CN111404006B

CN111404006B - 一种基于相位连续扫频光纤激光器的噪声抑制方法

Info

Publication number: CN111404006B
Application number: CN202010201759.1A
Authority: CN
Inventors: 冯宇祥; 谢玮霖; 董毅; 孟银霞
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-03-20
Filing date: 2020-03-20
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2040-03-20
Also published as: CN111404006A

Abstract

本发明公开了一种基于相位连续扫频光纤激光器的噪声抑制方法，在开环状态下，通过预畸变算法得到一组控制电压信号，在控制电压信号的驱动下扫频光纤激光器的响应线性度得到初步校正；在此基础上，加上锁相系统形成闭环状态，扫频光信号经过马赫‑増德干涉结构产生的具有扫频信息的拍频信号与参考信号通过鉴相器输出误差信号；将误差信号输入高阶环路滤波器中，经滤波放大后驱动光纤激光器输出频率受调制的光信号；通过实时频谱分析仪对受调制的光信号进行分析，验证锁相结果；当拍频信号与参考信号锁定后，则受调制的光信号为抑制噪声后的扫频光信号。该方法有效的抑制扫频噪声、非线性噪声以及激光器的固有噪声对系统的影响。

Description

一种基于相位连续扫频光纤激光器的噪声抑制方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，比如：光频率调制技术、光调频连续波测量技术、光相干测量技术、光锁相环技术领域，特别涉及一种基于相位连续扫频光纤激光器的噪声抑制方法。

背景技术

光调频连续波是一种通过测量发射光信号与回波信号相干得到的拍频信号的频域响应来获取被测目标位置，速度等参量的技术，其核心模块是一个需要频率线性调制的激光源。

在各种类型的激光源中，窄线宽光纤激光器是最为实际的，因为它的输出频率可以通过控制其内部与激光光纤谐振腔直接相连的压电陶瓷晶体来灵活控制，但是，通常情况下由于压电陶瓷本身固有的压控响应特性，激光器的输出频率对于调制电压呈现明显的非线性。

目前现有技术中，一种能减小扫频半导体激光源非线性的方法是基于闭环反馈控制系统辅以预畸变处理的频率调制电压机制。

另外，因为电上噪声过大以及现有环路设计都难以实现高精度大范围的线性扫频。使用现有技术方法无法有效的抑制电上噪声对系统的影响，且常见的低通滤波器和积分器的组合也无法实现对系统的精确控制抑制噪声。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于相位连续扫频光纤激光器的噪声抑制方法，可以实现高精度大范围的线性扫频，有效的抑制扫频噪声、非线性噪声以及激光器的固有噪声对系统的影响。

本发明实施例提供一种基于相位连续扫频光纤激光器的噪声抑制方法，包括以下步骤：

S1、在扫频激光光源系统开环状态下，通过预畸变算法得到一组控制电压信号，在所述控制电压信号的驱动下扫频光纤激光器的响应线性度得到初步校正；

S2、在所述扫频激光光源系统的基础上，加上锁相系统形成闭环状态，扫频光信号经过马赫-増德干涉结构产生的具有扫频信息的拍频信号与参考信号通过鉴相器输出误差信号；

S3、将所述误差信号输入高阶环路滤波器中，经滤波放大后驱动光纤激光器输出频率受调制的光信号；

S4、通过实时频谱分析仪对所述受调制的光信号进行分析，验证锁相结果；

S5、当所述拍频信号与参考信号锁定后，则所述受调制的光信号为抑制噪声后的扫频光信号。

进一步地，所述方法还包括：

S6、当拍频信号与参考信号未锁定时，则优化所述扫频激光光源系统阻抗匹配，优化高阶环路滤波参数；并返回步骤S4，继续迭代直到所述拍频信号与参考信号锁定。

进一步地，所述步骤S2包括：

S21、在噪声抑制系统开环状态下，加上锁相系统形成闭环状态，利用光纤激光器由电压信号调制频率，发出频率连续变化的扫频光信号；

S22、所述扫频光信号由第一保偏耦合器分成两路，一路耦合进入反馈环路；另一路作为扫频激光光源系统的输出信号；

S23、进入反馈环路的扫频光信号通过第二保偏耦合器分成两路，一路经过预设长度延迟光纤，另一路用声光频移器搬移到中频；

S24、将步骤S23中的两路扫频光信号经第三保偏耦合器进行合路，并通过接收端光电探测器探测拍频信号；

S25、将所述拍频信号与射频参考信号通过数字鉴相器进行相位比较，输出误差信号。

进一步地，所述步骤S22中第一保偏耦合器按照1:9的功率分配比例，将扫频光信号分成两路；进入反馈环路和作为扫频激光光源系统的输出信号的功率比为1:9。

进一步地，所述步骤S23中第二保偏耦合器按照1:1的功率分配比例，将进入反馈环路的扫频光信号分成两路。

进一步地，所述步骤S3包括：

S31、将所述误差信号输入高阶环路滤波器进行滤波；

S32、将滤波后的信号与任意波形发生器所产生的预畸变扫频控制信号相叠加，生成扫频锁相控制信号；

S33、将扫频锁相控制信号输出至放大器，进行放大，生成放大后信号；

S34、将所述放大后信号输入至压电陶瓷驱动器，转换为驱动电压信号；

S35、在所述驱动电压信号的驱动下，光纤激光器输出频率受调制的光信号。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的一种基于相位连续扫频光纤激光器的噪声抑制方法：

在扫频激光光源系统开环状态下，通过预畸变算法得到一组控制电压信号，在所述控制电压信号的驱动下扫频光纤激光器的响应线性度得到初步校正；在所述扫频激光光源系统的基础上，加上锁相系统形成闭环状态，扫频光信号经过马赫-増德干涉结构产生的具有扫频信息的拍频信号与参考信号通过鉴相器输出误差信号；将所述误差信号输入高阶环路滤波器中，经滤波放大后驱动光纤激光器输出频率受调制的光信号；通过实时频谱分析仪对所述受调制的光信号进行分析，验证锁相结果；当所述拍频信号与参考信号锁定后，则所述受调制的光信号为抑制噪声后的扫频光信号。该方法对在开环和闭环状态下的响应进行分析，当扫频激光光源系统处于锁定状态后，有效的抑制扫频噪声、非线性噪声以及激光器的固有噪声对系统的影响，实现非常好的噪声抑制效果；进一步可实现扫频激光光源系统的高精度大范围的线性扫频。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的基于相位连续扫频光纤激光器的噪声抑制方法流程图；

图2为本发明实施例提供的步骤S2的流程图；

图3为本发明实施例提供的扫频激光器噪声抑制系统的结构图；

图4为本发明实施例提供的步骤S3的流程图；

图5为本发明实施例提供基于相位连续扫频光纤激光器的噪声抑制方法原理框图；

图6为本发明实施例提供的扫频激光光源系统实现的扫频示意图；

图7为本发明实施例提供的锁相的效果示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参照图1所示，本发明实施例提供的一种基于相位连续扫频光纤激光器的噪声抑制方法，包括：步骤S1～S5；

本实施例中，光纤激光器相较于半导体激光器因为其更窄的出射光谱线宽所以更适合于作为扫频激光光源。在基于光纤激光器作为扫频激光光源的基础上，该方法通过对扫频激光光源系统在开环状态下通过预畸变算法得到一组控制电压信号，在控制电压信号的驱动下扫频光纤激光器的响应线性度得到初步校正；

在上述扫频激光光源系统的基础上，加上锁相系统形成闭环状态；扫频光信号经过马赫-増德干涉结构产生的具有扫频信息的拍频信号与参考信号通过鉴相器输出误差信号，将误差信号输入高阶环路滤波器中，经滤波放大后驱动光纤激光器输出频率受调制的光信号；通过实时频谱分析仪对受调制的光信号进行分析，验证锁相结果；当拍频信号与参考信号锁定后，则受调制的光信号为抑制噪声后的扫频光信号。

该方法对在开环和闭环状态下的响应进行分析，当扫频激光光源系统处于锁定状态后，有效的抑制扫频噪声、非线性噪声以及激光器的固有噪声对系统的影响，实现非常好的噪声抑制效果；进一步可实现扫频激光光源系统的高精度大范围的线性扫频。

判断拍频信号与参考信号是否锁定，即：判断激光器发出的扫频光信号经过马赫-増德干涉结构后产生的拍频信号与参考信号的相位是一致或存在一个稳定的相位差，当两个信号之间的相位稳定不变时，此时受调制的光信号为抑制噪声后的扫频光信号。

其中，激光器发出的扫频光信号经过马赫-増德干涉结构后产生的拍频信号与参考信号的相位关系只要是稳定的，本发明实施例对此不做限定；当相位差，比如为0时，或者任何一个稳定的数值，可认为到达抑制噪声的预期效果。相位差，由环路的具体情况具体确定，本发明实施例对此也不作限定。

进一步地，如图1所示，该方法还包括：

本实施例中，当拍频信号与参考信号相位差不稳定时，通过优化高阶环路滤波器参数以及精确计算电学系统上的阻抗匹配，再次迭代执行步骤S4，在具有非线性矫正能力的预畸变电压驱动下扫频，并配合高阶环路滤波器以及电路系统上整体的阻抗匹配设计(参照现有技术中的阻抗匹配设计即可)，直到两信号相位差稳定时，实现较好的噪声抑制效果。

下面分别对上述各个步骤进行详细的说明。

在一个实施例中，步骤S2是在扫频激光光源系统的基础上，加上锁相系统形成闭环状态，扫频光信号经过马赫-増德干涉结构产生的具有扫频信息的拍频信号与参考信号通过鉴相器输出误差信号；

具体地，参照图2包括：

S21、在扫频激光光源系统开环状态下，加上锁相系统形成闭环状态，利用光纤激光器由电压信号调制频率，发出频率连续变化的扫频光信号；

如图3所示，本实施例中的扫频激光光源系统，以基于全光纤非平衡马赫-増德干涉结构的扫频激光器噪声抑制系统为例，该扫频激光器噪声抑制系统由光和电两部分组成，具体由窄线宽光纤激光器，三个保偏耦合器，延迟光纤，声光频移器，光电探测器，实时频谱分析仪，数字鉴相器，高阶环路滤波器，放大器，压电陶瓷驱动器组成。图3可以分为上下两部分，下半部分即是锁相系统，由任意波形发生器，数字鉴相器，高阶环路滤波器，放大器，压电陶瓷驱动器组成。

例如：1550nm波长的光纤激光器由电压信号调制频率，发出频率连续变化的光信号。输出光信号由一个10:90的第一保偏耦合器分成两路，90％部分用作系统输出，10％部分耦合进入反馈环路；用于反馈校准的光信号进一步用一个50:50的第二保偏耦合器分成两路，一路经预设长度延迟为的光纤，另一路用声光频移器搬移一定频率(比如40MHz)；其中，该预设长度与激光系统应用场景的测量距离相关，比如当测量距离的范围在100千米以内，则延迟光纤长度可优选为2千米。

上述两路光信号经第三保偏耦合器进行合路，由于扫频激光源的输出光频随时间变化，两路的光信号存在一定的光纤延迟，在接收端光电探测器可以探测到一定频率的拍频信号。将探测到的拍频信号与一个稳定的射频参考信号用数字鉴相器进行相位比较，输出的误差信号加载在预畸变控制信号上，经高阶环路滤波器调制反馈回激光器完成整个环路的闭环控制，整个扫频激光光源系统中的电学系统进行阻抗匹配设计，从而有效的抑制电上噪声对扫频激光光源系统的影响。

在一个实施例中，步骤S3，参照图4所示，包括：

S31、将所述误差信号输入高阶环路滤波器进行滤波；

本实施例中，如图5所示，为基于相位连续扫频光纤激光器的噪声抑制方法的原理框图。作为一个复杂系统，按照信号与系统的理论来分析，首先要了解系统对于线性输入的响应是如何的，根据这个响应可以得到一个预畸变控制信号(系统对于线性的控制信号输入，响应是非线性以及存在迟滞的，这是对于调频连续波测量不利的噪声影响，需要被系统所抑制)，将预畸变控制信号再次输入扫频激光器噪声抑制系统当中验证是否可以有效降低噪声，如果没有效果或者效果不达预期，那么调整扫频激光光源系统中的电学部分的阻抗匹配，优化预畸变的效果，直到预畸变控制信号可以产生相对较好的系统响应为止。

步骤S3中将噪声受到一定抑制的信号(误差信号)送入到锁相系统中，在图5中前3个步骤，系统是开环状态，不包括数字鉴相器和高阶环路滤波器这两部分，即任意波形发生器以预畸变控制信号经过放大器和压电陶瓷驱动器直接调制激光器输出，经过马赫-曾德系统，在实时频谱分析仪上显示噪声抑制效果；进一步地，在之前的基础上，加入数字鉴相器和高阶环路滤波器这两部分，实现附图3所示的闭环结构，实现系统的在预畸变控制信号下的扫频锁定，实现的是附图5中的锁相判断。

通过调节扫频激光光源系统中电学部分的阻抗匹配并配合着调整高阶环路滤波参数，使得系统在扫频状态下被锁定。即：与实时频谱分析仪上可以看到一个与数字鉴相器处参考频率相一致的稳定的频率峰，即表明系统在扫频状态下被锁定，达到对系统的精确控制有效抑制系统噪声，在实时频谱分析仪上评估系统对于噪声的抑制情况。

有效降低噪声最直观的表现就如图6所示，扫频出来的结果是一条没有弯曲的斜线，在不做任何处理的情况下，这是一条弯曲的线。

参照图7所示为锁相的效果，通过实时频谱分析仪上测量得到。横坐标表示频率，纵坐标表示功率；其中虚线为不加入噪声抑制时激光器输出的频谱状况，可以看到因为噪声很大，很宽的一段范围内均有频率，使得在频谱上反应的是一个没有峰的频率分布。

实线为采用本发明提供的基于相位连续扫频光纤激光器的噪声抑制方法后，激光器输出的状态，可以看到明显的有一个对应于激光器波长的频率峰，并且在其周围的12kHz范围内出现了抑制带，载噪比提高了近50dB。

本发明实施例提供的基于相位连续扫频光纤激光器的噪声抑制方法：

首先，使用的是光纤激光器而非半导体激光器，所以驱动激光器的部件也从电流控制，改为了电压控制的压电陶瓷驱动器。光纤激光器相比较于半导体激光器其线宽更窄，可以实现更长距离的调频连续波测量。

其次，针对于环路的频响特性，改进了锁相系统中的环路滤波器，相对于传统锁相系统的滤波器而言，采用高阶环路滤波器，对于扫频非线性中引起的高阶非线性噪声项的抑制效果更好，而且高阶环路滤波器提供了更多的设计参数，因此可以有更大的调整空间使其更好的匹配系统的频响特性，以达到更好的扫频环路锁定效果的目的。

最后，本发明实施例对扫频激光光源系统在不同环路状态下的响应进行分析，然后据此产生预畸变控制信号，优化高阶环路滤波器参数以及精确计算电学系统上的阻抗匹配，可以实现非常好的噪声抑制效果；还具有如下优势：

1.可以对扫频激光源输出光频中的非线性进行精确校准，输出光频线性度明显提高，大大提高了光调频连续波测距系统的空间分辨率。

2.对扫频激光源的非线性的校准为主动实时校准，减少了后期算法补偿的开销，提高了测量系统的系统效率。

3.采用该方法可以灵活控制扫频激光源的扫频斜率和形状，可以实现不同扫频斜率和不同扫频形状的光频扫描控制。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种基于相位连续扫频光纤激光器的噪声抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S5、当所述拍频信号与参考信号锁定后，则所述受调制的光信号为抑制噪声后的扫频光信号；

所述步骤S3包括：

S31、将所述误差信号输入高阶环路滤波器进行滤波；

2.如权利要求1所述的一种基于相位连续扫频光纤激光器的噪声抑制方法，其特征在于，还包括：S6、当拍频信号与参考信号未锁定时，则优化所述扫频激光光源系统阻抗匹配，优化高阶环路滤波参数；并返回步骤S4，继续迭代直到所述拍频信号与参考信号锁定。

3.如权利要求1所述的一种基于相位连续扫频光纤激光器的噪声抑制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

4.如权利要求3所述的一种基于相位连续扫频光纤激光器的噪声抑制方法，其特征在于，所述步骤S22中第一保偏耦合器按照1:9的功率分配比例，将扫频光信号分成两路；进入反馈环路和作为扫频激光光源系统的输出信号的功率比为1:9。

5.如权利要求3所述的一种基于相位连续扫频光纤激光器的噪声抑制方法，其特征在于，所述步骤S23中第二保偏耦合器按照1:1的功率分配比例，将进入反馈环路的扫频光信号分成两路。