CN114172014B - 用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节装置及方法，包括：上位机软件、主控单元、调制解调制模块和数据采集模块；所述上位机软件用于进行参数设置及最优化谱线自动调节过程控制和数据处理运算；所述主控单元用于对调制信号和解调制信号进行中继控制和对光谱信号采集过程进行触发控制；所述调制解调制模块用于对调制转移激光光路的信号进行调制，并对调制转移激光光路输出的探测光拍频信号进行解调制；所述数据采集模块用于对调制转移光谱信号进行采集；所述数据采集模块用于将调制转移光谱信号传输到上位机软件。本发明能实现基于解调制参考信号相位扫描及光谱信号处理与特征提取的锁频光谱信号的自动调节和最优化谱线输出。

Description

用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节装置及方法

技术领域

本发明属于激光锁频技术领域，涉及一种激光锁频谱线自动调节装置及方法，尤其是一种用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节装置及方法。

背景技术

激光器输出的激光频率存在长期漂移，尤其在环境温度、振动条件等发生变化时，激光频率变化更为显著。在一些对激光频率线宽要求较高的场合(如超冷碱金属原子的激光操控)，需要对激光器输出激光频率进行锁定。激光锁频一般是将激光频率锁定在某一不易受外界影响的、稳定度超高的频率参考之上，如原子共振吸收跃迁谱线。当激光器输出激光频率相对于锁定参考频率发生微小变化时，锁频检测电路输出锁频误差信号，该误差信号用于PID反馈调节激光器的激光频率控制端，如激光二极管的电流驱动或压电陶瓷驱动，从而将激光器输出频率重新拉回至参考频率处，实现激光频率的锁定。

调制转移光谱锁频是一种高灵敏度、高分辨率的激光锁频方法，具有类色散型的鉴频谱线，且谱线基底不易受环境温度、光偏振状态、光功率的影响，能够有效消除多普勒背景，因而具有良好的锁频稳定性。基于上述优势，调制转移光谱不仅适用于实验室环境，在外场测量、野外试验等对环境适应性要求较高的工程领域应用方面也具有很好的应用潜力。

调制转移光谱锁频的一般过程为，将调制信号源施加在再泵浦光路上，再泵浦光和探测光在原子气室内相向传输，发生近简并四波混频，探测光中产生调制边带信号。通过光电探测器收集探测光信号，对探测光基频和调制边带的拍频信号进行探测并放大后，采用一个与调制信号源同步的参考信号进行解调制，获得调制转移光谱锁频误差信号。当激光器频率扫描开启时，能够得到一条随激光器扫描电压变化的类色散型调制转移光谱信号曲线。结合不同应用场景的锁定频率需求，改变解调制参考信号源的相位，调制转移光谱的谱线形状也随之改变。

根据调制转移光谱锁频原理，最优化锁频谱线定义为：就某一锁定目标频率来说，该目标频率对应的调制转移光谱曲线过零点处的斜率达到最大，此时单位频率变化引起的光谱信号幅度变化最大，因而对频率的识别和分辨能力最高。目标频率点对应的谱线过零点的斜率与调制和解调制信号源的相位差有关。在保证调制和解调制信号源同源的情况下，对于一个固定的调制信号源输入，通过调节解调制参考信号源的相位，可将谱线在目标锁频点处的斜率调至最大，在该点处进行频率锁定，即完成整个锁频过程。

在上述过程中，通过调节解调制参考信号源相位获得最优化谱线以及锁频点的确认一般需要手动完成，且对光谱曲线锁频点确认和锁频光谱斜率的判断是主观的，对操作人员的技术要求较高。这也导致了在一些偏远地区长时间作业条件下，一旦出现系统故障或锁频点调整等情况时，需要较高水平的操作人员进行锁频辨识操作和系统恢复，系统的长时间评估和外场测量能力受限于人员条件。

经检索，未发现与本发明相同或相近似的现有技术的文献。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节装置及方法，可根据用户设定锁频目标频率点自动调节调制转移光谱锁频谱线，实现基于解调制参考信号相位扫描及光谱信号处理与特征提取的锁频光谱信号的自动调节和最优化谱线输出，从而大大降低了调制转移光谱激光锁频操作难度，实现不依赖操作人员专业水平的一键锁频。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节装置，包括：上位机软件、主控单元、调制解调制模块和数据采集模块；其中：

所述上位机软件与主控单元相连接，该上位机软件用于采集用户需求，进行参数设置及最优化谱线自动调节过程控制，以及数据处理运算；

所述主控单元的输出端与调制解调制模块相连接，该主控单元用于响应上位机软件的参数和指令，对调制解调制模块输出的调制信号和解调制信号进行中继控制；

该主控单元的输出端还与数据采集模块相连，用于响应上位机软件的指令，对光谱信号采集过程进行触发控制；

所述调制解调制模块用于响应主控单元的参数指令输出调制信号对调制转移激光光路的信号进行调制，以及对调制转移激光光路输出的探测光拍频信号进行解调制；

所述数据采集模块的输入端还与该调制解调制模块相连，用于对调制解调制模块输出的调制转移光谱信号进行采集；

所述数据采集模块还与上位机软件相连接，用于将所采集的调制转移光谱信号传输到上位机软件。

一种用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节方法，如图3所示，包括如下步骤：

步骤1、通过上位机软件设置锁频参数；

步骤2、主控单元配置调制参数；

步骤3、扫描解调制参考信号相位并同步采集对应光谱序列；

步骤4、上位机软件计算处理；

步骤5、主控单元配置最优化解调制相位参数；

步骤6、自动调节完成信息确认。

而且，所述步骤1的具体方法为：

用户通过上位机软件设置调制转移光谱工作频率、相位扫描点数、扫描时间、锁频目标频率、采样率的参数，并将其分发至主控单元和数据采集模块；如无设置，则上述参数默认为上一次用户设置；

而且，所述步骤2的具体方法为：

主控单元接收上位机软件发送的调制参数信息，并根据调制转移光谱工作频率参数完成调制解调制模块的调制信号和解调制信号输出的配置，通过时钟同步和初始相位设置，解调制参考信号相比于调制信号的初始相位偏移为

而且，所述步骤3的具体步骤包括：

(1)上位机软件输出开始自动调节指令给主控模块，主控模块配置调制解调制模块的解调制参考信号开始线性相位扫描，相位扫描范围为-π～π，相位扫描间隔为2π/N，相位扫描总时长为P秒，故每个相位扫描点等间隔维持时长为P/N；

(2)在相位扫描开始同时，主控模块输出触发信号触发控制数据采集模块开始采集用户设置的锁频目标频率点附近±X MHz范围内的调制转移光谱信号；采样时间为每个相位扫描点的保持时间P/N，采样率为R；对应于每个相位扫描点

采集的光谱信号幅度构成一个采样序列S_n(n＝1，2，...N)，序列内包含当前相位条件下的光谱信号的Q个采样点；由采样率和采样时间计算得到采样序列长度Q＝R·P/N；采样序列实时地传送到上位机软件进行线性拟合斜率K_n(n＝1，2，...N)计算。

而且，所述步骤4的具体方法为：

相位扫描结束后，上位机软件分别对各采样序列进行线性拟合并计算斜率K_n(n＝1，2，...N)，得到拟合斜率最大值，记为K_M，该最大值对应采样序列的相位序号M(M∈{1，2，...N})即为最优化解调制相位序号。上位机软件负责将该序号发送到主控单元进行最优相位设置。

而且，所述步骤5的具体方法为：

主控单元根据接收到的最优化相位序号对应的相位值

配置给解调制信号源，完成解调制参考信号源的相位优化，然后反馈上位机软件最优化相位配置完成标志OXFF。

而且，所述步骤6的具体方法为：

上位机软件接收配置完成标志并校验，校验正确后，输出自动调节完成消息框，提示用户可以进行一键锁频操作。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明通过对调制转移光谱解调制参考信号相位进行扫描的方式遍历了光谱信号的所有可能线形，通过上位机软件信号处理实现谱线特征提取与最优化参数识别，有助于对调制转移光谱最优化锁频谱线进行客观标准判断，有效降低人工操作和判断的主观因素干扰，进一步地，降低了激光锁频操作对人工操作水平的依赖。

2、本发明的自动调节装置通过上位机软件采集用户需求，通过主控单元实现自动调节过程的中继控制，通过调制解调制模块实现灵活可重构的光谱调制和谱线调节，通过数据采集模块实现实时光谱信息采集，最终实现了用户自定义的调制、解调制参考信号输出、解调制参考信号相位扫描、光谱信号采集与最优化特征识别、最优化参数自动配置和最优化锁频谱线自动输出。

3、本发明的自动调节方法在该装置的硬件设施基础上，合理利用上位机软件、主控单元、调制解调制模块和数据采集模块分别在人机交互与信号处理、过程控制、信号发生与重构、数据采集方面的优势，通过三个线程的串/并行同步协作，实现了人机交互友好、自动化程度高、执行速度快的最优化调制转移光谱谱线自动调节，有助于用户实现一键锁频。

附图说明

图1是本发明的用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节装置的原理结构框图；

图2是本发明的用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节过程示意图；

图3是本发明的用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节方法流程图。

具体实施方式

以下对本发明实施例作进一步详述：

一种用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节装置，如图1所示，包括：上位机软件、主控单元、调制解调制模块和数据采集模块；其中：

所述上位机软件与主控单元相连接，该上位机软件用于采集用户需求，进行参数设置及最优化谱线自动调节过程控制，以及数据处理运算；

所述主控单元的输出端与调制解调制模块相连接，该主控单元用于响应上位机软件的参数和指令，对调制解调制模块输出的调制信号和解调制信号进行中继控制；

该主控单元的输出端还与数据采集模块相连，用于响应上位机软件的指令，对光谱信号采集过程进行触发控制；

所述调制解调制模块用于响应主控单元的参数指令输出调制信号对调制转移激光光路的信号进行调制，以及对调制转移激光光路输出的探测光拍频信号进行解调制；

所述数据采集模块的输入端还与该调制解调制模块相连，用于对调制解调制模块输出的调制转移光谱信号进行采集；

所述数据采集模块还与上位机软件相连接，用于将所采集的调制转移光谱信号传输到上位机软件。

本发明所述装置的信号连接关系为：上位机软件的第一输出信号通路与主控单元的第一输入信号通路相连，负责传递用户设置的光谱调制参数及最优化谱线自动调节开启触发信号。上位机软件的第二输出信号通路与数据采集模块的第一输入信号通路相连，负责传递用户设置的光谱采集参数。上位机软件的第一输入信号通路与主控单元的第一输出信号通路相连，负责传递来自主控单元的执行反馈信息。上位机软件的第二输入信号通路与数据采集模块的第一输出信号通路相连，负责传递来自数据采集模块的光谱信号采集序列。主控单元的第二输出信号通路与调制解调制模块的第一输入信号通路相连，负责传递调制信号和解调制信号的频率、相位控制字等参数。主控单元的第三输出信号通路与数据采集模块的第二输入信号通路相连，负责传递光谱信号采集开始触发信号。调制解调制模块的第一输出信号通路与调制转移激光光路的第一输入信号通路相连，负责为调制转移激光光路提供调制和解调制信号。调制解调制模块的第二输出信号通路与数据采集模块的第三输入信号通路相连，负责传递调制转移光谱信号。

一种用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节方法，如图3所示，包括如下步骤：

步骤1、通过上位机软件设置锁频参数；

所述步骤1的具体方法为：

用户通过上位机软件设置调制转移光谱工作频率(调制频率)、相位扫描点数、扫描时间、锁频目标频率、采样率等参数，并将其分发至主控单元和数据采集模块；如无设置，则上述参数默认为上一次用户设置；

步骤2、主控单元配置调制参数；

所述步骤2的具体方法为：

主控单元接收上位机软件发送的调制参数信息，并根据调制转移光谱工作频率参数完成调制解调制模块的调制信号和解调制信号输出的配置，通过时钟同步和初始相位设置，解调制参考信号相比于调制信号的初始相位偏移为

步骤3、扫描解调制参考信号相位并同步采集对应光谱序列；

所述步骤3的具体方法为：

上位机软件输出开始自动调节指令给主控模块，主控模块配置调制解调制模块的解调制参考信号开始线性相位扫描，相位扫描范围为-π～π，相位扫描间隔为2π/N(N为相位扫描点数，可由用户通过上位机软件设置、更改)，相位扫描总时长为P秒(P可由用户通过上位机软件设置、更改)，故每个相位扫描点等间隔维持时长为P/N。在相位扫描开始同时，主控模块输出触发信号触发控制数据采集模块开始采集用户设置的锁频目标频率点附近±XMHz范围内(X可由用户通过上位机软件设置、更改)的调制转移光谱信号。采样时间为每个相位扫描点的保持时间P/N，采样率为R(R可由用户通过上位机软件设置、更改)。对应于每个相位扫描点

采集的光谱信号幅度构成一个采样序列S_n(n＝1，2，...N)，序列内包含当前相位条件下的光谱信号的Q个采样点。由采样率和采样时间可简单计算得到采样序列长度Q＝R·P/N。采样序列实时地传送到上位机软件进行线性拟合斜率K_n(n＝1，2，...N)计算。

步骤4、上位机软件计算处理

所述步骤4的具体方法为：

相位扫描结束后，上位机软件分别对各采样序列进行线性拟合并计算斜率K_n(n＝1,2,...N)，得到拟合斜率最大值，记为K_M，该最大值对应采样序列的相位序号M(M∈{1,2,...N})即为最优化解调制相位序号。上位机软件负责将该序号发送到主控单元进行最优相位设置。

步骤5、主控单元配置最优化解调制相位参数

所述步骤5的具体方法为：

主控单元根据接收到的最优化相位序号对应的相位值

配置给解调制信号源，完成解调制参考信号源的相位优化，然后反馈上位机软件最优化相位配置完成标志0XFF。

步骤6、自动调节完成信息确认

所述步骤6的具体方法为：

上位机软件接收配置完成标志并校验，校验正确后，输出自动调节完成消息框，提示用户可以进行一键锁频操作。

下面对本发明作进一步说明：

如图1所示为本发明所述用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节装置的原理结构框图。上位机软件可通过图形化语言编写，包含人机交互界面和后台控制和数据处理程序。人机交互界面采集用户设置的参数信息，通过后台控制程序将调制解调制模块相关参数和采集模块相关参数分发到主控单元和数据采集模块。主控单元可由一个以可编程逻辑门阵列(FPGA)为核心的控制电路实现，负责与上位机进行参数、指令的交互，以及将调制解调制模块相关参数转化为可执行的频率、相位控制字，通过串行外设接口通信等方式发送到调制解调制模块，从而实现对调制解调制模块输出的中继控制。调制解调制模块可由一个以直接数字频率合成器(DDS)为核心的射频信号源电路以及一个以鉴相器为核心的解调制电路实现，便于对输出信号频率、相位等参数进行快速调节，以及解调制信号相位扫描等过程的实现。数据采集模块可由一个通用的数据采集卡实现，便于上位机软件进行采集参数设置、采集过程的外部触发控制和采集数据的实时传输。

如图2所示为本发明所述用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节过程示意图。调制和解调信号之间的相位差为

对/>

从-π到π进行N点线性扫描，扫描点记为

在相位扫描过程中的每个/>

保持时间内，采集光谱信号在用户设定的锁频点附近±X MHz范围内的信号幅度，获得采样序列S_n(n＝1,2,...N)。分别计算每个采样序列的线性拟合斜率K_n(n＝1,2,...N)，取斜率最大值K_M所对应的采样序列序号M(M∈{1,2,...N})，则该序号对应的相位扫描点/>

为最优化相位值，将该值配置给调制解调制模块作为解调制参考信号的相位，从而获得当前目标频率下的最优化调制转移光谱锁频谱线。

如图3所示为本发明所述用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节方法流程图。整个时序流程分为三个线程，分别在上位机软件、主控单元和数据采集模块运行。首先，用户通过上位机软件设置锁频参数，软件后台将调制参数和采集参数分发到主控单元和数据采集模块，主控单元和数据采集模块进行相应的参数配置，配置完成后反馈上位机软件完成配置消息。上位机软件接收到完成消息后，输出触发信号，开启自动扫描过程。自动扫描过程由主控单元和数据采集模块协作执行。主控单元响应触发信号开始按照用户设置的相位扫描参数控制调制解调制模块进行解调制参考信号相位扫描，数据采集模块响应触发信号开始按照用户设置的锁频频率、采样率等参数进行光谱信号采集。每个相位扫描点对应的采集序列实时传递到上位机软件进行线性拟合及斜率计算。主控单元控制调制解调制模块完成相位扫描后，反馈上位机相位扫描完成消息，数据采集模块同步停止。接下来，上位机软件后台计算得到最大斜率值，将该斜率值对应的扫描序列序号发送给主控单元进行最优相位参数配置。主控单元将该最优相位值配置给调制解调制模块输出的解调制信号后，反馈上位机配置完成消息，整个最优化谱线自动调节过程结束。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、通过上位机软件设置锁频参数；

步骤2、主控单元配置调制参数；

步骤3、扫描解调制参考信号相位并同步采集对应光谱序列；

步骤4、上位机软件计算处理；

步骤5、主控单元配置最优化解调制相位参数；

步骤6、自动调节完成信息确认；

所述步骤3的具体步骤包括：

(1)上位机软件输出开始自动调节指令给主控模块，主控模块配置调制解调制模块的解调制参考信号开始线性相位扫描，相位扫描范围为-π～π，相位扫描间隔为2π/N，相位扫描总时长为P秒，故每个相位扫描点等间隔维持时长为P/N；

(2)在相位扫描开始同时，主控模块输出触发信号触发控制数据采集模块开始采集用户设置的锁频目标频率点附近±XMHz范围内的调制转移光谱信号；采样时间为每个相位扫描点的保持时间P/N，采样率为R；对应于每个相位扫描点

采集的光谱信号幅度构成一个采样序列S_n(n＝1,2,...N)，序列内包含当前相位条件下的光谱信号的Q个采样点；由采样率和采样时间计算得到采样序列长度Q＝R·P/N；采样序列实时地传送到上位机软件进行线性拟合斜率K_n(n＝1,2,...N)计算。

2.根据权利要求1所述的一种用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：

用户通过上位机软件设置调制转移光谱工作频率、相位扫描点数、扫描时间、锁频目标频率、采样率的参数，并将其分发至主控单元和数据采集模块；如无设置，则上述参数默认为上一次用户设置。

3.根据权利要求1所述的一种用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：

主控单元接收上位机软件发送的调制参数信息，并根据调制转移光谱工作频率参数完成调制解调制模块的调制信号和解调制信号输出的配置，通过时钟同步和初始相位设置，解调制参考信号相比于调制信号的初始相位偏移为

4.根据权利要求1所述的一种用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：

相位扫描结束后，上位机软件分别对各采样序列进行线性拟合并计算斜率K_n(n＝1,2,...N)，得到拟合斜率最大值，记为K_M，该最大值对应采样序列的相位序号M(M∈{1,2,...N})即为最优化解调制相位序号；上位机软件负责将该序号发送到主控单元进行最优相位设置。

5.根据权利要求1所述的一种用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节方法，其特征在于：所述步骤5的具体方法为：

主控单元根据接收到的最优化相位序号对应的相位值

配置给解调制信号源，完成解调制参考信号源的相位优化，然后反馈上位机软件最优化相位配置完成标志0XFF。

6.根据权利要求1所述的一种用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节方法，其特征在于：所述步骤6的具体方法为：

上位机软件接收配置完成标志并校验，校验正确后，输出自动调节完成消息框，提示用户进行一键锁频操作。

7.一种用于调制转移光谱锁频的最优化谱线自动调节装置，应用所述权利要求1至6的任一项的最优化谱线自动调节方法，其特征在于：包括：上位机软件、主控单元、调制解调制模块和数据采集模块；其中：

所述上位机软件与主控单元相连接，该上位机软件用于采集用户需求，进行参数设置及最优化谱线自动调节过程控制，以及数据处理运算；

所述主控单元的输出端与调制解调制模块相连接，该主控单元用于响应上位机软件的参数和指令，对调制解调制模块输出的调制信号和解调制信号进行中继控制；

该主控单元的输出端还与数据采集模块相连，用于响应上位机软件的指令，对光谱信号采集过程进行触发控制；

所述调制解调制模块用于响应主控单元的参数指令输出调制信号对调制转移激光光路的信号进行调制，以及对调制转移激光光路输出的探测光拍频信号进行解调制；

所述数据采集模块的输入端还与该调制解调制模块相连，用于对调制解调制模块输出的调制转移光谱信号进行采集；

所述数据采集模块还与上位机软件相连接，用于将所采集的调制转移光谱信号传输到上位机软件。

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