CN112968344A - 基于复合光锁相光纤激光器扫频线性化和相干增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合光锁相光纤激光器扫频线性化和相干增强方法，在扫频激光光源系统开环状态下，通过计算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；在扫频激光光源系统开环状态基础上，加上压电陶瓷驱动环路和声光移频器环路形成闭环状态，扫频光信号经过马赫‑曾德干涉结构和光电探测器产生具有扫频信息的拍频信号与扫频驱动信号通过数字鉴相器输出误差信号，误差信号加载到控制电压信号上形成新的反馈控制信号，在新的反馈控制信号驱动下压电陶瓷驱动环路与声光移频器环路均进入闭环反馈控制状态。采用复合光锁相技术，光纤激光器扫频线性化和相干性同时得到了增强。

Description

基于复合光锁相光纤激光器扫频线性化和相干增强方法

技术领域

本发明涉及锁相环光纤激光器技术领域，更具体的说是涉及一种基于复合光锁相光纤激光器扫频线性化和相干增强方法。

背景技术

光调频连续波技术是将连续波的频率以固定斜率的三角波进行调制，从而使得规律变化的反射信号和本地信号会产生一个连续的拍频信号，拍频信号的频率取决于目标距离，幅度取决于回波信号强度，通过频谱分析可以同时测量目标的距离和回波强度的技术。其核心部分是一个线性扫频的激光源。

与传统激光器比较，光纤激光器，掺杂光纤的增益带宽要远大于固体激光器中的晶体，因此光纤激光器在很大的波长范围内都能产生有效的激光输出，也就是具有很大波长可调谐范围；其次，光纤激光器基于压电陶瓷(PZT)调谐，即利用压电陶瓷的伸长和收缩效应对光纤激光器谐振腔长度进行调谐。这种方式可以实现较快的频率调谐。

窄线宽光纤激光器的输出频率可以通过控制其激光光纤谐振腔的压电陶瓷晶体来进行控制，但是由于压电陶瓷响应具有一定的迟滞和蠕变性，激光器的频率调谐表现出明显的非线性，同时窄线宽光纤激光器固有的相干长度，在长距离测量时，激光的相位噪声恶化明显。

现有技术中，提供了一种基于压电陶瓷(PZT)的单环锁相技术对光纤扫频激光源进行调控的方法，实现了对噪声的抑制效果。但该方法锁相带宽、增益有限，导致系统锁相的入锁时间较长、残余非线性等问题存在，使得该方法噪声抑制能力受到局限，极大限制了扫频光纤激光在长距离高精度测量上的应用。

因此，如何提供一种同时抑制光纤激光器扫频非线性和相位噪声的方法，即同时增强光纤激光器扫频线性化和相干性是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于复合光锁相光纤激光器扫频线性化和相干增强方法，可以实现同时抑制光纤激光器扫频非线性和相位噪声，解决了系统锁相入锁时间较长、残余非线性的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于复合光锁相光纤激光器扫频线性化和相干增强方法，包括以下步骤：

S1、在扫频激光光源系统开环状态下，通过计算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开环状态的基础上，加上压电陶瓷驱动环路和声光移频器环路形成闭环系统，光纤激光器扫频光信号经过马赫-曾德干涉结构和光电探测器产生具有扫频信息的拍频信号与任意波形发生器输出的扫频驱动信号通过鉴相器输出误差信号，所述误差信号加载到步骤S1所述控制电压信号上，形成新的反馈控制信号；

S3、所述新的反馈控制信号分成两路，一路反馈控制信号经过环路滤波器后再经过放大器，反馈给光纤激光器的压电陶瓷驱动器，使压电陶瓷驱动控制电路形成闭环环路；同时另一路反馈控制信号经过环路滤波器后，经过驱动第一声光移频器的压控振荡器，再经过放大器，反馈给第一声光移频器，使声光移频器控制电路形成闭环环路，扫频激光光源系统输出受压电陶瓷驱动环路和声光移频器环路复合光锁相闭环调控后的信号；

S4、通过实时频谱分析仪对所述受到调控后的信号进行扫频状态分析，验证锁相结果；

S5、当扫频效果达到预期，所述拍频信号与任意波形发生器输出的扫频驱动信号锁定后，则所述受调制的信号为光纤激光器扫频线性化和相干性增强的信号。

进一步地，所述方法还包括：

S6、当扫频效果未达到预期，拍频信号与扫频驱动信号未锁定时，则对所述压电陶瓷驱动环路的参数进行优化；并返回步骤S4，继续迭代直到扫频效果达到预期，所述拍频信号与扫频驱动信号锁定。

进一步地，所述步骤2包括：

S21、在扫频激光光源系统开环状态下，光纤激光器由步骤S1所述控制电压信号调制频率，发出频率连续变化的扫频光信号；

S22、所述扫频光信号经过所述第一声光移频器后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进入马赫-曾德干涉结构，所述扫频光信号分成两路，一路经过马赫-曾德干涉结构的测量臂，即经过预设长度的延迟光纤，另一路经过马赫-曾德干涉结构的参考臂进行移频，即经过第二声光移频器进行移频；

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、将所述拍频信号与任意波形发生器输出的扫频驱动信号通过数字鉴相器进行相位比较，输出误差信号；

S26、将所述误差信号加载到步骤S1所述控制电压信号上，形成新的反馈控制信号；

进一步地，所述步骤S22中第一保偏耦合器按照1:99的功率分配比例，将扫频光信号分成两路；1％部分进入反馈环路，99％作为扫频激光光源系统的输出信号。

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分别进入马赫-曾德干涉结构的测量臂和参考臂。

一种基于复合锁相的光纤激光器扫频激光光源系统，包括，窄线宽光纤激光器，两个声光频移器，三个保偏耦合器，延迟光纤，光电探测器，数字鉴相器，任意波形发生器，实时频谱分析仪，两个环路滤波器，两个放大器，压电陶瓷驱动器，压控振荡器；

其中，所述窄线宽光纤激光器的输出连接第一声光移频器，第一声光移移频器的输出经第一保偏耦合器分成两路，一路进入反馈环路，另一路作为扫频激光光源系统的输出信号，所述进入反馈环路的输出通过第二保偏耦合器分成两路，一路连接延迟光纤，另一路连接第二声光移频器，两路输出经第三保偏耦合器进行耦合，所述耦合后的输出连接光电探测器，光电探测器的输出同时连接实时频谱分析仪和数字鉴相器，数字鉴相器接收所述光电探测器的输出、波形发生器的输出，参考信号输入任意波形发生器，数字鉴相器的输出分成两路，一路输出依次连接第一环路滤波器、压控振荡器、第一放大器反馈回所述第一声光移频器，另一路输出依次连接第二环路滤波器、第二放大器、压电陶瓷驱动器反馈回所述窄线宽光纤激光器。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供的一种基于复合光锁相光纤激光器扫频线性化和相干增强方法，至少包括以下有益效果：

该方法采用复合光锁相技术，一部分反馈控制信号通过压电陶瓷驱动环路，经过环路滤波器滤波后再放大，反馈给激光器的压电陶瓷驱动器，从而有效补偿激光扫频的非线性，提升了光纤激光器输出光信号的线性度，增强了光纤激光器扫频光源在光调频连续波测距系统的空间分辨率；另一部分反馈控制信号经过环路滤波器滤波后，经过驱动第一声光移频器的压控振荡器，然后再放大信号并将信号作用到第一声光移频器，使声光移频器环路对频响时间做出合适选择，缩短了环路的入锁时间，对相噪和系统残余非线性有了进一步抑制，有效改善了扫频效果，提高了光纤激光器的相干性，提升了光纤激光器在长距离测量的应用效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的基于复合光锁相光纤激光器扫频线性化和相干增强方法流程图；

图2附图为本发明提供的基于复合光锁相光纤激光器扫频线性化和相干增强方法原理框图；

图3附图为本发明实施例提供的系统结构示意图；

图4附图为本发明实施例提供的基于复合光锁相光纤激光器扫频线性化和相干增强后实时频谱分析仪显示的扫频效果图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1，本发明实施例公开了一种基于复合光锁相光纤激光器扫频线性化和相干增强方法，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开环状态的基础上，加上压电陶瓷驱动环路和声光移频器环路形成闭环系统，光纤激光器扫频光信号经过马赫-曾德干涉结构和光电探测器产生具有扫频信息的拍频信号与任意波形发生器输出的扫频驱动信号通过鉴相器输出误差信号，所述误差信号加载到步骤S1所述控制电压信号上，形成新的反馈控制信号；

S3、所述新的反馈控制信号分成两路，一路反馈控制信号经过环路滤波器后再经过放大器，反馈给光纤激光器的压电陶瓷驱动器，使压电陶瓷驱动控制电路形成闭环环路；同时另一路反馈控制信号经过环路滤波器后，经过驱动第一声光移频器的压控振荡器，再经过放大器，反馈给第一声光移频器，使声光移频器控制电路形成闭环环路，扫频激光光源系统输出受压电陶瓷驱动环路和声光移频器环路复合光锁相闭环调控后的信号；

S4、通过实时频谱分析仪对所述受到调控后的信号进行扫频状态分析，验证锁相结果；

S5、当扫频效果达到预期，所述拍频信号与任意波形发生器输出的扫频驱动信号锁定后，则所述受调制的信号为光纤激光器扫频线性化和相干性增强的信号。

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，扫频激光光源系统在开环状态时不包括鉴相器和滤波器，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；在扫频激光光源系统的基础上，扫频光信号经过马赫-曾德干涉结构和光电探测器产生的具有扫频信息的拍频信号与任意波形发生器输出的扫频驱动信号通过鉴相器输出误差信号，所述误差信号加载到所述控制电压信号上，使压电陶瓷驱动环路与声光移频器环路形成闭环状态，扫频激光光源系统输出受压电陶瓷驱动环路与声光移频器环路闭环调控后的信号；通过实时频谱分析仪对所述受到调控后的信号进行扫频状态分析，验证锁相结果；当扫频效果达到预期，所述拍频信号与扫频驱动信号锁定后，则所述受调制的信号为光纤激光器扫频线性化和相干性增强的信号。

本发明实施例中激光光源扫频预期效果即：系统入锁时间短、扫频非线性化明显减少。预期效果最直观的表示如附图3所示，采用复合光锁相技术，扫频激光光源系统在很短时间内(小于0.5ms内)实现入锁，且扫频效果为一条没有弯曲的斜线。采用压电陶瓷(PZT)单环控制时，扫频激光光源系统入锁时间有一定时间的延迟，扫频效果为一条与复合光锁相环路扫频效果平行的斜线；扫频激光光源系统开环时，扫频效果是一条弯曲的线。

判断拍频信号与扫频驱动信号是否锁定，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任意波形发生器输出的扫频驱动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扫频驱动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。

为了进一步优化上述技术方案，该方法还包括：

S6、当扫频效果未达到预期，拍频信号与任意波形发生器输出的扫频驱动信号未锁定时，则对所述压电陶瓷驱动环路的参数进行优化；并返回步骤S4，继续迭代直到扫频效果达到预期，所述拍频信号与扫频驱动信号锁定。

本实施例中，当系统入锁时间较长，拍频信号与扫频驱动信号相位差不稳定时，通过优化压电陶瓷驱动环路的参数抑制系统响应的非线性，优化完成后再次迭代执行步骤S4，直到两信号相位差稳定时，实现较好的噪声抑制效果。

下面对上述各个步骤进行详细的说明。

在本实施例中，所述步骤2包括：

S21、在扫频激光光源系统开环状态下，光纤激光器由步骤S1所述控制电压信号调制频率，发出频率连续变化的扫频光信号；

S22、所述扫频光信号经过所述第一声光移频器后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进入马赫-曾德干涉结构，所述扫频光信号分成两路，一路经过马赫-曾德干涉结构的测量臂，即经过预设长度的延迟光纤，另一路经过马赫-曾德干涉结构的参考臂进行移频，即经过第二声光移频器进行移频；

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、将所述拍频信号与任意波形发生器输出的扫频驱动信号通过数字鉴相器进行相位比较，输出误差信号；

S26、将所述误差信号加载到步骤S1所述控制电压信号上，形成新的反馈控制信号；

在本实施例中基于复合锁相环技术的线性扫频激光生成系统，由窄线宽光纤激光器，两个声光频移器，三个保偏耦合器，延迟光纤，光电探测器，数字鉴相器，任意波形发生器，实时频谱分析仪，两个环路滤波器，两个放大器，压控震荡器，压电陶瓷驱动器组成。

在一个具体实施例中，如附图3，中心波长为1550nm的窄线宽光纤激光器由压电陶瓷驱动器控制电压信号来调制频率，发射出频率连续变化的光信号。光纤激光器的输出经过一个由压控振荡器驱动的第一声光移频器，再由一个1:99保偏耦合器1分成两路，99％部分用于系统输出，1％部分经过1:1保偏耦合器2耦合进入非平衡马赫曾德干涉结构。测量臂经过一段延迟光纤，参考臂经过第二声光频移器进行频移，经过延时测量光信号和频移后的参考光信号经保偏耦合器3进行耦合，进入光电探测器进行外差拍频。经光电探测器外差拍频后的拍频信号输入实时频谱分析仪进行实时分析，同时参考信号输入任意波形发生器，参考信号是为了与信号源同步所给的信号，是一种同源参考信号，其目的是为了与信号源同步，使信号源更稳，任意波形发生器接收参考信号并输出扫频驱动信号，拍频信号与波形发生器输出的扫频驱动信号用数字鉴相器进行相位比较，输出一个误差信号，将误差信号加载到步骤S1所述控制电压信号上，形成新的反馈控制信号，反馈控制信号分成两部分，一部分经过环路滤波后再放大，反馈给激光器的压电陶瓷驱动器，从而补偿扫频的非线性；数字鉴相器产生的另一部分反馈控制信号经过环路滤波后，反馈回到驱动第一声光移频器的压控振荡器，然后放大信号，控制声光移频器快速响应时间，进一步对激光器相位噪声进行抑制。

本发明实施例的原理为：首先光纤激光光源系统处于开环状态时，在通过预畸变算法得到的一组控制电压信号驱动下扫频激光光源系统响应的非线性得到初步抑制，当需要进一步抑制扫频非线性和激光相位噪声，加上压电陶瓷驱动环路和声光移频器环路形成闭环，压电陶瓷驱动环路与声光移频器组成的复合环路均进入闭环反馈控制状态，压电陶瓷驱动环路参数进入优化状态，例如优化环路滤波器的宽带参数，精准计算电路系统整体的阻抗匹配等，系统响应发生变化，同时声光移频器环路需要对频响时间做出合适选择，当系统锁定时，需要进一步使用实时频谱仪观察系统扫频状态，确认扫频效果，用于评估复合锁相环路对系统扫频效果的提升情况。

采用复合光锁相技术，一部分反馈控制信号通过压电陶瓷驱动环路，经过环路滤波器滤波后再放大，反馈给激光器的压电陶瓷驱动器，从而有效补偿激光扫频的非线性，提升了光纤激光器输出光信号的线性度，增强了光纤激光器扫频光源在光调频连续波测距系统的空间分辨率；同时另一部分反馈控制信号经过环路滤波器滤波后，经过驱动第一声光移频器的压控振荡器，然后再放大信号并将信号作用到第一声光移频器，声光移频器环路对频响时间做出合适选择，缩短了环路的入锁时间，对相噪和系统残余非线性有了进一步抑制，有效改善了扫频效果，提高了光纤激光器的相干性，提升了光纤激光器在长距离测量的应用效果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于复合光锁相光纤激光器扫频线性化和相干增强方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在扫频激光光源系统开环状态下，通过计算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开环状态的基础上，加上压电陶瓷驱动环路和声光移频器环路形成闭环系统，光纤激光器扫频光信号经过马赫-曾德干涉结构和光电探测器产生具有扫频信息的拍频信号与任意波形发生器输出的扫频驱动信号通过鉴相器输出误差信号，所述误差信号加载到步骤S1所述控制电压信号上，形成新的反馈控制信号；

S3、所述新的反馈控制信号分成两路，一路反馈控制信号经过环路滤波器后再经过放大器，反馈给光纤激光器的压电陶瓷驱动器，使压电陶瓷驱动控制电路形成闭环环路；同时另一路反馈控制信号经过环路滤波器后，经过驱动第一声光移频器的压控振荡器，再经过放大器，反馈给第一声光移频器，使声光移频器控制电路形成闭环环路，扫频激光光源系统输出受压电陶瓷驱动环路和声光移频器环路复合光锁相闭环调控后的信号；

S4、通过实时频谱分析仪对所述受到调控后的信号进行扫频状态分析，验证锁相结果；

S5、当扫频效果达到预期，所述拍频信号与任意波形发生器输出的扫频驱动信号锁定后，则所述受调制的信号为光纤激光器扫频线性化和相干性增强的信号。

2.根据权利要求1所述的基于复合光锁相光纤激光器扫频线性化和相干增强方法，其特征在于，还包括，

S6、当扫频效果未达到预期，拍频信号与所述扫频驱动信号未锁定时，则对所述压电陶瓷驱动环路的参数进行优化；并返回步骤S4，继续迭代直到扫频效果达到预期，所述拍频信号与所述扫频驱动信号锁定。

3.根据权利要求1所述的基于复合光锁相光纤激光器扫频线性化和相干增强方法，其特征在于，所述步骤2包括，

S21、在扫频激光光源系统开环状态下，光纤激光器由步骤S1所述控制电压信号调制频率，发出频率连续变化的扫频光信号；

S22、所述扫频光信号经过所述第一声光移频器后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进入马赫-曾德干涉结构，所述扫频光信号分成两路，一路经过马赫-曾德干涉结构的测量臂，即经过预设长度的延迟光纤，另一路经过马赫-曾德干涉结构的参考臂进行移频，即经过第二声光移频器进行移频；

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、将所述拍频信号与任意波形发生器输出的扫频驱动信号通过数字鉴相器进行相位比较，输出误差信号；

S26、将所述误差信号加载到步骤S1所述控制电压信号上，形成新的反馈控制信号。

4.根据权利要求3所述的基于复合光锁相光纤激光器扫频线性化和相干增强方法，其特征在于，所述步骤S22中第一保偏耦合器按照1:99的功率分配比例，将扫频光信号分成两路；1％部分进入反馈环路，99％作为扫频激光光源系统的输出信号。

5.根据权利要求3所述的基于复合光锁相光纤激光器扫频线性化和相干增强方法，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分别进入马赫-曾德干涉结构的测量臂和参考臂。

6.一种基于复合锁相的光纤激光器扫频激光光源系统，其特征在于：包括，窄线宽光纤激光器，两个声光频移器，三个保偏耦合器，延迟光纤，光电探测器，数字鉴相器，任意波形发生器，实时频谱分析仪，两个环路滤波器，两个放大器，压电陶瓷驱动器，压控振荡器；

其中，所述窄线宽光纤激光器的输出连接第一声光移频器，第一声光移移频器的输出经第一保偏耦合器分成两路，一路进入反馈环路，另一路作为扫频激光光源系统的输出信号，所述进入反馈环路的输出通过第二保偏耦合器分成两路，一路连接延迟光纤，另一路连接第二声光移频器，两路输出经第三保偏耦合器进行耦合，所述耦合后的输出连接光电探测器，光电探测器的输出同时连接实时频谱分析仪和数字鉴相器，数字鉴相器接收所述光电探测器的输出、波形发生器的输出，参考信号输入任意波形发生器，数字鉴相器的输出分成两路，一路输出依次连接第一环路滤波器、压控振荡器、第一放大器反馈回所述第一声光移频器，另一路输出依次连接第二环路滤波器、第二放大器、压电陶瓷驱动器反馈回所述窄线宽光纤激光器。

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