CN114838822A - 一种利用光谱信息自动识别双光梳状态的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用光谱信息自动识别双光梳状态的方法，步骤如下：基于传统识别方式实现双光梳脉冲，将双光梳进行分束成两路单梳信号并分别接入两台光谱仪，采集两路单梳脉冲获得目标光谱形状；通过光电结合获得两组等间隔纵模梳齿线的实时光谱形状；然后计算实时光谱形状和目标双光梳光谱形状之间的相似度从而识别双光梳状态。本发明有益效果如下：(1)利用光谱信息进行双光梳状态自动识别；(2)通过色散介质、模数转换器和计算单元获取光梳实时光谱数据用于双光梳状态判别的方法；(3)通过计算实时光谱数据和目标光谱数据之间的相似度，包含均方误差、相关系数这类计算方法，并将该相似度与阈值相似度对比判别是否为双光梳状态。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域，尤其涉及一种利用光谱信息自动识别双光梳状态的方法。
背景技术
光学频率梳简称光梳，在时域表现为等间隔的超短脉冲序列，在频域上则是等间隔纵模的梳齿线，相邻梳齿之间的频率差等于时域脉冲序列的重复频率。德国马普研究所的
教授和美国天体物理联合实验室的Hall教授也因发明光梳而获得了2005年诺贝尔物理学奖。
双光梳指的是一对具有微小重复频率差的光梳，能够实现更高的测量精度，具有更好的应用前景。2002年，Schiller教授首次提出双光梳测量的思想并验证了其可行性和有效性。然而双光梳系统实现复杂且难以实现稳定和高精度的调节，因此双光梳的智能控制显得尤为重要。双光梳的智能控制技术主要包括对双光梳脉冲状态的自动识别和对光学腔的智能反馈控制，实现双光梳脉冲状态自动识别是智能控制中非常重要的一环。
目前，人工实时观察和时域脉冲信息识别是目前双光梳脉冲状态识别的常用方式。人工实时观察指的是通过示波器或者光谱仪等设备对双光梳脉冲进行识别，该方法无法实现脉冲的实时监测以及智能双光梳模块的集成化。在设定时间窗口内双光梳脉冲个数是固定的，时域脉冲信息识别是通过高速模数转换器(ADC)对设定时间窗口内的脉冲进行采样，然后对脉冲计数实现双光梳脉冲状态的识别。该方法需要使用高采样率的ADC，并且会出现误判的问题。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，提供了一种有助于实现智能双光梳模块的集成化，且能在低ADC采样率条件下能够实现双光梳脉冲状态的准确识别，具有高效性且易于集成的利用光谱信息自动识别双光梳脉冲状态的方法。
本发明的技术方案：一种利用光谱信息自动识别双光梳状态的方法，步骤如下：
1)基于传统识别方式实现双光梳脉冲，将双光梳进行分束成两路单梳信号并分别接入两台光谱仪，采集两路单梳脉冲获得目标光谱形状；
2)通过光电结合获得两组等间隔纵模梳齿线的实时光谱形状；
3)然后计算实时光谱形状和目标双光梳光谱形状之间的相似度从而识别双光梳状态。
优选地，所述步骤1)基于双波长锁模、腔内双向传输双输出端或者多路偏振复用平台，采用光学手段分出两组等间隔纵模梳齿线来获得两路单梳脉冲。
优选地，所述步骤2)采用时间拉伸-色散傅里叶技术实现两路单光梳光谱的实时采样。
优选地，时间拉伸-色散傅里叶技术具体是利用色散区分出光脉冲中不同的波长成分，能够实现光谱信息在时域上的映射，两路单梳脉冲分别经过色散介质，然后通过光电二极管进行光电转换，最后模数转换器将两路单梳光谱数据采样至计算单元。
本发明利用色散介质对脉冲进行展宽获取脉冲实时光谱，有效降低了对模数转换器采样率的要求，提出基于实时光谱的判决方法，相比于时域脉冲计数的判决方式，能够实现更准确的判别。
优选地，一种利用光谱信息自动识别双光梳状态的方法，具体步骤如下：基于双光梳的实现手段进行分束，将分束后的两路单梳信号分别接入两台光谱仪中，通过手动调整激光腔的参数，然后人工观察是否实现出现双光梳状态，若出现则将两组光谱数据存储作为目标光谱；并将目标光谱数据，分别记为Atarget＝[at1，at2，…，atn]
和Btarget＝[bt1，bt2，…，btn]，
atn和btn表示模数转换器离散点n时刻采集到的两路目标单梳幅值；
在双光梳脉冲状态识别时，两路模数转换器接收的数据分别记为Areal＝[ar1，ar2，…，arn]
和Breal＝[br1，br2，…，brn]
ar1和br1表示ADC离散点n时刻采集到的两路实时单梳幅值；
在计算单元中，考虑到输入功率的不同，分别计算出系数:
kA＝max(Atarget)/max(Areal)
kB＝max(Btarget)/max(Breal)
然后计算出kA*Areal和Atarget之间的相似度QA，kB*Breal和Btarget之间的相似度QB；
假设光谱越相似其相似度越高，那么设定相似度阈值为QTH，当QA+QB＞QTH则可以判断当前腔内输出波形为双光梳状态。
优选地，相似度QA和QB采用均方误差的方法计算，计算公式如下：
优选地，其中双波长锁模具体指双波长双光梳光谱包含两个中心波长λ1和λ2，从双光梳腔中耦合出激光，然后经过耦合器分成两束光通过中心波长为λ1和λ2的光滤波器获得两路单梳脉冲A和B。
优选地，其中多路偏振复用采用双偏振双光梳的两路光梳具有相同的中心波长λ，但是两者的偏振态近似正交，因此从腔内耦合出激光后，通过偏振控制器和偏振分束器能够获得两路单梳脉冲A和B。
优选地，其中腔内双向传输双输出端具体是指双向双光梳的两路光梳也具有相同的中心波长λ，但是从腔内输出的方向不同，因此采用光纤耦合器从腔内直接输出两路单梳脉冲A和B。
本发明的有益效果如下：
(1)利用光谱信息进行双光梳状态自动识别；
(2)通过色散介质、模数转换器(ADC)和计算单元获取光梳实时光谱数据用于双光梳状态判别的方法；
(3)通过计算实时光谱数据和目标光谱数据之间的相似度(包含均方误差、相关系数这类计算方法)，并将该相似度与阈值相似度对比判别是否为双光梳状态。
附图说明
图1为本发明两路单梳光谱实时采样示意图；
图2为双波长双光梳光谱示意图；
图3为双波长双光梳分束示意图；
图4为双偏振双光梳光谱示意图；
图5为双偏振双光梳分束示意图；
图6为双向双光梳光谱示意图；
图7为双向双光梳分束示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，但并不是对本发明保护范围的限制。
双光梳实现方案有双波长锁模、腔内双向传输双输出端和多路偏振复用。如图2所示双波长双光梳光谱包含两个中心波长λ1和λ2，从双光梳腔中耦合出激光，然后经过耦合器分成两束光通过中心波长为λ1和λ2的光滤波器获得两路单梳脉冲A和B，分束示意如图3所示。如图4所示，双偏振双光梳的两路光梳具有相同的中心波长λ，但是两者的偏振态近似正交。因此从腔内耦合出激光后，通过偏振控制器和偏振分束器能够获得两路单梳脉冲A和B，分束示意如图5。如图6所示，双向双光梳的两路光梳也具有相同的中心波长λ，但是从腔内输出的方向不同，因此可以采用光纤耦合器从腔内直接输出两路单梳脉冲A和B，分束示意如图7所示。
为了实现两路单光梳光谱的实时采样，本发明的一种利用光谱信息自动识别双光梳状态的方法，采用了时间拉伸-色散傅里叶技术。时间拉伸-色散傅里叶技术是利用色散区分出光脉冲中不同的波长成分，能够实现光谱信息在时域上的映射。如图1所示，两路单梳脉冲分别经过色散介质(例如光纤，光栅等)，然后通过光电二极管(Photo-Diode，PD)进行光电转换，最后模数转换器(ADC)将两路单梳光谱数据采样至计算单元。
其具体步骤如下：
基于双光梳的实现手段进行分束，将分束后的两路单梳信号分别接入两台光谱仪中，通过手动调整激光腔的参数(例如偏振控制器)，然后人工观察是否实现出现双光梳状态，若出现则将两组光谱数据存储作为目标光谱；并将目标光谱数据，分别记为Atarget＝[at1，at2，…，atn]
和Btarget＝[bt1，bt2，…，btn](atn和btn表示模数转换器(ADC)离散点n时刻采集到的两路目标单梳幅值)。在双光梳脉冲状态识别时，两路模数转换器(ADC)接收的数据分别记为
Areal＝[ar1，ar2，…，arn]
和Breal＝[br1，br2，…，brn](ar1和br1表示ADC离散点n时刻采集到的两路实时单梳幅值)。
在计算单元中，考虑到输入功率的不同，分别计算出系数：
kA＝max(Atarget)/max(Areal)
kB＝max(Btarget)/max(Breal)
然后计算出kA*Areal和Atarget之间的相似度QA，
kB*Breal和Vtarget之间的相似度QB。假设光谱越相似其相似度越高，那么设定相似度阈值为QTH，当Q1+QB＞QTH则可以判断当前腔内输出波形为双光梳状态。相似度QA和QB可以采用均方误差的方法计算，计算公式如下:
Claims (9)
1.一种利用光谱信息自动识别双光梳状态的方法，其特征在于：步骤如下：
1)基于传统识别方式实现双光梳脉冲，将双光梳进行分束成两路单梳信号并分别接入两台光谱仪，采集两路单梳脉冲获得目标光谱形状；
2)通过光电结合获得两组等间隔纵模梳齿线的实时光谱形状；
3)然后计算实时光谱形状和目标双光梳光谱形状之间的相似度从而识别双光梳状态。
2.根据权利要求1所述的一种利用光谱信息自动识别双光梳状态的方法，其特征在于：所述步骤1)基于双波长锁模、腔内双向传输双输出端或者多路偏振复用平台，采用光学手段分出两组等间隔纵模梳齿线来获得两路单梳脉冲。
3.根据权利要求2所述的一种利用光谱信息自动识别双光梳状态的方法，其特征在于：所述步骤2)采用时间拉伸-色散傅里叶技术实现两路单光梳光谱的实时采样。
4.根据权利要求3所述的一种利用光谱信息自动识别双光梳状态的方法，其特征在于：时间拉伸-色散傅里叶技术具体是利用色散区分出光脉冲中不同的波长成分，能够实现光谱信息在时域上的映射，两路单梳脉冲分别经过色散介质，然后通过光电二极管进行光电转换，最后模数转换器将两路单梳光谱数据采样至计算单元。
5.根据权利要求4所述的一种利用光谱信息自动识别双光梳状态的方法，其特征在于：具体步骤如下：
基于双光梳的实现手段进行分束，将分束后的两路单梳信号分别接入两台光谱仪中，通过手动调整激光腔的参数，然后人工观察是否实现出现双光梳状态，若出现则将两组光谱数据存储作为目标光谱；并将目标光谱数据，分别记为Atarget＝[at1，at2，…，atn]和Btarget＝[bt1，bt2，…，btn]，
atn和btn表示模数转换器离散点n时刻采集到的两路目标单梳幅值；
在双光梳脉冲状态识别时，两路模数转换器接收的数据分别记为Areal＝[ar1，ar2，…，arn]和Breal＝[br1，br2，…，brn]ar1和br1表示ADC离散点n时刻采集到的两路实时单梳幅值；
在计算单元中，考虑到输入功率的不同，分别计算出系数:
kA＝max(Atarget)/max(Areal)
kB＝max(Btarget)/max(Breal)
然后计算出kA*Areal和Atarget之间的相似度QA，kB*Breal和Btarget之间的相似度QB；
假设光谱越相似其相似度越高，那么设定相似度阈值为QTH，当QA+QB＞QTH则可以判断当前腔内输出波形为双光梳状态。
6.根据权利要求5所述的一种利用光谱信息自动识别双光梳状态的方法，其特征在于：相似度QA和QB采用均方误差的方法计算，计算公式如下:
7.根据权利要求2所述的一种利用光谱信息自动识别双光梳状态的方法，其特征在于：其中双波长锁模具体指双波长双光梳光谱包含两个中心波长λ1和λ2，从双光梳腔中耦合出激光，然后经过耦合器分成两束光通过中心波长为λ1和λ2的光滤波器获得两路单梳脉冲A和B。
8.根据权利要求2所述的一种利用光谱信息自动识别双光梳状态的方法，其特征在于：其中多路偏振复用采用双偏振双光梳的两路光梳具有相同的中心波长λ，但是两者的偏振态近似正交，因此从腔内耦合出激光后，通过偏振控制器和偏振分束器能够获得两路单梳脉冲A和B。
9.根据权利要求2所述的一种利用光谱信息自动识别双光梳状态的方法，其特征在于：其中腔内双向传输双输出端具体是指双向双光梳的两路光梳也具有相同的中心波长λ，但是从腔内输出的方向不同，因此采用光纤耦合器从腔内直接输出两路单梳脉冲A和B。
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| CN (1) | CN114838822A (zh) |
Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116047535A (zh) * | 2022-12-30 | 2023-05-02 | 电子科技大学 | 基于色散傅里叶变换的双光学频率梳飞行时间法测距系统 |
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- 2022-05-25 CN CN202210572012.6A patent/CN114838822A/zh active Pending
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| CN116047535A (zh) * | 2022-12-30 | 2023-05-02 | 电子科技大学 | 基于色散傅里叶变换的双光学频率梳飞行时间法测距系统 |
| CN116047535B (zh) * | 2022-12-30 | 2024-03-22 | 电子科技大学 | 基于色散傅里叶变换的双光学频率梳飞行时间法测距系统 |
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