块；写操作表示从数据缓存模块中读取工作数据或工作指令；
模块从分类号用于区分各个下级模块，每个下级模块均具有区别与其它下级模块的唯一模块从分类号；
传输数据为工作指令的具体内容或工作数据的具体内容。
6.根据权利要求1所述的光梳时频智能控制系统，其特征在于，控制芯片采用FPGA或CPLD；上位机带有用于人机交互的操作界面，所述操作界面包括泵光控制面板、温度控制面板、锁定信号监测面板与光梳参数设置面板；
自启动模块与上位机均按如下方式控制光梳启动：首先，稳定工作温度至设定温度；然后，提高泵光功率直到重复频率与载波包络相位信号出现，光梳锁模；再然后，降低泵光功率，直到光梳失锁；之后逐次缩小泵光功率扫描区间来交替提高泵光功率与降低泵光功率，使得光梳锁模与光梳失锁交替出现，多次扫描，得到能让光梳锁模的最小泵光功率，锁定最小泵光功率所对应的重复频率与载波包络相位信号。
7.根据权利要求1所述的光梳时频智能控制系统，其特征在于，下级模块中用于连接下级电路的接口模块包括分别用于连接温度监测电路、温度控制电路、泵光监测电路、泵光控制电路、锁相电路与频率监测电路的底层驱动模块。
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