CN114512887A - 一种基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法，涉及相干层析成像技术领域，包括：S1：接入光调制器；S2：调制N次谐波傅里叶锁模激光器；S3：获得频率梳在时间域对应的非均匀离散扫频信号的时间位置；S4：在时间域上的斩波实现扫频频率梳；S5：将离散灵活可调的离散扫频信号作为相干层析成像系统的信号源；S6：获取实现高速大范围双模式的相干层析成像。本发明结构简单，使用方便，灵活性好，不可调谐性好，可以提供灵活可变的双模式切换的相干层析成像系统，提高成像准确率。
Description
技术领域
本发明涉及相干层析成像技术领域，
尤其是，本发明涉及一种基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法。
背景技术
利用扫频激光光源实现扫频频率梳能有效地减小测试数据量，在光学相干成像系统、激光雷达、光传感、光通信、光谱测量等领域都具有潜在的应用。目前报道的离散扫频频率梳都是在扫频激光腔内(傅里叶锁模激光器)或者激光腔外(外腔扫频激光器，基于时域拉伸的扫频激光器等)插入梳状滤波器将扫频信号在光谱上分割为数小段而实现的。但是梳状滤波器一旦做好将无法进行任何调整，灵活性很差，而且在相干层析成像系统中存在虚像解调的困扰。同时传统的基于扫频频率梳的相干层析成像系统只能实现单一模式的成像。
因此为了解决上述问题，设计一种合理的基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法对我们来说是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单，使用方便，有效解决目前基于梳状滤波器实现扫频频率梳的灵活性差，不可调谐等问题，也同时提供灵活可变的高速或者大范围双模式切换的相干层析成像系统，提高成像准确率的基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案得以实现的：
一种基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法，包括用于对激光腔内的信号进行放大的光放大器SOA、用于允许光信号中波长处于频谱上周期性透射峰位置的信号通过的梳状滤波器CF、用于对腔内信号进行窄带滤波的扫频滤波器TF、用于在驱动信号的带动下对腔内信号进行对应的强度调制的光调制器OM、用于将腔内信号进行分束的光分束器OC、用于控制腔内信号的偏振态的偏振控制器PC、光隔离器ISO、光纤延迟线ODL、光电探测器PD以及驱动信号源AWG，包括以下步骤：
S1：在傅里叶锁模激光器内接入光调制器；
S2：让任意波形发生器产生正弦信号驱动傅里叶锁模激光器时，使用光调制器将驱动频率调制为腔基频的预定数值倍实现预定数值次谐波傅里叶锁模激光器；
S3：根据扫频激光器的扫频曲线，设计在频率域离散的均匀扫频频率梳，获得这些均匀频率梳在时间域对应的非均匀离散扫频信号的时间位置；
S4：通过信号源产生时间位置的非均匀的离散脉冲信号加载到扫频激光器外接的调制器，通过在时间域上的斩波实现扫频频率梳；
S5：将离散灵活可调的离散扫频信号作为相干层析成像系统的信号源；
S6：在相干层析成像解调时通过一次数据获取实现高速大范围双模式的相干层析成像。
作为本发明的优选，执行步骤S4时，时域调制方法实现扫频频率梳时，只需要通过设计时间域脉冲信号的位置就可以实现任意自由光谱范围的扫频频率梳。
作为本发明的优选，执行步骤S5之前，基于时域调制的灵活性，基于外调制的可重构扫频频率梳源可以根据扫频激光器的特性实现不同的调制格式，对扫频频率梳的扫频频率及自由光谱范为进行灵活改变。
作为本发明的优选，执行步骤S6时，在相干层析成像解调时通过一次数据获取实现高速或者大范围双模式的相干层析成像的方法包括：利用前向或者后向一次完整的扫描、级联前向和后向一次完整的扫描、多个周期前向或者后向一次完整的扫描以及级联多个周期的前向和后向一次完整的扫描。
作为本发明的优选，执行步骤S2时，使用光放大器对激光腔内的信号进行放大。
作为本发明的优选，执行步骤S3时，使用梳状滤波器允许光信号中波长处于频谱上周期性透射峰位置的信号通过。
作为本发明的优选，驱动信号源(AWG)的数量至少为两个，至少产生一个电信号来驱动扫频滤波器(TF)进行周期性波长扫描，还至少产生一个电信号来驱动光调制器(OM)对光信号进行强度调制。
作为本发明的优选，执行步骤S2时，预定数值不小于3。
本发明一种基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法有益效果在于：结构简单，使用方便，有效解决目前基于梳状滤波器实现扫频频率梳的灵活性差，不可调谐等问题，也同时提供灵活可变的高速或者大范围双模式切换的相干层析成像系统，提高成像准确率。
附图说明
图1为本发明一种基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法的流程示意图；
图2为本发明一种基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法的各个元件的连接示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的模块和结构的相对布置不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法及系统可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法及系统应当被视为授权说明书的一部分。
实施例：如图1、2所示，仅仅为本发明的其中一个的实施例，一种基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法，包括用于对激光腔内的信号进行放大的光放大器SOA、用于允许光信号中波长处于频谱上周期性透射峰位置的信号通过的梳状滤波器CF、用于对腔内信号进行窄带滤波的扫频滤波器TF、用于在驱动信号的带动下对腔内信号进行对应的强度调制的光调制器OM、用于将腔内信号进行分束的光分束器OC、用于控制腔内信号的偏振态的偏振控制器PC、光隔离器ISO、光纤延迟线ODL、光电探测器PD以及驱动信号源AWG，各元件之间的连接关系如图1所示。
而且，基于外调制的可重构扫频频率梳源包括扫频光源、光分束器、探测器、信号源、偏振控制器和调制器。
在这里，光放大器(SOA)可以是半导体光放大器，其作用是对激光腔内的信号进行放大。梳状滤波器(CF)可以是基于法布里珀罗干涉仪、马赫曾德干涉仪、光纤环、光波导环等不同原理的梳状光谱滤波器，其作用是允许光信号中波长处于频谱上周期性透射峰位置的信号通过。扫频滤波器(TF)可以是基于光纤，玻璃，微机械或集成式的扫频滤波器，其作用是在特定时刻对腔内信号进行窄带滤波，而此窄带滤波的中心波长位置随时间进行周期性变化。光调制器(OM)可以是基于机械、电吸收、电光效应、声光效应等不同机制的强度调制器，其作用是在驱动信号的带动下，对腔内信号进行对应的强度调制。光分束器(OC)可以是基于光纤熔锥、波导分束等机制的光纤分束器器或者是自由空间光分束器，其作用是将腔内信号进行分束，一部分输出到腔外，一部分重新返回到腔内。偏振控制器(PC)可以是基于三环型、挤压型等不同类型的光纤在线偏振控制器或者是由玻片组成的自由空间偏振控制器，其作用是控制腔内信号的偏振态。光隔离器可以是光纤在线隔离器，或者是自由空间型的隔离器，其作用是阻断光信号在一个方向上的传输，保证腔内光信号为顺时针或逆时针单向运行。驱动信号源(AWG)可以是各种类型的一个或多个电信号源，也就是驱动信号源(AWG)的数量至少为两个，至少产生一个电信号来驱动扫频滤波器(TF)进行周期性波长扫描，还至少产生一个电信号来驱动光调制器(OM)对光信号进行强度调制。
基于以上元件，本发明包括以下步骤：
S1：在傅里叶锁模激光器内接入光调制器；
S2：让任意波形发生器产生正弦信号驱动傅里叶锁模激光器时，使用光调制器将驱动频率调制为腔基频的预定数值倍实现预定数值次谐波傅里叶锁模激光器；
执行步骤S2时，使用光放大器对激光腔内的信号进行放大。
而且，执行步骤S2时，预定数值不小于3，下文全部以三次谐波为例进行原理说明。
S3：根据扫频激光器的扫频曲线，设计在频率域离散的均匀扫频频率梳，获得这些均匀频率梳在时间域对应的非均匀离散扫频信号的时间位置；
在这里，执行步骤S3时，使用梳状滤波器允许光信号中波长处于频谱上周期性透射峰位置的信号通过。
S4：通过信号源产生时间位置的非均匀的离散脉冲信号加载到扫频激光器外接的调制器，通过在时间域上的斩波实现扫频频率梳；
执行步骤S4时，时域调制方法实现扫频频率梳时，只需要通过设计时间域脉冲信号的位置就可以实现任意自由光谱范围的扫频频率梳。
S5：将离散灵活可调的离散扫频信号作为相干层析成像系统的信号源；
当然，执行步骤S5之前，基于时域调制的灵活性，基于外调制的可重构扫频频率梳源可以根据扫频激光器的特性实现不同的调制格式，对扫频频率梳的扫频频率及自由光谱范为进行灵活改变。
S6：在相干层析成像解调时通过一次数据获取实现高速大范围双模式的相干层析成像。
执行步骤S6时，在相干层析成像解调时通过一次数据获取实现高速或者大范围双模式的相干层析成像的方法包括：利用前向或者后向一次完整的扫描、级联前向和后向一次完整的扫描、多个周期前向或者后向一次完整的扫描以及级联多个周期的前向和后向一次完整的扫描。
在单向离散的调制脉冲序列时，在频率域是均匀分布的，时间域为非等间隔时间脉冲序列。可以通过设计调节脉冲序列格式，获得不同的自由光谱范围。例如前向扫频频率梳的自由光谱范围(FSR)设计为300GHz或者后向扫频频率梳的自由光谱范围(FSR)设计为300GHz，就可以实现扫频频率梳的自由光谱范围(FSR)为300GHz。
在双向离散的两组调制脉冲序列，前向和后向在频率域是均匀分布的对应差一个自由光谱范围，组合调制后自由光谱范围变为原来的一半。前向和后向的脉冲调制格式也可以灵活设计，实现不同自由光谱范围。例如前向扫频频率梳的自由光谱范围(FSR)设计为300GHz，后向扫频频率梳的自由光谱范围(FSR)设计也为300GHz，通过前后向组合调制使前向调制信号和后向调制信号有150GHz的时间延迟，就可以实现扫频频率梳的自由光谱范围(FSR)为150GHz。
对于单向多个周期组合的调制，对单向其中三个周期设计三组调制脉冲序列，每组调制脉冲在频率域对应相同的自由光谱范围(FSR)，第二组脉冲序列相对于第一组脉冲序列在频率上偏移一个自由光谱范围(FSR)，第三组脉冲序列相对于第二组脉冲序列在频率上偏移一个自由光谱范围(FSR)，以此类推第三组脉冲序列相对于第二组脉冲序列在频率上偏移一个自由光谱范围(FSR),三组调制脉冲序列组合后产生新的扫频频率梳，自由光谱范围为每组自由光谱范围的1/3(需要注意的是，若是预定数值为N，这里就是N分之一)。例如每组调制的扫频频率梳为300GHz，每组调制信号的起始点相对于前一组调制信号的起始点偏移100GHz对应的时间延迟，这样就可以实现自由光谱范围为100GHz的扫频频率梳。同时前向三个周期离散的扫频频率梳与后向三个周期离散的扫频频率梳脉冲序列在频率上偏移一个自由光谱范围，三组前后向调制脉冲序列就可以产生自由光谱范围为每组自由光谱范围1/6的离散扫频频率梳。
通过利用前向或者后向一次完整的扫描或者级联前向和后向、或者多个周期前向或者后向、或者级联多个周期的前向和后向可以通过一次数据获取实现高速或者大范围双模式的相干层析成像系统。利用前向或者后向一次扫描的离散傅里叶锁模激光器相干层析成像系统解调的实验结果中，只利用一次扫描可以实现高速的相干层析成像系统，轴向成像速度为驱动扫频滤波器的频率；利用前向或者后向三个周期拼接的离散傅里叶锁模激光器相干层析成像系统解调的实验结果中，相比于单向单周期的离散扫频信号，相干层析成像系统的成像范围变为原来的3倍，同时成像速度变为原来的1/3；利用前后向三个周期拼接的离散傅里叶锁模激光器相干层析成像系统解调的实验结果中，相比于单向单周期的离散扫频信号，相干层析成像系统的成像范围变为原来的6倍，同时成像速度变为原来的1/6。所以，通过利用不同的离散扫频信号，就可以根据相干层析成像系统的实际需求，在高速成像和大范围成像两个模式切换，实现灵活可变的双模式相干层析成像系统。
本发明一种基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法的结构简单，使用方便，有效解决目前基于梳状滤波器实现扫频频率梳的灵活性差，不可调谐等问题，也同时提供灵活可变的高速或者大范围双模式切换的相干层析成像系统，提高成像准确率。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法，包括用于对激光腔内的信号进行放大的光放大器SOA、用于允许光信号中波长处于频谱上周期性透射峰位置的信号通过的梳状滤波器CF、用于对腔内信号进行窄带滤波的扫频滤波器TF、用于在驱动信号的带动下对腔内信号进行对应的强度调制的光调制器OM、用于将腔内信号进行分束的光分束器OC、用于控制腔内信号的偏振态的偏振控制器PC、光隔离器ISO、光纤延迟线ODL、光电探测器PD以及驱动信号源AWG，其特征在于，方法包括以下步骤：
S1：在傅里叶锁模激光器内接入光调制器；
S2：让任意波形发生器产生正弦信号驱动傅里叶锁模激光器时，使用光调制器将驱动频率调制为腔基频的预定数值倍实现预定数值次谐波傅里叶锁模激光器；
S3：根据扫频激光器的扫频曲线，设计在频率域离散的均匀扫频频率梳，获得这些均匀频率梳在时间域对应的非均匀离散扫频信号的时间位置；
S4：通过信号源产生时间位置的非均匀的离散脉冲信号加载到扫频激光器外接的调制器，通过在时间域上的斩波实现扫频频率梳；
S5：将离散灵活可调的离散扫频信号作为相干层析成像系统的信号源；
S6：在相干层析成像解调时通过一次数据获取实现高速大范围双模式的相干层析成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法，其特征在于：
执行步骤S4时，时域调制方法实现扫频频率梳时，只需要通过设计时间域脉冲信号的位置就可以实现任意自由光谱范围的扫频频率梳。
3.根据权利要求1所述的一种基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法，其特征在于：
执行步骤S5之前，基于时域调制的灵活性，基于外调制的可重构扫频频率梳源可以根据扫频激光器的特性实现不同的调制格式，对扫频频率梳的扫频频率及自由光谱范为进行灵活改变。
4.根据权利要求1所述的一种基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法，其特征在于：
执行步骤S6时，在相干层析成像解调时通过一次数据获取实现高速或者大范围双模式的相干层析成像的方法包括：利用前向或者后向一次完整的扫描、级联前向和后向一次完整的扫描、多个周期前向或者后向一次完整的扫描以及级联多个周期的前向和后向一次完整的扫描。
5.根据权利要求1所述的一种基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法，其特征在于：
执行步骤S2时，使用光放大器对激光腔内的信号进行放大。
6.根据权利要求1所述的一种基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法，其特征在于：
执行步骤S3时，使用梳状滤波器允许光信号中波长处于频谱上周期性透射峰位置的信号通过。
7.根据权利要求1所述的一种基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法，其特征在于：
驱动信号源(AWG)的数量至少为两个，至少产生一个电信号来驱动扫频滤波器(TF)进行周期性波长扫描，还至少产生一个电信号来驱动光调制器(OM)对光信号进行强度调制。
8.根据权利要求1所述的一种基于离散傅里叶锁模激光器的相干层析成像方法，其特征在于：
执行步骤S2时，预定数值不小于3。
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