CN111162438A - 一种光学频率梳控制方法及控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学频率梳控制方法及控制系统，其通过对泵浦源工作功率的动态调节控制，不仅大幅缩短了稳定锁模的控制时间，实现了快速锁模控制，还使得稳定运行工况的功率控制得以快速稳定，减少了不必要的功率往复震荡跟踪控制而造成的多余能耗浪费，更好的兼顾功率调整控制过程的节能效果；通过对泵浦源工作环境温度的动态调节控制，使得环境温度快速达到锁模所需的参考环境温度，为光梳系统锁模创造良好温度条件，还提高了稳定运行工况的环境温度稳定控制效率；由此，有效的解决了光学频率梳在不同工况下的运行稳定性不足的问题，更好的保证光梳系统的测量精度。

Description

一种光学频率梳控制方法及控制系统
技术领域
本发明涉及激光控制技术领域，具体涉及一种光学频率梳控制方法及光学频率梳控制系统。
背景技术
光学频率梳（OFC）是指在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱。随着光通信技术的飞速发展，光学频率梳由于其在光学任意波形产生、多波长超短脉冲产生和密集波分复用等领域的广泛应用吸引了越来越多学者的关注。
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。
尽管光学频率梳在光频测量领域应用广泛，然而光梳锁模信号的调试是一个复杂的过程，其重复频率、光载波包络的线宽、锁模信号的稳定度都将受到泵浦功率以及环境温度的影响，并且泵浦源自身工作的发热而导致的工作温度变化也会影响前述的工作稳定性，导致光梳系统的测量精度下降。
因此，如何有效的改善光学频率梳系统在不同工况下的运行稳定性、保证其测量精度，成为了光梳系统控制领域的一项重要研究课题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种光学频率梳控制方法，以解决光学频率梳在不同工况下的运行稳定性不足的问题，更好的保证光梳系统的测量精度。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种光学频率梳控制方法，包括如下步骤：
采集光学频率梳系统的工作反馈参数，所述工作反馈参数包括泵浦源功率参数、泵浦源温度参数和泵浦源工作环境温度参数；
根据所述工作反馈参数以及预先设置的工况状态控制参数，对光学频率梳系统的泵浦源工作功率或/和泵浦源工作环境温度进行动态调节，实现光学频率梳的稳定控制。
上述的光学频率梳控制方法中，作为优选方案，所述工况状态控制参数包括启动工况锁模状态功率温度曲线和稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息，所述启动工况锁模状态功率温度曲线记录有启动工况下泵浦源温度与锁模所需泵浦源工作功率的对应关系信息；
对泵浦源工作功率进行动态调节的方式为：
在启动时，根据当前的泵浦源温度参数，从启动工况锁模状态功率温度曲线中查找到当前泵浦源温度对应的锁模所需泵浦源工作功率值，并按此调节设置泵浦源工作功率，且开始计时；
当计时达到预设定的启动稳定时长时，再根据稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息，调节设置泵浦源工作功率。
上述的光学频率梳控制方法中，作为优选方案，所述稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息包括稳定运行工况锁模状态功率温度曲线，其记录有稳定运行工况下泵浦源工作环境温度与锁模所需泵浦源工作功率的对应关系信息；
根据稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息调节设置泵浦源工作功率的方式为：实时的根据采集的泵浦源工作环境温度参数，从稳定运行工况锁模状态功率温度曲线中查找到当前泵浦源工作环境温度对应的锁模所需泵浦源工作功率值，并按此实时调节设置泵浦源工作功率。
上述的光学频率梳控制方法中，作为优选方案，所述工况状态控制参数包括锁模参考环境温度参数和稳定运行工况泵浦源参考温度参数；
对泵浦源工作环境温度进行动态调节的方式为：
在启动时，按照锁模参考环境温度参数进行泵浦源工作环境温度的调节，且在泵浦源工作环境温度达到锁模参考环境温度值后，持续按照锁模参考环境温度参数进行泵浦源工作环境温度的控制，并实时的判断采集的泵浦源温度与稳定运行工况泵浦源参考温度参数的差值是否超过预设定的泵浦源自调节温度预警范围，且在超过时对泵浦源工作环境温度进行调节，使得泵浦源温度与稳定运行工况泵浦源参考温度参数的差值恢复至预设定的泵浦源自调节温度预警范围内。
相应地，本发明还提供了实现上述光学频率梳控制方法的光学频率梳控制系统方案，具体技术方案如下：
一种光学频率梳控制系统，包括：
泵浦源，布置于控温环境中，用于产生泵浦光；
压控恒流源，用于驱动泵浦源并调节控制泵浦源的工作功率，并反馈其工作时的泵浦源功率参数；
泵浦源温度感测装置，用于采集泵浦源工作时的泵浦源温度参数；
环境温控装置，用于调节控制泵浦源的工作环境温度；
环境温度感测装置，用于感测泵浦源工作环境温度参数；
中央控制装置，用于采集泵浦源功率参数、泵浦源温度参数和泵浦源工作环境温度参数，并据其以及预先设置的工况状态控制参数，对压控恒流源或/和环境温控装置进行控制，进而对光学频率梳系统的泵浦源工作功率或/和泵浦源工作环境温度进行动态调节，实现光学频率梳的稳定控制。
上述的光学频率梳控制系统中，作为优选方案，所述中央控制装置包括下位机控制模块和上位机控制模块；
所述下位机控制模块用于分别与泵浦源温度感测装置、环境温度感测装置、压控恒流源和环境温控装置进行数据通信，采集接收来自压控恒流源的泵浦源功率参数、来自泵浦源温度感测装置的泵浦源温度参数以及来自环境温度感测装置的泵浦源工作环境温度参数传输至上位机控制模块，且用于根据上位机控制模块的指示分别向压控恒流源和环境温控装置发送控制指令；
所述上位机控制模块用于根据泵浦源功率参数、泵浦源温度参数、泵浦源工作环境温度参数以及预先设置的工况状态控制参数，指示下位机控制模块分别向压控恒流源和环境温控装置发送控制指令，以控制压控恒流源和环境温控装置对泵浦源工作功率或/和泵浦源工作环境温度进行动态调节，实现光学频率梳的稳定控制。
上述的光学频率梳控制系统中，作为优选方案，所述下位机控制模块与压控恒流源、环境温控装置、泵浦源温度感测装置、环境温度感测装置的控制信号端之间通过DA群组进行数模转换通信，通过DA群组实现数字信号到模拟信号的转换后对压控恒流源、环境温控装置、泵浦源温度感测装置、环境温度感测装置进行信号控制；所述压控恒流源、泵浦源温度感测装置以及环境温度感测装置的反馈信号端与下位机控制模块之间通过AD群组进行模数转换通信，通过AD群组将反馈的模拟信号转换为数字信号后传送到下位机控制模块，再由下位机控制模块汇总后通过数字信号传输方式传送至上位机控制模块。
上述的光学频率梳控制系统中，作为优选方案，所述上位机控制模块中预先设置的工况状态控制参数包括启动工况锁模状态功率温度曲线和稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息，所述启动工况锁模状态功率温度曲线记录有启动工况下泵浦源温度与锁模所需泵浦源工作功率的对应关系信息；上位机控制模块对泵浦源工作功率进行动态调节的方式为：
在启动时，上位机控制模块根据当前的泵浦源温度参数，从启动工况锁模状态功率温度曲线中查找到当前泵浦源温度对应的锁模所需泵浦源工作功率值，并按此泵浦源工作功率值指示下位机控制模块控制压控恒流源调节设置泵浦源工作功率，且上位机控制模块开始计时；
当上位机控制模块计时达到预设定的启动稳定时长时，再根据稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息，指示下位机控制模块控制压控恒流源调节设置泵浦源工作功率。
上述的光学频率梳控制系统中，作为优选方案，所述稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息包括稳定运行工况锁模状态功率温度曲线，其记录有稳定运行工况下泵浦源工作环境温度与锁模所需泵浦源工作功率的对应关系信息；
上位机控制模块根据稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息调节设置泵浦源工作功率的方式为：
上位机控制模块实时的根据通过下位机控制模块采集的泵浦源工作环境温度参数，从稳定运行工况锁模状态功率温度曲线中查找到当前泵浦源工作环境温度对应的锁模所需泵浦源工作功率值，并按此泵浦源工作功率值指示下位机控制模块控制压控恒流源实时的调节设置泵浦源工作功率。
上述的光学频率梳控制系统中，作为优选方案，所述上位机控制模块中预先设置的工况状态控制参数包括锁模参考环境温度参数和稳定运行工况泵浦源参考温度参数；上位机控制模块对泵浦源工作环境温度进行动态调节的方式为：
在启动时，上位机控制模块按照锁模参考环境温度参数指示下位机控制模块控制环境温控装置进行泵浦源工作环境温度的调节，且在泵浦源工作环境温度达到锁模参考环境温度值后，持续按照锁模参考环境温度参数进行泵浦源工作环境温度的控制，并实时的根据通过下位机控制模块采集的泵浦源温度参数判断其与稳定运行工况泵浦源参考温度参数的差值是否超过预设定的泵浦源自调节温度预警范围，且在超过时指示下位机控制模块控制环境温控装置对泵浦源工作环境温度进行调节，使得泵浦源温度与稳定运行工况泵浦源参考温度参数的差值恢复至预设定的泵浦源自调节温度预警范围内。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明的光学频率梳控制方法及光学频率梳控制系统，通过对泵浦源工作功率的动态调节控制，不仅大幅缩短了稳定锁模的控制时间，实现了快速锁模控制，还使得稳定运行工况的功率控制得以快速稳定，减少了不必要的功率往复震荡跟踪控制而造成的多余能耗浪费，更好的兼顾功率调整控制过程的节能效果。
2、本发明的光学频率梳控制方法及光学频率梳控制系统，通过对泵浦源工作环境温度的动态调节控制，使得环境温度快速达到锁模所需的参考环境温度，为光梳系统锁模创造良好温度条件，还提高了稳定运行工况的环境温度稳定控制效率，有利于光梳系统更好的保持稳定运行工况。
3、本发明的光学频率梳控制方法及光学频率梳控制系统，能够通过对泵浦源工作功率以及泵浦源工作环境温度的动态调节控制及协同，有效实现快速锁模控制，并更好的兼顾调整控制过程的节能效果，同时提高了对光学频率梳稳定运行控制的效率，能够有效的解决光学频率梳在不同工况下的运行稳定性不足的问题，更好的保证光梳系统的测量精度。
附图说明
图1为本发明光学频率梳控制方法的流程图。
图2为本发明光学频率梳控制系统的构架结构示意图。
图3为具体实施方式中H桥电路调节的半导体制冷器控制电路原理图。
图4为具体实施方式中H桥电路调节的半导体制冷器控制电路的MOS控制波形示例图。
具体实施方式
针对光学频率梳的实际应用，本发明提供了一种光学频率梳控制方法，如图1所示，其控制方案包括如下步骤：采集光学频率梳系统的工作反馈参数，该工作反馈参数包括泵浦源功率参数、泵浦源温度参数和泵浦源工作环境温度参数；根据工作反馈参数以及预先设置的工况状态控制参数，对光学频率梳系统的泵浦源工作功率或/和泵浦源工作环境温度进行动态调节，实现光学频率梳的稳定控制。
本发明的技术解决思路是，通过预先设置工况状态控制参数，并采集光学频率梳系统的工作反馈参数，从而根据采集光学频率梳的工作工况和工作反馈情况，动态的对光学频率梳系统的泵浦源工作功率或/和泵浦源工作环境温度进行调节，使得光学频率梳能够按照设定的工况状态控制参数进行泵浦源工作功率或/和泵浦源工作环境温度的自适应调节，提升光输系统工作状态的稳定性，更好的保持光输系统的测量精度。
针对于具体设计实施而言，基于本发明提供的光学频率梳控制方法方案思路，本发明还提供了实施上述控制方法的光学频率梳控制系统，包括：
泵浦源，布置于控温环境中；
压控恒流源，用于驱动泵浦源并调节控制泵浦源的工作功率，并反馈其工作时的泵浦源功率参数；
泵浦源温度感测装置，用于采集泵浦源工作时的泵浦源温度参数；
环境温控装置，用于调节控制泵浦源的工作环境温度；
环境温度感测装置，用于感测泵浦源工作环境温度参数；
中央控制装置，用于采集泵浦源功率参数、泵浦源温度参数和泵浦源工作环境温度参数，并据其以及预先设置的工况状态控制参数，对压控恒流源或/和环境温控装置进行控制，进而对光学频率梳系统的泵浦源工作功率或/和泵浦源工作环境温度进行动态调节，实现光学频率梳的稳定控制。
在实际实施应用中，压控恒流源可采用压控可调的恒流泵浦源供电电源设备实现，环境温控装置可以采用具有制冷、制热双向温控功能的温控器设备或温控电路实现，泵浦源温度感测装置、环境温度感测装置则可以采用热敏电阻感温器件等常用测温装置实现，这些都是技术成熟的现有器件设备，可通过市购获得。
而在中央控制装置的具体设计实施中，可以设计包括下位机控制模块和上位机控制模块，用于分别执行数据交互传输和调节运算控制功能。其中，下位机控制模块用于分别与泵浦源温度感测装置、环境温度感测装置、压控恒流源和环境温控装置进行数据通信，采集接收来自压控恒流源的泵浦源功率参数、来自泵浦源温度感测装置的泵浦源温度参数以及来自环境温度感测装置的泵浦源工作环境温度参数传输至上位机控制模块，且用于根据上位机控制模块的指示分别向压控恒流源和环境温控装置发送控制指令；上位机控制模块用于根据泵浦源功率参数、泵浦源温度参数、泵浦源工作环境温度参数以及预先设置的工况状态控制参数，指示下位机控制模块分别向压控恒流源和环境温控装置发送控制指令，以控制压控恒流源和环境温控装置对泵浦源工作功率或/和泵浦源工作环境温度进行动态调节，实现光学频率梳的稳定控制。
在光学频率梳控制系统的硬件构架设计实施中，可采用如图2所示的硬件系统构架实施方案。其中，上位机控制模块可通过指示下位机控制模块发送指令的方式，控制泵浦源的压控恒流源和环境温控装置，此外也可控制泵浦源温度感测装置、环境温度感测装置的启停等功能，其控制指令信号流如图2中①③④⑤⑥所示；而来自压控恒流源的泵浦源功率参数、来自泵浦源温度感测装置的泵浦源温度参数以及来自环境温度感测装置的泵浦源工作环境温度参数可通过数据采集传输的方式，通过下位机控制模块实时采集后反馈至上位机控制模块，其数据采集传输信号流如图2中⑧⑪⑩⑨⑫②所示。
其中，由于压控恒流源、环境温控装置、泵浦源温度感测装置、环境温度感测装置在实际技术实施中通常为模拟信号控制电子装置；而包含上位机控制模块和下位机控制模块的中央控制装置，由于需要执行参数采集后的汇总、比较、判断和指令控制等处理，在技术实现时通常需要采用数字芯片结合数字电路的数控电子装置。因此，光学频率梳控制系统的硬件构架设计实施中，下位机控制模块与压控恒流源、环境温控装置、泵浦源温度感测装置、环境温度感测装置的控制信号端之间可通过DA群组进行数模转换通信，通过DA群组实现数字信号到模拟信号的转换后对压控恒流源、环境温控装置、泵浦源温度感测装置、环境温度感测装置进行信号控制（参见图2中④⑤⑥所示）；而压控恒流源、泵浦源温度感测装置以及环境温度感测装置的反馈信号端与下位机控制模块之间则可以通过AD群组进行模数转换通信，通过AD群组将反馈的模拟信号转换为数字信号后传送到下位机控制模块（参见图2中⑫所示），再由下位机控制模块汇总后通过数字信号传输方式传送至上位机控制模块（参见图2中②所示）。DA群组可由多个数模转换器构成，AD群组可由多个模数转换器构成；DA群组和AD群组均由下位机控制模块统一控制其各自的转换功能。
在本发明的光学频率梳控制方法及控制系统中，根据工作反馈参数以及预先设置的工况状态控制参数，对光学频率梳系统的泵浦源工作功率或/和泵浦源工作环境温度进行动态调节的工作，是实现光学频率梳稳定控制的重要工作内容，该部分工作内容在光学频率梳控制系统中由中央控制装置的上位机控制模块负责完成。在对泵浦源工作功率的动态调节、以及对泵浦源工作环境温度的动态调节中，需要分别采用合理的控制策略，才能更好、更快速的达到光学频率梳稳定控制的目的。下面通过具体实施例加以列举说明。
实施例一：
在本实施例方案中，针对泵浦源工作功率的动态调节控制需要采用一种以高效节能为目标的控制策略。在光学频率梳启动时，泵浦源自身温度较低，同时泵浦源工作环境温度可能低或高于稳定运行温度，都对光学频率梳的锁模控制带来影响，需要通过调整泵浦源工作功率来加以平衡。
可用的泵浦源工作功率调整策略之一，是根据光学频率梳的锁模状态进行判断控制，在失锁状态时逐渐提高泵浦源工作功率，直到光梳处于锁模状态后维持泵浦源工作功率，但随着泵浦源工作稳定后的温度升高及其带动工作环境温度的变化，此前维持的泵浦源工作功率有可能出现功率过高工况，又需要调低泵浦源工作功率，在调低功率过程中又可能导致光梳失锁，此后又需要再次提升泵浦源工作功率直至重新锁模；由此，有可能出现多次的泵浦源工作功率往复震荡跟踪调节控制，才能达到较平稳的锁模控制，造成稳定锁模时间长、且功率往复震荡跟踪控制易造成多余的能耗浪费。
因此，作为更为优选的泵浦源工作功率调整控制策略实施方式，在针对泵浦源工作功率的动态调节控制中，上位机控制模块中预先设置的工况状态控制参数可以设计包括启动工况锁模状态功率温度曲线和稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息，所述启动工况锁模状态功率温度曲线记录有启动工况下泵浦源温度与锁模所需泵浦源工作功率的对应关系信息；上位机控制模块对泵浦源工作功率进行动态调节的方式则设计为：
在启动时，上位机控制模块根据当前的泵浦源温度参数，从启动工况锁模状态功率温度曲线中查找到当前泵浦源温度对应的锁模所需泵浦源工作功率值，并按此泵浦源工作功率值指示下位机控制模块控制压控恒流源调节设置泵浦源工作功率，且上位机控制模块开始计时；当上位机控制模块计时达到预设定的启动稳定时长时，再根据稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息，指示下位机控制模块控制压控恒流源调节设置泵浦源工作功率。
上述优选的泵浦源工作功率调整控制策略中，在光学频率梳启动时，泵浦源自身温度较低，且泵浦源工作环境温度可能低或高于稳定运行温度，因此，此时参照启动工况锁模状态功率温度曲线，根据当前的泵浦源温度参数，从启动工况锁模状态功率温度曲线中查找到当前泵浦源工作环境温度对应的锁模所需泵浦源工作功率值，并直接按此调节设置泵浦源工作功率，以快速的实现锁模控制，且通过计时，在维持该启动工况下锁模所需泵浦源工作功率值预设定的启动稳定时长之后，再根据稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息，调节设置为稳定运行工况的泵浦源工作功率。采用这样的光学频率梳控制方法，不仅大幅缩短了稳定锁模的控制时间，实现了快速锁模控制，还减少了不必要的功率往复震荡跟踪控制而造成的多余能耗浪费，更好的兼顾功率调整控制过程的节能效果。
而在上述优选的泵浦源工作功率调整控制策略的稳定运行工况功率控制中，稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息可以设计包括稳定运行工况锁模状态功率温度曲线，其记录有稳定运行工况下泵浦源工作环境温度与锁模所需泵浦源工作功率的对应关系信息；上位机控制模块根据稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息调节设置泵浦源工作功率的方式则设计为：上位机控制模块实时的根据通过下位机控制模块采集的泵浦源工作环境温度参数，从稳定运行工况锁模状态功率温度曲线中查找到当前泵浦源工作环境温度对应的锁模所需泵浦源工作功率值，并按此泵浦源工作功率值指示下位机控制模块控制压控恒流源实时的调节设置泵浦源工作功率。
由此，在稳定运行工况的功率控制中，由于泵浦源已工作一段时间，泵浦源自身温度进入稳定工作温度状态，此时环境温度的波动成为了泵浦源工作状态的主要影响因素，因此，通过实时的根据采集的泵浦源工作环境温度参数，从稳定运行工况锁模状态功率温度曲线中查找到当前泵浦源工作环境温度对应的锁模所需泵浦源工作功率值，并按此实时调节设置泵浦源工作功率。这样，直接根据预先确定的功率温度曲线来控制泵浦源功率，使得稳定运行工况的功率控制得以快速稳定，减少了功率往复震荡跟踪控制的所需时间，提高稳定控制效率，还减少了不必要的功率往复震荡跟踪控制而造成的多余能耗浪费，进一步的兼顾了功率调整控制过程的节能效果。
在上述优选的泵浦源工作功率调整控制策略中，启动工况锁模状态功率温度曲线、稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息、启动稳定时长等参数信息，可以通过先验知识或经验得到、或者通过在先试验统计后得到，在得到这些参数信息之后，方可执行上述优选的泵浦源工作功率调整控制策略，达到快速锁模控制、并兼顾功率调整控制过程节能性的技术效果。
本发明光学频率梳控制系统的中央控制装置在具体设计泵浦源工作功率调整控制工作方式时，可通过如下的指令控制方案来实施。
上位机控制模块通过软件界面发送调整泵浦源工作功率的指令；指令可设计由起始段、地址段、控制段、结尾段构成。起始段为固定十六进制构成，包含16bit，如A0A0；地址段告知下位机当前要操作的泵浦序号，8bit构成，可最大支持256个泵浦源控制对象；控制段为当前指令将要作用于泵浦压控恒流源的电压值，16bit构成；结尾段为传输结束标记，8bit，一般使用FF，用于标识传输指令结束；指令结构如表一所示：
表一：上位机控制FPGA指令结构
起始段(16bit) 地址段(8bit) 控制段(16bit) 结尾段(8bit)
A0A0 XX XXXX FF
指令通过串行通信接口发送至下位机控制模块的FPGA控制板，FPGA控制板对指令进行解析，获得待调整的泵浦序号，并得到驱动模数转换器的对应值；按照控制接口时序，将驱动值传输至DA群组的模数转换器。
模数转换器根据参考电压值和下位机控制模块发送的数字电压值进行比较，输出与之对应的模拟电压值，从而驱动压控恒流源。输出模拟电压值与上位机控制模块的控制值的对应关系为：
模拟电压值=上位机控制模块的控制值×(参考电压值/2 DA转换位数)；
压控恒流源根据DA群组的数模转换器输出的模拟电压值，通过MOS管、采样电阻、负反馈等电路结构产生与上位机控制模块发出的控制指令对应的恒定电流，从而实现泵浦源输出光功率的调节，实现光梳锁模状态的调整。
实施例二：
在本实施例方案中，针对泵浦源工作环境温度的动态调节控制需要采用一种以高效稳定为目标的控制策略。在光学频率梳启动时，泵浦源自身温度较低，同时泵浦源工作环境温度可能低或高于稳定运行温度，都对光学频率梳的锁模控制带来影响，除了通过调整泵浦源工作功率来加以平衡之外，对泵浦源工作环境温度的稳定控制，也是保证光学频率梳快速锁模以及稳定运行的重要因素。
可用的泵浦源工作环境温度调整策略之一，是直接根据锁模环境温度进行温度的稳定控制，因为光梳系统稳定运行一段时间后，环境温度可能因为设备的持续工作有所升高，因此可通过环境温控装置进行调节，使得环境温度保持稳定在锁模环境温度下。这样的环境温度调控方式较为简单，但对于光梳系统的稳定运行而言，实际上存在一定的控制滞后性。因为相较于环境温度而言，泵浦源自身工作温度对于光梳系统运行的稳定性影响更为直接，而由于运行一段时间后泵浦源自身工作温度因持续工作而有所升高，而如果当环境温度因泵浦源自身工作温度升高而明显高于锁模所需环境温度时，说明泵浦源自身工作温度已高于预期并已持续一段时间，此时再通过调节环境温度来加以平衡，就存在一定的控制滞后性，不利于光梳系统保持很好的稳定运行工况。
因此，作为更为优选的泵浦源工作环境温度调整控制策略实施方式，在针对泵浦源工作环境温度的动态调节控制中，上位机控制模块中预先设置的工况状态控制参数可设计包括锁模参考环境温度参数和稳定运行工况泵浦源参考温度参数；上位机控制模块对泵浦源工作环境温度进行动态调节的方式为：
在启动时，上位机控制模块按照锁模参考环境温度参数指示下位机控制模块控制环境温控装置进行泵浦源工作环境温度的调节，且在泵浦源工作环境温度达到锁模参考环境温度值后，持续按照锁模参考环境温度参数进行泵浦源工作环境温度的控制，并实时的根据通过下位机控制模块采集的泵浦源温度参数判断其与稳定运行工况泵浦源参考温度参数的差值是否超过预设定的泵浦源自调节温度预警范围，且在超过时指示下位机控制模块控制环境温控装置对泵浦源工作环境温度进行调节，使得泵浦源温度与稳定运行工况泵浦源参考温度参数的差值恢复至预设定的泵浦源自调节温度预警范围内。
上述优选的泵浦源工作环境温度调整控制策略中，在光学频率梳启动时，泵浦源自身温度较低，且泵浦源工作环境温度可能低或高于稳定运行温度，因此，此时先按照锁模参考环境温度参数进行泵浦源工作环境温度的调节，使得环境温度快速达到锁模所需的参考环境温度，为光梳系统锁模创造良好温度条件；而在泵浦源工作环境温度达到锁模参考环境温度值后，在持续按照锁模参考环境温度参数进行泵浦源工作环境温度的控制的条件下，随着泵浦源自身工作温度逐渐升高，为了提高对光梳系统稳定运行控制的及时性，需要根据泵浦源实际温度与稳定运行工况泵浦源参考温度的差值来加以实时调节，实时的判断采集的泵浦源温度与稳定运行工况泵浦源参考温度参数的差值是否超过预设定的泵浦源自调节温度预警范围，且在超过时对泵浦源工作环境温度进行调节，使得泵浦源温度与稳定运行工况泵浦源参考温度参数的差值恢复至预设定的泵浦源自调节温度预警范围内，之后再继续按照锁模参考环境温度参数进行泵浦源工作环境温度控制。
其中，泵浦源自调节温度预警范围的取值，需要根据泵浦源自调节温度范围加以确定；泵浦源自调节温度范围是指通过泵浦源工作功率调整控制使得泵浦源自身工作温度能够得以有效调节的温度范围，泵浦源自调节温度范围的取值区间可通过先验实验加以确定；而泵浦源自调节温度预警范围的取值区间的下限值应当大于泵浦源自调节温度范围的取值区间的下限值，泵浦源自调节温度预警范围的取值区间的上限值应当小于泵浦源自调节温度范围的取值区间的上限值，即泵浦源自调节温度预警范围是不包含泵浦源自调节温度范围上、下限值的真子集。
这样，当判断到泵浦源温度与稳定运行工况泵浦源参考温度参数的差值超过预设定的泵浦源自调节温度预警范围时，可尽可能确保此时泵浦源温度实际还处于泵浦源自调节温度范围以内，并且立即通过控制环境温度调节对泵浦源自身工作温度进行辅助调节，达到及时调节泵浦源工作温度、降低温控调节滞后性的目的，提高稳定控制效率，有利于光梳系统更好的保持稳定运行工况。
本发明光学频率梳控制系统的中央控制装置在具体设计泵浦源工作环境温度调整控制工作方式时，可通过如下的指令控制方案来实施。
具体实施中，在温度参数采集端，泵浦源温度参数和泵浦源工作环境温度参数均可分别采用NTC热敏电阻进行采集。NTC热敏电阻实时的根据当前温度变化情况，生成相应的模拟电压值，并反馈至AD群组的模数转换器，由模数转换器生成模拟电压值对应的数字电压，精度正比于AD转换位数。下位机控制模块的FPGA控制板可通过SPI串行协议，实时读取数字电压值，待上位机控制模块进行读取。上位机控制模块监控进程需要读取当前温度时，发送指令至下位机控制模块的FPGA控制板，传输的指令可以设计由起始(A0A0)、地址段(XX)、结尾段构成(FF)；由于是对下位机数据进行读取，地址段即可精确对应AD转换器地址，因此无需控制段。下位机控制模块的FPGA控制板接收到上位机控制模块的读取指令后，将当前获取的数字电压发送至上位机控制模块，传输结构同表一，其中控制段即为读取的数字电压值。上位机控制模块对收到的数据帧进行解析，分离出数字电压值，根据电压与温度的对应关系，实时的确定当前温度参数。
具体实施中，在环境温度控制端，环境温控装置可采用常用的通过H桥电路调节的半导体制冷器来进行制冷、制热双向温度控制，H桥电路调节的半导体制冷器控制电路如图3所示。在控制中，由上位机控制模块下发温度控制指令，作用于通过H桥电路调节的半导体制冷器，使之对环境温度进行调节。
如图3所示，H桥电路调节的半导体制冷器控制电路，包括半导体制冷器(TEC)，以及并联在半导体制冷器(TEC)两端的第一桥支路和第二桥支路；第一桥支路中串联有第一PMOS管(MPA)和第二PMOS管(MPB)，第一PMOS管(MPA) 的源极与第二PMOS管(MPB) 的源极相连且均连接至电源供电端(VDD)，第一PMOS管(MPA) 的漏极并联在半导体制冷器(TEC)的正端(TEC+)，第二PMOS管(MPB) 的漏极并联在半导体制冷器(TEC)的负端(TEC-)；第二桥支路中串联有第一NMOS管(MNA)和第二PMOS管(MNB)，第一NMOS管(MNA) 的源极与第二NMOS管(MNB) 的源极相连且均连接至接地端，第一NMOS管(MNA) 的漏极并联在半导体制冷器(TEC)的负端(TEC-)，第二NMOS管(MNB) 的漏极并联在半导体制冷器(TEC)的正端(TEC+)；第一PMOS管(MPA)、第二PMOS管(MPB)、第一NMOS管(MNA)和第二PMOS管(MNB)的栅极分别连接至第一电压控制端(PORVA)、第二电压控制端(PORVB)、第三电压控制端(NORVA)和第四电压控制端(NORVB)。
H桥电路调节的半导体制冷器控制电路中，VDD为电源供电端，G点接地；TEC+/TEC-分别连接半导体制冷器的两端，当电流方向由TEC+到TEC-时，制冷器制冷；当电流方向由TEC-到TEC+时，制冷器制热；由两组MOS管组成的H桥，其中MPA(PMOS)、MNA(NMOS)组成一组，MPB(PMOS)、MNB(NMOS)组成另一组。对于PMOS管，当栅源电压差小于0时，PMOS管导通，相反，对于NMOS管，当栅源电压差大于0时，NMOS管导通。两组MOS控制波形示例如图4所示。当NDRVA为高且PDRVA为低、NDRVB为低且PDRVB为高时，MPA、MNA导通，MPB、MNB截止，电流流经方向为A、B、TEC+、TEC-、E、F、G，此时TEC进行制冷。反之，当MPA、MNA截止，MPB、MNB导通时，电流流经方向为D、E、TEC-、TEC+、B、C、G，此时TEC进行制热。CT为以参考电压为中心的三角波，EAOUT为误差电压，即热敏电阻测试电压与上位机设置电压差值。这样，通过分别控制第一电压控制端(PORVA)、第二电压控制端(PORVB)、第三电压控制端(NORVA)和第四电压控制端(NORVB)的电压，就能对半导体制冷器(TEC)的制冷、制热加以控制。
当上位机控制模块控制TEC制冷时，上位机控制模块设置电压值增大，EAOUT输出小于参考电压，三角波在EAOUT上部的宽度大于在EAOUT下部的宽度，对应下面方波的占空比a>b，即制冷时间长、制热时间短，从而实现温度下降的控制，且上位机控制模块电压设置与热敏电阻电压差值越大，占空比差别越大，制冷效率越高。随着环境温度降低，热敏电阻电压与设置电压差值减小，a、b占空比逐步趋于相等并恒定，一次温度制冷调节完成。
当上位机控制模块控制TEC制热时，上位机控制模块设置电压值减小，EAOUT输出大于参考电压，三角波在EAOUT上部的宽度小于在EAOUT下部的宽度，对应下面方波的占空比a<b，即制冷时间短、制热时间长，从而实现温度上升的控制，且上位机控制模块电压设置与热敏电阻电压差值越大，占空比差别越大，制热效率越高。随着环境温度上升，热敏电阻电压与设置电压差值减小，a、b占空比逐步趋于相等并恒定，一次温度制热调节完成。
通过上述方式，中央控制装置则能够根据泵浦源工作环境温度调整控制策略，更好的辅助光梳系统的稳定运行。
实施例三：
本实施例中，光学频率梳控制系统同时采用上述的实施例一中对泵浦源工作功率的动态调节控制、以及实施例二中对泵浦源工作环境温度的动态调节控制，虽然二者的动态调节控制过程是各自分别运行，但二者对于光学频率梳的稳定运行是提供相互协同的结合性帮助的。
在光学频率梳启动运行时，泵浦源自身温度较低，且泵浦源工作环境温度可能低或高于稳定运行温度，此时通过泵浦源工作环境温度的动态调节控制，使得环境温度快速达到锁模所需的参考环境温度，为光梳系统锁模创造良好温度条件，而通过泵浦源工作功率的动态调节控制能够实现快速锁模；在经过一段运行时间，光梳系统进入稳定运行工况之后，通过泵浦源工作功率的动态调节控制，能够保持泵浦源保持稳定运行工况的泵浦源工作功率，控制自身工作温度，并通过泵浦源工作环境温度的动态调节控制，对泵浦源自身工作温度进行辅助调节，提高稳定控制效率，有利于光梳系统更好的保持稳定运行工况。
由此可见，本发明的光学频率梳控制方法及光学频率梳控制系统，能够通过对泵浦源工作功率以及泵浦源工作环境温度的动态调节控制及协同，有效实现快速锁模控制，并更好的兼顾调整控制过程的节能效果，同时提高了对光学频率梳稳定运行控制的效率，能够有效的解决光学频率梳在不同工况下的运行稳定性不足的问题，更好的保证光梳系统的测量精度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光学频率梳控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
采集光学频率梳系统的工作反馈参数，所述工作反馈参数包括泵浦源功率参数、泵浦源温度参数和泵浦源工作环境温度参数；
根据所述工作反馈参数以及预先设置的工况状态控制参数，对光学频率梳系统的泵浦源工作功率或/和泵浦源工作环境温度进行动态调节，实现光学频率梳的稳定控制。
2.根据权利要求1所述的光学频率梳控制方法，其特征在于，所述工况状态控制参数包括启动工况锁模状态功率温度曲线和稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息，所述启动工况锁模状态功率温度曲线记录有启动工况下泵浦源温度与锁模所需泵浦源工作功率的对应关系信息；
对泵浦源工作功率进行动态调节的方式为：
在启动时，根据当前的泵浦源温度参数，从启动工况锁模状态功率温度曲线中查找到当前泵浦源温度对应的锁模所需泵浦源工作功率值，并按此调节设置泵浦源工作功率，且开始计时；
当计时达到预设定的启动稳定时长时，再根据稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息，调节设置泵浦源工作功率。
3.根据权利要求2所述的光学频率梳控制方法，其特征在于，所述稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息包括稳定运行工况锁模状态功率温度曲线，其记录有稳定运行工况下泵浦源工作环境温度与锁模所需泵浦源工作功率的对应关系信息；
根据稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息调节设置泵浦源工作功率的方式为：实时的根据采集的泵浦源工作环境温度参数，从稳定运行工况锁模状态功率温度曲线中查找到当前泵浦源工作环境温度对应的锁模所需泵浦源工作功率值，并按此实时调节设置泵浦源工作功率。
4.根据权利要求1所述的光学频率梳控制方法，其特征在于，所述工况状态控制参数包括锁模参考环境温度参数和稳定运行工况泵浦源参考温度参数；
对泵浦源工作环境温度进行动态调节的方式为：
在启动时，按照锁模参考环境温度参数进行泵浦源工作环境温度的调节，且在泵浦源工作环境温度达到锁模参考环境温度值后，持续按照锁模参考环境温度参数进行泵浦源工作环境温度的控制，并实时的判断采集的泵浦源温度与稳定运行工况泵浦源参考温度参数的差值是否超过预设定的泵浦源自调节温度预警范围，且在超过时对泵浦源工作环境温度进行调节，使得泵浦源温度与稳定运行工况泵浦源参考温度参数的差值恢复至预设定的泵浦源自调节温度预警范围内。
5.一种光学频率梳控制系统，其特征在于，包括：
泵浦源，布置于控温环境中，用于产生泵浦光；
压控恒流源，用于驱动泵浦源并调节控制泵浦源的工作功率，并反馈其工作时的泵浦源功率参数；
泵浦源温度感测装置，用于采集泵浦源工作时的泵浦源温度参数；
环境温控装置，用于调节控制泵浦源的工作环境温度；
环境温度感测装置，用于感测泵浦源工作环境温度参数；
中央控制装置，用于采集泵浦源功率参数、泵浦源温度参数和泵浦源工作环境温度参数，并据其以及预先设置的工况状态控制参数，对压控恒流源或/和环境温控装置进行控制，进而对光学频率梳系统的泵浦源工作功率或/和泵浦源工作环境温度进行动态调节，实现光学频率梳的稳定控制。
6.根据权利要求5所述的光学频率梳控制系统，其特征在于，所述中央控制装置包括下位机控制模块和上位机控制模块；
所述下位机控制模块用于分别与泵浦源温度感测装置、环境温度感测装置、压控恒流源和环境温控装置进行数据通信，采集接收来自压控恒流源的泵浦源功率参数、来自泵浦源温度感测装置的泵浦源温度参数以及来自环境温度感测装置的泵浦源工作环境温度参数传输至上位机控制模块，且用于根据上位机控制模块的指示分别向压控恒流源和环境温控装置发送控制指令；
所述上位机控制模块用于根据泵浦源功率参数、泵浦源温度参数、泵浦源工作环境温度参数以及预先设置的工况状态控制参数，指示下位机控制模块分别向压控恒流源和环境温控装置发送控制指令，以控制压控恒流源和环境温控装置对泵浦源工作功率或/和泵浦源工作环境温度进行动态调节，实现光学频率梳的稳定控制。
7.根据权利要求6所述的光学频率梳控制系统，其特征在于，所述下位机控制模块与压控恒流源、环境温控装置、泵浦源温度感测装置、环境温度感测装置的控制信号端之间通过DA群组进行数模转换通信，通过DA群组实现数字信号到模拟信号的转换后对压控恒流源、环境温控装置、泵浦源温度感测装置、环境温度感测装置进行信号控制；所述压控恒流源、泵浦源温度感测装置以及环境温度感测装置的反馈信号端与下位机控制模块之间通过AD群组进行模数转换通信，通过AD群组将反馈的模拟信号转换为数字信号后传送到下位机控制模块，再由下位机控制模块汇总后通过数字信号传输方式传送至上位机控制模块。
8.根据权利要求6所述的光学频率梳控制系统，其特征在于，所述上位机控制模块中预先设置的工况状态控制参数包括启动工况锁模状态功率温度曲线和稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息，所述启动工况锁模状态功率温度曲线记录有启动工况下泵浦源温度与锁模所需泵浦源工作功率的对应关系信息；上位机控制模块对泵浦源工作功率进行动态调节的方式为：
在启动时，上位机控制模块根据当前的泵浦源温度参数，从启动工况锁模状态功率温度曲线中查找到当前泵浦源温度对应的锁模所需泵浦源工作功率值，并按此泵浦源工作功率值指示下位机控制模块控制压控恒流源调节设置泵浦源工作功率，且上位机控制模块开始计时；
当上位机控制模块计时达到预设定的启动稳定时长时，再根据稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息，指示下位机控制模块控制压控恒流源调节设置泵浦源工作功率。
9.根据权利要求8所述的光学频率梳控制系统，其特征在于，所述稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息包括稳定运行工况锁模状态功率温度曲线，其记录有稳定运行工况下泵浦源工作环境温度与锁模所需泵浦源工作功率的对应关系信息；
上位机控制模块根据稳定运行工况锁模状态对应的泵浦源工作功率设置信息调节设置泵浦源工作功率的方式为：
上位机控制模块实时的根据通过下位机控制模块采集的泵浦源工作环境温度参数，从稳定运行工况锁模状态功率温度曲线中查找到当前泵浦源工作环境温度对应的锁模所需泵浦源工作功率值，并按此泵浦源工作功率值指示下位机控制模块控制压控恒流源实时的调节设置泵浦源工作功率。
10.根据权利要求6所述的光学频率梳控制系统，其特征在于，所述上位机控制模块中预先设置的工况状态控制参数包括锁模参考环境温度参数和稳定运行工况泵浦源参考温度参数；上位机控制模块对泵浦源工作环境温度进行动态调节的方式为：
在启动时，上位机控制模块按照锁模参考环境温度参数指示下位机控制模块控制环境温控装置进行泵浦源工作环境温度的调节，且在泵浦源工作环境温度达到锁模参考环境温度值后，持续按照锁模参考环境温度参数进行泵浦源工作环境温度的控制，并实时的根据通过下位机控制模块采集的泵浦源温度参数判断其与稳定运行工况泵浦源参考温度参数的差值是否超过预设定的泵浦源自调节温度预警范围，且在超过时指示下位机控制模块控制环境温控装置对泵浦源工作环境温度进行调节，使得泵浦源温度与稳定运行工况泵浦源参考温度参数的差值恢复至预设定的泵浦源自调节温度预警范围内。
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