CN113125120A - 一种基于多抖动法的低重频光纤激光相干合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于多抖动法的低重频光纤激光相干合成方法，涉及应用于高功率脉冲激光远距离探测方法，属高功率激光探测技术领域。本发明通过自行设计的窗口滤波算法，实现了对掺杂在相位噪声中的脉冲信号噪声的有效滤除，解决了利用传统方法去除脉冲噪声时模糊信号细节信息的难题。采用该窗口滤波算法滤除脉冲后，进一步运用多抖动锁相算法实现了脉冲噪声频率(10kHz)与环境噪声频率(≤5kHz)处于同一量级的低重频脉冲光束相干合成。且具有相位校正次数少，锁相效果稳定的优点，在500ns时间内即可将两路脉冲信号光的相位差补偿到0。本发明可应用到生物医疗、精密机械加工、激光雷达等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种低重复频率纳秒脉冲激光相干合成的方法，属于高功率激光探测技术领域。
背景技术
低重复频率纳秒脉冲光纤激光光源因其具有线宽窄、峰值功率高、光束质量好、柔性细长口径小、易于组束等许多独特优势，在光电探测、无人驾驶、空间碎片清理，以及激光雷达等领域被广泛应用。然而实现大功率脉冲光束相干合成的关键技术在于对光束相位的精确控制，即保证参与合成的脉冲激光同相输出。当前，实现大功率光纤脉冲激光相干合成主要采用基于MOPA结构的主动锁相方案，主要包括外差法、抖动法等。由于基于多抖动法相干合成只需要一个光电探测器，系统结构简单，控制带宽主要由处理电路的速度决定，被认为是获得高亮度激光的一种最有前途的方法。
在高重频脉冲光束相干合成系统中，采用多抖动算法进行相位补偿时，需要对各路参与相干合成的光束进行不同的频率标定，再通过带通滤波器或者低通滤波器提取出含有相位噪声的信号，在解调单元中通过相干检测的方法解调出误差信号，并反馈到相位调制器件中，实现各路激光相位的补偿。但是，对于低重频脉冲光(≤10kHz)脉冲激光相干合成时，采用定制截止频率固定的带阻滤波器，在去除脉冲噪声的同时也模糊了信号的细节信息，导致无法提取含有相位噪声的信号，不能实现低重频脉冲光束相干合成。分析其原因是由于脉冲重频与环境噪声同在一个数量级，光电探测器接收到的信号为小幅值相位噪声信号加上大幅值的脉冲噪声信号，滤波的同时会大幅降低本来幅值就低的相位噪声信号。因此，亟需一种自适应脉冲滤波方法在实现去除低重频脉冲噪声的同时，还能保护相位噪声信号的细节信息，进一步完成多路低重频脉冲光束相干合成。
发明内容
本发明公开的一种基于多抖动法的低重频光纤激光相干合成方法，要解决的技术问题是：实现掺杂在相位噪声中的低重频脉冲激光噪声的检测、识别、滤除，且能够自动适应脉冲噪声在放大过程中引起的幅值起伏变化，以及脉宽展宽变化特点，只对相位噪声污染点处理，不改变非污染信号点相位噪声的大小。不仅具有很好的低重频脉冲噪声去除能力，还能很好地保护相位噪声信号的细节信息，从而能够进一步利用多抖动锁相算法实现低重频脉冲激光相干合成。且具有相位校正次数少，锁相效果稳定的优点，在500ns时间内即可将两路脉冲信号光的相位差补偿到0。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种基于多抖动法的低重频光纤激光相干合成方法，通过自行设计的窗口滤波算法，可对环境相位噪声中的低重频脉冲噪声检测、识别、滤除的方法，滤除后的信号可直接用于多抖动法锁相。算法中先采用自行设计的窗口算法识别脉冲，再插值代替窗口内的脉冲信号群，从而实现对掺杂在相位噪声中的脉冲信号的有效滤除。由于该算法只对脉冲噪声污染点进行插值处理，不改变非污染点的相位噪声值，有效地保护了原有的相位噪声。利用该方法将掺杂在相位噪声中的脉冲噪声滤除后，进一步采用多抖动锁相算法成功地将2路低重频(10kHz)脉冲信号光实现闭环锁相相干合成，实现了低重频脉冲光高峰值功率、高能量集中度的相干合成。
本发明公开的一种低重频光纤激光相干合成方法，是基于MOPA结构实现锁相相干合成的，包括连续光纤激光器、连续光纤放大器、电光强度调制器、保偏隔离器、光纤分束器、任意波形发生器、相位调制器、主振荡功率放大器、光纤准直器、偏振分光棱镜、格兰棱镜、分光镜、孔径光阑、光电探测器、模数转换模块、算法执行单元、数模转换模块。
本发明公开的一种基于多抖动法的低重频光纤激光相干合成方法，包括如下步骤：
步骤一、算法执行单元开始工作并初始化参数数据，为后续利用窗口滤波算法做准备。同时，连续光纤激光器为系统提供线偏振、窄线宽连续光。
模数转化模块采集到的当前信号点电压信号值Vmax预设为0，Vmax所对应的信号点位置坐标Vadd预设为1，所采集到信号点的电压阈值预设为Th，脉冲宽度预设为τ，脉冲展宽后预设为τ1，滤波窗口大小预设为d，信号点数波动系数β取值范围预设为(0.8～1)。
连续光纤激光器出光后，经连续光纤放大器放大后传输到电光强度调制器。在电光强度调制器中，由任意波形发生器产生的脉冲触发信号将连续光调制成低重频脉冲光。经保偏隔离器到光纤分束器后被分成两路，分别为一路参考臂和一路信号臂。
步骤二、一路参考臂脉冲光经主振荡功率放大器实现功率放大后，再经光纤准直器准直后输出到偏振分光棱镜；另一路信号臂脉冲光经相位调制器相位补偿后，经主振荡功率放大器进行功率放大后，同样由光纤准直器准直成与参考臂光束具有相同尺寸大小的光斑后输出到偏振分光棱镜。两束高功率脉冲光在偏振分光棱镜合束后传输到格兰棱镜。在格兰棱镜中，两束高功率脉冲激光相干合成后到达分光镜。合成光束的大部分由分光镜水平输出；小部分由分光镜反射后经孔径光阑到达光电探测器。
步骤三、光电探测器将携带环境相位噪声的光信号转变为电信号后传到模数转换模块。模数转换模块进一步将电信号转化为算法执行单元可处理的数字信号。
步骤四、算法执行单元初步从信号幅度上检测脉冲噪声点，具体方法如下：
相干合成系统中，在没有脉冲噪声干扰的情况下，相位噪声信号局部表现为有着相近的信号值。采样点的距离越小，信号的相关程度越高，相位噪声的差值越小。此时，相邻两个相位噪声之间的信号值之差必然小于一定的数值。当脉冲噪声出现时，它的幅值会远离邻域内的信号值，脉冲噪声占有相对比较小的孤立区域，这是从信号幅度上检测脉冲噪声点的判断依据。假设yi-1，yi，yi+1分别为i-1，i，i+1相邻三个信号采样点对应的信号值，相邻三个信号幅值之间的关系我们定义为：
式(1)表示信号的自相关性，其中k表示噪声幅值变化率，可以针对不同实验环境的实际情况而定，Th表示阈值。如果式(1)成立，则初步确立该信号点yi未被脉冲噪声污染，程序返回到步骤一继续从信号幅度上检测脉冲噪声点。反之，则确立为该信号点yi被脉冲噪声污染，程序进入下一步判断以再次确认是否为脉冲噪声。
步骤五、算法执行单元从宽度上进一步区分脉冲噪声点和相位噪声点，具体方法如下：
由于脉冲激光在放大及传输过程中，会发生畸变以及受到不确定的实验环境影响，在幅值上会发生突变。当幅值与相位噪声幅值相近时，很难确定突变点是相位噪声信号还是脉冲噪声信号，所以还需从宽度上进一步区分脉冲噪声点和相位噪声点。低重频脉冲光在采用高频AD模块采样后，脉冲点表现为大幅孤立点，以脉冲光重频frep，脉宽为τ，采样率为fs的AD模块为例，假设脉冲受到放大及其他因素的作用展宽为τ1，那么理论上一个脉冲能采样到fsτ1点。实验环境下，考虑到存在漏采信号点，因此，规定实际采集到的点数为β·fsτ1。若连续采集到的β·fsτ1个噪声点幅值均在提前设定的电压阈值范围内，说明所采到的信号为脉冲噪声点，程序进入下一步窗口检测与窗口滤波阶段。若连续采集到的β·fsτ1个噪声点只有个别点幅值在预先设定的电压阈值范围内，则说明采集到的信号点为相位噪声点，程序返回到步骤一再次从信号幅度上检测脉冲噪声点。
步骤六、由步骤四和步骤五确定采样点为脉冲噪声时，然后根据预设的滤波窗口实现滤波。具体方法如下：
算法执行单元以预设宽度为d的滤波窗口检测脉宽为τ1的脉冲，这里d>τ1。当检测到脉冲在窗口内时，记录该脉冲峰值最大值的位置，并将其设定为初始点，然后根据脉冲周期预设下一个脉冲出现的位置的窗口。当窗口到来时，采用预设的插值信号代替窗口内的脉冲信号，从而起到滤除脉冲噪声的作用，使得脉冲噪声信号对相位噪声信号解调的影响降到最低，而代替的信号在整个积分周期所占的比例小到可以忽略。同时为了防止脉冲偏移到窗口外，当检测到的脉冲不在窗口内时，需及时调整窗口再进行滤波。完成窗口滤波后，程序返回到步骤一再次从信号幅度上检测下一个脉冲噪声点。
步骤七、由以上步骤对掺杂在相位噪声中的脉冲信号滤除后，再利用多抖动锁相算法补偿两光束之间的相位，将补偿的相位以电信号方式经数模转换模块反馈到电光相位调制器实现相位补偿。在几百纳秒的时间内，即可将两路脉冲光的相位差补偿到0。此时，两路低重频光纤脉冲光在远场即可实现高能量集中度、高光束质量相干合成。
有益效果
1、本发明公开的一种基于多抖动法的低重频光纤激光相干合成方法，采用自行设计的窗口滤波算法，实现了对掺杂在相位噪声中的脉冲信号噪声的有效滤除。
2、本发明公开的一种基于多抖动法的低重频光纤激光相干合成方法，可解决利用传统方法去除脉冲噪声时模糊信号细节信息的问题。基于所提出的自适应窗口滤波算法，首次运用多抖动锁相算法实现了脉冲噪声频率(10kHz)与环境噪声频率(≤5kHz)处于同一量级的低重频脉冲光束相干合成。
附图说明
图1为一种基于MOPA结构的低重频脉冲光锁相方案示意图；
其中：1—连续光纤激光器、2—连续光纤放大器、3—电光强度调制器、4—保偏隔离器、5—光纤分束器、6—任意波形发生器、7—相位调制器、8，9—主振荡功率放大器、10，11—光纤准直器、12—偏振分光棱镜、13—格兰棱镜、14—分光镜、15—孔径光阑、16—光电探测器、17—模数转化模块、18—算法执行单元、19—数模转换模块。
图2为窗口滤波算法流程图；
图3为开环状态下，2路光束相干合成光强变化仿真图；
其中图(a)为时域相干合成光强，图(b)为频域相干合成光强。
图4开环状态下，滤除脉冲噪声后，相位噪声在时域和频域中的强度变化仿真图；
其中图(a)为时域相位噪声，图(b)为频域相位噪声。
图5为锁相过程中，2路脉冲光相位差变化过程图；
图6为闭环状态下，2路光束相干合成光强时域图；
图7为闭环状态下，远场光束合成空域图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
步骤一、如图1所示，连续光纤激光器1开始工作，为系统提供线偏振、窄线宽连续光，波长为1064nm。经保偏光纤传输到连续光纤放大器2被放大后，放大功率需小于100mW，再经保偏光纤传输到电光强度调制器3产生纳秒脉冲光。
步骤二、任意波形发生器6产生的脉冲触发信号，在电光强度调制器3中将连续光调制成重频为10kHz、脉宽为10ns的脉冲光。经保偏光纤传到保偏隔离器4，再由保偏光纤传到光纤分束器5后被分成两路，分别为一路参考臂和一路信号臂。
步骤三、一路参考臂的纳秒脉冲光经主振荡功率放大器9实现功率放大后，由保偏光纤传输到光纤准直器10，光纤准直器10将光束直径准直到3mm左右输出到自由空间；另一路信号臂的纳秒脉冲光经过相位调制器7相位补偿后，经保偏光纤传输到主振荡功率放大器8进行功率放大，功率放大后的纳秒脉冲光由保偏光纤传输到光纤准直器11，光纤准直器11将光束直径准直成与参考臂光束具有相同尺寸大小的光斑后输出到自由空间。
步骤四、2束高功率脉冲激光经偏振分光棱镜12合束后传输到格兰棱镜13，在格兰棱镜13中两束高功率脉冲激光相干合成后到达分光镜14。此时，由于脉冲光噪声的存在，不能运用多抖动锁相算法(开环)，相干合成后的脉冲光强表现为高低起伏变化，如图3(a)所示。由图3(b)合成脉冲光的光强频域特性看出，开环状态下合成后脉冲光强的最大值达到了20dB以上。占总功率95％以上能量的大功率激光由分光镜14水平输出用于目标探测；占总功率5％以下能量的小功率激光反射后经孔径光阑15到达光电探测器16。
步骤五、光电探测器16将携带环境噪声的光信号转变为电信号后传到模数转化模块17，模数转换模块17进一步将电信号转化为算法执行单元18可处理的数字信号，经算法执行单元18执行滤波算法和相位补偿算法后，将电信号经数模转换模块19传输到电光相位调制器7，电光相位调制器7根据该电信号的大小对脉冲光束的相位进行实施补偿。算法执行单元18中初步识别低重频脉冲噪声的具体过程如下：
如图2所示，算法执行单元18开始工作，根据相位噪声信号的局部相关性，也就是相邻两个相位噪声之间的信号值之差必然小于一定的数值。当脉冲噪声出现时，它的幅值会远离邻域内的信号值，脉冲噪声占有相对比较小的孤立区域。假设yi-1，yi，yi+1分别为i-1，i，i+1相邻三个信号采样点对应的信号值，相邻三个信号幅值之间的关系定义为：
式(2)表示信号的自相关性，其中k表示噪声幅值变化率，可以针对不同实验环境的实际情况而定，Th表示预设的噪声信号点的电压阈值。如果式(2)成立，则初步确立该信号点yi未被脉冲噪声污染，程序继续执行步骤五从信号幅度上检测脉冲噪声点。反之，则确立为该信号点yi被脉冲噪声污染，程序进入下一步判断以再次确认是否为脉冲噪声。
步骤六、算法执行单元从宽度上进一步区分脉冲噪声点和相位噪声点，具体方法如下：
由于脉冲激光在放大及传输过程中，会发生畸变以及受到不确定的实验环境影响，在幅值上会发生突变。当幅值与相位噪声幅值相近时，很难确定突变点是相位噪声信号还是脉冲噪声信号，所以还需从宽度上进一步区分脉冲噪声点和相位噪声点。低重频(≤10kHz)脉冲光在采用高频模数转换模块(≥50MHz)17采样后，脉冲点表现为大幅孤立点，以脉冲光重频10kHz，脉冲为10ns，采样率为50MHz的模数转换模块为例，假设脉冲受到放大及其他因素的作用展宽为100ns，那么理论上一个脉冲能采样到5点。实验环境下，考虑到存在漏采信号点，真实采集到的脉冲信号点数一定小于5。若连续采集到的5β(规定0.8≤β≤1)个噪声点幅值均在提前设定的电压阈值Th范围内，说明所采到的信号为脉冲噪声点，程序进入下一步窗口检测与窗口滤波阶段。若连续采集到的5β个噪声点只有个别点幅值在预先设定的电压阈值范围内，说明采集到的信号点为相位噪声点，程序返回到步骤五再次从信号幅度上检测脉冲噪声点。
步骤七、由步骤五和步骤六确定采样点为脉冲噪声时，然后根据预设的滤波窗口实现滤波。具体方法如下：
根据展宽后100ns的脉冲预设滤波窗口大小为120ns。若判断采样点采集到的噪声为脉冲噪声时，记录该脉冲峰值最大值的位置，并将其设定为初始点，然后根据脉冲周期预设下一个脉冲出现的位置的窗口。当窗口到来时，采用预设的插值信号值代替窗口内的脉冲信号值。从而起到滤除脉冲噪声的作用，使得脉冲噪声信号对相位噪声信号解调的影响降到最低，而代替的信号在整个积分周期所占的比例小到可以忽略。同时为了防止脉冲偏移到窗口外，当检测到的脉冲不在窗口内时，需及时调整窗口再进行滤波，直到将频率为10kHz的脉冲光噪声滤除干净，仅剩下环境噪声时算法终止。
图4表示开环状态下，脉冲噪声被滤除后，相位噪声在时域和频域中的强度变化。由图4(a)可以看出，时域上，脉冲噪声信号被识别并进行窗口滤除后，没有了尖锐的脉冲信号。由图4(b)可以看出，在频域上大幅的脉冲光频率分量已被去除，频域强度由20dB下降到-30dB。
步骤八：由步骤七实现脉冲光信号噪声滤除后，算法执行单元18进一步运用多抖动锁相算法对两路脉冲光的相位差进行补偿，相位补偿电压经过数模转化模块19反馈到相位调制器7。在500ns的时间内，即可将两路脉冲光的相位差补偿到0，如图5所示。随着多抖动算法的运行，两路脉冲光的相位差逐渐减小，相干合成后的脉冲光强逐渐趋于最大值附近，如图6所示。此时，两路脉冲光在远场实现了高能量集中度，以及高光束质量相干合成，如图7所示。
由此可见，利用该窗口滤波算法将掺杂在相位噪声中的脉冲噪声滤除后，进一步采用多抖动锁相算法成功地将两路低重频(10kHz)脉冲信号光的相位差在500ns时间内补偿到0，实现闭环锁相相干合成，且相位校正次数较少，锁相效果也很稳定。仿真结果表明该窗口滤波算法能够自动适应信号变化和脉冲噪声特性，能在保护相位噪声信号的同时，有效地去除脉冲噪声。实现了低重频脉冲光高峰值功率、高能量集中度的相干合成。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于多抖动法的低重频光纤激光相干合成方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、算法执行单元开始工作并初始化参数数据，为后续利用窗口滤波算法做准备；同时，连续光纤激光器为系统提供线偏振、窄线宽连续光；
步骤二、一路参考臂脉冲光经主振荡功率放大器实现功率放大后，再经光纤准直器准直后输出到偏振分光棱镜；另一路信号臂脉冲光经相位调制器相位补偿后，经主振荡功率放大器进行功率放大后，同样由光纤准直器准直成与参考臂光束具有相同尺寸大小的光斑后输出到偏振分光棱镜；两束高功率脉冲光在偏振分光棱镜合束后传输到格兰棱镜；在格兰棱镜中，两束高功率脉冲激光相干合成后到达分光镜；合成光束的大部分由分光镜水平输出；小部分由分光镜反射后经孔径光阑到达光电探测器；
步骤三、光电探测器将携带环境相位噪声的光信号转变为电信号后传到模数转换模块；模数转换模块进一步将电信号转化为算法执行单元可处理的数字信号；
步骤四、算法执行单元初步从信号幅度上检测脉冲噪声点；
步骤五、算法执行单元从宽度上进一步区分脉冲噪声点和相位噪声点；
步骤六、由步骤四和步骤五确定采样点为脉冲噪声时，然后设置一个滤波窗口实现滤波；
步骤七、由以上步骤对掺杂在相位噪声中的脉冲信号滤除后，再利用多抖动锁相算法补偿两光束之间的相位，将补偿的相位以电信号方式经数模转换模块反馈到电光相位调制器实现相位补偿；在几百纳秒的时间内，即可将两路脉冲光的相位差补偿到0；此时，两路低重频光纤脉冲光在远场即可实现高能量集中度、高光束质量相干合成。
2.如权利要求1所述，一种基于多抖动法的低重频光纤激光相干合成方法，其特征在于，步骤一的实现方法为：
模数转化模块采集到的当前信号点电压信号值Vmax预设为0，Vmax所对应的信号点位置坐标Vadd预设为1，所采集到信号点的电压阈值预设为Th，脉冲宽度预设为τ，脉冲展宽后预设为τ1，滤波窗口大小预设为d，信号点数波动系数β取值范围预设为(0.8～1)；
连续光纤激光器出光后，经连续光纤放大器放大后传输到电光强度调制器；在电光强度调制器中，由任意波形发生器产生的脉冲触发信号将连续光调制成低重频脉冲光；经保偏隔离器到光纤分束器后被分成两路，分别为一路参考臂和一路信号臂。
3.如权利要求1所述，一种基于多抖动法的低重频光纤激光相干合成方法，其特征在于，步骤四的实现方法为：
相干合成系统中，在没有脉冲噪声干扰的情况下，相位噪声信号局部表现为有着相近的信号值；采样点的距离越小，信号的相关程度越高，相位噪声的差值越小；此时，相邻两个相位噪声之间的信号值之差必然小于一定的数值；当脉冲噪声出现时，它的幅值会远离邻域内的信号值，脉冲噪声占有相对比较小的孤立区域，这是从信号幅度上检测脉冲噪声点的判断依据；假设yi-1，yi，yi+1分别为i-1，i，i+1相邻三个信号采样点对应的信号值，相邻三个信号幅值之间的关系我们定义为：
式(1)表示信号的自相关性，其中k表示噪声幅值变化率，可以针对不同实验环境的实际情况而定，Th表示阈值；如果式(1)成立，则初步确立该信号点yi未被脉冲噪声污染，程序返回到步骤一继续从信号幅度上检测脉冲噪声点；反之，则确立为该信号点yi被脉冲噪声污染，程序进入下一步判断以再次确认是否为脉冲噪声。
4.如权利要求1所述，一种基于多抖动法的低重频光纤激光相干合成方法，其特征在于，步骤五的实现方法为：
由于脉冲激光在放大及传输过程中，会发生畸变以及受到不确定的实验环境影响，在幅值上会发生突变；当幅值与相位噪声幅值相近时，很难确定突变点是相位噪声信号还是脉冲噪声信号，所以还需从宽度上进一步区分脉冲噪声点和相位噪声点；低重频脉冲光在采用高频AD模块采样后，脉冲点表现为大幅孤立点，以脉冲光重频frep，脉宽为τ，采样率为fs的AD模块为例，假设脉冲受到放大及其他因素的作用展宽为τ1，那么理论上一个脉冲能采样到fsτ1点；实验环境下，考虑到存在漏采信号点，因此，规定实际采集到的点数为β·fsτ1；若连续采集到的β·fsτ1个噪声点幅值均在提前设定的电压阈值范围内，说明所采到的信号为脉冲噪声点，程序进入下一步窗口检测与窗口滤波阶段；若连续采集到的β·fsτ1个噪声点只有个别点幅值在预先设定的电压阈值范围内，则说明采集到的信号点为相位噪声点，程序返回到步骤一再次从信号幅度上检测脉冲噪声点。
5.如权利要求1所述，一种基于多抖动法的低重频光纤激光相干合成方法，其特征在于，步骤六的实现方法为：
算法执行单元以预设宽度为d的滤波窗口检测脉宽为τ1的脉冲，这里d>τ1。当检测到脉冲在窗口内时，记录该脉冲峰值最大值的位置，并将其设定为初始点，然后根据脉冲周期预设下一个脉冲出现的位置的窗口。当窗口到来时采用插值信号代替窗口内的脉冲信号，从而起到滤除脉冲噪声的作用，使得脉冲噪声信号对相位噪声信号解调的影响降到最低，而代替的信号在整个积分周期所占的比例小到可以忽略；同时为了防止脉冲偏移到窗口外，当检测到的脉冲不在窗口内时，需及时调整窗口再进行滤波；完成窗口滤波后，程序返回到步骤一再次从信号幅度上检测下一个脉冲噪声点。
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